1、天 津 城 建 大 学本科毕业论文基于无线传输的起重机称重及过载保护系统The crane load and overload protection systembased on wireless transmission学 生 姓 名 ： 吴安新学 生 学 号 ： 09700105专 业 名 称 ： 电子与信息工程指 导 教 师 ： 刁寅午计算机与信息工程学院2013 年 月 日独创性声明本人声明所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导教师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以引用标注之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，没有伪造数据的行为。毕业设计（论文）作者签
2、名： 签字日期： 年 月 日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者完全了解学校有关保留、使用论文的规定。同意学校保留并向有关管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权天津城市建设学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。（保密的毕业设计（论文）在解密后适用本授权说明）毕业设计（论文）作者签名： 指导教师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要本设计主要介绍了起重机自动称重及过载保护系统的基本构成与功能实现。该系统组成分为上下位机，上位机组成电路包括 LCD 彩屏显示，无线
3、传输，电源电路；下位机组成电路包括拉力传感器，三轴加速度传感器，无线传输，电源电路，1602 液晶显示。系统主要实现起重机在运行过程中的拉力、三轴加速度、负载重量的实时监测与显示、超限报警和保护等功能。本系统由拉力传感器测量拉力值并由三轴加速度传感器修正加速度，上位机将拉力与加速度经过数学运算，得出负载实际重量，最终实现起重机的动态称重功能。同时还可以进行重量的累计，从累计重量中我们可知道起重机一段时间的总工作量。设计通过声光报警系统实现超重报警，以保证操作安全。本设计采用无线数据传输避免了传统的有线数据传输所带来的不便利性，并且功能多、操作简单、扩展性强，可广泛应用于各种起重机控制场合。关键
4、词：盛群单片机；传感器；加速度修正；无线传输； ABSTRACTThis design introduces the basic configuration and functions of the crane automatic weighing and overload protection system. The design of the system is divided into host and slave computer, and the slave machine peripheral circuits, including force sensor, three-axis
5、 acceleration sensor, wireless transmission module and 1602 LCD. Host computer peripheral circuits, including LCD color display, wireless transmission module. The system is mainly used to complete the functions such as the real-time monitoring and display of the tension, the three-dimensional accele
6、ration and the load weight. Besides, it can give an alarm and protect the instrument when the load exceeds the limitation.The system measures the tension values by the pulling sensor and triaxial accelerometer corrected acceleration. The host computer can draw the actual weight of the load by calcul
7、ating the tension and acceleration and ultimately achieve the dynamic weighing function. System achieve overweight alarm by a sound and light alarm system.It also can cumulate weight and we can know the total workload for some time. The system can both automatic weighing and effectively guarantee th
8、e safe operation of the crane. This design avoids the unconvenience of the traditional wired data transfer and there are lots of features such as multi-function, easy operation, scalability, and so on.It can be widely used in various crane controlling applications.Key words：Holtek MCU； sensor； accel
9、erometer correction； wireless transmission目 录第 一 章 绪论.11.1 起重机动态称重的意义.11.2 本设计功能、特色.1第 二 章 系统方案设计.32.1 方案选择.32.1.1 系统结构选择 .32.1.2 微处理器选择 .32.1.3 上位机显示器选择 .42.1.4 下位机显示器选择 .42.1.5 无线收发芯片选择 .42.1.6 加速度传感器选择 .52.2 系统设计.52.2.1 整体设计 .52.2.2 上位机设计 .62.2.3 下位机设计 .7第 三 章 系统硬件设计.93.1 系统微处理器介绍.93.2 拉力传感器信号放大电
10、路设计.103.3 三轴加速度传感器电路设计.113.3.1 ADXL345 三轴加速度传感器介绍 .113.3.2 与单片机接口电路设计 .123.4 无线收发电路设计.123.4.1 CC1100 无线收发芯片介绍 .123.4.2 具体电路设计 .133.5 Uart 串口通信电路设计 .143.5.1 MAX232 芯片介绍 .143.5.2 具体电路设计 .153.6 LCD1602 液晶显示电路设计.153.7 声光报警电路设计.163.8 电源电路设计.173.8.1 输出 5V 电源电路设计 .173.8.2 输出 3.5V 电源电路设计 .183.8.3 输出 -5V 电源电
11、路设计 .193.9 复位电路设计.19第 四 章 系统软件设计.204.1 程序设计流程图.204.2 算法介绍.224.2.1 加权平均滤波算法 .234.2.2 抛物线插值算法 .24第 五 章 未来开 发前景.26结 论.27致 谢.29参考文献.30附 录 1.31附 录 2.34第一章 绪论1第 一 章 绪论1.1 起重机动态称重的意义起重机属于起重机械的一种，是作来回循环与间歇运动的机械，在现代工业生产过程中起重机担任着重要的角色。如冶金、矿山、化工等工矿企业以及港口码头、交通运输、物资贮运等部门，广泛使用各种起重机械进行起重、运输、装卸和安装作业。在工业生产现场中,有很多场合需
12、要在正常作业的同时测量出所需物料的质量,实现动态称重的功能。动态称重是指被称物体处于吊运状态时就可以实现负载的称重。在日常生活中经常遇到的是静态称重，然而在实际生产中，例如流水线生产、食品加工、医药生产、生产计量、交通运输等大多涉及的是动态称重。动态称重可以缩短作业时间、改善操作条件、提高生产效率和加强企业管理，从而推进了工业生产的自动化和管理的现代化。在过去，大宗的煤、矿粉、粮食、化肥等散堆物料，在我国乃至世界许多国家的港口、铁路及公路货运中仍广泛采用“目测法” （即“吃水线法” ）和“过磅法”大概估计所吊物料重量。这种装卸方式不仅增加作业流程，严重影响运输与生产效率，同时耗费大量能源，造成
13、严重的环境污染。如今随着计算机技术与自动控制技术的高速发展，起重机的动态称重功能已经广泛应用于港口、铁路、矿山等领域，它使得装载机在装运货物时能按计划装卸，省时、省力，防止超载、超运，减轻设备磨损，降低运输成本，提高工作效率等。在工矿产业中，如煤炭、石油开采等，需要起重机能够自动测量开采矿物的重量；在车站 库仓或港 码头，需要起重机来完成大型货物、集装箱、船只在装载过程中同时实现称重口的工作；在水泥生产或者钢铁冶炼中，起重机需要对水泥或钢铁实现动态称重；在农和林场方面，稻草与木材同样需要起重机动态称重。在化工原料或食品包装中，需业要起重机实现定量定重装载。可见本设计的起重机动态称重控制器与我们
14、的生产、生活息息相关，具有极其重要的现实意义。1.2 本设计功能、特色起重机械在生产工作过程中，起吊重物时要承受各种载荷，例如静态载荷、动态载荷、交替变换载荷、瞬间冲击载荷以及无规律振动载荷等。各承载部件和结构件会产生相应的应对力和形变，如果应对力和形变超过机械构件的最大限度时，就会使构件丧失功能甚至导致构件破坏，从而造成机械自身的损坏危险，甚至可能对工作人员造成严重的人身伤害。第一章 绪论2本设计作品利用盛群单片机作为主控芯片，设计一套基于无线传输的起重机自动称重及过载保护系统。该系统大致的工作过程是单片机通过对拉力、三维加速度进行实时的采集，并将数据无线传输给起重机操作室内的上位机中。上位
15、机对数据进行有效处理，利用拉力减去加速度产生的力，得到精准的负载重量。在上位机中，可显示下位机采集的拉力值、XYZ 三轴加速度值和上位机用算法计算出的瞬时重量、平均重量、累计重量、塔吊最大负荷等数据，当起吊物重量超过起重机的最大负荷时，上位机的实时报警功能及时提醒操作人员应预防突发的安全隐患。设计中使用了三轴加速度传感器测量运动中负载的三维加速度值，提高加速度测量的精确度。下位机能够实时显示各种传感器测量得到的结果，并及时传递给驾驶员，让其能够了解所称物体的所有信息。同时系统支持实时过载报警，能及时提醒操作人员停止作业并察看问题所在，保证驾驶员的人身安全以及塔吊设施的安全。该系统最主要的特点在
16、于上下位机间的联系采用无线传输，这样就能够使系统满足在大型塔吊及龙门吊中远距离传输的条件，并且能减少信号在传输过程中的损耗，提高传输能力，此外，本作品在传感器的设计时充分考虑到了节能低功耗，不需要电源供电，只由其本身自带的锂电池进行供电的情况下，也能够长时间正常工作；另外，下位机还带有开机校验,智能配置参数，以保证测量物体的重量更加准确！现在市场上的起重机很少有能直接显示所称物体的质量的，所以导致驾驶员不知道起吊物是否超过了起重机的承受能力，就盲目的操作，就会造成一些起重机事故，甚至危及驾驶员的人身安全，本作品就解决了这个问题，所以本作品具有相当高的使用价值与市场价值第二章 系统方案设计3第
17、二 章 系统方案设计2.1 方案选择2.1.1 系统结构选择方案一：选择将系统所有的功能模块集合在统一的系统板中，仅由一个微处理器处理。这样做虽然系统结构简单了，但微处理器工作量太大，而且起重机在称重时包括传感器与显示，而传感器必须置于起重机挂钩处，显示则需放与操作室里，二者是分开工作的，统一的系统板显然不可行。因此本系统结构设计不采用此方案设计。方案二：选择将系统分为上下位机两部分，下位机安装于起重机挂钩处，上位机安装于操作室内。下位机实现拉力传感器测量以及三轴加速度修正，上位机实现数据处理与显示，系统工作灵活，每个微处理器工作量也小很多，且二者间互不干涩，还解决了统一系统中测量与显示安装位
18、置的矛盾。故本系统整体结构设计采用上下位机设计。方案三：选择无线传输联系上下位机。由于起重机要实现动态测量，如果用有线数据传输，对起重机的运作将带来极大的不便，而无线传输恰恰解决了这个问题，起重机可以自由操作，不受有线的束缚，也不影响数据传输，因此本设计采用无线传输实现上下位机的数据传输。2.1.2 微处理器选择方案一：选取盛群 HT66fu50 作为主控芯片,该芯片是一种低功耗的 Flash 单片机。它具有高性能精简指令集，内置 IIC、SPI 数据总线以及 Uart 串行全双工通信接口，35 个通用 / 口运用灵活，贴片封装，体积极小。此外，HT66fu50 设计和配置了五IO种震荡模式，
19、有内部 RC 振荡器HIRC、内部 32kHz RC 振荡器LIRC、外部晶体振荡器HXT、外部 32.768kHz 晶体振荡器 LXT、外部 RC 振荡器ERC、并且还可以通过软件设置空闲模式与掉电模式。HT66fu50 在空闲模式下，CPU 工作暂停，但是定时/计数器、RAM、串行 和外部中断系统仍可继续保持正常的 作状态。口 工HT66fu50 在掉电模式下，振荡器将停止工作并且单片机将 RAM 中的数据保存，停止片其它所有功能直到硬件复位为止。HT66fu50 功能强大操作灵活非常适用于做应用芯控制系统的微处理器，所以本设计采用该芯片作为上下位机的微处理器。第二章 系统方案设计42.1
20、.3 上位机显示器选择方案一：选取 LCD 1602 液晶显示屏。1602虽然具有显示字母效果，但没有汉字字库并且屏幕太小，内容显示非常有限，只能显示两行，不能显示过多信息，不满足上位机内容显示要求，故上位机显示不能采用此方案设计。方案二：选取点阵型 LCD (128*64) 液晶显示屏。虽然 12864 显示器模块自带字库和简单图库，可显示汉字以及简单图形，但占用资源又较多，显示色彩也单一。上位机显示要求色彩多样、清晰，因此不满足显示要求，故上位机显示也不采用此方案设计。方案三：选取迪文 DUGS 彩屏显示器。该显示器是大屏幕显示，屏宽达到640*480，支持4 线 Uart串口连接，占用资
21、源极少。色彩丰富可图文并茂显示，还可以动态显示曲线、柱形图、进度条等。支持人机操作界面，具有触摸感应操作，功能极为强大，操作也简单。因此上位机采用迪文 DUGS 彩屏显示器实现显示功能。 2.1.4 下位机显示器选择方案一：选取数码管与 74 LS 164 构成显示模块。数码管显示结构简单，控制方便，调试便捷，并且串行显示占用 I / O 少；但只能显示数字，不能显示字母和汉字，且显示内容较少，而下位机显示内容较多，有字母也有汉字，故下位机显示设计不采用数码管显示。方案二：选取点阵型 LCD (128*64) 液晶显示屏。12846 显示器能同时显示汉字、字母与数字。虽然功能强大，但占用资源较
22、多，编程也相对复杂，成本较高，而下位机显示较简单，不需要太复杂的显示，因此此方案对于下位机显示有些大材小用了，故下位机也不采用此方案作为显示设计。 方案三：选取 LCD 1602 液晶显示屏。1602 液晶显示器同样具有显示字母与数字功能，可满足下位机简单显示要求，又支持串行数据输入，占用 I / O 资源少，并且功耗低，控制灵活，操作简易，成本低廉，故下位机显示设计采用 LCD 1602 液晶屏。2.1.5 无线收发芯片选择方案一：选取 nRF2401 无线芯片构成无线模块。该芯片工作于 2.4GHz2.5GHz的 ISM 频段，它包括一个完全集成的晶体振荡器，频率合成器，功率放大器和调制解调器。但传输距离过于短，在开阔地仅 30 到 50 米,无法满足起重机上下位机间的距离要求，因此无线模块设计不采用此方案。方案二：选取 CC1100 无线芯片构成无线模块。CC 1 100 是一款专门为满足无线收
