推荐51单片机的智能塔吊控制器设计精品.docx

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推荐51单片机的智能塔吊控制器设计精品

基于51单片机的智能塔吊控制器设计

摘要

智能塔吊控制器为针对塔吊在工地实际施工中的安全隐患而研制。

控制器内部有单片机最小系统、实时时钟、E2PROM等集成电路组成，为了提高仪器的抗干扰能力和可靠性，在控制器内外信号之间采用了全光电隔离措施；控制器外部有压力传感器、霍尔传感器、控制和保护电路组成。

控制器主要完成塔吊在施工过程中的高度、幅度、负载重量、力矩实时监测、超限报警和保护等功能，为塔吊的安全施工提供保护措施，可广泛应用于各种塔吊控制场合。

关键词：

AT89C51单片机塔吊控制器光电隔离

Designofintelligenttowercranecontrollerbasedon51MCU

Abstract

Theintelligenttowercontrollerisdesignedtoaimatthesafetyhiddentroublethatthetowercranecanbeexposedtoinconstruction.TheinsideofthecontrollerisposedbyintegratecircuitssuchasSCM（SingleChipMicyoco）,realtimeclock,E2PROMandCMOSchip.Inordertoimprovetheabilityofantiiamminganddependability,itadoptesthewholephotoelectricityisolationinthesignalofinsideandoutside.Theoutsideofthecontrollerisposedbyaltitudesensor,extentsensor,weightsensor,thecontrolandprotectioncircuits.Thecontrollerismainlyusedtopletethefunctionssuchasthewatchoftheheight,theextent,theweightoftheloadandthemoment.Besidesitcangiveanalarmandprotecttheinstrumentwhentheloadexceedsthelimit.Theintelligenttowercranecontrollerhasmanyfunctionsanditsparametercanbeconvenientlyintercalated.Soitcanbeusedinmanyoccasio.

Keywords:

51SCM（singlechipmicyoco）;towercranecontroller；photoelectricityisolation

（）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的（），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用（）的规定，即：

按照学校要求提交（）的印刷本和电子版本；学校有权保存（）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位版权使用授权书

本学位作者完全了解学校有关保留、使用学位的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交的复印件和电子版，允许被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位。

涉密按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、（设计）质量

1、（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、（设计）水平

1、（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、（设计）质量

1、（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、（设计）水平

1、（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、（设计）质量

1、（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、（设计）水平

1、（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

第一章绪论

1.1塔吊监控研究现状

塔式起重机通常又称为塔吊，是目前在建筑工地上使用得非常普遍的大型垂直吊装起重运输机械设备。

在日常的使用中，如果塔吊司机不知道牵引小车在某一位置时最大能吊起多重的货物，也不知道正在吊的货物有多重，所以塔吊存在发生塔身翻侧、折断和塔吊吊臂折断等事故的危险。

由于塔吊体型庞大，一旦发生事故就必然是大事故或者是特大事故，不但造成人员的伤亡，往往还伴随着巨大的经济损失;而导致事故的原因大部分都是因为塔吊在起吊货物时超重。

因此，如何知道塔吊当前所起吊货物的重量和牵引小车在当前位置是否超重至关重要，本文介绍的塔式起重机起重性监控器就是为解决这个问题而研制。

图1.1-1塔吊图形

表1.1-1工作幅度

塔吊根据吊臂长度的不同有45m、50m和55m等多种规格，而每一种不同吊臂长度规格的塔吊根据吊钩的设置又有二倍率和四倍率之分，一旦吊臂长度确定，吊钩倍率确定，则牵引小车在吊臂上每一个位置都对应着一个最大吊重量，也就是说牵引小车在某一位置上所起吊货物的重量不能超过在同一位置所对应允许的最大吊重量，这种塔吊吊臂长度、吊钩倍率与允许的最大吊重量三者之间严格的对应关系所形成的曲线，在塔吊术语上就称之为起重性能曲线。

因此，塔吊司机必须严格按照起重性能曲线操作，牵引小车在每一个位置所起吊的货物都不能超过起重性能曲线上所对应允许的最大吊重量，否则的话发生事故就不可避免了。

可见起重性能曲线对塔吊的安全运行是何等的重要，换言之，本文介绍的塔式起重机起重性监控器是塔吊司机安全操作的保证，为塔吊带来一种既安全又实用而且也是塔吊必不可少的自动化装备。

1.2塔吊监控研究的意义

在事故多发的建筑行业，保证施工人员的人身安全，工地的建筑材料、及施工质量、设备等财产安全是施工单位管理者关心的头等大事。

建筑工地属于环境复杂，人员复杂的区域。

考虑到设备及人员的安全，一套有效的现场及远程视频监控系统对于管理者来说是非常有必要的。

通过视频监控系统，管理者可以了解到现场的施工进度，可以远程监控现场的生产操作过程，和现场材料的安全。

塔式起重机安全监控设备的使用，一方面由于准确地记录了其运行情况，为监督部门提供了加大管理力度、严格执法的依据。

进而督促操作和指挥人员提高安全意识减少或杜绝安全事故隐患。

另一方面其塔吊监控器及时报警功能要能及时提醒操作人员预防突发的安全隐患。

唯一不利的是需要增加部分投资，但这与事关人民安全相比是非常值得的。

为此，相关专业部门提出了有关塔吊监控器的事项。

第二章方案设计

2.1整体设计思路

塔式起重机起重性能监控器的主板主要用于传感器信号的检测、处理。

本设计采用AT89C51作为主板的控制核心，AT89C51是一种低功耗，高性能CMOS8位单片机，，采用了AEMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，它有较小的精简I/O端口，体积很小。

此外，AT89C51设计和配置了震荡频率可为0HZ并通过软件设置省电模式。

AT89C51在空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM、定时/计数器、串行口和外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器并保存RAM数据，停止芯片其它功能直至硬件复位，所以AT89C51非常适用做应用系统的处理器。

首先从传感器的形变量所转换的电压入口，由于外在的因素是非电量的变化，所以通过传感器通过外在压力的变化不失真地转换成相应的电量，并且经过转换的模拟电压很小，只有几十或者几百mV，要想该电压能够体现出所要表达的物理量，必须经过运放电路放大，把较小的信号放大得到约0~5V之间的电压，以便符合单片机芯片工作的正常共工作电压范围。

单片机处理的是数字信号，之前还应需把放大的模拟信号经过A/D转换器转换成数字信号。

因此主板芯片通过电压的大小可以传感器所感受的压力大小。

在运行情况状态下，如果检测到超重或者计算后的力矩超限，则会提示闪光报警。

但是在实际使用中，为了消除起动等情况下的重量冲击信号，需要提供延时保护程序。

延时时间为10ms为单位，因此可设定的延迟时间为0ms~255ms。

当重量或者力矩超限时间大于本参数值乘以10ms时，才能提示闪光报警。

处理过的信号通过单片机要通过数码管显示出来，数码管显示七段数码管连接单片机的P0口，驱动数码管选择三极管操作简单可行，实际电路也简单，电机的运行通过驱动芯片进行。

有信号发生时，附着在电机上运动的磁钢，每经过霍尔元件，霍尔元件会相应地输出一个脉冲，通过时间和脉冲的大小，进而可以计算得到塔吊吊物高度和钢丝绳所运动的距离，通过霍尔提供的脉冲信号通过单片机输出到电机驱动芯片，从而控制电机的运行状况。

进一步可以测出吊钩的高度和小车的位移，两个电机所控制不同对象，一个电机控制小车来回的位移，用来控制吊物与塔吊垂直的距离大小，另外一个电机用来起动吊物。

报警电路就是让相关责任人提早发现非正常运行时所出现的问题，便于及时采取措施面对，消除隐患所带来的事故。

然而本设计电机运行的同时，随着重物的加大，当重量值大于重量预警值时，控制器就会驱动发光二极管进行闪光报警，鉴于本设计是实验操作模型设计，选择闪光报警以显示其功能的可行性，不能应用于实际操作中，不易于被人们察觉。

然而在实际建筑工地上，塔吊正常运行工作时，当吊物超过一定报警预警值，发出相关声光报警，使人们对声光报警产生的信号更为敏感，采取相应的措施应对，避免事故的发生。

2.2整体设计框图

通过整体思路的设计，该设计是以AT89C51单片机芯片为核心主板的设计，外围扩展电路通过单片机对数字信号的处理实现对应的功能。

其中，主要有几个单元模块组成电机的驱动电路、霍尔传感器电路、数码管显示电路、压力传感器信号放大模拟转换电路和和闪光报警电路组成，通过他们之间的关联，从而确定出对应的总体设计框图，简单设计框图2.2-1：

图2.2-1塔吊监控设计框图

第三章设计辅助内容

3.1AT89C51单片机控制芯片

AT89C51（图三）L公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51可为你提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

主要性能参数：

与MCS-51产品指令完全兼容；4k字节可重擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；全静态操作；三级加密程序存储器；128*8字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；可编程串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式。

功能特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串口通信，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通讯口及中断系统继续工作。

掉电方式保护RAM中的内容，但晶振停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。

图3.1-1AT89C51引脚图

3.2AE2501B电机驱动芯片

AE2501B为集控制与电机驱动一体的两功能功功率放大驱动器，将分立元件集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。

该电路的两个输入端口与TTL/CMOS电平兼容，具有良好的抗干扰性，两个输出端可直接驱动直流电机正反转运动，具有较大的电流驱动能力，每通道可通过500mA的持续电流，峰值电流可达到1.1A；同时具有较低的输出饱和压降，内设抗浪涌保护电路适用于感性负载，使之在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管时安全可靠；因此被广泛用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。

其特点：

低静态电流，宽的电源电源范围：

3-9V，集控制与驱动一体，峰值电流1.1A，持续工作电流500mA，内置反响续流二极管，始于感性负载，与标准TTL/CMOS输出电平兼容，方便接口，让输入同为低时，马达停止，电路处于低功耗待机状态。

图3.2-1AT2501B管脚图

表3.2-1功能描述

序号

符号

功能

1

INA

电机正转输入

2

VCC

电源电压

3

VOB

电机反转输出

4

GND

地

5

GND

地

6

VOA

电机正转输出

7

VCC

电源电源

8

INB

电机反转输入

逻辑功能如表3.1-2：

表3.1-2逻辑功能表

INA

INB

VOA

VOB

直流电机

H

L

H

L

正转

L

H

L

H

反转

L

L

OPEN

OPEN

停止

H

H

X

X

X

3.3A/D模数转换芯片

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的分辨率。

学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。

其特点：

8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源提供供电输入电压在0~5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32us；一般功耗仅为15mW。

管脚顶视图图3.3-1：

图3.3-1ADC0832管脚顶视图

芯片接口说明

CS_片选使能，低电平使能。

CLK芯片时钟输入

GND芯片参考0电位（地）。

Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

D1数据信号输入，选择通道控制。

D0数据信号输出，转换数据输出。

CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。

CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。

ADC0832与单片机的接口电路如图3.3-2：

图3.3-2接口图

正常情况下ADC0832与单片机接口应为4条数据线，分别是CS，CLK，D0，D1。

但由于D0端与D1端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将D0和D1并联在一根数据上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用。

D0/D1的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片使能端CLK输入时钟脉冲，D0/D1端则使用D1端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个脉冲的下沉之前D1端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前D1端应输入2位数据用于选择通道功能。

3.4运放电路LM324

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单元电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著特点，该运算放大器可以工作的低到3.0伏或者高达32伏的电源下，静态电流大致为MC1471的静态电流的五分之一，共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性，输出电压范围也包含负电源电压。

其特点如下：

1短路保护输出；2真差动输入及；3低输入偏置电流：

最大为100纳安；4单电源工作：

3.0伏到32伏；5每一封装四个放大器；6内部补偿；7共模范围扩展到负电源；8行业标准引脚输出；9在输入端的静电嵌位增加可靠性而不影响器件的工作。

第四章硬件设计方案

4.1数码管显示设计

在设计该课题时，首先想到的是通过课题的设计能够显示出吊物的高度和吊物的重量，从而有效的设计可以从数码管上显示出塔吊所运行的状况。

在应用数码管进行显示时，首先需要考虑的问题是驱动电流，与发光二极管相同，数码管的发光段也需要串联限流电阻，以共阳极为例，串联的限流电阻阻值越大，电流越小，亮度越低；电阻值越小，电流越大，亮度越高。

在使用限流电阻时需要在每一段线上都串联限流电阻，而不要在公共端上串联电阻，如果在公共端上串联一个限流电阻，则在显示不同数字时，将会造成数码管的亮度不同。

用三极管控制共阳极数码管是利用三极管的开关特性，比如用pnp三极管的话，集电极接地，然后通过基极控制三极管的通断，当通过单片机给基极一个低电平时，发射极导通，集电极与发射极也之间也导通了，一般都是用三极管控制数码管的位选引脚。

简单地说就集电极和发射极相当于一个开关，基极是控制端，基极给高电平是，开关是断开基极给低电平时，开关合上。

设计图如图4.1-1所示：

图4.1-1数码管显示电路

4.2压力传感器电路设计

由于力的大小无法直接读出观测到，需要通过一定的转换条件可以显示出要测得数据大小，通过压力传感器形变量的改变，通过电压的输出可以有效地转换所得力的大小。

压力传感器是将输入的机械应变ε转换为变化的变换元件。

电阻变换器的输入应变ε=ΔL/L，即材料的长度相对变化量，它是一个无量纲的相对值。

通常ε=10-6为一个微应变。

电阻变

换器的输出量为电阻值的相对变化量ΔR/R。

电阻变换器有金属电阻变换器和半导体电阻变换器两种类型。

根据半导体材料的压阻效应：

Δρ/ρ=σπ且ρ=Eε其中：

σ是应力（F/S）;π是压阻系数，π=（40~80）*10-11m2/N,E是弹性变量，E=1.67*1011N/m2,所以电阻的相对变化为（ΔR/R）≈πEε要测量其他物理量，如压力、力、加速等，就要先将应变片贴在相应的弹性元件上，这些物理量被转换为弹性元件的应变，再经应变片将应变转换为电阻输出量。

压阻式传感器的满量程输出信号为70~350mV不等，其输出阻抗很高，这就要求放大电路也有很高的输入阻抗，不从传感器输出端吸收电流，以免破坏传感器的工作状态，这里介绍的是有芯片LM324组成的运放电路。

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性其工作特点1.短路保护输出2.真差动输入级3.可单电源工作：

3V~32V4.低偏置电流：

最大100nA5.每封装含四个运算放大器。

6.具有内部补偿的功能。

7.共模范围扩展到负电源8.行业标准的引脚排列9.输入端具有静电保护功能

经过LM324放大的约0~5V之间的电压信号经常adc0832的处理，把模拟信号转换为数字信号供单片机软件处理操作。

作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。

如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大范围之内，从而提高转换的宽度。

但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

通过前一级输出的电压信号，通过ADC0832转换成数字量，并且转换时间为32uS，所以A/D转换频率可以很快，数据的读取以程序子程序的调用的形式出现，方便了程序的移植。

经过单片机软