【正文】 .....11 電位器 ...............................................................................................................11 驅(qū)動芯片 ULN20xx ............................................................................................11 ULN20xx 芯片特點(diǎn) ....................................................................................11 ULN20xx 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及應(yīng)用電路 ................................................................. 12 平衡臂 .............................................................................................................. 13 4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ...................................................................................................... 13 單片機(jī)最小系統(tǒng) ................................................................................................ 14 時鐘電路設(shè)計(jì) .......................................................................................... 14 復(fù)位電路設(shè)計(jì) .......................................................................................... 15 驅(qū)動電路模塊 ................................................................................................... 16 穩(wěn)壓電源模塊 ................................................................................................... 17 變壓器 .............................................................................................................. 17 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ............................................................................................................. 18 編譯軟件 Keil C51 簡介 ..................................................................................... 19 軟件編譯 .......................................................................................................... 20 6 系統(tǒng)調(diào)試 .................................................................................................................... 21 Protel99se 及其操作簡介 ..................................................................................... 21 原理及 PCB 設(shè)計(jì) ............................................................................................... 22 硬件調(diào)試 .......................................................................................................... 23 硬件調(diào)試的準(zhǔn)備工作 ............................................................................... 23 調(diào)試過程 ................................................................................................. 23 設(shè)計(jì)結(jié)果 .......................................................................................................... 23 7 結(jié)論與研究展望 .......................................................................................................... 24 主 要結(jié)論 .......................................................................................................... 24 展望 ................................................................................................................. 25 參考文獻(xiàn) ........................................................................................................................ 26 致 謝 ........................................................................................................................ 27 聲 明 ........................................................................................................................ 28 附 錄 ........................................................................................................................ 29 第 1 頁 共 34 頁 1 引言 選題背景及意義 隨著社會的不斷進(jìn)步，人們對生活條件的不斷優(yōu)化，人們對衣食住行的要求越來越高，高樓大廈不斷平地而起。而其中在建筑高樓大廈過程中塔式起重機(jī)有著不菲的貢獻(xiàn)， 可以說塔式起重機(jī)的生產(chǎn)和發(fā)展是人們提高效率節(jié)約經(jīng)濟(jì)的有效途徑，塔式起重機(jī)越來越被人們熟知。塔式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)不斷被人們所了解，其中包括起重臂、前臂拉桿、塔帽、后壁拉桿、平衡臂、旋轉(zhuǎn)塔身、上下轉(zhuǎn)臺、頂升套架、塔身、底架、基礎(chǔ)等。當(dāng)前的塔式起重機(jī)多由人直接操作，過程中難免會發(fā)生一些不可抗因素，這存在這許多的安全隱患，若起重機(jī)能自動操作，根據(jù)重物的重量自行搬運(yùn)，不但節(jié)省了人力，也避免了許多不可抗因素 ，確保了安全性 [7]。 在日常的工作、學(xué)習(xí)、生活以及工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐中，單片機(jī)的使用越來越廣泛，貫穿始終，單片機(jī)的 電路簡單，容易調(diào)試，若是把單片機(jī)與吊塔結(jié)合起來對塔式起重機(jī)的發(fā)展有很大的作用，到時后工地上的吊塔都是自動運(yùn)行，一方面提高了工作效率另一方面也降低了事故發(fā)生率雖然現(xiàn)在還不好找到適合大型塔式起重機(jī)的單片機(jī)，但假以時日，該研究方向肯定會對塔式起重機(jī)的發(fā)展有巨大的推動作用 [1]。 國內(nèi)外同類研究概述 在生活中最常見的平衡臂的運(yùn)用是作為運(yùn)送物體的塔吊，塔吊是承受臂架拉繩及平衡臂拉繩傳來的上部荷載，并通過回轉(zhuǎn)塔架轉(zhuǎn)臺、承座等的結(jié)構(gòu)部件式直接通過轉(zhuǎn)臺傳遞給塔身結(jié)構(gòu)。自升塔頂有截錐柱式、前傾或后傾截錐柱式、人字架式 及斜撐架式。凡是上回轉(zhuǎn)塔機(jī)均需設(shè)平衡重，其功能是支承平衡重，用以構(gòu)成設(shè)計(jì)上所要求的作用方面與起重力矩方向相反的平衡力矩。除平衡重外，還常在其尾部裝設(shè)起升機(jī)構(gòu)。起升機(jī)構(gòu)之所以同平衡重一起安放在平衡臂尾端，一則可發(fā)揮部分配重作用，二則增大繩卷筒與塔尖導(dǎo)輪間的距離，以利鋼絲繩的排繞并避免發(fā)生亂繩現(xiàn)象。平衡重的用量與平衡臂的長度成反比關(guān)系，而平衡臂長度與起重臂長度之間又存在一定比例關(guān)系。平衡重的量相當(dāng)可觀，輕型塔機(jī)一般至少要 34t，重型的要近 30t。 我國的塔機(jī)行業(yè)于 20 世紀(jì) 50 年代開始起步，塔機(jī)在中國發(fā)展的比較 快速，相對于中西歐國家由于建筑業(yè)疲軟造成的塔機(jī)業(yè)的不景氣，我國的塔機(jī)業(yè)正處于一個迅速的發(fā)展時期。 本文研究內(nèi)容 本文研究的是基于單片機(jī)的平衡臂控制系統(tǒng)， 主要是對塔吊平衡進(jìn)行模擬，通過單片機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)其平衡。 根據(jù)此課題主要著手研究以下內(nèi)容： 掌握平衡系 第 2 頁 共 34 頁 統(tǒng)的基本構(gòu)架，熟悉相關(guān)的硬件和軟件知識，再結(jié)合實(shí)際需要設(shè)計(jì)出控制平衡臂達(dá)到平衡的硬件框架結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)流程。其中硬件主要包括：平衡臂、單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、螺桿、螺帽、變壓器。軟件包括：主程序、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、平衡判斷模塊。按照本設(shè)計(jì)思路及方法即可制成一個具 有自動實(shí)現(xiàn)平衡臂平衡的實(shí)際電路成品。 2 總體方案設(shè)計(jì) 方案比較論證 方案一 本設(shè)計(jì)要求平衡臂自動達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)平衡臂的平衡可通過多種方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，可以將舵機(jī)安放至平衡臂中心位置，通過舵機(jī)控制臂桿左右偏向從而實(shí)現(xiàn)平衡臂的兩端平衡 [9]。 方案二 通過小車來控制平衡臂平衡，在平衡臂上端放置小車，最初時小車放在平衡臂正中央，平衡臂失去平衡時，為達(dá)到平衡，小車向著向上翹起的一段移動，小車靠電動馬達(dá)驅(qū)動，馬達(dá)與角度傳感器相連，當(dāng)角度傳感器檢測出平衡臂與水平面平衡時馬達(dá)停止轉(zhuǎn) 動 [10]。 方案 三 方案三采用的是杠桿原理，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動帶動螺旋傳動機(jī)構(gòu)，若固定步進(jìn)電機(jī)，則螺桿在轉(zhuǎn)動時在水平方向上就不會移動，螺桿一端鑲嵌有螺母，螺桿轉(zhuǎn)動時，螺母就會移動，當(dāng)兩邊力矩相同時，平衡臂即可達(dá)到平衡 [5]。 方案對比 方案一運(yùn)用舵機(jī)，由于舵機(jī)控制臂桿左右的偏向是非線性控制，程序?qū)崿F(xiàn)相對較為復(fù)雜，且舵機(jī)能夠承受的力矩較小，其在平衡臂的應(yīng)用的并不合適，故方案一不能采用。案二需要平衡臂較寬，而且馬達(dá)的動力必須比較高，平衡臂與小車輪胎之間的摩擦力也不可忽視，因?yàn)楫?dāng)平衡臂偏 移過大小車很有可能無法向反方向運(yùn)動而掉落，故方案二亦布恩那個采用。在方案三中即使平衡臂偏移非常大，電機(jī)在旋轉(zhuǎn)時仍然可以改變螺母的位置從而使平衡臂重新達(dá)到平衡，而且方案三電路整體設(shè)計(jì)簡潔，軟件編寫也更為簡單，制成硬件電路后更易于調(diào)試，所以最終采用方案三。 第 3 頁 共 34 頁 系統(tǒng)框圖 圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 設(shè)計(jì)原理 設(shè)計(jì)當(dāng)中把電機(jī)固定在平衡臂上的中央，把電機(jī)的端子嵌入進(jìn)一個很長的螺桿中，因?yàn)殡姍C(jī)被固定，螺桿又與端子相連，故電機(jī)在轉(zhuǎn)動時螺桿只會轉(zhuǎn)動而不會與平衡臂有仍和的相對位移，那么此時套在 螺桿上的螺母就會因?yàn)槁輻U的轉(zhuǎn)動而或前或后的移動，螺母的移動改變了平衡臂的力矩，為使平衡臂平衡電機(jī)必須調(diào)整螺母的位置來使得平衡臂達(dá)到平衡，電機(jī)在桿傾斜時應(yīng)該轉(zhuǎn)動，平衡時應(yīng)該停止是整個設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的問題。 本次設(shè)計(jì)選用過的 12C5A60S2芯片內(nèi)含 8路 10位 A/D轉(zhuǎn)換， AD值變換范圍是0～ 1024，通過實(shí)驗(yàn)室的開發(fā)板測得：平衡臂在平衡時相應(yīng)的 AD值為 890左右，由于 AD值有波動范圍，故設(shè)置當(dāng) AD值在 888～ 892范圍內(nèi)時，平衡臂達(dá)到平衡，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)平衡角度對應(yīng)的 AD值不在 888～ 892這一范圍時電機(jī)相應(yīng) 的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)直到平衡臂達(dá)到平衡為止。由于每一個 AD值都對應(yīng) 壓，為了達(dá)到對應(yīng)的電壓值， 設(shè)計(jì)當(dāng)中巧妙的運(yùn)用了一個劃動電阻器來解決電壓的分壓。平衡臂的中端有一個軸承，該軸承與劃動電阻器相連，當(dāng)平衡臂左右搖擺時，電阻器上的滑片也相應(yīng)的改變位置。 設(shè)定單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換口，