基于單片機(jī)的稱重裝置在電梯系統(tǒng)中的應(yīng)用

李 海，林少茵

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山 528404）

工業(yè)生產(chǎn)和日常生活都離不開稱重計(jì)量。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，人們對(duì)稱重的精度要求不斷提高，特別是在包裝、食品、化工、醫(yī)藥、科研等行業(yè)中，都要求有較高的稱重精度。隨著傳感器，單片機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，電子秤可以完成在運(yùn)動(dòng)中實(shí)時(shí)稱重、顯示、記錄及設(shè)定信號(hào)。并且和單片機(jī)一同實(shí)現(xiàn)在線控制和測量，根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的程序，對(duì)測重過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。除此以外，還可以對(duì)采集到的那個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行各種參數(shù)分析和修正，自動(dòng)求得和顯示諸如重量、皮重、凈重、毛重、單價(jià)等。

電梯稱重檢測裝置作為電梯設(shè)備的基礎(chǔ)元件，影響著電梯的安全和運(yùn)行。它根據(jù)轎廂重量的變化輸出電壓信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)至電梯控制系統(tǒng)，系統(tǒng)再控制變頻器輸出相應(yīng)的力矩以控制電梯安全、平穩(wěn)啟動(dòng)。為了解決電梯系統(tǒng)中的重量控制問題，本文利用AT89S51單片機(jī)設(shè)計(jì)了電子稱重系統(tǒng)。

1 電梯稱重裝置

電梯的稱重裝置包括機(jī)械和電氣兩部分，機(jī)械部分主要是用于檢測轎廂因重量變化而產(chǎn)生的垂直方向位移量稱重載體［1］。當(dāng)轎廂的重量超過了額定設(shè)置的重量后，機(jī)械開關(guān)動(dòng)作，電梯發(fā)出警報(bào)，電梯不能正常啟動(dòng)，保證電梯的安全。電氣部分主要是通過安裝在稱重載體上的檢測元件，將轎廂重量的變化以電壓值形式輸出，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，系統(tǒng)根據(jù)接收到的信號(hào)控制變頻器輸出力矩，以確保電梯可以安全、平穩(wěn)地運(yùn)行。

基于單片機(jī)的電梯稱重裝置在電梯運(yùn)行過程中發(fā)揮著重要作用。此次設(shè)計(jì)的電梯稱重裝置是一款滿足普通電梯稱重要求的電梯稱重控制儀器。稱重控制儀的稱重傳感器部分采用橋式應(yīng)變片傳感器，可應(yīng)用于平穩(wěn)安裝技術(shù)。確保電梯的長期穩(wěn)定運(yùn)行;稱重傳感器提供多種安裝方式，可以安裝于活轎底電梯的轎廂轎底、電梯轎頂橫梁上面等，與控制儀配合使用。

2 電梯稱重裝置的總體設(shè)計(jì)

電梯稱重裝置由兩部分組成，包括稱重傳感器和轉(zhuǎn)換顯示。稱重傳感器將重量信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)經(jīng)傳輸線送給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換運(yùn)算處理和顯示數(shù)據(jù)，完成電梯稱重。當(dāng)電梯轎廂內(nèi)重量變化時(shí)，電梯稱重裝置根據(jù)要求可以輸出0～10 mA電流信號(hào)或0～10 V或-10 V～+10V電壓信號(hào)來觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，以保證超載時(shí)電梯稱重裝置發(fā)出報(bào)警，確保電梯的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本系統(tǒng)由壓力傳感器、放大器電路、A/D轉(zhuǎn)換器、中央處理器、LED共5大部分組成［2］。如圖1所示，電子秤系統(tǒng)由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換和顯示器、單片機(jī)等構(gòu)成。由電阻應(yīng)變片組成的傳感器，將微弱的稱重信號(hào)，經(jīng)高精度的差分放大，A/D轉(zhuǎn)換器將放大后稱重模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供LED顯示，電源分別給傳感器、前級(jí)放大電路、單片機(jī)電路供電。

圖1 電子稱重系統(tǒng)系統(tǒng)原理

3 各電路模塊設(shè)計(jì)方案

3.1 電源模塊設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，我們選用了一個(gè)簡單的電源電路，該電源模塊提供了±12 V、±5 V，也可以為其他電路系統(tǒng)供電，達(dá)到有效的利用。將220 V的交流電壓通過整流橋，濾波，再通過MC7812、MC7912、MC7805、MC7905集成穩(wěn)壓管得到穩(wěn)定的±12 V、±5 V的直流穩(wěn)壓電源。

3.2 放大模塊設(shè)計(jì)

差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用運(yùn)算OP07做成一個(gè)差動(dòng)放大器。

3.3 稱重傳感器模塊設(shè)計(jì)

稱重傳感器是電梯稱重裝置中的重要部件，本次電梯稱重裝置采用了電阻應(yīng)變式傳感器。其主要原因是因其制作簡單、工藝成熟、準(zhǔn)確度高。電阻應(yīng)變式稱重傳感器用于靜態(tài)、動(dòng)態(tài)條件下質(zhì)量或力的測量，在工業(yè)生產(chǎn)過程檢測、控制、自動(dòng)稱量等領(lǐng)域已大量應(yīng)用［3］。

傳感器實(shí)際上是將物理信號(hào)（質(zhì)量）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)（電壓或電流）輸出的裝置。電阻應(yīng)變式稱重傳感器正是基于這樣一個(gè)原理:彈性體在外力作用下產(chǎn)生彈性變形，使粘貼在其表面的電阻應(yīng)變也隨同產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片變形后，它的組織將發(fā)生變化，再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而完成了將外力變換為電信號(hào)的過程。

3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

A/D轉(zhuǎn)換采用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，雙列直插式。

3.5 單片機(jī)模塊設(shè)計(jì)

AT89S51是ATMEL公司生產(chǎn)的一種高性價(jià)比單片機(jī)，內(nèi)置8位CPU、128×8RAM、2K閃爍存儲(chǔ)器、2個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定位器、15個(gè)I/O口和5個(gè)中斷源，且有全雙工串行口通信和程序加密功能，構(gòu)成了一個(gè)完整的單片機(jī)系統(tǒng)。對(duì)于簡單的應(yīng)用對(duì)象，用一片AT89S51即可滿足，但對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用對(duì)象，常常需要有一些其它功能，如A/D、數(shù)顯等，必須對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，以滿足實(shí)際需要。因?yàn)锳T89S51在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)輸出口進(jìn)行了簡化，形成了僅有20個(gè)引腳的芯片。由于引腳的限制，該單片機(jī)無專用的地址、數(shù)據(jù)和控制總線，且數(shù)量較少［4］。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

電子秤是利用稱重傳感器作為變換元件，把被稱物體的重量按一定的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成與其相應(yīng)的電信號(hào)，用電子儀表進(jìn)行測量和顯示的裝置［5］。由電阻應(yīng)變片組成的傳感器，將被測物理量壓力轉(zhuǎn)換成與其成正比的電參數(shù)電壓。測量電橋把電阻的變化轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào)輸出［6］。圖2為轉(zhuǎn)換程序流程圖。

5 結(jié)論

稱重裝置作為電梯運(yùn)行的基礎(chǔ)檢測元件，其穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性對(duì)電梯的啟動(dòng)舒適感起著非常重要的作用。隨著科技的發(fā)展，越來越多先進(jìn)的檢測元件應(yīng)用到電梯稱重裝置上來，現(xiàn)場調(diào)整時(shí)，不僅需要根據(jù)傳感器本身固有的特性進(jìn)行調(diào)整，以保證傳感器輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，同時(shí)也要定期對(duì)傳感器的零點(diǎn)進(jìn)行矯正，以確保電梯稱重系統(tǒng)準(zhǔn)確性，提高電梯啟動(dòng)舒適感。

圖2 轉(zhuǎn)換程序流程圖

［1］電梯制造與安裝安全規(guī)范GB7588-2003［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［2］施漢謙，宋文敏.電子秤技術(shù)［M］.北京:中國計(jì)量出版社，1991.

［3］廉曉霞.電阻應(yīng)變式稱重傳感器的原理及故障分析［J］.工業(yè)計(jì)量，2003，5:45-46.

［4］何立民.單片及應(yīng)用文集［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

［5］宋文續(xù)，揚(yáng)帆.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［6］常健生.檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.