单片机与压力传感器的升降装置设计 - uestc ·...
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第 １６ 卷 第 ６ 期２０１８ 年 １２ 月
实验科学与技术Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＶｏＬ1049008 １６ Ｎｏ1049008 ６Ｄｅｃ1049008 ２０１８
基于 ５１ 单片机与压力传感器的升降装置设计邹智恒ꎬ 杨 莹
(湖南文理学院ꎬ 湖南 常德 ４１５０００)
摘要 该文针对当前许多社区住户楼层高ꎬ 上下楼搬运重物 家养动物上厕所不便的现象设计了一款基于 ＡＴ８９Ｃ５１ 单
片机与压力传感器结合实现自动调节直流电机转速的遥控升降装置ꎮ 利用压力传感器和 ＨＸ７１１ 模块将压力信号经 Ａ Ｄ 转
换模块转化为电压信号传送给 ５１ 单片机ꎬ 单片机根据数据利用 ＰＷＭ 波脉宽调制原理调节输出频率从而达到调节直流电机
转速的目的ꎻ 采用 Ｌ２９８ 驱动板控制电机正反转和转速ꎮ 通过联轴器 轴 轴承 定滑轮构成一个传动系统以达目的ꎮ 目前
的升降装置皆基于工业需求而设计ꎬ 且相比于现行速度恒定的升降装置ꎬ 此设计可根据压力大小随时调节速度ꎬ 压力大时
转速慢ꎬ 使载物板运行平稳ꎻ 压力小时转速快可省时ꎮ 该设计可节省居民时间 精力且安装简单 价格低廉ꎬ 使得宿舍和
居民楼更加人性化ꎮ关 键 词 ＡＴ８９Ｃ５１ 单片机ꎻ 压力传感器ꎻ 直流电动机ꎻ ＰＷＭꎻ ＨＸ７１１中图分类号 ＴＰ３９ 文献标志码 Ａ ｄｏｉ １０1049008 ３９６９ ｊ1049008 ｉｓｓｎ1049008 １６７２ － ４５５０1049008 ２０１８1049008 ０６1049008 ０１３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｉｆｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ５１ Ｓｉｎｇｌｅ Ｃｈｉｐ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒ
ＺＯＵ Ｚｈｉｈｅｎｇ ａｎｄ ＹＡＮＧ Ｙｉｎｇ(Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｔｓ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅꎬ Ｃｈａｎｇｄｅ ４１５０００ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｉｆｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＴ８９Ｃ５１ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｉｎ ｉｖｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｆｌｏｏｒ ｉｎ ｍａｎｙ ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓꎬ ｔｈｅ ｈｅａｖｙｌｏａｄ ｏｎ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｆｌｏｏｒｓꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｉｍａｌｓ Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｔｈｅ ＨＸ７１１ ｍｏｄｕｌｅ ａｒｅｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｖｅｒｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｏ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｓｅｎｄ ｉｔ ｔｏ ｔｈｅ ５１ ｓｉｎｇｌｅ － ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ａ Ｄ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｍｏｄｕｌｅ Ｔｈｅ ＭＣＵ ａｄｊｕｓｔｓ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｄａｔａ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＰＷＭ ｗａｖｅ ｐｌｕｓ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｓｐｅｅｄ Ｔｈｅ Ｌ２９８ ｄｒｉｖｅｒ ｂｏａｒｄ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ1049011ｓ ｆｏｒｗａｒｄ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｏｔａｔｉｏｎ ａｎｄｓｐｅｅｄ Ａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇꎬ ｔｈｅ ｓｈａｆｔꎬ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｘｅｄ ｐｕｌｌｅｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｉｆｔ￣ｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓꎬ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｓｔａｎｔ ｓｐｅｅｄ ｌｉｆｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅꎬ ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎｃａｎ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ａｔ ａｎｙ ｔｉｍｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｓｌｏｗ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｌａｒｇｅꎬ ｓｏ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｐｌａｔｅｒｕｎｓ ｓｍｏｏｔｈｌｙ Ｉｔ ｓａｖｅｓ ｔｉｍｅꎬ ｅｎｅｒｇｙꎬ ａｎｄ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ｔｏ ｉｎｓｔａｌｌ ａｎｄ ｌｏｗ ｉｎ ｐｒｉｃｅ Ｉｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｄｏｒｍｉｔｏｒｙ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｍｏｒｅｈｕｍａｎｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＡＴ８９Ｃ５１ ｓｉｎｇｌｅ － ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒꎻ ｐｒｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒꎻ ｄｃ ｍｏｔｏｒꎻ ＰＷＭꎻ ＨＸ７１１
收稿日期 ２０１８－０３－１２ꎻ 修改日期 ２０１８－０４－２８基金项目 湖南省普通高校教学改革研究项目(湘教通[２０１６]４００ 号)ꎮ作者简介 邹智恒(１９９７－)ꎬ 男ꎬ 本科生ꎬ 机械设计制造及其自动化专业ꎮ
近年来单片机由于其特点和突出的性能被广
泛应用于各个领域ꎬ 随着社会的发展和技术的进
步ꎬ 各种新型单片机层出不穷ꎬ 片内集成的功能
模块越来越多ꎬ 整体性能也越来越强大 [１] ꎬ 其中
最具有代表性且最基础的是 ５１ 单片机ꎮ 由于通信
技术在移动通讯 无线通讯等方面的高速发展ꎬ以及嵌入式计算技术和传感器技术的日渐成熟ꎬ具有感知能力 计算能力和通信能力的微型传感
器开始在世界范围内出现 [２] ꎮ 单片微型计算机是
微型计算机发展的一个重要分支ꎬ 是计算机发展
史上的一个重要里程碑ꎬ 开辟了嵌入式计算机
领域 [３] ꎮ压力传感器在现代工业实践中是必不可少的ꎬ
被广泛应用于各种工业自控环境中ꎬ 包括水利水
电 智能建筑 生产自控 航空航天 石化 电
力 船舶 管道等行业 [４] ꎮ 但其在生活方面的应
用较少ꎬ 因此ꎬ 本文结合单片机与压力传感器设
计了一款楼房自动调速升降装置ꎬ 该装置比现行
运行速度恒定的装置更有应用前景ꎮ
第 １６ 卷 第 ６ 期 邹智恒ꎬ 等 基于 ５１ 单片机与压力传感器的升降装置设计
１ 控制系统设计
控制器是电动机转速控制的核心部分ꎬ 是电
动机有效工作的保障ꎮ 由于单片机具有灵活性好成本低 易于产品化 抗干扰能力强 可构成各
种智能式控制设备和智能仪器等特点 [５] ꎬ 所以单
片机适用范围较大ꎬ 可用于处理功能较强 运行
速度较快的系统中ꎮ 此次设计选用 ＡＴ８９Ｃ５１ 单片
机作为系统控制器ꎬ 当载物板上放有重物 ( le２０ｋｇ) 时ꎬ 压力传感器和 ＨＸ７１１ 模块将压力信号经
Ａ Ｄ 转换模块转化为电压信号传送给 ５１ 单片机ꎬ单片机将循环判断压力传感器传送的信号以调节
Ｌ２９８ 的启停频率ꎬ 最终利用 ＰＷＭ 波脉宽调制原理
调节电机转速ꎮ ＰＷＭ 脉宽调制功率放大器ꎬ 不仅
消耗功率小ꎬ 且调制精度高 [６] ꎮ 电机通过传动系
统将物体运至目的地ꎬ 其工作流程如图 １ 所示ꎮ 此
设计采用按键与遥控相结合的方式ꎬ 因为遥控方
式更为便捷 简单ꎻ 同时在单片机上设置按键也
可避免其他因素的干扰ꎮ 当载物重量大于 ２０ ｋｇ时ꎬ 系统会自动发出警报且电机不再运行ꎬ 起到
过载保护作用ꎮ
图 １ 控制流程图
２ 传动装置设计
此传动装置由直流减速电动机 联轴器 阶
梯轴 轴承及轴承座 卷筒及钢丝绳 (或其他承
载能力符合要求的绳) 等组成ꎬ 其中钢丝绳一端
固定缠绕在卷筒上ꎬ 另一端通过定滑轮与接载物
板相连从而达到传动的目的ꎮ电动机采用 ２４ Ｖ ３５ Ｗ ３０ ｒ ｍｉｎ 的大扭矩
直流减速电动机ꎮ 直流电机在现代社会中被广泛
用于医疗设备 工业机械 通信雷达等各个行业
中ꎬ 虽然和交流电机相比ꎬ 直流电机结构相对比
较复杂ꎬ 但其最大转矩以及启动转矩能够满足大
部分系统的需求 [７] ꎻ 且其支持正反转与脉冲宽度
调制ꎬ 满足本次设计的要求
联轴器采用刚性联轴器ꎬ 其在承受负载时也
无任何回转间隙ꎬ 当有偏差产生负荷时ꎬ 刚性联
轴器还是刚性传递扭矩ꎮ 且其构造简单 成本低可传递转矩较大ꎬ 具有免维护以及耐腐蚀的优点ꎮ当装置转速低 无冲击 轴的刚性大 对中性较好
时ꎬ 常采用此种联轴器ꎮ 此处采用外径为 ３２ ｍｍ长度为 ３２ ｍｍ 孔径为 ８ times １０ ｍｍ 的刚性联轴器ꎮ
深沟球轴承主要承受径向载荷ꎬ 也可同时承
受小的轴向载荷ꎻ 当量摩擦系数最小ꎬ 极限转速
高ꎻ 在高转速且有轻量化要求的场合ꎬ 可用来承受
单向或双向轴向载荷 [８] ꎮ 此设计选用 ＧＢ Ｔ２７６ － ９４深沟球轴承 ６２０１ꎮ
轴承座选用其内径与轴承外径相配 宽度大
于轴承宽度的规格ꎮ钢丝绳选用载重能力大于 ２５ ｋｇ 的 ３０４ 不锈钢
钢丝绳ꎬ 直径为 １1049008 ５ ｍｍ ７ times ７ 规格ꎮ 卷筒内径与
轴直径相配即可ꎬ 轴采用直径为 １０ ｍｍ 长度为
１８０ ｍｍ 的镀铬轴ꎮ整个传动系统所选用的零件均为现有材料且
能达到预期传动的目的ꎬ 零件的承受负载能力皆
大于设定质量ꎬ 安装简单 易于实现ꎮ 该传动装
置示意图如图 ２ 所示ꎮ
图 ２ 传动系统示意图
３ 系统硬件与软件设计
３1049008 １ 硬件电路设计
本设 计 主 要 由 ５１ 单 片 机 压 力 传 感 器ＨＸ７１１ 模块 Ｌ２９８ 模块 直流电动机和传动系统
等器件组成ꎮ 如图 ３ 所示ꎬ 控制单片机 Ｐ１1049008 ３ 端口
的按键 Ｋ１ 为电机正转开关ꎬ 与 Ｐ１1049008 ４ 相连的按键
Ｋ２ 为电机反转开关ꎬ 与 Ｐ１1049008 ５ 相连的按键 Ｋ３ 为急
停开关ꎬ 红外接口与单片机外部中断口 ０ 相连ꎮ 利
用中断程序解码后ꎬ 通过定义不同数值的功能即
可实现电机的正转 反转与紧急制动ꎮ 蜂鸣器与
单片机 Ｐ１1049008 ７ 相连ꎮ ＨＸ７１１ 将检测到的压力信号通
过 ＤＯＵＴ 串口数据输出ꎬ 经 Ｐ２1049008 １ 口输入 ５１ 单片
1048944５５1048944
实验科学与技术 ２０１８ 年 １２ 月
机ꎬ ＳＣＫ 口为断电和串口时钟输入口ꎬ 输入单片
机的数据经单片机处理后经 Ｐ１1049008 ２ 口产生 ＰＷＭ 脉
宽调制信号ꎬ 该信号即为控制 Ｌ２９８ 驱动模块输入
端口 ＥＮＡ 的启停频率ꎬ 通过控制 Ｌ２９８ 驱动模块的
使能端也可实现电机正反转ꎬ 且不同的压力数值
对应不同的占空比ꎬ 从而实现转速的调节ꎮ
图 ３ 控制系统原理图
３1049008 ２ 软件设计
该系统软件设计程序流程图如图 ４ 所示ꎮ
图 ４ 程序流程图
４ 控制系统元器件选择
４1049008 １ 传感器的选择
控制系统通过压力传感器来对物体产生的压
力进行感应ꎮ 电阻应变式传感器具有金属应变效
应ꎬ 即有外力存在时ꎬ 金属会发生微弱的形变ꎬ从而改变其电阻值ꎮ 电阻应变式压力传感器的主
要布局形式有膜片式 筒式和组合式ꎮ 其中ꎬ 膜
片式主要用于测低压ꎬ 而筒式则用于测高压 [９] ꎮ电阻应变式压力传感器具有结构简单ꎬ 精度高ꎬ易于实现小型化的特点ꎮ 对于大应变有较大的非
线性的输出信号较弱 [１０] ꎮ４1049008 ２ Ａ Ｄ 转换芯片选择
ＨＸ７１１ 芯片无需对芯片内部的寄存器进行编
程ꎮ 输入选择开关可任意选取通道 Ａ 或通道 Ｂ 与
其内部的低噪声可编程放大器相连ꎮ 通道 Ａ 的可
编程增益为 １２８ 或 ６４ 倍ꎬ 对应的满额度差分输入
信号幅值分别为 plusmn ２０ ｍＶ 或 plusmn ４０ ｍＶꎻ 通道 Ｂ 则为
固定的 ６４ 倍增益ꎬ 可用于系统参数检测 [１１] ꎮ
５ 程序计算原理与仿真
５1049008 １ 计算原理
由于编写程序时是通过直接判断重物的大小
来做出相应的处理ꎬ 所以首先需要将 Ａ Ｄ 值反向
转换为重力值ꎬ 已知传感器供电电压为 ４1049008 ３ Ｖꎮ 假
设重力值为 Ａ ｋｇ (Ａle２０ ｋｇ)ꎬ 测量出来的 Ａ Ｄ 值
为 ｙꎮ下面给出将重力信号转换成模拟信号的运算
过程 (以便在 ｋｅｉｌ 软件中编码程序)ꎮ发送给 Ａ Ｄ 转换模块的电压为
Ａ times Ｖ Ｍ ＝ ０1049008 ２１５Ａ (１)式中 Ａ 为假定重力值ꎬ Ｖ 为传感器供电电压
４1049008 ３ ＶꎬＭ 为传感器最大承重 ２０ ｋｇꎮ经过 １２８ 倍增益后ꎬ 电压为
Ｖ １ ＝ １２８ times ０1049008 ２１５Ａ ＝ ２７1049008 ５２Ａ (２)
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第 １６ 卷 第 ６ 期 邹智恒ꎬ 等 基于 ５１ 单片机与压力传感器的升降装置设计
转换为 ２４ ｂｉｔ 数字信号为Ｖ １ times ２２４ Ｖ ＝ １０７ ３７４1049008 １８２４Ａ (３)
在 Ｃ 语言程序中ꎬ 因 ＬＯＮＧ 型变量计算速率
和存放空间时占用资源较多ꎬ 因此ꎬ 通过除以 １００将其缩放为 ＩＮＴ 型ꎬ 方便后续计算ꎬ 得到
ｙ ＝ Ｇ times Ａ １００ ＝ １０７1049008 ４Ａ (４)式中 Ｇ 为转换为 ２４ ｂｉｔ 后的数字信号值ꎮ
由式(４)可以得到Ａ ＝ ｙ １０７1049008 ４
由此ꎬ 根据计算所得ꎬ ｋｅｉｌ 软件中编码语句
应为Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ ＝ (ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇ)(ｆｌｏａｔ Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ １０７1049008 ４)ꎻ
修改部分代码用于校准 [１２] (语句在程序开始
处定义)ꎬ 可以增加或减小数值以校准传感器ꎬ 该
数值一般为 ４1049008 ０ ~ ５1049008 ０ (即 １０３1049008 ４ ~ １１１1049008 ４)ꎮ 此处取
１０４ꎬ 即程序中定义ｄｅｆｉｎｅ Ｇａｐ Ｖａｌｕｅ １０４
５1049008 ２ 仿真
在 Ｐｒｏｔｅｕｓ 软件中将画好的实物图连接完成且
程序调试成功后点击仿真按钮ꎬ 得到如图 ５ 所示的
结果ꎮ 如图 ６ 所示为电机转速随物体重量变化的仿
真结果ꎬ 结果表明 当无压力时为电机正常转速
(３０ ｒ ｍｉｎ)ꎻ 而有压力存在时速度下降ꎬ 以使整个
运行过程更加平缓ꎬ 且转速随着重量的改变而实
时改变ꎻ 当压力超过设定范围时电机立马停止运
转ꎬ 以实现保护电机的目的ꎮ
图 ５ 有压力时电机转速
图 ６ 电机转速变化曲线实物图
将控制系统所用元件的实物按照原理图连接
好ꎬ 得到如图 ７ 所示的实物图ꎮ 通过程序烧录软件
将编好的代码写入 ５１ 单片机中ꎻ 由于电机的额定
电压为 ２４ Ｖ 而单片机无法提供此电压ꎬ 所以此处
使用 ２４ Ｖ 变压器通过 Ｌ２９８ 模块与电动机和单片机
连接从而控制电机运转ꎻ 将 ＨＸ７１１ 按照原理图与
单片机连接好后开始测试ꎮ 测试中有两台不同型
号的电机均达到了随载物板重量改变而实时改变
转速的目的ꎮ 结果证明该设计可行ꎮ
图 ７ 控制部分实物图
６ 结束语
该设计采用循环判断重物重量来调节单片机
输出频率以实现实时控制电机转速的目的ꎮ 单片
机中写有超重报警程序ꎬ 当重物超过电机承受能
力也就是大于设定值时停止运转ꎬ 同时设置了急
停按钮防止高空坠物等安全问题ꎮ 该设计装置操
作简单ꎬ 价格低廉ꎬ 尤其可为许多老人提供极大
的帮助ꎬ 可以为单元或者个人安装ꎮ 此方案是以
小区住户为主要应用群体而展开的传动系统与控
制系统的设计ꎬ 为以后楼房建设提供了新思路ꎬ且其应用范围较广ꎬ 具有一定的实用价值ꎮ
参考文献
[１] 赵建周 单片机及其发展综述[Ｊ] 安阳工学院学报ꎬ２０１１ꎬ １０(６) ５０ － ５４
[２] 詹建徽ꎬ 张代远 传感器应用 挑战与发展[ Ｊ] 计
算机技术与发展ꎬ ２０１３ꎬ ２３(８) １１８ － １２１[３] 梅丽凤 单片机原理与接口技术[ Ｍ] 北京 机械工
业出版社ꎬ ２０１５[４] 谢健翔 基于 ５１ 单片机为核心的智能压力传感器[Ｊ]
机电产品开发与创新ꎬ ２０１１ꎬ ２４(３) １２７ － １２８(下转第 ６３ 页)
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第 １６ 卷 第 ６ 期 邹智恒ꎬ 等 基于 ５１ 单片机与压力传感器的升降装置设计
１ 控制系统设计
控制器是电动机转速控制的核心部分ꎬ 是电
动机有效工作的保障ꎮ 由于单片机具有灵活性好成本低 易于产品化 抗干扰能力强 可构成各
种智能式控制设备和智能仪器等特点 [５] ꎬ 所以单
片机适用范围较大ꎬ 可用于处理功能较强 运行
速度较快的系统中ꎮ 此次设计选用 ＡＴ８９Ｃ５１ 单片
机作为系统控制器ꎬ 当载物板上放有重物 ( le２０ｋｇ) 时ꎬ 压力传感器和 ＨＸ７１１ 模块将压力信号经
Ａ Ｄ 转换模块转化为电压信号传送给 ５１ 单片机ꎬ单片机将循环判断压力传感器传送的信号以调节
Ｌ２９８ 的启停频率ꎬ 最终利用 ＰＷＭ 波脉宽调制原理
调节电机转速ꎮ ＰＷＭ 脉宽调制功率放大器ꎬ 不仅
消耗功率小ꎬ 且调制精度高 [６] ꎮ 电机通过传动系
统将物体运至目的地ꎬ 其工作流程如图 １ 所示ꎮ 此
设计采用按键与遥控相结合的方式ꎬ 因为遥控方
式更为便捷 简单ꎻ 同时在单片机上设置按键也
可避免其他因素的干扰ꎮ 当载物重量大于 ２０ ｋｇ时ꎬ 系统会自动发出警报且电机不再运行ꎬ 起到
过载保护作用ꎮ
图 １ 控制流程图
２ 传动装置设计
此传动装置由直流减速电动机 联轴器 阶
梯轴 轴承及轴承座 卷筒及钢丝绳 (或其他承
载能力符合要求的绳) 等组成ꎬ 其中钢丝绳一端
固定缠绕在卷筒上ꎬ 另一端通过定滑轮与接载物
板相连从而达到传动的目的ꎮ电动机采用 ２４ Ｖ ３５ Ｗ ３０ ｒ ｍｉｎ 的大扭矩
直流减速电动机ꎮ 直流电机在现代社会中被广泛
用于医疗设备 工业机械 通信雷达等各个行业
中ꎬ 虽然和交流电机相比ꎬ 直流电机结构相对比
较复杂ꎬ 但其最大转矩以及启动转矩能够满足大
部分系统的需求 [７] ꎻ 且其支持正反转与脉冲宽度
调制ꎬ 满足本次设计的要求
联轴器采用刚性联轴器ꎬ 其在承受负载时也
无任何回转间隙ꎬ 当有偏差产生负荷时ꎬ 刚性联
轴器还是刚性传递扭矩ꎮ 且其构造简单 成本低可传递转矩较大ꎬ 具有免维护以及耐腐蚀的优点ꎮ当装置转速低 无冲击 轴的刚性大 对中性较好
时ꎬ 常采用此种联轴器ꎮ 此处采用外径为 ３２ ｍｍ长度为 ３２ ｍｍ 孔径为 ８ times １０ ｍｍ 的刚性联轴器ꎮ
深沟球轴承主要承受径向载荷ꎬ 也可同时承
受小的轴向载荷ꎻ 当量摩擦系数最小ꎬ 极限转速
高ꎻ 在高转速且有轻量化要求的场合ꎬ 可用来承受
单向或双向轴向载荷 [８] ꎮ 此设计选用 ＧＢ Ｔ２７６ － ９４深沟球轴承 ６２０１ꎮ
轴承座选用其内径与轴承外径相配 宽度大
于轴承宽度的规格ꎮ钢丝绳选用载重能力大于 ２５ ｋｇ 的 ３０４ 不锈钢
钢丝绳ꎬ 直径为 １1049008 ５ ｍｍ ７ times ７ 规格ꎮ 卷筒内径与
轴直径相配即可ꎬ 轴采用直径为 １０ ｍｍ 长度为
１８０ ｍｍ 的镀铬轴ꎮ整个传动系统所选用的零件均为现有材料且
能达到预期传动的目的ꎬ 零件的承受负载能力皆
大于设定质量ꎬ 安装简单 易于实现ꎮ 该传动装
置示意图如图 ２ 所示ꎮ
图 ２ 传动系统示意图
３ 系统硬件与软件设计
３1049008 １ 硬件电路设计
本设 计 主 要 由 ５１ 单 片 机 压 力 传 感 器ＨＸ７１１ 模块 Ｌ２９８ 模块 直流电动机和传动系统
等器件组成ꎮ 如图 ３ 所示ꎬ 控制单片机 Ｐ１1049008 ３ 端口
的按键 Ｋ１ 为电机正转开关ꎬ 与 Ｐ１1049008 ４ 相连的按键
Ｋ２ 为电机反转开关ꎬ 与 Ｐ１1049008 ５ 相连的按键 Ｋ３ 为急
停开关ꎬ 红外接口与单片机外部中断口 ０ 相连ꎮ 利
用中断程序解码后ꎬ 通过定义不同数值的功能即
可实现电机的正转 反转与紧急制动ꎮ 蜂鸣器与
单片机 Ｐ１1049008 ７ 相连ꎮ ＨＸ７１１ 将检测到的压力信号通
过 ＤＯＵＴ 串口数据输出ꎬ 经 Ｐ２1049008 １ 口输入 ５１ 单片
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实验科学与技术 ２０１８ 年 １２ 月
机ꎬ ＳＣＫ 口为断电和串口时钟输入口ꎬ 输入单片
机的数据经单片机处理后经 Ｐ１1049008 ２ 口产生 ＰＷＭ 脉
宽调制信号ꎬ 该信号即为控制 Ｌ２９８ 驱动模块输入
端口 ＥＮＡ 的启停频率ꎬ 通过控制 Ｌ２９８ 驱动模块的
使能端也可实现电机正反转ꎬ 且不同的压力数值
对应不同的占空比ꎬ 从而实现转速的调节ꎮ
图 ３ 控制系统原理图
３1049008 ２ 软件设计
该系统软件设计程序流程图如图 ４ 所示ꎮ
图 ４ 程序流程图
４ 控制系统元器件选择
４1049008 １ 传感器的选择
控制系统通过压力传感器来对物体产生的压
力进行感应ꎮ 电阻应变式传感器具有金属应变效
应ꎬ 即有外力存在时ꎬ 金属会发生微弱的形变ꎬ从而改变其电阻值ꎮ 电阻应变式压力传感器的主
要布局形式有膜片式 筒式和组合式ꎮ 其中ꎬ 膜
片式主要用于测低压ꎬ 而筒式则用于测高压 [９] ꎮ电阻应变式压力传感器具有结构简单ꎬ 精度高ꎬ易于实现小型化的特点ꎮ 对于大应变有较大的非
线性的输出信号较弱 [１０] ꎮ４1049008 ２ Ａ Ｄ 转换芯片选择
ＨＸ７１１ 芯片无需对芯片内部的寄存器进行编
程ꎮ 输入选择开关可任意选取通道 Ａ 或通道 Ｂ 与
其内部的低噪声可编程放大器相连ꎮ 通道 Ａ 的可
编程增益为 １２８ 或 ６４ 倍ꎬ 对应的满额度差分输入
信号幅值分别为 plusmn ２０ ｍＶ 或 plusmn ４０ ｍＶꎻ 通道 Ｂ 则为
固定的 ６４ 倍增益ꎬ 可用于系统参数检测 [１１] ꎮ
５ 程序计算原理与仿真
５1049008 １ 计算原理
由于编写程序时是通过直接判断重物的大小
来做出相应的处理ꎬ 所以首先需要将 Ａ Ｄ 值反向
转换为重力值ꎬ 已知传感器供电电压为 ４1049008 ３ Ｖꎮ 假
设重力值为 Ａ ｋｇ (Ａle２０ ｋｇ)ꎬ 测量出来的 Ａ Ｄ 值
为 ｙꎮ下面给出将重力信号转换成模拟信号的运算
过程 (以便在 ｋｅｉｌ 软件中编码程序)ꎮ发送给 Ａ Ｄ 转换模块的电压为
Ａ times Ｖ Ｍ ＝ ０1049008 ２１５Ａ (１)式中 Ａ 为假定重力值ꎬ Ｖ 为传感器供电电压
４1049008 ３ ＶꎬＭ 为传感器最大承重 ２０ ｋｇꎮ经过 １２８ 倍增益后ꎬ 电压为
Ｖ １ ＝ １２８ times ０1049008 ２１５Ａ ＝ ２７1049008 ５２Ａ (２)
1048944６５1048944
第 １６ 卷 第 ６ 期 邹智恒ꎬ 等 基于 ５１ 单片机与压力传感器的升降装置设计
转换为 ２４ ｂｉｔ 数字信号为Ｖ １ times ２２４ Ｖ ＝ １０７ ３７４1049008 １８２４Ａ (３)
在 Ｃ 语言程序中ꎬ 因 ＬＯＮＧ 型变量计算速率
和存放空间时占用资源较多ꎬ 因此ꎬ 通过除以 １００将其缩放为 ＩＮＴ 型ꎬ 方便后续计算ꎬ 得到
ｙ ＝ Ｇ times Ａ １００ ＝ １０７1049008 ４Ａ (４)式中 Ｇ 为转换为 ２４ ｂｉｔ 后的数字信号值ꎮ
由式(４)可以得到Ａ ＝ ｙ １０７1049008 ４
由此ꎬ 根据计算所得ꎬ ｋｅｉｌ 软件中编码语句
应为Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ ＝ (ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇ)(ｆｌｏａｔ Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ １０７1049008 ４)ꎻ
修改部分代码用于校准 [１２] (语句在程序开始
处定义)ꎬ 可以增加或减小数值以校准传感器ꎬ 该
数值一般为 ４1049008 ０ ~ ５1049008 ０ (即 １０３1049008 ４ ~ １１１1049008 ４)ꎮ 此处取
１０４ꎬ 即程序中定义ｄｅｆｉｎｅ Ｇａｐ Ｖａｌｕｅ １０４
５1049008 ２ 仿真
在 Ｐｒｏｔｅｕｓ 软件中将画好的实物图连接完成且
程序调试成功后点击仿真按钮ꎬ 得到如图 ５ 所示的
结果ꎮ 如图 ６ 所示为电机转速随物体重量变化的仿
真结果ꎬ 结果表明 当无压力时为电机正常转速
(３０ ｒ ｍｉｎ)ꎻ 而有压力存在时速度下降ꎬ 以使整个
运行过程更加平缓ꎬ 且转速随着重量的改变而实
时改变ꎻ 当压力超过设定范围时电机立马停止运
转ꎬ 以实现保护电机的目的ꎮ
图 ５ 有压力时电机转速
图 ６ 电机转速变化曲线实物图
将控制系统所用元件的实物按照原理图连接
好ꎬ 得到如图 ７ 所示的实物图ꎮ 通过程序烧录软件
将编好的代码写入 ５１ 单片机中ꎻ 由于电机的额定
电压为 ２４ Ｖ 而单片机无法提供此电压ꎬ 所以此处
使用 ２４ Ｖ 变压器通过 Ｌ２９８ 模块与电动机和单片机
连接从而控制电机运转ꎻ 将 ＨＸ７１１ 按照原理图与
单片机连接好后开始测试ꎮ 测试中有两台不同型
号的电机均达到了随载物板重量改变而实时改变
转速的目的ꎮ 结果证明该设计可行ꎮ
图 ７ 控制部分实物图
６ 结束语
该设计采用循环判断重物重量来调节单片机
输出频率以实现实时控制电机转速的目的ꎮ 单片
机中写有超重报警程序ꎬ 当重物超过电机承受能
力也就是大于设定值时停止运转ꎬ 同时设置了急
停按钮防止高空坠物等安全问题ꎮ 该设计装置操
作简单ꎬ 价格低廉ꎬ 尤其可为许多老人提供极大
的帮助ꎬ 可以为单元或者个人安装ꎮ 此方案是以
小区住户为主要应用群体而展开的传动系统与控
制系统的设计ꎬ 为以后楼房建设提供了新思路ꎬ且其应用范围较广ꎬ 具有一定的实用价值ꎮ
参考文献
[１] 赵建周 单片机及其发展综述[Ｊ] 安阳工学院学报ꎬ２０１１ꎬ １０(６) ５０ － ５４
[２] 詹建徽ꎬ 张代远 传感器应用 挑战与发展[ Ｊ] 计
算机技术与发展ꎬ ２０１３ꎬ ２３(８) １１８ － １２１[３] 梅丽凤 单片机原理与接口技术[ Ｍ] 北京 机械工
业出版社ꎬ ２０１５[４] 谢健翔 基于 ５１ 单片机为核心的智能压力传感器[Ｊ]
机电产品开发与创新ꎬ ２０１１ꎬ ２４(３) １２７ － １２８(下转第 ６３ 页)
1048944７５1048944
实验科学与技术 ２０１８ 年 １２ 月
机ꎬ ＳＣＫ 口为断电和串口时钟输入口ꎬ 输入单片
机的数据经单片机处理后经 Ｐ１1049008 ２ 口产生 ＰＷＭ 脉
宽调制信号ꎬ 该信号即为控制 Ｌ２９８ 驱动模块输入
端口 ＥＮＡ 的启停频率ꎬ 通过控制 Ｌ２９８ 驱动模块的
使能端也可实现电机正反转ꎬ 且不同的压力数值
对应不同的占空比ꎬ 从而实现转速的调节ꎮ
图 ３ 控制系统原理图
３1049008 ２ 软件设计
该系统软件设计程序流程图如图 ４ 所示ꎮ
图 ４ 程序流程图
４ 控制系统元器件选择
４1049008 １ 传感器的选择
控制系统通过压力传感器来对物体产生的压
力进行感应ꎮ 电阻应变式传感器具有金属应变效
应ꎬ 即有外力存在时ꎬ 金属会发生微弱的形变ꎬ从而改变其电阻值ꎮ 电阻应变式压力传感器的主
要布局形式有膜片式 筒式和组合式ꎮ 其中ꎬ 膜
片式主要用于测低压ꎬ 而筒式则用于测高压 [９] ꎮ电阻应变式压力传感器具有结构简单ꎬ 精度高ꎬ易于实现小型化的特点ꎮ 对于大应变有较大的非
线性的输出信号较弱 [１０] ꎮ４1049008 ２ Ａ Ｄ 转换芯片选择
ＨＸ７１１ 芯片无需对芯片内部的寄存器进行编
程ꎮ 输入选择开关可任意选取通道 Ａ 或通道 Ｂ 与
其内部的低噪声可编程放大器相连ꎮ 通道 Ａ 的可
编程增益为 １２８ 或 ６４ 倍ꎬ 对应的满额度差分输入
信号幅值分别为 plusmn ２０ ｍＶ 或 plusmn ４０ ｍＶꎻ 通道 Ｂ 则为
固定的 ６４ 倍增益ꎬ 可用于系统参数检测 [１１] ꎮ
５ 程序计算原理与仿真
５1049008 １ 计算原理
由于编写程序时是通过直接判断重物的大小
来做出相应的处理ꎬ 所以首先需要将 Ａ Ｄ 值反向
转换为重力值ꎬ 已知传感器供电电压为 ４1049008 ３ Ｖꎮ 假
设重力值为 Ａ ｋｇ (Ａle２０ ｋｇ)ꎬ 测量出来的 Ａ Ｄ 值
为 ｙꎮ下面给出将重力信号转换成模拟信号的运算
过程 (以便在 ｋｅｉｌ 软件中编码程序)ꎮ发送给 Ａ Ｄ 转换模块的电压为
Ａ times Ｖ Ｍ ＝ ０1049008 ２１５Ａ (１)式中 Ａ 为假定重力值ꎬ Ｖ 为传感器供电电压
４1049008 ３ ＶꎬＭ 为传感器最大承重 ２０ ｋｇꎮ经过 １２８ 倍增益后ꎬ 电压为
Ｖ １ ＝ １２８ times ０1049008 ２１５Ａ ＝ ２７1049008 ５２Ａ (２)
1048944６５1048944
第 １６ 卷 第 ６ 期 邹智恒ꎬ 等 基于 ５１ 单片机与压力传感器的升降装置设计
转换为 ２４ ｂｉｔ 数字信号为Ｖ １ times ２２４ Ｖ ＝ １０７ ３７４1049008 １８２４Ａ (３)
在 Ｃ 语言程序中ꎬ 因 ＬＯＮＧ 型变量计算速率
和存放空间时占用资源较多ꎬ 因此ꎬ 通过除以 １００将其缩放为 ＩＮＴ 型ꎬ 方便后续计算ꎬ 得到
ｙ ＝ Ｇ times Ａ １００ ＝ １０７1049008 ４Ａ (４)式中 Ｇ 为转换为 ２４ ｂｉｔ 后的数字信号值ꎮ
由式(４)可以得到Ａ ＝ ｙ １０７1049008 ４
由此ꎬ 根据计算所得ꎬ ｋｅｉｌ 软件中编码语句
应为Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ ＝ (ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇ)(ｆｌｏａｔ Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ １０７1049008 ４)ꎻ
修改部分代码用于校准 [１２] (语句在程序开始
处定义)ꎬ 可以增加或减小数值以校准传感器ꎬ 该
数值一般为 ４1049008 ０ ~ ５1049008 ０ (即 １０３1049008 ４ ~ １１１1049008 ４)ꎮ 此处取
１０４ꎬ 即程序中定义ｄｅｆｉｎｅ Ｇａｐ Ｖａｌｕｅ １０４
５1049008 ２ 仿真
在 Ｐｒｏｔｅｕｓ 软件中将画好的实物图连接完成且
程序调试成功后点击仿真按钮ꎬ 得到如图 ５ 所示的
结果ꎮ 如图 ６ 所示为电机转速随物体重量变化的仿
真结果ꎬ 结果表明 当无压力时为电机正常转速
(３０ ｒ ｍｉｎ)ꎻ 而有压力存在时速度下降ꎬ 以使整个
运行过程更加平缓ꎬ 且转速随着重量的改变而实
时改变ꎻ 当压力超过设定范围时电机立马停止运
转ꎬ 以实现保护电机的目的ꎮ
图 ５ 有压力时电机转速
图 ６ 电机转速变化曲线实物图
将控制系统所用元件的实物按照原理图连接
好ꎬ 得到如图 ７ 所示的实物图ꎮ 通过程序烧录软件
将编好的代码写入 ５１ 单片机中ꎻ 由于电机的额定
电压为 ２４ Ｖ 而单片机无法提供此电压ꎬ 所以此处
使用 ２４ Ｖ 变压器通过 Ｌ２９８ 模块与电动机和单片机
连接从而控制电机运转ꎻ 将 ＨＸ７１１ 按照原理图与
单片机连接好后开始测试ꎮ 测试中有两台不同型
号的电机均达到了随载物板重量改变而实时改变
转速的目的ꎮ 结果证明该设计可行ꎮ
图 ７ 控制部分实物图
６ 结束语
该设计采用循环判断重物重量来调节单片机
输出频率以实现实时控制电机转速的目的ꎮ 单片
机中写有超重报警程序ꎬ 当重物超过电机承受能
力也就是大于设定值时停止运转ꎬ 同时设置了急
停按钮防止高空坠物等安全问题ꎮ 该设计装置操
作简单ꎬ 价格低廉ꎬ 尤其可为许多老人提供极大
的帮助ꎬ 可以为单元或者个人安装ꎮ 此方案是以
小区住户为主要应用群体而展开的传动系统与控
制系统的设计ꎬ 为以后楼房建设提供了新思路ꎬ且其应用范围较广ꎬ 具有一定的实用价值ꎮ
参考文献
[１] 赵建周 单片机及其发展综述[Ｊ] 安阳工学院学报ꎬ２０１１ꎬ １０(６) ５０ － ５４
[２] 詹建徽ꎬ 张代远 传感器应用 挑战与发展[ Ｊ] 计
算机技术与发展ꎬ ２０１３ꎬ ２３(８) １１８ － １２１[３] 梅丽凤 单片机原理与接口技术[ Ｍ] 北京 机械工
业出版社ꎬ ２０１５[４] 谢健翔 基于 ５１ 单片机为核心的智能压力传感器[Ｊ]
机电产品开发与创新ꎬ ２０１１ꎬ ２４(３) １２７ － １２８(下转第 ６３ 页)
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第 １６ 卷 第 ６ 期 邹智恒ꎬ 等 基于 ５１ 单片机与压力传感器的升降装置设计
转换为 ２４ ｂｉｔ 数字信号为Ｖ １ times ２２４ Ｖ ＝ １０７ ３７４1049008 １８２４Ａ (３)
在 Ｃ 语言程序中ꎬ 因 ＬＯＮＧ 型变量计算速率
和存放空间时占用资源较多ꎬ 因此ꎬ 通过除以 １００将其缩放为 ＩＮＴ 型ꎬ 方便后续计算ꎬ 得到
ｙ ＝ Ｇ times Ａ １００ ＝ １０７1049008 ４Ａ (４)式中 Ｇ 为转换为 ２４ ｂｉｔ 后的数字信号值ꎮ
由式(４)可以得到Ａ ＝ ｙ １０７1049008 ４
由此ꎬ 根据计算所得ꎬ ｋｅｉｌ 软件中编码语句
应为Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ ＝ (ｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇ)(ｆｌｏａｔ Ｗｅｉｇｈｔ＿Ｓｈｉｗｕ １０７1049008 ４)ꎻ
修改部分代码用于校准 [１２] (语句在程序开始
处定义)ꎬ 可以增加或减小数值以校准传感器ꎬ 该
数值一般为 ４1049008 ０ ~ ５1049008 ０ (即 １０３1049008 ４ ~ １１１1049008 ４)ꎮ 此处取
１０４ꎬ 即程序中定义ｄｅｆｉｎｅ Ｇａｐ Ｖａｌｕｅ １０４
５1049008 ２ 仿真
在 Ｐｒｏｔｅｕｓ 软件中将画好的实物图连接完成且
程序调试成功后点击仿真按钮ꎬ 得到如图 ５ 所示的
结果ꎮ 如图 ６ 所示为电机转速随物体重量变化的仿
真结果ꎬ 结果表明 当无压力时为电机正常转速
(３０ ｒ ｍｉｎ)ꎻ 而有压力存在时速度下降ꎬ 以使整个
运行过程更加平缓ꎬ 且转速随着重量的改变而实
时改变ꎻ 当压力超过设定范围时电机立马停止运
转ꎬ 以实现保护电机的目的ꎮ
图 ５ 有压力时电机转速
图 ６ 电机转速变化曲线实物图
将控制系统所用元件的实物按照原理图连接
好ꎬ 得到如图 ７ 所示的实物图ꎮ 通过程序烧录软件
将编好的代码写入 ５１ 单片机中ꎻ 由于电机的额定
电压为 ２４ Ｖ 而单片机无法提供此电压ꎬ 所以此处
使用 ２４ Ｖ 变压器通过 Ｌ２９８ 模块与电动机和单片机
连接从而控制电机运转ꎻ 将 ＨＸ７１１ 按照原理图与
单片机连接好后开始测试ꎮ 测试中有两台不同型
号的电机均达到了随载物板重量改变而实时改变
转速的目的ꎮ 结果证明该设计可行ꎮ
图 ７ 控制部分实物图
６ 结束语
该设计采用循环判断重物重量来调节单片机
输出频率以实现实时控制电机转速的目的ꎮ 单片
机中写有超重报警程序ꎬ 当重物超过电机承受能
力也就是大于设定值时停止运转ꎬ 同时设置了急
停按钮防止高空坠物等安全问题ꎮ 该设计装置操
作简单ꎬ 价格低廉ꎬ 尤其可为许多老人提供极大
的帮助ꎬ 可以为单元或者个人安装ꎮ 此方案是以
小区住户为主要应用群体而展开的传动系统与控
制系统的设计ꎬ 为以后楼房建设提供了新思路ꎬ且其应用范围较广ꎬ 具有一定的实用价值ꎮ
参考文献
[１] 赵建周 单片机及其发展综述[Ｊ] 安阳工学院学报ꎬ２０１１ꎬ １０(６) ５０ － ５４
[２] 詹建徽ꎬ 张代远 传感器应用 挑战与发展[ Ｊ] 计
算机技术与发展ꎬ ２０１３ꎬ ２３(８) １１８ － １２１[３] 梅丽凤 单片机原理与接口技术[ Ｍ] 北京 机械工
业出版社ꎬ ２０１５[４] 谢健翔 基于 ５１ 单片机为核心的智能压力传感器[Ｊ]
机电产品开发与创新ꎬ ２０１１ꎬ ２４(３) １２７ － １２８(下转第 ６３ 页)
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