塔吊動態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的畢業(yè)論文

1、<p>　　塔式起重機(jī)動態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　學(xué) 生： </b></p><p><b>　　學(xué) 號：</b></p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院</p><p>&

2、lt;b>　　二O一三年六月</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　設(shè)計(jì)（論文）題目： 塔吊動態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　　1．畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容及基本要求</p><p><b&g

3、t;　?。?）設(shè)計(jì)目標(biāo)： </b></p><p>　　理解塔式起重機(jī)的工作原理，熟悉單片機(jī)的功能及引腳，掌握單片機(jī)在塔吊動態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。 </p><p>　?。?）主要內(nèi)容及基本要求</p><p>　?、俸喪鏊狡鹬貦C(jī)的工作原理；</p><p>　?、谕瓿伤鮿討B(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。</p>

4、<p>　　2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn)及說明</p><p>　?、購埱鍑? 建筑工程機(jī)械[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2004</p><p>　　②丁元杰.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1999.8</p><p>　?、圪Z伯年，俞樸.傳感器技術(shù)[M].東南大學(xué)出版社，1999.6</p><p>　　④韓志軍，

5、沈晉源.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p><b>　　3．進(jìn)度安排</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著近年來高層建筑的興起，塔機(jī)在現(xiàn)代化建筑施工過程中起著作用越來越大的作用，并且不斷向智能化、大型化方向發(fā)展。與此同時(shí)，塔式起重機(jī)事故也在頻

6、繁發(fā)生，塔機(jī)事故已成為威脅建筑施工安全的重要隱患之一。為使塔式起重機(jī)安全運(yùn)行減少因事故造成的經(jīng)濟(jì)及人員損失，研究開發(fā)一種塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)有著極其重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文對塔式起重機(jī)平衡監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了基于單片機(jī)的塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。本文對塔式起重機(jī)工作原理及其監(jiān)控需求進(jìn)行了詳細(xì)闡述，分析了國內(nèi)外塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。然后，對塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。本課題的監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用角度傳感器、鞘式重量傳感器、

7、絕對式光電編碼器等，通過創(chuàng)新的安裝方式，提高了塔機(jī)動態(tài)平衡監(jiān)控的技術(shù)性能。</p><p>　　關(guān)鍵詞:塔式起重機(jī);平衡檢測;單片機(jī);傳感器</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　With the develop of the architecture industry, the structure of t

8、ower cranes has been developed toward higher, bigger and intelligent. At the same time, the tower crane accidents also occur frequently. It can be said tower crane Accident has become a major threat to the safety of buil

9、ding construction. For the tower crane safe operation, reducing the accident caused by the economic loss and personnel. Research and development of an intelligent monitoring system of tower crane has important engin</

10、p><p>　　Keywords: Tower crane; balanced detection; MCU; transducer</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p&

11、gt;<b>　　目錄1</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題研究背景和意義1</p><p>　　1.2塔式起重機(jī)簡介2</p><p>　　1.2.1塔式起重機(jī)特點(diǎn)2</p><p>　　1.2.2塔式起重機(jī)

12、結(jié)構(gòu)及其工作原理2</p><p>　　1.3塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究概況3</p><p>　　1.3.1國際研究概況3</p><p>　　1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3.3塔機(jī)監(jiān)控的發(fā)展趨勢4</p><p>　　1.3.4課題主要研究內(nèi)容5</p><p>

13、;　　1.3.5 論文解決的問題5</p><p>　　第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1監(jiān)控方案設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1.1監(jiān)控系統(tǒng)信息處理單元分析6</p><p>　　2.1.2監(jiān)控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.2塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)7</p>

14、<p>　　2.2.1傾角傳感器的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.2.2稱重傳感器設(shè)計(jì)8</p><p>　　2.2.3小車變幅測量10</p><p>　　2.2.4力矩傳感器設(shè)計(jì)11</p><p>　　第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件方案確定和主要芯片選型13<

15、;/p><p>　　3.1.1單片機(jī)的選擇13</p><p>　　3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇15</p><p>　　3.1.3外部存儲器的擴(kuò)展15</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2.1電源模塊設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.2.2模擬信號

16、采集保持電路17</p><p>　　3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換18</p><p>　　3.2.4開關(guān)量輸入通道電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　3.2.5后向通道的配置19</p><p>　　3.3.6按鍵掃描電路20</p><p>　　3.3.7 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)21</p><

17、p>　　3.3.8單片機(jī)外圍接口擴(kuò)展模塊21</p><p>　　第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.1.1系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)23</p><p>　　4.1.2系統(tǒng)軟件ADC模塊設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.1.3LCD顯示模塊設(shè)計(jì)

18、25</p><p>　　4.1.4按鍵中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.1.5數(shù)據(jù)存儲模塊27</p><p><b>　　第5章總結(jié)29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　致謝31<

19、;/b></p><p>　　附錄A監(jiān)控主程序32</p><p>　　附錄B系統(tǒng)主要模塊電路圖41</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題研究背景和意義</p><p>　　塔式起重機(jī)（簡稱塔機(jī)）起源于西歐，它是為適應(yīng)歐洲工業(yè)革命建設(shè)的需要，由

20、系纜式桅桿吊演變而來的[12]。到如今，塔機(jī)越來越多的運(yùn)用于工業(yè)和民用建筑領(lǐng)域來垂直搬運(yùn)和移動貨物，可以說是大型建筑必不可少的工具之一。由于塔機(jī)機(jī)體龐大、起升高度高、起吊重量大、作業(yè)范圍廣等原因，也是一個(gè)蘊(yùn)藏危險(xiǎn)較多的機(jī)構(gòu)。近年來隨著各類高層、超高層建筑的興起和生產(chǎn)自動化程度的提高,為提高工作效率,塔機(jī)也日益向大型化、高速化、智能化方向發(fā)展，因而對其安全性能也提出更高要求。因而研發(fā)一種能對塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并提供安全有效的保障

21、措施的塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)有著十分重要的意義。本文在分析并總結(jié)當(dāng)前塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀和不足的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)一種基于單片機(jī)的塔機(jī)動態(tài)平衡遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　對于機(jī)械設(shè)備來說，完全不出故障是不可能做到的，關(guān)鍵是在于能夠早期發(fā)覺，防患于未然。而以定期維護(hù)、維修的方式也必定不能完全杜絕安全事故的發(fā)生，所以必然會過渡到以狀態(tài)為基礎(chǔ)的狀態(tài)檢測維修制度。現(xiàn)代塔機(jī)的應(yīng)用一方面能夠大大加快建設(shè)的速度，而另一方

22、面也潛伏著巨大的危機(jī)，由于塔式起重機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)和使用方式，一旦稍有不慎，很容易引起很嚴(yán)重的安全事故。為了能夠保障塔機(jī)安全工作，降低建筑施工事故發(fā)生,國家制定了比較完善的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,頒布了《塔式起重機(jī)安全操作規(guī)程》等一系列的文件。安全規(guī)程對塔機(jī)安全保護(hù)裝置作了詳細(xì)規(guī)定,強(qiáng)制要求塔機(jī)上必須裝設(shè)安全保護(hù)裝置。但即便如此,目前在建筑施工中,由塔機(jī)引起的人員傷亡和設(shè)備事故依舊屢屢發(fā)生。</p><p>　　表1-1塔機(jī)結(jié)構(gòu)

23、損壞統(tǒng)計(jì)表</p><p>　　由于塔機(jī)的特殊結(jié)構(gòu)和使用方式，塔機(jī)事故具有多樣性和復(fù)雜性。有資料對1200例塔機(jī)事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。如果按塔機(jī)結(jié)構(gòu)損壞情況分類,塔機(jī)典型事故情況見表1-1[13]。由上表可以知道，塔機(jī)事故的發(fā)生主要是由于整體傾覆。塔機(jī)的傾覆歸根結(jié)底在于塔機(jī)在工作時(shí)產(chǎn)生的不平衡，基于此提出了此課題的研究。</p><p>　　1.2塔式起重機(jī)簡介</p><

24、;p>　　1.2.1塔式起重機(jī)特點(diǎn)</p><p>　　塔式起重機(jī)屬于起重機(jī)門類中的一大專門類型，它是工程建筑中應(yīng)用的重要起重設(shè)備。</p><p>　　其主要優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)當(dāng)面：塔身高，起重臂的絞點(diǎn)裝置處于塔身的頂部，使塔式起重機(jī)的有效起吊高度距離更大，能滿足工程建筑施工中物料運(yùn)輸?shù)母叨?；塔式起重機(jī)起重臂較長，旋轉(zhuǎn)后水平覆面廣；塔機(jī)在工作運(yùn)行狀態(tài)時(shí)能同時(shí)進(jìn)行起升、變幅、回轉(zhuǎn)和行走等

25、運(yùn)動，作業(yè)效率高，因此塔式起重機(jī)成為了建筑工程中不可替代的重要設(shè)備之一。</p><p>　　1.2.2塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　目前使用的塔式起重機(jī)大多數(shù)都是變幅小車式，其主要機(jī)構(gòu)包括：起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)與行走機(jī)構(gòu)等幾大機(jī)構(gòu)組成，為塔式起重機(jī)的功能執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在塔機(jī)的主要工作參數(shù)相同的情況下，起升、變幅及回轉(zhuǎn)三大機(jī)構(gòu)的工作性能決定了塔機(jī)的性能好壞。</

26、p><p>　　(1) 塔式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)</p><p>　　起升機(jī)構(gòu)通過吊繩實(shí)現(xiàn)物料的垂直上下運(yùn)動，其構(gòu)實(shí)際上就是一臺可調(diào)速的卷揚(yáng)機(jī)。由原動機(jī)、卷筒、鋼絲繩、制動器、滾輪組和吊鉤組成。通過原動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動變速器，然后通過卷筒、鋼絲繩、滾輪組等機(jī)構(gòu)將原動機(jī)的旋轉(zhuǎn)變?yōu)榈蹉^的垂直運(yùn)動。當(dāng)鋼絲繩纏繞達(dá)到一定的圈數(shù)值時(shí)，制動器觸發(fā)，切斷起升機(jī)構(gòu)的電源。</p><p>　　(2

27、) 塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)</p><p>　　回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)作用是實(shí)現(xiàn)物料在任意方向內(nèi)的移動。由電機(jī)、行星齒輪減速器、回轉(zhuǎn)齒圈和液力耦合器等構(gòu)成。大多數(shù)的塔機(jī)是通過電機(jī)經(jīng)行星齒輪減速器帶動小齒輪，使其圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動塔機(jī)的回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)有回轉(zhuǎn)限位器，通過調(diào)整限位器凸輪角度，限制塔身的回轉(zhuǎn)角度。</p><p>　　(3) 塔式起重機(jī)變幅機(jī)構(gòu)</p><p>　　變

28、幅機(jī)構(gòu)作用是改變吊鉤中心位置與塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸線位置之間的距離。變幅機(jī)構(gòu)主要包括括電動機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)、變幅小車、鋼絲繩、卷筒、導(dǎo)向輪和張緊輪等幾部分。變幅變化時(shí)，電機(jī)通過減速機(jī)、卷筒帶動鋼絲繩的運(yùn)動。鋼絲繩兩端分別通過臂架根滑輪和臂架前滑輪來連接到小車。其中一端收縮鋼絲繩，另一端放出鋼絲繩，帶動小車的運(yùn)動。變幅機(jī)構(gòu)設(shè)有行程限位器。小車運(yùn)動時(shí)，齒輪帶動凸輪運(yùn)動。通過設(shè)定凸輪轉(zhuǎn)動的角度范圍來限定小車的極限行程。</p>

29、<p>　　1.3塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研究概況</p><p>　　隨著高層建筑物和大型工程不斷出現(xiàn)，塔式起重機(jī)向著大型化、高速化、智能化方向發(fā)展。但塔式起重機(jī)安全事故也逐年增加。而塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)防止了塔機(jī)安全事故的發(fā)生。塔式起重機(jī)在建筑業(yè)中成為工程機(jī)械一個(gè)重要分支以來，其安全性問題一直在國內(nèi)外引起了巨大的關(guān)注，塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于各類塔式起重機(jī)。</p>&l

30、t;p>　　1.3.1國際研究概況</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、機(jī)械技術(shù)的不斷融合，塔機(jī)各方面性能在不斷改進(jìn)，其監(jiān)控系統(tǒng)功能也逐漸完善。國際上塔機(jī)設(shè)計(jì)制造行業(yè)較發(fā)達(dá)的國家主要有德國、英國、法國、意大利、俄羅斯、丹麥、西班牙、美國和日本。其中又以法國和德國生產(chǎn)的塔機(jī)最具代表性。比較著名的塔機(jī)生產(chǎn)廠家有德國的LIEBHERR公司、法國的POTAIN公司、意大利的SIMMA等幾十家制造商,其產(chǎn)品

31、在國際塔機(jī)市場占據(jù)著大部分份額,同時(shí)也代表著塔機(jī)生產(chǎn)的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和未來趨勢。</p><p>　　較之國內(nèi)國外塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)研制比較早，其監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)比較全面，數(shù)字化和智能化程度都很高。塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用對于遏制重大事故，減少一般事故起到了巨大的作用，改變了塔機(jī)事故頻繁發(fā)生的被動局面，實(shí)現(xiàn)了預(yù)防事故的目的。1997年德國利勃海爾公司率先應(yīng)用了全參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，而后這套系統(tǒng)迅速普及到歐美等發(fā)達(dá)國家。至2001年歐美

32、各國所有的建筑塔式起重機(jī)都已安裝了該系統(tǒng)，并且將其列入了技術(shù)法規(guī)。利用這些高新技術(shù)不僅保證了塔機(jī)的工作安全，取得最佳的工作效率，也使它們的產(chǎn)品在國際上保持著領(lǐng)先的地位。</p><p>　　1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　與國外先進(jìn)塔機(jī)制造企業(yè)相比,國內(nèi)塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展起步比較晚，主要是一些科學(xué)研究院所和高等院校在進(jìn)行開發(fā)、研究和設(shè)計(jì)。雖然我國從五六十年代就開始引進(jìn)國外先進(jìn)

33、的塔機(jī)，但是塔機(jī)的生產(chǎn)研究工作卻是在改革開放之后，隨著工業(yè)建設(shè)和民用建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大，才漸漸被提上日程。</p><p>　　目前國內(nèi)塔機(jī)仍以中小型起重機(jī)為主，剛完成機(jī)械液壓一體化，智能化塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)還處于比較落后的階段。有實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果顯示，國產(chǎn)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在著漂移大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，而國外產(chǎn)品則要好的多。從選用的電子元件上看，國內(nèi)一些廠家使用了級別較低，價(jià)格便宜的電子元件，達(dá)到了一定的自動化水平，在價(jià)

34、格方面也占有一定的優(yōu)勢，但在上和壽命上還值得商榷。近幾年，國內(nèi)也研制出了一些塔機(jī)安全綜合監(jiān)測儀，將塔機(jī)起吊重量、回轉(zhuǎn)力矩、起吊高度、風(fēng)力大小等數(shù)據(jù)收集進(jìn)去，輪流切換并在屏幕上顯示，技術(shù)上取得了較大成功。</p><p>　　總體上說，國內(nèi)塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)相對國外先進(jìn)的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來說價(jià)格比較便宜。但是，國內(nèi)產(chǎn)品在穩(wěn)定性和可靠性上與國外相比仍有較大差距，不能適應(yīng)在較為復(fù)雜的環(huán)境下運(yùn)行的要求，整體性能完善方面以及長遠(yuǎn)

35、發(fā)展戰(zhàn)略上還有待提高。</p><p>　　1.3.3塔機(jī)監(jiān)控的發(fā)展趨勢</p><p>　　隨著自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，為了提高塔機(jī)工作效率和保證施工安全，塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)被要求具有更高的信息采集和數(shù)據(jù)處理能力。塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)快速向著硬件可靠化、軟件智能化、系統(tǒng)高度集成化的方向發(fā)展。</p><p><b>　　硬件的可靠化<

36、/b></p><p>　　使用高性能的電子元器件，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。對輸入和輸出信號進(jìn)行隔離，防止外界環(huán)境對系統(tǒng)的干擾，加強(qiáng)硬件系統(tǒng)的抗干擾能力。為了防止電網(wǎng)諧波對系統(tǒng)的干擾，采用穩(wěn)定可靠的電源技術(shù)。</p><p><b>　　軟件智能化</b></p><p>　　軟件智能化主要體現(xiàn)在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)自診斷能力

37、和記錄功能以及優(yōu)良的人機(jī)界面三個(gè)方面。可以根據(jù)不同的工作情況，選擇不同的工作參數(shù)。在系統(tǒng)的參數(shù)出現(xiàn)故障的時(shí)候系統(tǒng)能自動識別，例如某個(gè)傳感器沒輸出信號，系統(tǒng)能夠檢測到傳感器出現(xiàn)故障，并顯示在屏幕上，方便工作人員能很快找到故障原因并進(jìn)行處理。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)記錄塔機(jī)工作中出現(xiàn)的異常參數(shù)信息。優(yōu)良的人機(jī)界面，通俗易懂，操作更加快捷、簡單，界面顯示的信息更加全面，顯示畫面更加直觀。將塔機(jī)的工作的實(shí)際運(yùn)行模型模擬顯示，操作人員不用直接觀察塔機(jī)便能夠了

38、解當(dāng)前塔機(jī)的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　系統(tǒng)高度集成化</b></p><p>　　采用集中分布式的基本結(jié)構(gòu)，以高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做中央控制單元，將運(yùn)行控制系統(tǒng)、自診斷監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集成。以高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)做中央控制單元，實(shí)行運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障信息的顯示與存儲并報(bào)警、監(jiān)視各個(gè)智能監(jiān)控單元的工作狀態(tài)，智能監(jiān)控單元之間相互監(jiān)控，并將獲得的參數(shù)信息

39、通過總線技術(shù)傳送到中央控制單元。中央智能控制單元可以由單片機(jī)、PLC、DSP 等處理器組成，提高了系統(tǒng)的整體性能也降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本。</p><p>　　1.3.4課題主要研究內(nèi)容</p><p>　　(1) 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。塔機(jī)監(jiān)控參數(shù)的多樣性決定了監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)集信息采集、處理、存儲和管理為一體的系統(tǒng)。選擇合適精度的傳感器，精確采集所需要監(jiān)測的信息，保證監(jiān)控系統(tǒng)能夠達(dá)到所預(yù)期的

40、檢測目的。</p><p>　　(2) 監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)。在監(jiān)控系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理的各模塊硬件電路。</p><p>　　(3) 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件部分是控制器的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著控制器的全部邏輯運(yùn)算、I/O控制、人機(jī)交互任務(wù)。軟件運(yùn)行效率、時(shí)實(shí)性、交互性直接決定了整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的需要和硬件電路設(shè)計(jì)了相關(guān)軟件。</p>&l

41、t;p>　　1.3.5 論文解決的問題</p><p>　　實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示塔機(jī)的狀態(tài)參數(shù),以實(shí)現(xiàn)對塔機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。</p><p>　　適應(yīng)塔機(jī)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的信號采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。</p><p>　　提高監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力。</p><p>　　第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p><b&g

42、t;　　2.1監(jiān)控方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1.1監(jiān)控系統(tǒng)信息處理單元分析</p><p>　　隨著現(xiàn)代化建設(shè)速度加快，各種高層、超高層建筑不斷涌現(xiàn)，塔機(jī)的工作環(huán)境變得復(fù)雜多樣。這便要求塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠能夠快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地處理現(xiàn)場復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)，以確保塔機(jī)各個(gè)環(huán)節(jié)能夠有效、安全地運(yùn)行。在整個(gè)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中信息處理單元扮演著十分重要的角色，是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)成功與否

43、的決定性因素。信息處理單元不僅要及時(shí)收集各個(gè)傳感器所采集來的塔機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，還要按需對其進(jìn)行一系列的分析、處理和記錄，并且還要反饋給系統(tǒng)的輸出接口，從而控制整個(gè)塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。在深入了解塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)的工作原理，綜合國內(nèi)外塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的現(xiàn)狀，兼顧性價(jià)比，最終確定本次所研究的塔機(jī)平衡監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測塔機(jī)傾角、起重重量、小車幅度以及起重力矩等參數(shù)。</p><p>　　在目

44、前，國內(nèi)塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用的信息處理單元有主要由以下幾個(gè)解決方案：</p><p>　　(1)以單片機(jī)為中央處理核心。目前國內(nèi)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，其成本相對較低，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣闊。單片機(jī)系統(tǒng)具有體積小、便攜性能好、功耗低、使用者眾多等優(yōu)點(diǎn)。目前的單片器在芯片上集成了更多的功能,例如如先進(jìn)的A/D接口、數(shù)字信息處理功能以及靈巧的電源功能等。隨著最新的亞微米CMOS工藝技術(shù)運(yùn)用于單片機(jī)上，單片機(jī)的運(yùn)算速度有

45、了很大的提高。</p><p>　　(2)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中央處理核心。工控機(jī)在主機(jī)接口、網(wǎng)絡(luò)通訊、軟件兼容性以及軟件升級等方面都遵守開放性原則。這有利于系統(tǒng)擴(kuò)充、不同系統(tǒng)之間的連接、軟件的移植和互換。其可靠性比較高，對環(huán)境的適應(yīng)能力比較強(qiáng)，實(shí)時(shí)性也比較好。其后備措施比較齊全，擁有后備供電、存儲器信息保護(hù)、手動/自動操作、緊急事故切換裝置等。但是工控機(jī)的體積比較大，不易于攜帶，功耗高。而且運(yùn)用于塔機(jī)監(jiān)控也不太可

46、能將龐大的工控機(jī)放在塔機(jī)操控室。</p><p>　　(3)以PLC為中央處理核心。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。其采用大規(guī)模集成電路技術(shù)，在加上嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝制造，使其具有很高的可靠性、抗干擾能力、配置靈活、編程簡單一、使用比較方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。但是PLC體系比較封閉，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這也使得不同生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的PLC硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統(tǒng)也各不相同，其通用性差，可擴(kuò)展性差，不利于塔

47、機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的拓展。</p><p>　　總上所述,由于系統(tǒng)的開發(fā)要求,同時(shí)又考慮到目前開發(fā)能力。本文采用了單片機(jī)為中心處理器的方式來開發(fā)塔機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.2監(jiān)控結(jié)構(gòu)系統(tǒng)化設(shè)計(jì)</p><p>　　塔機(jī)平衡監(jiān)控系統(tǒng)集結(jié)了單片機(jī)、傳感器、傳輸反饋模塊，各塊協(xié)同配合，共同完成。對塔機(jī)工作的起升、小車變幅進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤反饋，從最大限度上保障塔機(jī)的安全

48、工作。</p><p>　　設(shè)計(jì)的基本原理為：將傳感器（稱重傳感器、力矩限制器、角度傳感器等)采集的塔機(jī)實(shí)時(shí)信息先進(jìn)行信號放大，再將放大后的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入單片機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理和存儲。然后通過LCD顯示屏將相關(guān)的信息顯示出來。另一方面，單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內(nèi)部中預(yù)先設(shè)定的重量、角度、小車幅度、起重力矩等數(shù)值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到或超過預(yù)設(shè)的數(shù)值時(shí)發(fā)出報(bào)警，并且輸出相應(yīng)的控制信號，斷開塔機(jī)向

49、危險(xiǎn)方向的控制電路，從而達(dá)到安全保護(hù)的目的。</p><p>　　2.2塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1傾角傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　塔機(jī)在工作中會受到吊重的影響以及在有風(fēng)的情況下會發(fā)生輕微的傾斜,如果不了解塔機(jī)的傾斜角,就可能在傾斜角過大的情況下發(fā)生塔機(jī)倒塌的嚴(yán)重事故。在本次塔機(jī)平衡監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)了傾角傳感器。本系統(tǒng)中選用的是北

50、京天海科科技發(fā)展有限公司的QXJ2-BZ-A型磁敏傾斜角傳感器，對傾角的測量從X軸和Y軸兩個(gè)方向進(jìn)行。</p><p>　　QXJ2-BZ-A型磁敏傾斜角傳感器是一種高精度的二維傾角傳感器。它采用高性能半導(dǎo)體磁敏電阻作為其敏感元件（簡稱為MR元件），當(dāng)外界磁場變化時(shí)，它的阻值會產(chǎn)生數(shù)倍的變化。為了使MR元件能夠充分感應(yīng)外界磁通量的變化,傳感器采用自動擺來帶動永磁體來轉(zhuǎn)動，將MR元件與永磁體之間產(chǎn)生的相對角度的變化

51、轉(zhuǎn)變成電阻阻值的變化,再通過信號變換電路將塔機(jī)的傾斜角轉(zhuǎn)換成4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。其接線方式為:紅色線接電源正極，黑色線接電源負(fù)極，黃色線接X輸出信號，藍(lán)色線接Y輸出信號。具體參數(shù)指標(biāo)如表2-1所示。</p><p>　　磁敏傾斜角傳感器水平安裝在塔機(jī)塔帽頂端。在安裝之前，應(yīng)確定水平位置，即調(diào)整被測平面,使傳感器X、 Y方向兩路輸出信號都是12mA (3V)。被測塔機(jī)傾斜角度的旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)該垂直于傳感器底座上

52、的直線邊。</p><p>　　表2-1QXJ2-BZ-A型磁敏傾斜角傳感器技術(shù)參數(shù)</p><p>　　2.2.2稱重傳感器設(shè)計(jì)</p><p>　　起重量傳感器是將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵龅难b置，由于起重量傳感器在塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的重要性，在選型時(shí)應(yīng)該注意到以下幾點(diǎn)：首先其設(shè)計(jì)許用重量應(yīng)該大于塔機(jī)的許用起吊重量；在稱重時(shí)應(yīng)當(dāng)能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、快速的輸出信號給控制器，

53、所以還應(yīng)當(dāng)考慮到它的靈敏度；另外，由于建筑工地工作環(huán)境的惡劣和復(fù)雜性，應(yīng)該選取密封性好可以在粉塵、潮濕的環(huán)境中工作的傳感器。</p><p>　　傳統(tǒng)的起重量傳感器其本質(zhì)就是一個(gè)限位開關(guān)，只能定性判斷是否超重，而不能反饋起重量到底是多少。本文采用采用了新型的軸銷式傳感器，能夠通過電信號實(shí)時(shí)反饋起重量信息。軸銷式傳感器有著精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)合理、緊湊、安裝更換便利的特點(diǎn)，實(shí)質(zhì)上就是一根空心截面圓軸。在其中心孔內(nèi)

54、凹槽中心的位置上貼有雙剪型電阻應(yīng)變計(jì)，兩個(gè)凹槽處的雙剪型電阻可以共同組成惠斯通電橋進(jìn)行測量也可以分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進(jìn)行測量。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1示[5][10]。</p><p>　　圖2-1銷式起重量傳感器外廓圖</p><p>　　其輸出信號為0~20 mV電壓模擬信號，技術(shù)參數(shù)如下表：</p><p>　　表2-2銷式起重量傳感器技術(shù)參數(shù)</p&g

55、t;<p>　　彈性元件的應(yīng)變區(qū)為凹槽中心的空心截面，其中點(diǎn)處剪應(yīng)力最大。剪應(yīng)力可以通過測量安裝在其中的應(yīng)變片的變形來得到，相關(guān)算法如下：</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　其中： 為橫截面上的剪力；</p><p><b>　　為對Z軸的靜矩；</b></p>

56、<p><b>　　為橫截面寬度；</b></p><p>　　為截面對中性軸Z的慣性矩。</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p><b>　　(2-3)</b></p><p><b>　　(2-4) </b><

57、/p><p>　　將公式帶入得到空心截面處的剪力:</p><p>　　(2-5) </p><p><b>　　其剪應(yīng)變?yōu)椋?</b></p><p><b>　　(2-6)</b></p&g

58、t;<p>　　中點(diǎn)處與軸線成45O角處的主應(yīng)力、主應(yīng)變?yōu)?</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　2.2.3小車變幅測量</p><p>　　由于塔機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜多樣，地面設(shè)備、障礙物高低不定，塔機(jī)操作人員

59、很難判斷小車工作幅度。為了防止起重臂變幅失控，小車工作幅度需要保持在一個(gè)安全的范圍。目前，小車行程限位器多用機(jī)械齒輪傳動式的行程開關(guān)，由于機(jī)械的頻繁接觸，限位器容易損壞，從而發(fā)生事故。本文通過傳感器對小車行程信息進(jìn)行采集，運(yùn)用數(shù)字式開關(guān)代替原有的機(jī)械開關(guān)，使塔機(jī)工作更為安全。小車的工作幅度可以通過測量導(dǎo)向滑輪、旋轉(zhuǎn)齒輪等回轉(zhuǎn)體來測量，而測量回轉(zhuǎn)體一般選用旋轉(zhuǎn)編碼器。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)編碼器根據(jù)刻度方法與編

60、碼器的輸出形式，可以分為增量式和絕對式編碼器[11]。增量式光電編碼器主要由光源、碼盤、監(jiān)測光柵、光敏元件和轉(zhuǎn)換電路組成。增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器一般輸出三路信號，包括以正弦波或方波脈沖出現(xiàn)的A、B相信號以及零位信號Z。光敏元件所產(chǎn)生的信號A、B彼此相差900，利用A、B相之間的相位差，可以判斷編碼器的轉(zhuǎn)向。Z相為每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。絕對式光電編碼器直接輸出二進(jìn)制數(shù)字信息。在其圓形碼盤上，沿半徑方向有若干同心碼道，每條碼道

61、都是由多個(gè)透光、不透光的扇區(qū)相間組成，在碼盤的一側(cè)是發(fā)光體，另一側(cè)則是光敏元件，當(dāng)光線通過透光的扇照射到光敏元件上時(shí)，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及電子處理電路的調(diào)制后將位置信息以數(shù)字信號形式輸出。</p><p>　　小車工作幅度可通過測量相關(guān)工作機(jī)構(gòu)導(dǎo)向滑輪所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)及導(dǎo)向滑輪的半徑間接測出。當(dāng)塔機(jī)停機(jī)時(shí)，變幅機(jī)構(gòu)處于制動狀態(tài)，只要在斷電前將小車工作幅度這個(gè)物理量存儲起來，開機(jī)后再從存儲器讀出這數(shù)據(jù)即可，因而可以選用沒有記

62、憶功能的增量式光電編碼器進(jìn)行信息采集。相對于絕對式光電編碼器來說價(jià)格便宜，性價(jià)比高。通過聯(lián)軸器將其與變幅機(jī)構(gòu)的傳動齒輪或者導(dǎo)向滑輪相連。</p><p>　　本文選用DBS50型輕載增量式光電編碼器，在同類產(chǎn)品中其性價(jià)比最高。其分辨率可選范圍為100~2500，工作電壓有DC 4.5~ 5V (TTL) 、DC 7~24V (MTL) , DC 4.5~5.5V(NPN)，電氣接口有TTL、HTL、NPN開路集電

63、極。使用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心時(shí)，通過光電耦合器與單片機(jī)連接。</p><p>　　2.2.4力矩傳感器設(shè)計(jì)</p><p>　　為了保證塔機(jī)的安全運(yùn)行，力矩限制器是必要安裝的裝置。我國在GB 12602-90《起重機(jī)械超載保護(hù)裝置安全技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定：電氣型力矩限制器綜合誤差不得超過±5%，機(jī)械型力矩限制器綜合誤差不超過±8%，其顯示誤差不超過±5%?，F(xiàn)目前

64、，最多運(yùn)用的是弓形板力矩限制器，尤其是在老式塔機(jī)上面應(yīng)用廣泛。但是其靈敏度較低，不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映塔機(jī)起重力矩的變化。本文設(shè)計(jì)了一種利用檢測起重重量和小車變幅幅度來檢測塔機(jī)力矩變化的電子式力矩限制器[5]。</p><p>　　塔機(jī)的力矩由作用力和力臂決定。其中作用力包括塔機(jī)起重重量、吊具、鋼絲繩等的重量。塔機(jī)力矩的計(jì)算公式為:</p><p><b>　　(2-9)</

65、b></p><p>　　其中:M—塔機(jī)起重力矩;</p><p><b>　　K—安全系數(shù)；</b></p><p>　　P—塔機(jī)額定起重量（包括起重重量和吊具重量）;</p><p>　　L—吊重至塔身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的距離（力臂）。</p><p>　　塔機(jī)額定起重量P由軸銷式傳感器測得。力臂

66、L由光電編碼器測得:</p><p><b>　　(2-10)</b></p><p>　　其中:d—光電編碼器安裝滑輪直徑;</p><p>　　a—實(shí)測光電編碼器的輸出脈沖數(shù);</p><p>　　n—光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)。</p><p>　　傳感器所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理后與塔機(jī)額

67、定起重力矩進(jìn)行比較，在通過力矩限制器對塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和控制。當(dāng)塔機(jī)實(shí)際起重力矩達(dá)到額定起重力矩的90%左右時(shí)發(fā)出預(yù)警信號，達(dá)到或超過額定起重力矩時(shí)發(fā)出報(bào)警信號，并且斷開塔機(jī)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動的信號。</p><p><b>　　第3章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1系統(tǒng)硬件方案確定和主要芯片選型</p><p>　　3.1.

68、1單片機(jī)的選擇</p><p>　　考慮到與自己熟悉的CPU相近的芯片，在國內(nèi)有成熟的開發(fā)條件和穩(wěn)定的供貨來源，同時(shí)考慮微型機(jī)的字長、運(yùn)算速度、中斷系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、片內(nèi)RAM、片內(nèi)ROM的數(shù)量及定時(shí)器的數(shù)量等方面，本文選用AT89C52為中央數(shù)據(jù)處理器[4]。AT89C52為40腳雙列直插封裝的高性能CMOS 8位通用微處理器，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的8×C52相同，它采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，主

69、要用于會聚調(diào)整時(shí)的功能控制。其各引腳功能如下：</p><p>　　P0口： P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個(gè)TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Fl-ash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在

70、程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。</p><p>　　P1口： P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)

71、器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），F(xiàn)lash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。</p><p>　　表3-1 P1.0和P1.1的第二功能</p><p>　　P2口: P2口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作

72、輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號。</p><p>　　P3口： P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4

73、個(gè)TTL 邏輯門電路。對P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。</p><p>　　RST： 復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。</p>&l

74、t;p>　　ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作

75、。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。</p><p>　　PSEN： 程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。</p><p&

76、gt;　　EA/VPP： 外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。</p><p>　　XTAL1： 振蕩

77、器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p>　　3.1.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇</p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計(jì)思想和制造技術(shù)多種多樣，為了滿足各種不同的檢測技術(shù)和控制任務(wù)的需要，大量的結(jié)構(gòu)不同，性能不同的A/D轉(zhuǎn)換器層出不窮。 </p><

78、;p>　　本文選用ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器，它是一種逐次比較式8路模擬輸入，8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。由單一的+5V電源供電，里面帶有所存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由A、B、C,引腳的編碼來決定所選的通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換需要100us左右輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩存器，可以直接連接到單片機(jī)總線上。ADC0809引腳圖如圖3-1。</p><p>　　圖3-1ADC0809引腳圖</p>

79、;<p>　　3.1.3外部存儲器的擴(kuò)展</p><p>　　由于AT89C52微處理器的,數(shù)據(jù)存儲器只有256個(gè)字節(jié)，而本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)設(shè)備參數(shù)設(shè)定、顯示控制以及對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算等功能, 所以數(shù)據(jù)存儲器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因而要對單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行擴(kuò)展。本文選用了外部數(shù)據(jù)存儲器62256。</p><p>　　62256是一種32×8的高集成度

80、的RAM，采用單一+5V電源供電，雙列直插式28引腳封裝。其芯片引腳排列如圖3-2。</p><p>　　圖3-2 62256芯片引腳排列圖</p><p>　　3.2系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-3塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖</p><p>　　在塔機(jī)工作時(shí)，傳感器采集到的塔機(jī)工作狀信息先進(jìn)行信號調(diào)理放大，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再

81、送給單片機(jī)進(jìn)行分析處理。處理后的數(shù)據(jù)通過LCD進(jìn)行顯示，同時(shí)與與所設(shè)定的預(yù)警值和報(bào)警值進(jìn)行比較。當(dāng)達(dá)到或者超過設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)通過蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，切斷塔機(jī)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動的控制電路。同時(shí)單片機(jī)會將塔機(jī)出現(xiàn)異常狀態(tài)的時(shí)間、相關(guān)數(shù)據(jù)和狀態(tài)的信息存放到外擴(kuò)RAM中。塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理圖如圖3-3。</p><p>　　3.2.1電源模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)所需電壓有5V DC以及1

82、2V DC。5V DC為單片機(jī)、譯碼器、鎖存器、光電編碼器、LCD顯示器等系統(tǒng)模塊提供電源電壓。12V DC為傾角傳感器以及軸銷式起重量傳感器提供電源電壓。本文采用220V交流電經(jīng)變壓、整流、濾波后分別通過固定輸出穩(wěn)壓模塊LM7812、 LM7805轉(zhuǎn)成+12V、+5V直流電源。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,減少尖峰脈沖電流對元器件的影響,在固定式三端穩(wěn)模塊的輸入端接入了大數(shù)值的電解電容,以濾除高次諧波,電壓電路圖如圖3-4所示。</

83、p><p><b>　　圖3-4供電電路圖</b></p><p>　　3.2.2模擬信號采集保持電路</p><p>　　傳感器輸出的模擬信號很微弱,不能直接送到A/D轉(zhuǎn)換器,還需要經(jīng)過放大、濾波、限幅等調(diào)理電路后才能輸入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,電路如圖3-5所示。為了匹配傳感器的輸出阻抗與放大器的輸入阻抗，減小誤差，放大電路采用了超低漂移高精度運(yùn)

84、算放大器OPA827。它具有高增益、低失調(diào)電壓和電流、低電壓漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比、低溫度漂移等特點(diǎn)。圖中R6和R12為調(diào)零電阻,輸入信號經(jīng)U11后變?yōu)榉聪螂妷狠斎脒\(yùn)算放大器U12,調(diào)節(jié)R8的大小可以改變U12的放大倍數(shù),信號經(jīng)反相放大后變?yōu)?~5V電壓信號。為了保護(hù)A/D口，電路中加入濾波電容C13，以D3和D4構(gòu)成限幅電路。</p><p>　　圖3-5起重重量模擬信號處理電路圖</p>

85、<p>　　3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換</p><p>　　系統(tǒng)中傳感器所采集到的起重重量、塔機(jī)傾角的信號是連續(xù)變化的模擬量,其中還含有許多干擾信號，會影響傳感器輸入處理器的數(shù)據(jù)保真性，所以必須清除干擾。單片機(jī)只能處理數(shù)字信號量，傳感器輸出的模擬信號不能直接輸入單片機(jī)，必須先進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后單片機(jī)才能進(jìn)行分析、和處理。 </p><p>　　在選擇A/D轉(zhuǎn)換

86、器時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換器必須要達(dá)到一定的精度要求，為了保證監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，A/D轉(zhuǎn)換器還必須具有較高的轉(zhuǎn)換速度。本文選擇的是ADC0809型A/D轉(zhuǎn)換器，其與系統(tǒng)硬件電路連接如圖3-6。</p><p>　　圖3-6A/D轉(zhuǎn)換電路圖</p><p>　　3.2.4開關(guān)量輸入通道電路設(shè)計(jì)</p><p>　　小車變幅采用電感式接近開關(guān)檢測，電路如圖3-7所示。圖中1腳接電

87、源，3腳接地，2腳為輸出。當(dāng)接近開關(guān)的感應(yīng)端接近某金屬時(shí)，三極管TR導(dǎo)通，2腳與3腳導(dǎo)通，電阻R13短路，LM339的同相輸入端接地,比較器輸出低電平；當(dāng)近開關(guān)斷開時(shí),比較器輸出高電平，這樣即可采集到所需的脈沖信號。</p><p>　　圖3-7開關(guān)量輸入通道電路圖</p><p>　　由于比較器LM339輸出為0~12V，不能與系統(tǒng)的TTL5V邏輯電平兼容。本文利用光電偶合器4N25組成

88、邏輯變換電路，將12V的脈沖電壓信號轉(zhuǎn)換成TTL5V電平的脈沖信號。光電偶合器的輸入端電流至少應(yīng)為6mA以上才能使光電耦合器的輸出端光敏三極管導(dǎo)通,則限流電阻R17取500Ω，LM339輸出端上拉電阻取1K。由光電耦合器輸出的信號經(jīng)非門74HC04進(jìn)一步整形后送入單片機(jī)。</p><p>　　3.2.5后向通道的配置</p><p>　　塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，單片機(jī)利用后向通道實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測對象控制

89、操作。其主要功能有驅(qū)動大功率開關(guān)，來控制斷電停機(jī)裝置以及聲光報(bào)警輸出。</p><p>　　一般來說單片機(jī)I/O輸出的開關(guān)量不足以驅(qū)動一些功率開關(guān)（比如繼電器、電機(jī)等），所以在后向通道的一些大功率開關(guān)量控制接口中，常采用功率開關(guān)電路。在本文中利用繼電器來將低電壓、小電流信號轉(zhuǎn)換成高電壓、大電流信號，此處選用的繼電器輸入端額定電壓為DC12V，線圈驅(qū)動電流為80mA。同時(shí)為了隔離弱電與強(qiáng)電，還應(yīng)加入隔離裝置。本文選

90、用達(dá)林頓輸出型光電耦合器TIL113，其集電極輸出電流在100mA以上，輸入端可直接由TTL電平驅(qū)動，驅(qū)動電流只需l0mA。接口電路如圖3-8，圖中R22為限流電阻，D6為保護(hù)用二極管。</p><p>　　圖3-8繼電器輸出電路</p><p>　　聲光報(bào)警由三極管2SC1815來驅(qū)動，輸入端接單片機(jī)I/0口，C4和C5起濾波作用，D7起保護(hù)作用，聲光報(bào)警電路如圖3-9。</p&g

91、t;<p>　　圖3-9聲光報(bào)警電路</p><p>　　3.3.6按鍵掃描電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用的是4x4行列式鍵盤作為輸入設(shè)備。行列式鍵盤掃描電路如圖3-10所示。按鍵設(shè)置在行列式交叉點(diǎn)上,行列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端,行線通過上拉電阻接+5V電源被鉗制在高電平狀態(tài)。</p><p>　　圖3-10鍵盤掃描電路</p>

92、<p>　　識別有無按鍵按下時(shí)，將所有列線置低電平,將行線電平狀態(tài)讀入,如果有鍵按下,則有一根行線電平被拉至低電平,從而使行輸入不全為1。識別按下的鍵時(shí)，依次置某一列線為低電平,其余列線為高電平,檢查各行線電平的變化,若某行線電平變低,可確定對應(yīng)行、列線的交叉點(diǎn)處的鍵被按下，通過掃描法找到哪個(gè)按鍵被按下,就可以對其賦鍵值。采用中斷掃描方式接入一個(gè)四輸入與門來確保能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不過多占用CPU工作時(shí)間。</p&g

93、t;<p>　　3.3.7 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)</p><p>　　本文采用SED1330 (320×240點(diǎn)陣)液晶顯示，高分辨率。自帶背光，背光均勻亮度高，不受光線強(qiáng)弱等條件的限制。與同類產(chǎn)品相比具有如下特點(diǎn)：有功能較強(qiáng)的I/O緩沖器；指令功能豐富；四位數(shù)據(jù)并行傳送，最大驅(qū)動能力為640×256點(diǎn)陣；能夠顯示圖形和文本。</p><p>　　SED13

94、30的硬件結(jié)構(gòu)可分為MUP接口部分、管理控制部分以及顯示驅(qū)動部分三個(gè)部分。LCD顯示模塊與單片機(jī)的接口電路，雖然實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜，但接口電路比較簡單，實(shí)際上設(shè)計(jì)的是單片機(jī)與液晶顯示控制器SED1330的連接電路。液晶顯示模塊接口電路如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11LCD顯示模塊接口電路</p><p>　　3.3.8單片機(jī)外圍接口擴(kuò)展模塊</p><

95、p>　　由于單片機(jī)的I/O口不足以滿足系統(tǒng)的需求，因而要對其接口進(jìn)行擴(kuò)展。目前普遍采用8255來進(jìn)行接口擴(kuò)展。8255有PA、PB、PC三個(gè)擴(kuò)展I/0接口，一個(gè)2K位的靜態(tài)隨機(jī)存儲器和一個(gè)14位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，可以擴(kuò)展系統(tǒng)的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)外擴(kuò)256字節(jié)RAM的需要，與51系列單片機(jī)的接口也比較簡單，易于實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)與8255外圍接口擴(kuò)展電路圖如圖3-12。</p><p>　　圖3-12系統(tǒng)外圍接口擴(kuò)展

96、</p><p><b>　　第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)還需要有相應(yīng)的系統(tǒng)軟件才能有效地完成塔機(jī)監(jiān)控。本文運(yùn)用通用C語言軟件，對系統(tǒng)軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，簡化了設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)了程序的可讀性和兼容性。</p><p>　　4.1.

97、1系統(tǒng)軟件總體架構(gòu)</p><p>　　本文的信號采集、處理、分析和報(bào)警等模塊都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。軟件系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)傳輸模塊、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集模塊以及外擴(kuò)存儲器、報(bào)警、輸出控制模塊的數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)軟件是人機(jī)交互的渠道，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)處理以及對各硬件模塊進(jìn)行調(diào)度和控制的功能。</p><p>　　系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分，系統(tǒng)軟件采取順序掃描，不斷循環(huán)的工作方式。各模

98、塊的主要功能如下:</p><p>　　系統(tǒng)主程序模塊的主要功能包括:初始化和對各子函數(shù)的調(diào)用，系統(tǒng)的啟動、停止、復(fù)位等。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換模塊的主要功能包括:將傳感器所采集到的模擬信號（如角度、起重量等）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行通道的選擇，以及數(shù)據(jù)的存儲和讀取等。</p><p>　　1330液晶顯示模塊:對采集來的起重量、塔機(jī)傾角、小車變幅、起重力矩等

99、信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。</p><p>　　外擴(kuò)存儲器模塊:由于單片機(jī)系統(tǒng)存儲空間有限，利用外擴(kuò)RAM存儲器來滿足塔機(jī)數(shù)據(jù)記錄和事故查詢的功能。</p><p>　　報(bào)警模塊：對塔機(jī)各種異常情況，進(jìn)行報(bào)警。</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換和輸出控制模塊：將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬型號，然后將此控制信號送給輸出繼電器、電機(jī)等驅(qū)動機(jī)構(gòu)，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)切斷塔機(jī)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動的控制回路

100、。</p><p>　　系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1：</p><p>　　圖4-1塔機(jī)監(jiān)控主程序流程圖</p><p>　　4.1.2系統(tǒng)軟件ADC模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換是塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，只有將傳感器采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后，單片機(jī)才能對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求和硬件布局設(shè)計(jì)了如圖4-2的軟件

101、工作模塊:</p><p>　　ADC的全部操作都是通過ADC寄存器進(jìn)行。 ADC寄存器由ADC控制寄存器、ADC通道選擇排序寄存器、ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器、ADC最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)寄存器（它們都是16位寄存器）組成 ，其地址外圍是0x0000~7100到0x0000~711F。</p><p>　　ADC轉(zhuǎn)換時(shí)，首先設(shè)置采樣窗的寬度，寬度范圍為0~15。再標(biāo)定ADC內(nèi)核時(shí)一鐘，設(shè)置觸發(fā)模式（0

102、表示啟動或停止，1表示連續(xù)觸發(fā)），最后設(shè)置采樣模式（0表示順序采樣，1表示同時(shí)采樣）。本次設(shè)計(jì)由于要同時(shí)提取塔機(jī)傾角、起重量、起重力矩等信息，采取同時(shí)采樣模式。由于不能完全使用16個(gè)通道，可采用2個(gè)通道分別采集同一種信號，然后取其平均值，這樣可以提高ADC的轉(zhuǎn)換精度。每次啟動排序器，同時(shí)采樣ADCINA0和ADCINB0到ADCINA7和ADCINB7等信號，由于一個(gè)周期內(nèi)各采樣兩次，則一次排序中共轉(zhuǎn)換8對模擬引腳的電壓。</p&

103、gt;<p>　　圖4-2 ADC子程序流程圖</p><p>　　4.1.3LCD顯示模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　LCD顯示模塊主要是對塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集到的塔機(jī)的塔機(jī)傾角、起重量、小車變幅、起重力矩等信息進(jìn)行顯示。模塊工作時(shí)采用不斷刷新的模式，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。首先，初始化模塊，在一個(gè)周期的數(shù)據(jù)采集完成之后，液晶顯示開，并寫入控制命令和數(shù)據(jù)，對所采集到的塔機(jī)信息

104、進(jìn)行顯示。LCD顯示流程圖如圖4-3：</p><p>　　圖4-3LCD顯示流程圖</p><p>　　4.1.4按鍵中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本文采用4x4的矩陣小鍵盤共有16個(gè)鍵, 運(yùn)用行描的方法實(shí)現(xiàn)按鍵的識別，再運(yùn)用查表法對按鍵值進(jìn)行查詢。一般在按鍵按下時(shí)都會出現(xiàn)抖動的問題，時(shí)間一般為5~10ms，這種情況與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)。為了保證系統(tǒng)正常運(yùn)

105、行，在軟件中必須設(shè)計(jì)去除抖動環(huán)節(jié)。按鍵程序流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4按鍵程序流程圖</p><p>　　4.1.5數(shù)據(jù)存儲模塊</p><p>　　塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中所有固定參數(shù)均采用16位保存，來保證存儲數(shù)據(jù)的精度和程序處理統(tǒng)一。在數(shù)據(jù)存儲芯片中,數(shù)據(jù)只能以8位方式訪問,因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。其流程圖如圖4-5。</p>

106、<p>　　圖4-5總線讀寫程序</p><p><b>　　第5章總結(jié)</b></p><p>　　對國內(nèi)外的塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)狀做了詳細(xì)的了解，針對國內(nèi)塔機(jī)安全裝置存在的問題以及起重設(shè)備安全保護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)，閱讀了大量的相關(guān)文獻(xiàn)并借鑒國內(nèi)安全保護(hù)系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于ST89C52單片機(jī)為核心的塔機(jī)動態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)。</p>&l

107、t;p>　　本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)起吊重量、塔機(jī)傾角、小車變幅、起重力矩等信息，給塔機(jī)操作人員以直觀提示。在塔機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)停止起升、停止小車運(yùn)動的保護(hù)控制功能，并且在達(dá)到或者超過設(shè)定值時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。在硬件設(shè)計(jì)中,選擇穩(wěn)定性好、測量精度高的各類傳感器,保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性；采用電源技術(shù)、光電隔離技術(shù)、濾波技術(shù)等來提高系統(tǒng)的可靠性。在軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用指令冗余技術(shù)、數(shù)字濾波等軟件抗干擾技術(shù),保證了系統(tǒng)在干擾

108、的條件下能可靠地運(yùn)行。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶對塔機(jī)安全性能要求不斷提高,還可以在以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和提高。</p><p>　　由于時(shí)間和本人能力有限,本文側(cè)重于塔機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì),對于中心軟件設(shè)計(jì)比較粗糙,還有很大的提升空間</p><p>　　還可以采用ARM代替單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理單元，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在操作方面可以向觸摸屏控制方

109、向發(fā)展。</p><p>　　對塔機(jī)的關(guān)鍵性運(yùn)動部位進(jìn)行圖像跟蹤，例如塔機(jī)吊鉤部位，便于塔機(jī)操作人員了解塔機(jī)工作狀態(tài)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]張清國. 建筑工程機(jī)械[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2004</p><p>　　[2]丁元杰.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)

110、出版社，1999.8</p><p>　　[3]賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)[M].東南大學(xué)出版社，1999.6</p><p>　　[4]韓志軍，沈晉源.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[5]張文華.基于DSP的塔式起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010</p><p>