畢業(yè)論文塔式起重機動態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、理工學院畢業(yè)設計（論文） 塔式起重機動態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)設計 學 生： 學 號：指導教師： 理工學院機械工程學院二O一三年六月摘 要隨著近年來高層建筑的興起，塔機在現(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，塔式起重機事故也在頻繁發(fā)生，塔機事故已成為威脅建筑施工安全的重要隱患之一。為使塔式起重機安全運行減少因事故造成的經濟及人員損失，研究開發(fā)一種塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)有著極其重要的工程應用價值。本文對塔式起重機平衡監(jiān)控技術進行了研究，并在此基礎上設計開發(fā)了基于單片機的塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)。本文對塔式起重機工作原理及其監(jiān)控需求進行了詳細闡述，分析了國內外塔式起重

2、機監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀。然后，對塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)進行了設計。本課題的監(jiān)控系統(tǒng)運用角度傳感器、鞘式重量傳感器、絕對式光電編碼器等，通過創(chuàng)新的安裝方式，提高了塔機動態(tài)平衡監(jiān)控的技術性能。關鍵詞:塔式起重機;平衡檢測;單片機;傳感器ABSTRACTWith the develop of the architecture industry, the structure of tower cranes has been developed toward higher, bigger and intelligent. At the same time, the tower crane accidents

3、also occur frequently. It can be said tower crane Accident has become a major threat to the safety of building 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 cran

4、e has important engineering application. This paper studied the technology of tower crane, and on this basis, design and development of tower crane monitoring system based on MCU. This paper firstly detail the tower crane working principle and control demand, analysis of domestic and international m

5、onitoring system of tower crane, Secondly, design of the tower crane monitoring system. The subject with the advanced control system from the angle sensor, shaft pin sensor, absolute photoelectric encoder, through innovative methods to install, improved tower crane safety monitoring of technical per

6、formance. Keywords: Tower crane; balanced detection; MCU; transducer目錄摘 要IABSTRACTII目錄1第1章 緒論11.1課題研究背景和意義11.2塔式起重機簡介2塔式起重機特點2塔式起重機結構及其工作原理21.3塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)研究概況3國際研究概況3國內研究現(xiàn)狀3塔機監(jiān)控的發(fā)展趨勢4課題主要研究內容51.3.5 論文解決的問題5第2章系統(tǒng)總體方案設計62.1監(jiān)控方案設計6監(jiān)控系統(tǒng)信息處理單元分析6監(jiān)控結構系統(tǒng)化設計72.2塔機監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設計7傾角傳感器的設計7稱重傳感器設計8小車變幅測量10力矩傳感器設計11第3

7、章系統(tǒng)硬件設計133.1系統(tǒng)硬件方案確定和主要芯片選型13單片機的選擇133.1.2 A/D轉換器的選擇15外部存儲器的擴展153.2系統(tǒng)硬件總體設計16電源模塊設計17模擬信號采集保持電路173.2.3 A/D轉換18開關量輸入通道電路設計18后向通道的配置19按鍵掃描電路203.3.7 液晶顯示模塊的設計21單片機外圍接口擴展模塊21第4章系統(tǒng)軟件設計234.1塔機監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設計23系統(tǒng)軟件總體架構23系統(tǒng)軟件ADC模塊設計24顯示模塊設計25按鍵中斷服務程序設計26數(shù)據(jù)存儲模塊27第5章總結29參考文獻30致謝31附錄A監(jiān)控主程序32附錄B系統(tǒng)主要模塊電路圖41第1章 緒論1.1課

8、題研究背景和意義塔式起重機（簡稱塔機）起源于西歐，它是為適應歐洲工業(yè)革命建設的需要，由系纜式桅桿吊演變而來的12。到如今，塔機越來越多的運用于工業(yè)和民用建筑領域來垂直搬運和移動貨物，可以說是大型建筑必不可少的工具之一。由于塔機機體龐大、起升高度高、起吊重量大、作業(yè)范圍廣等原因，也是一個蘊藏危險較多的機構。近年來隨著各類高層、超高層建筑的興起和生產自動化程度的提高,為提高工作效率,塔機也日益向大型化、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)一種能對塔機的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，并提供安全有效的保障措施的塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)有著十分重要的意義。本文在分析并總結當前塔式起重機監(jiān)控系

9、統(tǒng)研究現(xiàn)狀和不足的基礎上，研究開發(fā)一種基于單片機的塔機動態(tài)平衡遠程監(jiān)控系統(tǒng)。對于機械設備來說，完全不出故障是不可能做到的，關鍵是在于能夠早期發(fā)覺，防患于未然。而以定期維護、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)為基礎的狀態(tài)檢測維修制度?，F(xiàn)代塔機的應用一方面能夠大大加快建設的速度，而另一方面也潛伏著巨大的危機，由于塔式起重機特殊的結構和使用方式，一旦稍有不慎，很容易引起很嚴重的安全事故。為了能夠保障塔機安全工作，降低建筑施工事故發(fā)生,國家制定了比較完善的標準和規(guī)范,頒布了塔式起重機安全操作規(guī)程等一系列的文件。安全規(guī)程對塔機安全保護裝置作了詳細規(guī)定,強制要求塔機上必須裝

10、設安全保護裝置。但即便如此,目前在建筑施工中,由塔機引起的人員傷亡和設備事故依舊屢屢發(fā)生。表1-1塔機結構損壞統(tǒng)計表塔機事故類別所占百分比(%)整體傾覆52起重臂折斷或碰毀18塔身斷折或底架碰毀27塔機出軌2機構損壞1由于塔機的特殊結構和使用方式，塔機事故具有多樣性和復雜性。有資料對1200例塔機事故進行了統(tǒng)計分析。如果按塔機結構損壞情況分類,塔機典型事故情況見表1-113。由上表可以知道，塔機事故的發(fā)生主要是由于整體傾覆。塔機的傾覆歸根結底在于塔機在工作時產生的不平衡，基于此提出了此課題的研究。1.2塔式起重機簡介塔式起重機特點塔式起重機屬于起重機門類中的一大專門類型，它是工程建筑中應用的重

11、要起重設備。其主要優(yōu)點有以下幾個當面：塔身高，起重臂的絞點裝置處于塔身的頂部，使塔式起重機的有效起吊高度距離更大，能滿足工程建筑施工中物料運輸?shù)母叨龋凰狡鹬貦C起重臂較長，旋轉后水平覆面廣；塔機在工作運行狀態(tài)時能同時進行起升、變幅、回轉和行走等運動，作業(yè)效率高，因此塔式起重機成為了建筑工程中不可替代的重要設備之一。塔式起重機結構及其工作原理目前使用的塔式起重機大多數(shù)都是變幅小車式，其主要機構包括：起升機構、回轉機構、變幅機構與行走機構等幾大機構組成，為塔式起重機的功能執(zhí)行機構。在塔機的主要工作參數(shù)相同的情況下，起升、變幅及回轉三大機構的工作性能決定了塔機的性能好壞。(1) 塔式起重機起升機構起

12、升機構通過吊繩實現(xiàn)物料的垂直上下運動，其構實際上就是一臺可調速的卷揚機。由原動機、卷筒、鋼絲繩、制動器、滾輪組和吊鉤組成。通過原動機旋轉帶動變速器，然后通過卷筒、鋼絲繩、滾輪組等機構將原動機的旋轉變?yōu)榈蹉^的垂直運動。當鋼絲繩纏繞達到一定的圈數(shù)值時，制動器觸發(fā)，切斷起升機構的電源。(2) 塔式起重機回轉機構回轉機構作用是實現(xiàn)物料在任意方向內的移動。由電機、行星齒輪減速器、回轉齒圈和液力耦合器等構成。大多數(shù)的塔機是通過電機經行星齒輪減速器帶動小齒輪，使其圍繞大齒輪轉動，從而驅動塔機的回轉?；剞D機構設有回轉限位器，通過調整限位器凸輪角度，限制塔身的回轉角度。(3) 塔式起重機變幅機構變幅機構作用是改

13、變吊鉤中心位置與塔式起重機回轉中心軸線位置之間的距離。變幅機構主要包括括電動機、蝸輪蝸桿減速機、變幅小車、鋼絲繩、卷筒、導向輪和張緊輪等幾部分。變幅變化時，電機通過減速機、卷筒帶動鋼絲繩的運動。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，帶動小車的運動。變幅機構設有行程限位器。小車運動時，齒輪帶動凸輪運動。通過設定凸輪轉動的角度范圍來限定小車的極限行程。1.3塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)研究概況隨著高層建筑物和大型工程不斷出現(xiàn)，塔式起重機向著大型化、高速化、智能化方向發(fā)展。但塔式起重機安全事故也逐年增加。而塔機監(jiān)控系統(tǒng)的出現(xiàn)，在一定范圍內防止了塔機安全事故

14、的發(fā)生。塔式起重機在建筑業(yè)中成為工程機械一個重要分支以來，其安全性問題一直在國內外引起了巨大的關注，塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)也被廣泛應用于各類塔式起重機。國際研究概況隨著計算機技術、信息技術、機械技術的不斷融合，塔機各方面性能在不斷改進，其監(jiān)控系統(tǒng)功能也逐漸完善。國際上塔機設計制造行業(yè)較發(fā)達的國家主要有德國、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的塔機最具代表性。比較著名的塔機生產廠家有德國的LIEBHERR公司、法國的POTAIN公司、意大利的SIMMA等幾十家制造商,其產品在國際塔機市場占據(jù)著大部分份額,同時也代表著塔機生產的發(fā)展歷程、現(xiàn)狀和未來趨勢。較之國內

15、國外塔機監(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。塔機監(jiān)控系統(tǒng)的應用對于遏制重大事故，減少一般事故起到了巨大的作用，改變了塔機事故頻繁發(fā)生的被動局面，實現(xiàn)了預防事故的目的。1997年德國利勃海爾公司率先應用了全參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，而后這套系統(tǒng)迅速普及到歐美等發(fā)達國家。至2001年歐美各國所有的建筑塔式起重機都已安裝了該系統(tǒng)，并且將其列入了技術法規(guī)。利用這些高新技術不僅保證了塔機的工作安全，取得最佳的工作效率，也使它們的產品在國際上保持著領先的地位。國內研究現(xiàn)狀與國外先進塔機制造企業(yè)相比,國內塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展起步比較晚，主要是一些科學研究院所和高等院校在進行開發(fā)、研究和

16、設計。雖然我國從五六十年代就開始引進國外先進的塔機，但是塔機的生產研究工作卻是在改革開放之后，隨著工業(yè)建設和民用建筑規(guī)模不斷擴大，才漸漸被提上日程。 目前國內塔機仍以中小型起重機為主，剛完成機械液壓一體化，智能化塔機監(jiān)控系統(tǒng)還處于比較落后的階段。有實驗室試驗結果顯示，國產塔機監(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，而國外產品則要好的多。從選用的電子元件上看，國內一些廠家使用了級別較低，價格便宜的電子元件，達到了一定的自動化水平，在價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，國內也研制出了一些塔機安全綜合監(jiān)測儀，將塔機起吊重量、回轉力矩、起吊高度、風力大小等數(shù)據(jù)收集進去，輪流

17、切換并在屏幕上顯示，技術上取得了較大成功。總體上說，國內塔機安全監(jiān)控系統(tǒng)相對國外先進的塔機監(jiān)控系統(tǒng)來說價格比較便宜。但是，國內產品在穩(wěn)定性和可靠性上與國外相比仍有較大差距，不能適應在較為復雜的環(huán)境下運行的要求，整體性能完善方面以及長遠發(fā)展戰(zhàn)略上還有待提高。塔機監(jiān)控的發(fā)展趨勢隨著自動控制技術、計算機技術、傳感器技術的快速發(fā)展，為了提高塔機工作效率和保證施工安全，塔機安全監(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。(1) 硬件的可靠化使用高性能的電子元器件，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和抗干擾能力。對輸入和輸出信號進行隔離，防止

18、外界環(huán)境對系統(tǒng)的干擾，加強硬件系統(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。(2) 軟件智能化軟件智能化主要體現(xiàn)在系統(tǒng)參數(shù)設置、系統(tǒng)自診斷能力和記錄功能以及優(yōu)良的人機界面三個方面?？梢愿鶕?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)故障的時候系統(tǒng)能自動識別，例如某個傳感器沒輸出信號，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行處理。系統(tǒng)能夠實時記錄塔機工作中出現(xiàn)的異常參數(shù)信息。優(yōu)良的人機界面，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。將塔機的工作的實際運行模型模擬顯示，操作人員不用直接觀察塔機

19、便能夠了解當前塔機的工作狀態(tài)。(3) 系統(tǒng)高度集成化采用集中分布式的基本結構，以高性能的計算機系統(tǒng)做中央控制單元，將運行控制系統(tǒng)、自診斷監(jiān)控系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)進行集成。以高性能的計算機系統(tǒng)做中央控制單元，實行運行狀態(tài)監(jiān)控、故障信息的顯示與存儲并報警、監(jiān)視各個智能監(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)信息通過總線技術傳送到中央控制單元。中央智能控制單元可以由單片機、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。課題主要研究內容(1) 監(jiān)控系統(tǒng)方案設計。塔機監(jiān)控參數(shù)的多樣性決定了監(jiān)控系統(tǒng)是一個集信息采集、處理、存儲和管理為一體的系統(tǒng)。選擇合適精度的

20、傳感器，精確采集所需要監(jiān)測的信息，保證監(jiān)控系統(tǒng)能夠達到所預期的檢測目的。(2) 監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設計。在監(jiān)控系統(tǒng)方案的基礎上，設計合理的各模塊硬件電路。(3) 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計。監(jiān)控軟件部分是控制器的重要組成部分，擔負著控制器的全部邏輯運算、I/O控制、人機交互任務。軟件運行效率、時實性、交互性直接決定了整個監(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計了相關軟件。 論文解決的問題(1) 實時計算并顯示塔機的狀態(tài)參數(shù),以實現(xiàn)對塔機的實時監(jiān)測。(2) 適應塔機復雜作業(yè)環(huán)境的信號采集系統(tǒng)的研究與設計。(3) 提高監(jiān)測系統(tǒng)可靠性和抗干擾能力。第2章系統(tǒng)總體方案設計2.1監(jiān)控方案設計監(jiān)控系統(tǒng)

21、信息處理單元分析隨著現(xiàn)代化建設速度加快，各種高層、超高層建筑不斷涌現(xiàn)，塔機的工作環(huán)境變得復雜多樣。這便要求塔機監(jiān)控系統(tǒng)能夠能夠快速、準確、實時地處理現(xiàn)場復雜多變的數(shù)據(jù)，以確保塔機各個環(huán)節(jié)能夠有效、安全地運行。在整個塔機監(jiān)控系統(tǒng)中信息處理單元扮演著十分重要的角色，是整個監(jiān)控系統(tǒng)成功與否的決定性因素。信息處理單元不僅要及時收集各個傳感器所采集來的塔機實時運行狀態(tài)信息，還要按需對其進行一系列的分析、處理和記錄，并且還要反饋給系統(tǒng)的輸出接口，從而控制整個塔機的運行狀態(tài)。在深入了解塔式起重機結構、運行機構的工作原理，綜合國內外塔式起重機監(jiān)控系統(tǒng)和國內相關產品的現(xiàn)狀，兼顧性價比，最終確定本次所研究的塔機平

22、衡監(jiān)控系統(tǒng)要求能夠實時監(jiān)測塔機傾角、起重重量、小車幅度以及起重力矩等參數(shù)。在目前，國內塔機監(jiān)控系統(tǒng)采用的信息處理單元有主要由以下幾個解決方案：(1)以單片機為中央處理核心。目前國內的單片機應用技術已經成熟，其成本相對較低，在工業(yè)領域應用十分廣闊。單片機系統(tǒng)具有體積小、便攜性能好、功耗低、使用者眾多等優(yōu)點。目前的單片器在芯片上集成了更多的功能,例如如先進的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工藝技術運用于單片機上，單片機的運算速度有了很大的提高。 (2)以工業(yè)控制計算機為中央處理核心。工控機在主機接口、網(wǎng)絡通訊、軟件兼容性以及軟件升級等方面都遵守開放性原則。

23、這有利于系統(tǒng)擴充、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)境的適應能力比較強，實時性也比較好。其后備措施比較齊全，擁有后備供電、存儲器信息保護、手動/自動操作、緊急事故切換裝置等。但是工控機的體積比較大，不易于攜帶，功耗高。而且運用于塔機監(jiān)控也不太可能將龐大的工控機放在塔機操控室。(3)以PLC為中央處理核心。PLC是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。其采用大規(guī)模集成電路技術，在加上嚴格的生產工藝制造，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、易于擴展等優(yōu)點。但是PLC體系比較封閉，沒有一個統(tǒng)一的標準。這也使得不同生產廠家所生產的PLC硬件體系互不兼容，

24、編程語言及指令系統(tǒng)也各不相同，其通用性差，可擴展性差，不利于塔機監(jiān)控系統(tǒng)的拓展?？偵纤?由于系統(tǒng)的開發(fā)要求,同時又考慮到目前開發(fā)能力。本文采用了單片機為中心處理器的方式來開發(fā)塔機監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)控結構系統(tǒng)化設計塔機平衡監(jiān)控系統(tǒng)集結了單片機、傳感器、傳輸反饋模塊，各塊協(xié)同配合，共同完成。對塔機工作的起升、小車變幅進行實時跟蹤反饋，從最大限度上保障塔機的安全工作。設計的基本原理為：將傳感器（稱重傳感器、力矩限制器、角度傳感器等)采集的塔機實時信息先進行信號放大，再將放大后的信號經過A/D轉換成數(shù)字信號，送入單片機進行分析、運算、處理和存儲。然后通過LCD顯示屏將相關的信息顯示出來。另一方面，單片機將

25、處理后的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)內部中預先設定的重量、角度、小車幅度、起重力矩等數(shù)值進行比較，當達到或超過預設的數(shù)值時發(fā)出報警，并且輸出相應的控制信號，斷開塔機向危險方向的控制電路，從而達到安全保護的目的。2.2塔機監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設計傾角傳感器的設計 塔機在工作中會受到吊重的影響以及在有風的情況下會發(fā)生輕微的傾斜,如果不了解塔機的傾斜角,就可能在傾斜角過大的情況下發(fā)生塔機倒塌的嚴重事故。在本次塔機平衡監(jiān)控系統(tǒng)設計中,設計了傾角傳感器。本系統(tǒng)中選用的是北京天?？瓶萍及l(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軸兩個方向進行。QXJ2-BZ-A型磁敏傾斜角傳感器是一種高精度的二維傾

26、角傳感器。它采用高性能半導體磁敏電阻作為其敏感元件（簡稱為MR元件），當外界磁場變化時，它的阻值會產生數(shù)倍的變化。為了使MR元件能夠充分感應外界磁通量的變化,傳感器采用自動擺來帶動永磁體來轉動，將MR元件與永磁體之間產生的相對角度的變化轉變成電阻阻值的變化,再通過信號變換電路將塔機的傾斜角轉換成420mA標準電流信號輸出。其接線方式為:紅色線接電源正極，黑色線接電源負極，黃色線接X輸出信號，藍色線接Y輸出信號。具體參數(shù)指標如表2-1所示。磁敏傾斜角傳感器水平安裝在塔機塔帽頂端。在安裝之前，應確定水平位置，即調整被測平面,使傳感器X、 Y方向兩路輸出信號都是12mA (3V)。被測塔機傾斜角度的

27、旋轉軸應該垂直于傳感器底座上的直線邊。表2-1QXJ2-BZ-A型磁敏傾斜角傳感器技術參數(shù)產品型號QXJ-BZ-A參數(shù)名稱測試條件參數(shù)值單位最小典型最大電源電壓 VCC81224V消耗電流 IS50MA存儲溫度TS-55125使用溫度 TA-4085中點輸出X 、Y軸 VO11.912.012.1MA滿度輸出X 、Y軸 FSRL<2504.020.0MA負載阻抗RL0250中點溫漂±0.3%FS滿度溫漂-40<TA<85±1%FS分辨率0.01°頻率響應028Hz復位精度0.03°FS線性度 = ± 5°3FS =

28、± 8°5FS = ± 30°1.5%FS = ± 90°3%FS稱重傳感器設計起重量傳感器是將質量信號轉變?yōu)殡娦盘栞敵龅难b置，由于起重量傳感器在塔機監(jiān)控系統(tǒng)中的重要性，在選型時應該注意到以下幾點：首先其設計許用重量應該大于塔機的許用起吊重量；在稱重時應當能夠及時、準確、快速的輸出信號給控制器，所以還應當考慮到它的靈敏度；另外，由于建筑工地工作環(huán)境的惡劣和復雜性，應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。傳統(tǒng)的起重量傳感器其本質就是一個限位開關，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

29、感器，能夠通過電信號實時反饋起重量信息。軸銷式傳感器有著精度高、穩(wěn)定性好、結構合理、緊湊、安裝更換便利的特點，實質上就是一根空心截面圓軸。在其中心孔內凹槽中心的位置上貼有雙剪型電阻應變計，兩個凹槽處的雙剪型電阻可以共同組成惠斯通電橋進行測量也可以分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進行測量。其結構簡圖如圖2-1示510。圖2-1銷式起重量傳感器外廓圖其輸出信號為020 mV電壓模擬信號，技術參數(shù)如下表：表2-2銷式起重量傳感器技術參數(shù)精度等級0.05靈敏度1.0±0.005mV/V輸入阻抗750±20輸出阻抗702±2絕緣電阻5000M最大供橋電壓15V安全過載150%F.S

30、.溫度范圍-30+70防護等級IP66、IP77輸出信號020mV電壓模擬信號彈性元件的應變區(qū)為凹槽中心的空心截面，其中點處剪應力最大。剪應力可以通過測量安裝在其中的應變片的變形來得到，相關算法如下： (2-1) 其中： 為橫截面上的剪力； 為對Z軸的靜矩； 為橫截面寬度； 為截面對中性軸Z的慣性矩。 (2-2) (2-3) (2-4) 將公式帶入得到空心截面處的剪力:(2-5) 其剪應變?yōu)椋?(2-6)中點處與軸線成45O角處的主應力、主應變?yōu)?(2-7)(2-8)小車變幅測量由于塔機工作環(huán)境復雜多樣，地面設備、障礙物高低不定，塔機操作人員很難判斷小車工作幅度。為了防止起重臂變幅失控，小車工

31、作幅度需要保持在一個安全的范圍。目前，小車行程限位器多用機械齒輪傳動式的行程開關，由于機械的頻繁接觸，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行采集，運用數(shù)字式開關代替原有的機械開關，使塔機工作更為安全。小車的工作幅度可以通過測量導向滑輪、旋轉齒輪等回轉體來測量，而測量回轉體一般選用旋轉編碼器。旋轉編碼器根據(jù)刻度方法與編碼器的輸出形式，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、光敏元件和轉換電路組成。增量式光電旋轉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。光敏元件所產生的信號A、B彼此相差900，利用

32、A、B相之間的相位差，可以判斷編碼器的轉向。Z相為每轉一圈產生一個脈沖，用于基準點定位。絕對式光電編碼器直接輸出二進制數(shù)字信息。在其圓形碼盤上，沿半徑方向有若干同心碼道，每條碼道都是由多個透光、不透光的扇區(qū)相間組成，在碼盤的一側是發(fā)光體，另一側則是光敏元件，當光線通過透光的扇照射到光敏元件上時，經過光電轉換及電子處理電路的調制后將位置信息以數(shù)字信號形式輸出。小車工作幅度可通過測量相關工作機構導向滑輪所轉過的圈數(shù)及導向滑輪的半徑間接測出。當塔機停機時，變幅機構處于制動狀態(tài)，只要在斷電前將小車工作幅度這個物理量存儲起來，開機后再從存儲器讀出這數(shù)據(jù)即可，因而可以選用沒有記憶功能的增量式光電編碼器進行

33、信息采集。相對于絕對式光電編碼器來說價格便宜，性價比高。通過聯(lián)軸器將其與變幅機構的傳動齒輪或者導向滑輪相連。本文選用DBS50型輕載增量式光電編碼器，在同類產品中其性價比最高。其分辨率可選范圍為1002500，工作電壓有DC 4.5 5V (TTL) 、DC 724V (MTL) , DC 4.55.5V(NPN)，電氣接口有TTL、HTL、NPN開路集電極。使用單片機作為數(shù)據(jù)處理核心時，通過光電耦合器與單片機連接。力矩傳感器設計 為了保證塔機的安全運行，力矩限制器是必要安裝的裝置。我國在GB 12602-90起重機械超載保護裝置安全技術規(guī)范中規(guī)定：電氣型力矩限制器綜合誤差不得超過±

34、5%，機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，最多運用的是弓形板力矩限制器，尤其是在老式塔機上面應用廣泛。但是其靈敏度較低，不能實時、準確地反映塔機起重力矩的變化。本文設計了一種利用檢測起重重量和小車變幅幅度來檢測塔機力矩變化的電子式力矩限制器5。塔機的力矩由作用力和力臂決定。其中作用力包括塔機起重重量、吊具、鋼絲繩等的重量。塔機力矩的計算公式為: (2-9)其中:M塔機起重力矩; K安全系數(shù)；P塔機額定起重量（包括起重重量和吊具重量）;L吊重至塔身回轉機構的距離（力臂）。塔機額定起重量P由軸銷式傳感器測得。力臂L由光電編碼器測得:(2-10)

35、其中:d光電編碼器安裝滑輪直徑;a實測光電編碼器的輸出脈沖數(shù); n光電編碼器每轉輸出的脈沖數(shù)。 傳感器所測得的數(shù)據(jù)經過單片機處理后與塔機額定起重力矩進行比較，在通過力矩限制器對塔機的運行狀態(tài)進行監(jiān)控和控制。當塔機實際起重力矩達到額定起重力矩的90%左右時發(fā)出預警信號，達到或超過額定起重力矩時發(fā)出報警信號，并且斷開塔機向危險方向運動的信號。第3章系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)硬件方案確定和主要芯片選型單片機的選擇 考慮到與自己熟悉的CPU相近的芯片，在國內有成熟的開發(fā)條件和穩(wěn)定的供貨來源，同時考慮微型機的字長、運算速度、中斷系統(tǒng)、指令系統(tǒng)、片內RAM、片內ROM的數(shù)量及定時器的數(shù)量等方面，本文選用AT8

36、9C52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，在內部功能及管腳排布上與通用的8×C52相同，它采用工業(yè)標準的C51內核，主要用于會聚調整時的功能控制。其各引腳功能如下：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)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，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，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Fl-ash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字

37、節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口： P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），F(xiàn)lash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。表3-1 P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2，時鐘輸出P1.1T2EX（定時/計數(shù)器2）P2

38、口: P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(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，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，P2口輸出P2鎖存器的內容。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3口： P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL

39、0;邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，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的控制信號。RST： 復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，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鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個A

40、LE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。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。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，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE禁止位無效。： 程序儲存允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次信號。/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），端必須保持低電平（接地）。需

41、注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存端狀態(tài)。如端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1： 振蕩器反相放大器的及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端。3.1.2 A/D轉換器的選擇 隨著經濟和科技的發(fā)展，A/D轉換器的新設計思想和制造技術多種多樣，為了滿足各種不同的檢測技術和控制任務的需要，大量的結構不同，性能不同的A/D轉換器層出不窮。 本文選用ADC0809 A/D轉換器，它是一種逐次比較式8路模擬輸入，8位數(shù)字

42、量輸出的A/D轉換器。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，由A、B、C,引腳的編碼來決定所選的通道。0809完成一次轉換需要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總線上。ADC0809引腳圖如圖3-1。圖3-1ADC0809引腳圖外部存儲器的擴展 由于AT89C52微處理器的,數(shù)據(jù)存儲器只有256個字節(jié)，而本文設計的監(jiān)控系統(tǒng)要實現(xiàn)設備參數(shù)設定、顯示控制以及對采集的數(shù)據(jù)進行分析、計算等功能, 所以數(shù)據(jù)存儲器是遠遠不夠的,因而要對單片機內部的數(shù)據(jù)存儲器進行擴展。本文選用了外部數(shù)據(jù)存儲器62256。 62256是一種32×8的高集成度的R

43、AM，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。圖3-2 62256芯片引腳排列圖3.2系統(tǒng)硬件總體設計塔式起重機接近開關驅動電路繼電器、接觸器整形光電耦合隔離8255接口A/D模擬信號處理電路變送器起重傳感器、力矩限制器AT89C52LCD顯示鍵盤數(shù)據(jù)存儲報警 圖3-3塔機監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖在塔機工作時，傳感器采集到的塔機工作狀信息先進行信號調理放大，然后進行A/D轉換，再送給單片機進行分析處理。處理后的數(shù)據(jù)通過LCD進行顯示，同時與與所設定的預警值和報警值進行比較。當達到或者超過設定值時，系統(tǒng)通過蜂鳴器進行報警，切斷塔機向危險方向運動的控制電路。同時單片機

44、會將塔機出現(xiàn)異常狀態(tài)的時間、相關數(shù)據(jù)和狀態(tài)的信息存放到外擴RAM中。塔機監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計原理圖如圖3-3。電源模塊設計本系統(tǒng)所需電壓有5V DC以及12V DC。5V DC為單片機、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交流電經變壓、整流、濾波后分別通過固定輸出穩(wěn)壓模塊LM7812、 LM7805轉成+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。圖3-4供電電路圖模

45、擬信號采集保持電路 傳感器輸出的模擬信號很微弱,不能直接送到A/D轉換器,還需要經過放大、濾波、限幅等調理電路后才能輸入A/D轉換器進行轉換,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算放大器OPA827。它具有高增益、低失調電壓和電流、低電壓漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比、低溫度漂移等特點。圖中R6和R12為調零電阻,輸入信號經U11后變?yōu)榉聪螂妷狠斎脒\算放大器U12,調節(jié)R8的大小可以改變U12的放大倍數(shù),信號經反相放大后變?yōu)?5V電壓信號。為了保護A/D口，電路中加入濾波電容C13，以D3和D4構成限幅電路。圖3-5起重重量模

46、擬信號處理電路圖3.2.3 A/D轉換系統(tǒng)中傳感器所采集到的起重重量、塔機傾角的信號是連續(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，必須先進行A/D轉換，將模擬量轉變?yōu)閿?shù)字信號后單片機才能進行分析、和處理。 在選擇A/D轉換器時，A/D轉換器必須要達到一定的精度要求，為了保證監(jiān)測系統(tǒng)的實時性，A/D轉換器還必須具有較高的轉換速度。本文選擇的是ADC0809型A/D轉換器，其與系統(tǒng)硬件電路連接如圖3-6。圖3-6A/D轉換電路圖開關量輸入通道電路設計 小車變幅采用電感式接近開關檢測

47、，電路如圖3-7所示。圖中1腳接電源，3腳接地，2腳為輸出。當接近開關的感應端接近某金屬時，三極管TR導通，2腳與3腳導通，電阻R13短路，LM339的同相輸入端接地,比較器輸出低電平；當近開關斷開時,比較器輸出高電平，這樣即可采集到所需的脈沖信號。圖3-7開關量輸入通道電路圖由于比較器LM339輸出為012V，不能與系統(tǒng)的TTL5V邏輯電平兼容。本文利用光電偶合器4N25組成邏輯變換電路，將12V的脈沖電壓信號轉換成TTL5V電平的脈沖信號。光電偶合器的輸入端電流至少應為6mA以上才能使光電耦合器的輸出端光敏三極管導通,則限流電阻R17取500，LM339輸出端上拉電阻取1K。由光電耦合器輸

48、出的信號經非門74HC04進一步整形后送入單片機。后向通道的配置塔機監(jiān)控系統(tǒng)中，單片機利用后向通道實現(xiàn)對監(jiān)測對象控制操作。其主要功能有驅動大功率開關，來控制斷電停機裝置以及聲光報警輸出。一般來說單片機I/O輸出的開關量不足以驅動一些功率開關（比如繼電器、電機等），所以在后向通道的一些大功率開關量控制接口中，常采用功率開關電路。在本文中利用繼電器來將低電壓、小電流信號轉換成高電壓、大電流信號，此處選用的繼電器輸入端額定電壓為DC12V，線圈驅動電流為80mA。同時為了隔離弱電與強電，還應加入隔離裝置。本文選用達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TT

49、L電平驅動，驅動電流只需l0mA。接口電路如圖3-8，圖中R22為限流電阻，D6為保護用二極管。圖3-8繼電器輸出電路聲光報警由三極管2SC1815來驅動，輸入端接單片機I/0口，C4和C5起濾波作用，D7起保護作用，聲光報警電路如圖3-9。圖3-9聲光報警電路按鍵掃描電路本系統(tǒng)采用的是4x4行列式鍵盤作為輸入設備。行列式鍵盤掃描電路如圖3-10所示。按鍵設置在行列式交叉點上,行列線分別連接到按鍵開關的兩端,行線通過上拉電阻接+5V電源被鉗制在高電平狀態(tài)。圖3-10鍵盤掃描電路識別有無按鍵按下時，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

50、全為1。識別按下的鍵時，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,可確定對應行、列線的交叉點處的鍵被按下，通過掃描法找到哪個按鍵被按下,就可以對其賦鍵值。采用中斷掃描方式接入一個四輸入與門來確保能及時響應按鍵操作，又不過多占用CPU工作時間。 液晶顯示模塊的設計本文采用SED1330 (320×240點陣)液晶顯示，高分辨率。自帶背光，背光均勻亮度高，不受光線強弱等條件的限制。與同類產品相比具有如下特點：有功能較強的I/O緩沖器；指令功能豐富；四位數(shù)據(jù)并行傳送，最大驅動能力為640×256點陣；能夠顯示圖形和文本。SED1330的硬件

51、結構可分為MUP接口部分、管理控制部分以及顯示驅動部分三個部分。LCD顯示模塊與單片機的接口電路，雖然實現(xiàn)的功能比較復雜，但接口電路比較簡單，實際上設計的是單片機與液晶顯示控制器SED1330的連接電路。液晶顯示模塊接口電路如圖3-11所示。圖3-11LCD顯示模塊接口電路單片機外圍接口擴展模塊 由于單片機的I/O口不足以滿足系統(tǒng)的需求，因而要對其接口進行擴展。目前普遍采用8255來進行接口擴展。8255有PA、PB、PC三個擴展I/0接口，一個2K位的靜態(tài)隨機存儲器和一個14位定時/計數(shù)器，可以擴展系統(tǒng)的靜態(tài)存儲器，滿足系統(tǒng)外擴256字節(jié)RAM的需要，與51系列單片機的接口也比較簡單，易于實

52、現(xiàn)。單片機與8255外圍接口擴展電路圖如圖3-12。圖3-12系統(tǒng)外圍接口擴展第4章系統(tǒng)軟件設計4.1塔機監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設計 塔機監(jiān)控系統(tǒng)硬件系統(tǒng)還需要有相應的系統(tǒng)軟件才能有效地完成塔機監(jiān)控。本文運用通用C語言軟件，對系統(tǒng)軟件進行了模塊化設計，簡化了設計過程，增強了程序的可讀性和兼容性。系統(tǒng)軟件總體架構 本文的信號采集、處理、分析和報警等模塊都是通過軟件來實現(xiàn)的。軟件系統(tǒng)主要包括：數(shù)據(jù)傳輸模塊、A/D轉換、數(shù)據(jù)采集模塊以及外擴存儲器、報警、輸出控制模塊的數(shù)據(jù)處理模塊。系統(tǒng)軟件是人機交互的渠道，擔負著數(shù)據(jù)處理以及對各硬件模塊進行調度和控制的功能。系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個部分，系統(tǒng)軟件

53、采取順序掃描，不斷循環(huán)的工作方式。各模塊的主要功能如下:(1) 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)的調用，系統(tǒng)的啟動、停止、復位等。(2) A/D轉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）轉換為數(shù)字信號，進行通道的選擇，以及數(shù)據(jù)的存儲和讀取等。(3) 1330液晶顯示模塊:對采集來的起重量、塔機傾角、小車變幅、起重力矩等信息進行實時顯示。(4) 外擴存儲器模塊:由于單片機系統(tǒng)存儲空間有限，利用外擴RAM存儲器來滿足塔機數(shù)據(jù)記錄和事故查詢的功能。(5) 報警模塊：對塔機各種異常情況，進行報警。(6) D/A轉換和輸出控制模塊：將數(shù)字信號轉換為模擬型號，然后將此控制信號送給輸出繼電器、電機等驅動機構，當發(fā)生危險時切斷塔機向危險方向運動的控制回路。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4-1：程序啟動緊急停車系統(tǒng)初始化調用數(shù)據(jù)采集子程序調用A/D轉換子程序調用D/A轉換子程序調用LCD顯示子程序數(shù)據(jù)處理超限、超載判斷結束數(shù)據(jù)存儲報警YNYN圖4-1塔機監(jiān)控主程序流程圖系統(tǒng)軟件ADC模塊設計 A/D轉換是塔機監(jiān)控系統(tǒng)工作的基礎，只有將傳感器采集來的數(shù)據(jù)進行轉換后，單片機才能對相關數(shù)據(jù)進行處理和顯示。本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的功能要求和硬件布局設計了如圖4-2的軟件工作模塊: ADC的全部操作都是通過ADC寄存器