【導(dǎo)讀】塔吊動(dòng)態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用。①簡述塔式起重機(jī)的工作原理；②丁元杰.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，③賈伯年，俞樸.傳感器技術(shù)[M].東南大學(xué)出版社，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。統(tǒng)有著極其重要的工程應(yīng)用價(jià)值。然后，對(duì)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

　　

【正文】 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(hào)經(jīng)非門 74HC04 進(jìn)一步整形后送入單片機(jī)。 后向通道的配置 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(duì)監(jiān)測對(duì)象控制操作。其主要功能有驅(qū)動(dòng)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。 一般來說單片機(jī) I/O 輸出的開關(guān)量不足以驅(qū)動(dòng)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(hào)轉(zhuǎn)換成高電壓、大電流信號(hào)，此處選用的繼電器輸入端額定電壓為 DC12V，線圈驅(qū)動(dòng)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(dòng)，驅(qū)動(dòng)電流只需l0mA。接口電路如圖 38，圖中 R22 為限流電阻， D6 為保護(hù)用二極管。 圖 38 繼電器輸出電路 第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 20 聲光報(bào)警由三極管 2SC1815 來驅(qū)動(dòng)，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 39。 圖 39 聲光報(bào)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(shè)備。行列式鍵盤掃描電路如圖 310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)。 圖 310 鍵盤掃描電路 識(shí)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(shí)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(duì)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)按鍵四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 被按下 ,就可以對(duì)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。 液晶顯示模塊的設(shè)計(jì) 本文采用 SED1330 (320240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(dòng)能力為 640256點(diǎn)陣；能夠顯示圖形和文本。 SED1330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(dòng)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 311所示。 圖 311LCD 顯示模塊接口電路 單片機(jī)外圍接口擴(kuò)展模塊 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(duì)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(chǔ)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(chǔ)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 312。 22 圖 312 系統(tǒng)外圍接口擴(kuò)展 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 塔機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(duì)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。 系統(tǒng)軟件總體架構(gòu) 本文的信號(hào)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(chǔ)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(duì)各硬件模塊進(jìn)行調(diào)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(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(duì)各子函數(shù)的調(diào)用，系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止、復(fù)位等。 (2) 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(hào)（如角度、起重量等）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行通道的選擇，以 及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀取等。 (3) 1330 液晶顯示模塊 :對(duì)采集來的起重量、塔機(jī)傾角、小車變幅、起重力矩等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。 (4) 外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊 :由于單片機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間有限，利用外擴(kuò) RAM 存儲(chǔ)器來滿足塔機(jī)數(shù)據(jù)記錄和事故查詢的功能。 (5) 報(bào)警模塊：對(duì)塔機(jī)各種異常情況，進(jìn)行報(bào)警。 (6) D/A 轉(zhuǎn)換和輸出控制模塊：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬型號(hào)，然后將此控制信號(hào)送給輸出繼電器、電機(jī)等驅(qū)動(dòng)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(dòng)的控制回路。 系統(tǒng)主程序流程圖如圖 41： 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 24 圖 41 塔機(jī)監(jiān)控主程 序流程圖 系統(tǒng)軟件 ADC 模塊設(shè)計(jì) 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(duì)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 42 的軟件工作模塊 : 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。 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 表示啟動(dòng)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，可采程序啟動(dòng) 緊急停車 系統(tǒng)初始化 調(diào)用數(shù)據(jù)采集子程序 調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序 調(diào)用 D/A 轉(zhuǎn)換子程序 調(diào)用 LCD 顯示子程序 數(shù)據(jù)處理 超限、超載判斷 結(jié)束 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 報(bào)警 Y N Y N 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 用 2 個(gè)通道分別采集同一種信號(hào)，然后取其平均值，這樣可以提高 ADC 的轉(zhuǎn)換精度。每次啟動(dòng)排序器，同時(shí)采樣 ADCINA0 和 ADCINB0 到 ADCINA7 和 ADCINB7等信號(hào)，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(duì)模擬引腳的電壓。 圖 42 ADC 子程序流程圖 顯示模塊設(shè)計(jì) LCD 顯示模塊主要是對(duì)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(duì)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(duì)所采集到的塔機(jī)信息進(jìn)行顯示。 LCD 顯示流程圖如圖 43： 開始 關(guān)中斷 初始化 PIE 寄存 器 初始化 ADC 采樣模式設(shè)置 延時(shí)等待 SPI 發(fā)送緩沖是否為空 啟動(dòng)排序器開始轉(zhuǎn)換 存入結(jié)果寄存器 讀取數(shù)據(jù)液晶實(shí)時(shí)顯示 開中斷 返回 N Y 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 26 圖 43LCD 顯示流程圖 按鍵中斷服務(wù)程 序設(shè)計(jì) 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(shí)別，再運(yùn)用查表法對(duì)按鍵值進(jìn)行查詢。一般在按鍵按下時(shí)都會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)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)行，在軟件中必須設(shè)計(jì)去除抖動(dòng)環(huán)節(jié)。按鍵程序流程圖如圖 44 所示。 開始 系統(tǒng)初始化 LCD 初始化 配置 LCD命令口 延時(shí)等待 數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換是否完成 清屏、顯示開 寫命令 寫數(shù)據(jù) 顯示起重量 顯示小車變幅 顯示起重力矩 顯示傾角 Y N 返回 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 圖 44 按鍵程序流程圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊 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(chǔ)數(shù)據(jù)的精度和程序處理統(tǒng)一。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片中 ,數(shù)據(jù)只能以 8 位方式訪問 ,因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。其流程圖如圖 45。 開始 有鍵按下 10ms 延時(shí)去抖 有鍵按下 確認(rèn)鍵值 “數(shù)字”鍵 “數(shù)字”鍵處理程序 取鍵值并修改緩沖區(qū)指針 “設(shè)置 ”鍵 “確定”鍵 “取消”鍵 “上翻”鍵 “下翻 ” 鍵 復(fù)位處理程序 “設(shè)置”鍵處理程序 “取消”鍵處理程序 “上翻”鍵處理程序 “下翻”鍵處理程序 “確定”鍵處理程序 等待按鍵松開 結(jié)束 N N N N N N Y Y Y Y Y Y Y Y N N 第 4 章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 28 圖 45 總線讀寫程序 開始 開始 讀狀態(tài)寄存器 讀狀態(tài)寄存器 上次寫操作完成 上次寫操作完成 否 發(fā)送寫字節(jié)指令 發(fā)送寫字節(jié)地址 寫數(shù)據(jù)低 8 位 寫數(shù)據(jù)高 8 位 延時(shí)等待寫操作結(jié)束 發(fā)送讀字節(jié)指令 發(fā)送 讀字節(jié)地址 讀數(shù)據(jù)低字節(jié) 讀數(shù)據(jù)高字節(jié) 返回 返回 N Y N Y 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 第 5 章總結(jié) 對(duì)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(duì)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(dòng)態(tài)平衡監(jiān)控系統(tǒng)。 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(dòng)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)在干擾的條件下能可靠地運(yùn)行。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶對(duì)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。 (1) 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(duì)于中心軟件設(shè)計(jì)比較粗糙 ,還有很大的提升 空間 (2) 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向發(fā)展。 (3) 對(duì)塔機(jī)的關(guān)鍵性運(yùn)動(dòng)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)。 參考文獻(xiàn) 30 參考文獻(xiàn) [1]張清國 . 建筑工程機(jī)械 [M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社， 2021 [2]丁元杰 .單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M].機(jī)械工業(yè)出版社， [3]賈伯年，俞樸 .傳感器技術(shù) [M].東南大學(xué)出版社， [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， 2021 [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) ,2021 [6]雷鵬 .基于無線網(wǎng)絡(luò)的塔式起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) [D].西安 :西安建筑科技大學(xué)， 2021 [7]張鳳山，董紅光 .塔式起重機(jī)構(gòu)造與維修 [M].北京 :人民郵電出版社， 2021 [8]張均漠 .單片機(jī)原理與運(yùn)用 [M]北京 :北京航空大學(xué)出版社， 2021 [9]李浩 .塔機(jī)自動(dòng)安全監(jiān)控系統(tǒng) [D].大連 :大連海事大學(xué)， 2021 [10]劉九卿 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