【正文】 所需要監(jiān)測(cè)的信息，保證監(jiān)控系統(tǒng)能夠達(dá)到所預(yù)期的檢測(cè)目的。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。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)。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。(2) 適應(yīng)塔機(jī)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的信號(hào)采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)。第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)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。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)成功與否的決定性因素。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(guó)內(nèi)外塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和國(guó)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(cè)塔機(jī)傾角、起重重量、小車幅度以及起重力矩等參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)的單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成熟，其成本相對(duì)較低，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣闊。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。 (2)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中央處理核心。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。其后備措施比較齊全，擁有后備供電、存儲(chǔ)器信息保護(hù)、手動(dòng)/自動(dòng)操作、緊急事故切換裝置等。而且運(yùn)用于塔機(jī)監(jiān)控也不太可能將龐大的工控機(jī)放在塔機(jī)操控室。PLC是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)。但是PLC體系比較封閉，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。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。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。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(hào)放大，再將放大后的信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行分析、運(yùn)算、處理和存儲(chǔ)。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(hào)，斷開塔機(jī)向危險(xiǎn)方向的控制電路，從而達(dá)到安全保護(hù)的目的。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。QXJ2BZA型磁敏傾斜角傳感器是一種高精度的二維傾角傳感器。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(dòng)擺來帶動(dòng)永磁體來轉(zhuǎn)動(dòng)，將MR元件與永磁體之間產(chǎn)生的相對(duì)角度的變化轉(zhuǎn)變成電阻阻值的變化,再通過信號(hào)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(hào)輸出。具體參數(shù)指標(biāo)如表21所示。在安裝之前，應(yīng)確定水平位置，即調(diào)整被測(cè)平面,使傳感器X、 Y方向兩路輸出信號(hào)都是12mA (3V)。表21QXJ2BZA型磁敏傾斜角傳感器技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)QXJBZA參數(shù)名稱測(cè)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(chǔ)溫度TS55125℃使用溫度 TA4085℃中點(diǎn)輸出X 、Y軸 VOMA滿度輸出X 、Y軸 FSRL250ΩMA負(fù)載阻抗RL0250Ω中點(diǎn)溫漂177。1%FS分辨率176。FS線性度θ = 177。3‰FSθ = 177。5‰FSθ = 177。%FSθ = 177。3%FS起重量傳感器是將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出的裝置，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(hào)給控制器，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。本文采用采用了新型的軸銷式傳感器，能夠通過電信號(hào)實(shí)時(shí)反饋起重量信息。在其中心孔內(nèi)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(cè)量也可以分別組成惠斯通電橋再并聯(lián)進(jìn)行測(cè)量。圖21銷式起重量傳感器外廓圖其輸出信號(hào)為0~20 mV電壓模擬信號(hào)，技術(shù)參數(shù)如下表：表22銷式起重量傳感器技術(shù)參數(shù)精度等級(jí)靈敏度177。20Ω輸出阻抗702177。剪應(yīng)力可以通過測(cè)量安裝在其中的應(yīng)變片的變形來得到，相關(guān)算法如下： (21) 其中： 為橫截面上的剪力； 為對(duì)Z軸的靜矩； 為橫截面寬度； 為截面對(duì)中性軸Z的慣性矩。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。本文通過傳感器對(duì)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。旋轉(zhuǎn)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(duì)式編碼器[11]。增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器一般輸出三路信號(hào)，包括以正弦波或方波脈沖出現(xiàn)的A、B相信號(hào)以及零位信號(hào)Z。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。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(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(hào)形式輸出。當(dāng)塔機(jī)停機(jī)時(shí)，變幅機(jī)構(gòu)處于制動(dòng)狀態(tài)，只要在斷電前將小車工作幅度這個(gè)物理量存儲(chǔ)起來，開機(jī)后再?gòu)拇鎯?chǔ)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(jìn)行信息采集。通過聯(lián)軸器將其與變幅機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)齒輪或者導(dǎo)向滑輪相連。其分辨率可選范圍為100~2500，工作電壓有DC ~ 5V (TTL) 、DC 7~24V (MTL) , DC ~(NPN)，電氣接口有TTL、HTL、NPN開路集電極。 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。5%，機(jī)械型力矩限制器綜合誤差不超過177。5%。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。塔機(jī)的力矩由作用力和力臂決定。塔機(jī)力矩的計(jì)算公式為: (29)其中:M—塔機(jī)起重力矩。L—吊重至塔身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的距離（力臂）。力臂L由光電編碼器測(cè)得:(210)其中:d—光電編碼器安裝滑輪直徑。 n—光電編碼器每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)。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(hào)，達(dá)到或超過額定起重力矩時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并且斷開塔機(jī)向危險(xiǎn)方向運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。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8C52相同，它采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C51內(nèi)核，主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。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。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)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。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(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。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(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。表31 引腳號(hào)功能特性T2，時(shí)鐘輸出T2EX（定時(shí)/計(jì)數(shù)器2）P2口:對(duì)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(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。P3口： P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。邏輯門電路。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。RST： 復(fù)位輸入。ALE/： 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。如有必要，可通過對(duì)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。此外，該引腳會(huì)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。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次信號(hào)。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），端必須保持低電平（接地）。如端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。XTAL1： 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 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(cè)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。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。ADC0809引腳圖如圖31。本文選用了外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256。其芯片引腳排列如圖32。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。同時(shí)單片機(jī)會(huì)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。本系統(tǒng)所需電壓有5V DC以及12V DC。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。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力,減少尖峰脈沖電流對(duì)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34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)算放大器OPA827。圖中R6和R12為調(diào)零電阻,輸入信號(hào)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(hào)經(jīng)反相放大后變?yōu)?~5V電壓信號(hào)。圖35起重重量模擬信號(hào)處理電路圖 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中傳感器所采集到的起重重量、塔機(jī)傾角的信號(hào)是連續(xù)變化的模擬量,其中還含有許多干擾信號(hào)，會(huì)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。 在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(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(cè)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。圖36A/D轉(zhuǎn)換電路圖 小車變幅采用電感式接近開關(guān)檢測(cè)，電路如圖37所示。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(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)換成TTL5V電平的脈沖信號(hào)。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)。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。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。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。圖38繼電器輸出電路聲光報(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。行列式鍵盤掃描電路如圖310所示。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。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。自帶背光，背光均勻亮度高，不受光線強(qiáng)弱等條件的限制。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。液晶顯示模塊接口電路如圖311所示。目前普遍采用8255來進(jìn)行接口擴(kuò)展。單片機(jī)與8255外圍接口擴(kuò)展電路圖如圖312。本文運(yùn)用通用C語(yǔ)言軟件，對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過程，增強(qiáng)了程序的可讀性和兼容性。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)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。(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。(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。(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。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轉(zhuǎn)換時(shí)，首先設(shè)置采樣窗的寬度，寬度范圍為0~15。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。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。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。LCD顯示流程圖如圖43：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YN返回圖43LCD顯示流程圖 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，