宜昌三思塔吊安全监控管理系统、力矩限制器、塔机黑匣子

1、发明名称塔吊安全监控系统摘要本发明提出一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统，该系统由主控芯片、信号采集模块、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、重量传感器、风速风向传感器、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块、无线通信模块、GPRS+GPS模块和控制模块等组成。信号采集模块主要用于采集幅度、高度、回转、重量、风速风向传感器的模数值，幅度传感器用于测量小车的位置，高度传感器用于测量吊钩的位置，回转传感器用于测量大臂的指向，重量传感器用于测量吊钩以下物体的重量，风速风向传感器用于测量塔机所处位置的风速；显示模块、触摸屏模块和语音模块用于人机交互；电源模块用于给除电源模块以外的其它部分供电；无

2、线通信模块用于多台塔机之间交互信息，从而实现群塔防碰撞功能；GPRS+GPS模块用于将本地数据发送到远程计算机上，便于用户远程管理和监视；控制模块用于切断塔机向危险方向运行的回路，从而起到安全保护的作用。说明书塔吊安全监控系统技术领域本发明属于电子和通信领域，具体涉及一种塔吊用安全保护装置及监控系统。背景技术塔吊(又名塔式起重机)作为主要物料运输机械在建筑业得到了广泛应用。尤其近年来随着高层、超高层建筑的兴起,塔机在现代化建筑施工过程作用越来越大,并且不断向大型化、智能化方向发展。但目前在建筑施工过程中,由塔机事故引起的人员伤亡和设备损毁屡屡发生,重大事故发生率居高不下,塔机的安全性能已成为威

3、胁建筑工人生命和企业财产的大问题。导致塔机事故发生的原因主要有两个方面:一方面是由于操作工人不清楚塔机的当前状态,另一方面是一些操作工人为了追求工作“效率”使塔机超负荷工作，所以研究塔机运行状态在线实时监测仪刻不容缓。塔吊发生事故主要有以下几种情况：塔吊大臂碰撞其它物体；塔吊吊钩碰撞其它物体；高位塔吊吊钩碰撞低位塔吊大臂；低位塔吊大臂碰撞高位塔吊塔身；目前国内塔机装配的一些简单控制仪表只能监控塔机力矩、重量、幅度等信息,还不具有单机防碰撞、群体防碰撞、实时性远程监控功能。发明内容针对现有技术中存在的问题，本发明提出的塔吊安全监控系统，能监控单台塔机幅度、高度、回转、力矩、重量、风速并显示和控制

4、；能防止多台塔吊同时进入相干涉区域后可能发生的碰撞；能将塔机的实时信息发通过GPRS网络发送至远程主机,实现塔机的远程、在线、实时控制。本发明提出一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统，该系统由主控芯片、信号采集模块、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、重量传感器、风速风向传感器、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块、无线通信模块、GPRS+GPS模块和控制模块等组成。信号采集模块主要用于采集幅度、高度、回转、重量、风速风向传感器的模数值，幅度传感器用于测量小车的位置，高度传感器用于测量吊钩的位置，回转传感器用于测量大臂的指向，重量传感器用于测量吊钩以下物体的重量，风速风向传感器用于测量塔

5、机所处位置的风速；显示模块、触摸屏模块和语音模块用于人机交互；电源模块用于给除电源模块以外的其它部分供电；无线通信模块用于多台塔机之间交互信息，从而实现群塔防碰撞功能；GPRS+GPS模块用于将本地数据发送到远程计算机上，便于用户远程管理和监视；控制模块用于切断塔机向危险方向运行的回路，从而起到安全保护的作用。电源模块主控芯片(atmega128)人机交互(彩色7寸液晶屏)(7寸触摸屏)(语音模块)无限通信模块(zegbee)重量信号幅度信号高度信号回转信号风速信号GPRS+GPS 模块信号采集服务器施工单位工地安全员塔吊租赁公司安监部门所述的电源模块为主控芯片、信号采集模块、幅度传感器、高度

6、传感器、回转传感器、重量传感器、风速风向传感器、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块、无线通信模块、GPRS+GPS模块和控制模块等供电。该电源模块由市电供电，市电输入后经开关、保险管、绕线电阻、TVS管和电源滤波器后进入到AC/DC模块，保险管、绕线电阻和TVS管用作过流过压保护，电源滤波器可防浪涌抗跌落，AC/DC模块输出±12V和5V三组电压，为后继电路供电。所述的主控芯片(ATmega128) 具有如下特点：128K 字节的系统内可编程Flash( 具有在写的过程中还可以读的能力，即RWW)、4K 字节的EEPROM、4K 字节的SRAM、53 个通用I/O 口线、32个

7、通用工作寄存器、实时时钟RTC、4 个灵活的具有比较模式和PWM 功能的定时器/ 计数器(T/C)、两个USART、面向字节的两线接口TWI、8 通道10 位ADC( 具有可选的可编程增益)、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI 串行端口、与IEEE 1149.1 规范兼容的JTAG 测试接口( 此接口同时还可以用于片上调试)，以及六种可以通过软件选择的省电模式。空闲模式时CPU 停止工作，而SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基

8、准，器件的其他部分则处于睡眠状态； ADC 噪声抑制模式时CPU 和所有的I/O 模块停止运行，而异步定时器和ADC 继续工作，以减少ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。器件是以Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的。片内 ISP Flash 可以通过SPI 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。引导程序可以使用任何接口来下载应用程序到应用Flash存储器。在更新应用Flash存储器时引导Flash区的程序继续运行，实现RWW操作。通过将8 位R

9、ISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega128 为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的方案。所述的幅度传感器和高度传感器用于测量小车的位置和吊钩的高度。幅度传感器输入轴上的小齿轮与卷筒上的齿圈啮合，当卷筒工作时其转动的圈数（卷绕或输出的钢绳长度）被幅度传感器记录下来。幅度传感器包括机械限位和电子限位，机械限位可防止司机误操作，使小车在碰到臂尖或臂根的缓冲器前停止运动。电子部分可测量小车在大臂的具体位置，经信号采集模块转换后输入到主控芯片并在显示模块上显示。高度传感器的输入轴由提升卷筒轴直联驱动；或通过固定于高度传感器输入轴上的小齿轮与卷筒上的齿圈啮合驱动。

10、当卷筒工作时，其转动的圈数（卷绕或输出的钢绳长度）被高度传感器记录下来。高度传感器包括机械限位和电子限位，机械限位用于控制滑轮组或吊钩在距臂架小车1m处或接触地面前终止运动。电子限位用于测量吊钩的具体高度，经信号采集模块转换后输入到主控芯片并在显示模块上显示。所述的回转传感器及电子罗盘，又名数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种传感器。回转传感器安装于塔吊大臂上，用于测量塔吊大臂的方向。并经RS232电路发送给主控芯片。三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输

11、出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2Gauss。通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁

12、场强度，不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。 仅用地磁场在X和Y的两个分矢量值便可确定方位值： Azimuth=arcTan(Y/X) 该关系式是在检测仪器与地表面平行时才成立。当仪器发生倾斜时，方位值的准确性将要受到很大的影响，该误差的大小取决于仪器所处的位置和倾斜角的大小。为减少该误差的影响，采用双轴倾角传感器来测量俯仰和侧倾角，这个俯仰角被定义为由前向后方向的角度变化；而侧倾角则为由左到右方向的角度变化。电子罗盘将俯仰和侧倾角的数据经过转换计算，将磁力仪在三个轴向上的矢量在原来的位置“拉”回到水平的位置。标准的转换计算式如下： Xr=Xcos+Ysinsin-Zcossin

13、 Yr=Xcos+Zsin 这里Xr和Yr为要转换到水平位置的值 为俯仰角 为侧倾角 从以上这三个计算公式可以看出，在整个补偿技术中Z轴向的矢量扮演一个非常重要的角色。要正确运用这些值，俯仰和侧倾角的数字必须时刻更新。采用双轴宽线性量程范围、高分辨率、温漂系数低的陶瓷基体电解质传感器来测量俯仰角和侧倾角，倾角数值经过电路板上的温度传感器补偿后得出的。此回转传感器相比与使用多功能行程限位器来测量回转角度有诸多优点：多功能行程限位器安装在塔吊回转齿轮处，固定于多功能行程限位器输入轴上的小齿轮与回转齿圈啮合，但有少许间隙，会对测量结果造成较大误差；多功能行程限位器能测量的塔吊回转圈数有限，如果超出其

14、量程将出现错误测量接果；多功能行程限位器安装调试复杂，此回转传感器只需要固定于塔吊大臂上，不需要任何调试。所述的重量传感器所述的风速风向传感器包括风速传感器和风向传感器两部分。风速传感器是一种高响应、低门限、三风杯的光电型风速计,转换器由装接于风速计转轴上的齿盘组成,齿盘安置于光电耦合器的发光管与光电三极管之间并能随轴转动,光电耦合器装于印制电路板上。转盘有多个齿度,当齿盘随轴转动时,发光管LED发射的光束被齿盘上的齿度切割,光电三极管即产生脉冲输出。每个齿遮住光束时表现为低电平,轴转动一圈,多次切割光束而输出一高一低的脉冲信号。风速与脉冲频率的转换公式为:V (m/ s) = 011f (H

15、z)即每10 个脉冲为1m/ s 的风速量。风向传感器也是光电型传感器,由单风标、格雷码盘、光电组件组成,红外L ED 和光电三极管分别安装于6 位格雷码盘上下两侧的6 个窝型孔内。当风标随风向变化而转动时,通过其轴带动轴下端固定着的格雷码盘,在光电组件的狭缝中转动,产生的光电信号经放大整形后,输出对应当时风向的幅度为12V的六位格雷码(每位格雷码只有电平高低的区别,习惯上高电平为1 ,低电平为0) ,转动时风向信号以516度的分辨率为步进变化。测量范围为0360°,64 个方位所述的信号采集模块采用TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串

16、行输入结构，能够节省单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。TLC2543的特点（1）12位分辩率A/D转换器；（2）在工作温度范围内10s转换时间；（3）11个模拟输入通道；（4）3路内置自测试方式；（5）采样率为66kbps；（6）线性误差±1LSBmax；（7）有转换结束输出EOC；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的MSB或LSB前导；（10）可编程输出数据长度。TLC2543引脚说明引脚号名称I/O说明19,11,12AIN0AIN10I模拟量输入端。11路输入信号由内部多路器选通。对于4.1MHz的I/OCLOCK，驱动源阻抗必须小

17、于或等于50，而且用60pF电容来限制模拟输入电压的斜率15I片选端。在端由高变低时，内部计数器复位。由低变高时，在设定时间内禁止DATAINPUT和I/O CLOCK17DATAINPUTI串行数据输入端。由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道16DATA OUTOA/D转换结果的三态串行输出端。为高时处于高阻抗状态，为低时处于激活状态19EOCO转换结束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止10GND地。GND是内部电路的地回路端。除另有说明外，所有电压测量都相对GND而言18I/O CLOCKI输入/输出时钟端。I/OCLOC

18、K接收串行输入信号并完成以下四个功能：（1）在I/O CLOCK的前8个上升沿，8位输入数据存入输入数据寄存器。（2）在I/OCLOCK的第4个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/OCLOCK的最后一个下降沿为止。（3）将前一次转换数据的其余11位输出到DATA OUT端，在I/OCLOCK的下降沿时数据开始变化。（4）I/OCLOCK的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位14REF+I正基准电压端。基准电压的正端（通常为Vcc）被加到REF+，最大的输入电压范围由加于本端与REF-端的电压差决定13REF-I负基准电压端。基准电压的低端（通常为地）被加到RE

19、F-20Vcc电源接口时序可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率，每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。一个片选（）脉冲要插到每次转换的开始处，或是在转换时序的开始处变化一次后保持为低，直到时序结束。显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期和在每次传递周期之间插入的时序，显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期，仅在每次转换序列开始处插入一次时序。时钟传送时序图（使用，MSB在前）时钟传送时序图（不使用，MSB在前）所述的人机交互模块包括液晶显示模块、触摸屏模块和语音模块。液晶显示模块和触摸屏模块是采用32位的ARM9 S3C2410 设计开发的一款高性能、低功耗、易使

20、用的真彩色智能显示终端，可以直接和具有串行接口的CPU（如51 单片机、AVR、PIC、DSP、ARM、工控机等）连接。本智能显示终端主要特点：>串行接口，TTL/RS-232/ RS-485/USB；>CPU 采用32 位200MHz 的ARM9 S3C2410；>宽电压供电；>自带实时时钟RTC、蜂鸣器、8*8 矩阵键盘接口/18 个IO 口；>带触摸屏接口；>自带多种中英文字库，包括12、16、24、32、48、64 点阵；>支持字符、文字、整形变量、浮点变量显示，>支持画线、圆、矩形、椭圆、波形等；>真彩色显示，亮度100 级连续可

21、调，画面90 度、180 度、270 度任意旋转；>自带图片存储，1G 超大存储空间；>支持在线下载字库、图片、固件程序升级，随时升级您的产品功能；>在线下载支持USB(12M-bps)、USB 转串口（921600bps）、串口（1200bps 到115200bps）；>随机附带功能强大的上位机调试/下载软件所述的语音模块由WT588D语音单片机和W25Q16存储芯片组成，电路说明：用上位机软件对SPI-FLASH存储器25PXX烧写语音程序时，选择三线串口控制模式。I/O口P01被定义为DATA数据口，P02为CS片选口，P03为CLK时钟口，单片机可通过三个控制口

22、对WT588D语音模块进行控制。三线串口控制模式下，P00、P04、P05、P06、P07、P10、P11、P12均无效。P17端为BUSY忙信号输出端，可设置为播放状态LED点亮和播放状态LED熄灭。SPI-FLASH存储器25PXX的电压范围为要保证在2.8V3.5V，VDD-SIM为WT588D语音芯片的串口电源管理输入端，将25PXX的VCC连接到此端，可自动平衡WT588D跟25PXX之间的串口电压。所述的无线通信模块采用CEL公司的zigbee模块Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源

23、于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。 ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平

24、台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。 与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆

25、盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。群塔防碰撞原理：单台塔吊的数据通过ZigBee模块发送至ZigBee网络，其它塔吊接收到数据后计算是否与自己发生干涉，如果有干涉情况则报警并控制。群塔防碰撞系统建立在令牌总线网络上，令牌总线网络工作原理：1、 在总线的基础上，通过在网络结点之间有序地传递令牌（一组特定的比特模式）来分配各结点对共享型总线的访问权利，形成闭合的逻辑环路。  2、 完全采用半双工的操作方式，只有获得令牌的结点才能发送信息，其它结点只能接收信息，或者被动地发送信息（在拥有令牌的结点要求下，发送信息）。  3、 为了保证逻辑闭

26、合环路的形成，每个结点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本结点在环路中的前继、后继和本结点的地址，每个结点根据后继地址确定下一占有令牌的结点(如下图所示)。1、 令牌总线的帧格式帧的一般格式§ 前导码（P），用于收发同步； § 帧开始标志（SD），标识帧的开始，使用了曼彻斯特编码中的非数据位，取值为LH0LH000； § 帧控制字段（FC），用于区分帧的类型，包括MAC控制帧（如令牌08H、设置后继等）、LLC数据帧、站点管理数据帧等。 § 宿/源地址（DA/SA） § 数据字段（DATA），根据帧控制字段（FC）的取值，数据字段可以包含LL

27、C协议数据单元、MAC管理数据、和MAC控制帧的数据； § 帧校验序列（FCS），对SD和ED之间的所有字段进行循环冗余校验； § 帧结束标志（ED），标识帧的结束，同时也标识了帧中FCS的位置，使用了曼彻斯特编码中的非数据位，取值为LH1LH1IE；其中L和H的含义等同于SD中的相应值。 2、 令牌维护一)令牌传递    (1) 有令牌的结点在发送完信息后，执行环路维护工作，将令牌传递给后继结点。    (2) 监听媒体。监听到合法帧的传递，后继结点已获得令牌，并正常工作；如果在规定时间内未监听到信息在媒体上的传

28、输，执行一次令牌重传。    (3) 如仍然未能监听到合法帧的传输，原后继结点已撤出环路，开始寻找后继和环路重构过程。    (4) 发送“寻找后继命令帧”，(原后继结点的地址为数据字段)，    (5) 原后继结点的后继结点用“设置后继命令帧”予以响应；    (6) 双方修改各自连接表中的后继/前继地址，传递令牌，恢复正常工作。(二)令牌丢失的处理     结点设“环不工作计时器”    (1) 在规定的时间内，

29、未能监听到媒体上有信号传输，环不工作计时器超时，则环路中令牌丢失，或者环路处于初始工作状态；    (2) 所有感知环不工作的结点，采用竞争总线的方法争夺生成令牌的权利：        A .各结点根据本结点地址信息和一定的规则，形成不同长度的“要求令牌命令帧”，发往媒体并监听媒体；        B .不同的地址形成不同长度的帧几乎“同时”发往媒体时，会产生冲突。     &

30、#160;  C. 结点在发送帧之后，监听媒体时，发短帧的结点会“监听”到其它结点的帧正在发送。发最长帧的结点感觉不到媒体上有信号的结点，赢得生成令牌的权利，执行环路重构的过程。(三)多个令牌的处理 令牌重复： 环路中同时具有多个令牌，由获得令牌的结点进行处理。 判断令牌重复： 获得令牌的结点，如果仍然感知媒体上有信号在传输，表示有其它结点也掌握着令牌（令牌重复）。 解决办法： 简单地丢弃令牌，回到原接收状态（目的在于减少环路中令牌的个数）。 可能产生的后果：令牌丢失。3、 环路维护(一)环路重构    目的：各结点填写连接表，重新构造逻辑环。环路不工作后，获得生成令牌权利的结点进行环路维护。§ 发出“请求后继命令帧”：寻找可能的后继结点； § 限定响应结点的范围，在此范围内的结点用“设置后继命令帧”响应。 § 若有多个适合的结点予以响应（出现冲突），用“解决冲突命令帧”进一步限定范围，直至有且仅有一个结点予以响应； § 置连接表中的后继地址，并传递令牌给该后继结点； § 后继结点接收令牌，将令牌中的源地址置为连接表中的前继地址，如果本结点维护的连接表中没有指定后继结点，则重复上述“寻找”后继的动作。 § 最终，环路形成，并且令牌返回原生成令牌的