第1章 绪论
做中央控制单元，实行运行状态监控、故障信息的显示与存储并报警、监视各个智能监控单元的工作状态，智能监控单元之间相互监控，并将获得的参数信息通过总线技术传送到中央控制单元。中央智能控制单元可以由单片机、PLC、DSP 等处理器组成，提高了系统的整体性能也降低了系统的开发成本。
1.3.4课题主要研究内容
(1) 监控系统方案设计。塔机监控参数的多样性决定了监控系统是一个集信息采集、处理、存储和管理为一体的系统。选择合适精度的传感器，精确采集所需要监测的信息，保证监控系统能够达到所预期的检测目的。
(2) 监控系统硬件电路设计。在监控系统方案的基础上，设计合理的各模块硬件电路。
(3) 监控系统软件设计。监控软件部分是控制器的重要组成部分，担负着控制器的全部逻辑运算、I/O控制、人机交互任务。软件运行效率、时实性、交互性直接决定了整个监控系统的性能优劣。本文根据监控系统的需要和硬件电路设计了相关软件。
1.3.5 论文解决的问题
(1) 实时计算并显示塔机的状态参数,以实现对塔机的实时监测。 (2) 适应塔机复杂作业环境的信号采集系统的研究与设计。 (3) 提高监测系统可靠性和抗干扰能力。
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理工学院毕业设计（论文）
第2章系统总体方案设计
2.1监控方案设计
2.1.1监控系统信息处理单元分析
随着现代化建设速度加快，各种高层、超高层建筑不断涌现，塔机的工作环境变得复杂多样。这便要求塔机监控系统能够能够快速、准确、实时地处理现场复杂多变的数据，以确保塔机各个环节能够有效、安全地运行。在整个塔机监控系统中信息处理单元扮演着十分重要的角色，是整个监控系统成功与否的决定性因素。信息处理单元不仅要及时收集各个传感器所采集来的塔机实时运行状态信息，还要按需对其进行一系列的分析、处理和记录，并且还要反馈给系统的输出接口，从而控制整个塔机的运行状态。在深入了解塔式起重机结构、运行机构的工作原理，综合国内外塔式起重机监控系统和国内相关产品的现状，兼顾性价比，最终确定本次所研究的塔机平衡监控系统要求能够实时监测塔机倾角、起重重量、小车幅度以及起重力矩等参数。
在目前，国内塔机监控系统采用的信息处理单元有主要由以下几个解决方案： (1)以单片机为中央处理核心。目前国内的单片机应用技术已经成熟，其成本相对较低，在工业领域应用十分广阔。单片机系统具有体积小、便携性能好、功耗低、使用者众多等优点。目前的单片器在芯片上集成了更多的功能,例如如先进的A/D接口、数字信息处理功能以及灵巧的电源功能等。随着最新的亚微米CMOS工艺技术运用于单片机上，单片机的运算速度有了很大的提高。
(2)以工业控制计算机为中央处理核心。工控机在主机接口、网络通讯、软件兼容性以及软件升级等方面都遵守开放性原则。这有利于系统扩充、不同系统之间的连接、软件的移植和互换。其可靠性比较高，对环境的适应能力比较强，实时性也比较好。其后备措施比较齐全，拥有后备供电、存储器信息保护、手动/自动操作、紧急事故切换装置等。但是工控机的体积比较大，不易于携带，功耗高。而且运用于塔机监控也不太可能将庞大的工控机放在塔机操控室。
(3)以PLC为中央处理核心。PLC是一种数字运算操作的电子系统。其采用大规模集成电路技术，在加上严格的生产工艺制造，使其具有很高的可靠性、抗干扰能力、配置灵活、编程简单一、使用比较方便、易于扩展等优点。但是PLC体系比较封闭，没有一个统一的标准。这也使得不同生产厂家所生产的PLC硬件体
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第2章系统总体方案设计
系互不兼容，编程语言及指令系统也各不相同，其通用性差，可扩展性差，不利于塔机监控系统的拓展。
总上所述,由于系统的开发要求,同时又考虑到目前开发能力。本文采用了单片机为中心处理器的方式来开发塔机监测系统。
2.1.2监控结构系统化设计
塔机平衡监控系统集结了单片机、传感器、传输反馈模块，各块协同配合，共同完成。对塔机工作的起升、小车变幅进行实时跟踪反馈，从最大限度上保障塔机的安全工作。
设计的基本原理为：将传感器（称重传感器、力矩限制器、角度传感器等)采集的塔机实时信息先进行信号放大，再将放大后的信号经过A/D转换成数字信号，送入单片机进行分析、运算、处理和存储。然后通过LCD显示屏将相关的信息显示出来。另一方面，单片机将处理后的数据与系统内部中预先设定的重量、角度、小车幅度、起重力矩等数值进行比较，当达到或超过预设的数值时发出报警，并且输出相应的控制信号，断开塔机向危险方向的控制电路，从而达到安全保护的目的。
2.2塔机监控系统传感器设计 2.2.1倾角传感器的设计
塔机在工作中会受到吊重的影响以及在有风的情况下会发生轻微的倾斜,如果不了解塔机的倾斜角,就可能在倾斜角过大的情况下发生塔机倒塌的严重事故。在本次塔机平衡监控系统设计中,设计了倾角传感器。本系统中选用的是北京天海科科技发展有限公司的QXJ2-BZ-A型磁敏倾斜角传感器，对倾角的测量从X轴和Y轴两个方向进行。
QXJ2-BZ-A型磁敏倾斜角传感器是一种高精度的二维倾角传感器。它采用高性能半导体磁敏电阻作为其敏感元件（简称为MR元件），当外界磁场变化时，它的阻值会产生数倍的变化。为了使MR元件能够充分感应外界磁通量的变化,传感器采用自动摆来带动永磁体来转动，将MR元件与永磁体之间产生的相对角度的变化转变成电阻阻值的变化,再通过信号变换电路将塔机的倾斜角转换成4~20mA标准电流信号输出。其接线方式为:红色线接电源正极，黑色线接电源负极，黄色线接X输出信号，蓝色线接Y输出信号。具体参数指标如表2-1所示。
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磁敏倾斜角传感器水平安装在塔机塔帽顶端。在安装之前，应确定水平位置，即调整被测平面,使传感器X、 Y方向两路输出信号都是12mA (3V)。被测塔机倾斜角度的旋转轴应该垂直于传感器底座上的直线边。
表2-1QXJ2-BZ-A型磁敏倾斜角传感器技术参数 产品型号 QXJ-BZ-A 参数名称 测试条件 最小 电源电压 VCC 消耗电流 IS 存储温度TS 使用温度 TA 中点输出X 、Y轴 VO 满度输出X 、Y轴 FS 负载阻抗RL 中点温漂 满度温漂 分辨率 频率响应 复位精度 线性度 RL<250Ω -40℃ 起重量传感器是将质量信号转变为电信号输出的装置，由于起重量传感器在塔机监控系统中的重要性，在选型时应该注意到以下几点：首先其设计许用重量应该大于塔机的许用起吊重量；在称重时应当能够及时、准确、快速的输出信号 9 第2章系统总体方案设计 给控制器，所以还应当考虑到它的灵敏度；另外，由于建筑工地工作环境的恶劣和复杂性，应该选取密封性好可以在粉尘、潮湿的环境中工作的传感器。 传统的起重量传感器其本质就是一个限位开关，只能定性判断是否超重，而不能反馈起重量到底是多少。本文采用采用了新型的轴销式传感器，能够通过电信号实时反馈起重量信息。轴销式传感器有着精度高、稳定性好、结构合理、紧凑、安装更换便利的特点，实质上就是一根空心截面圆轴。在其中心孔内凹槽中心的位置上贴有双剪型电阻应变计，两个凹槽处的双剪型电阻可以共同组成惠斯通电桥进行测量也可以分别组成惠斯通电桥再并联进行测量。其结构简图如图2-1示[5][10]。 图2-1销式起重量传感器外廓图 其输出信号为0~20 mV电压模拟信号，技术参数如下表： 表2-2销式起重量传感器技术参数 精度等级 输入阻抗 绝缘电阻 安全过载 防护等级 输出信号 0.05 750±20Ω ≥5000MΩ 150%F.S. 灵敏度 输出阻抗 最大供桥电压 温度范围 IP66、IP77 0~20mV电压模拟信号 1.0±0.005mV/V 702±2Ω 15V -30℃~+70℃ 弹性元件的应变区为凹槽中心的空心截面，其中点处剪应力最大。剪应力可以通过测量安装在其中的应变片的变形来得到，相关算法如下： 2 ? I Z (2-1) 10 ??FSY?SZ*