一種基於avr單片機的塔吊安全監控系統的製作方法

2023-06-15 02:31:51 1

專利名稱：一種基於avr單片機的塔吊安全監控系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及起重機的安全控制技術領域，特別涉及一種基於AVR單片機的塔吊安全監控系統。
背景技術：
塔吊(又名塔式起重機)作為主要物料運輸機械在建築業得到了廣泛應用。尤其近年來隨著高層、超高層建築的興起，塔機在現代化建築施工過程作用越來越大，並且不斷向大型化、智能化方向發展。但目前在建築施工過程中，由塔機事故引起的人員傷亡和設備損毀屢屢發生，重大事故發生率居高不下，塔機的安全性能已成為威脅建築工人生命和企業財產的大問題。由於建設環境的複雜性(比如塔吊間交叉作業頻繁、高壓樓宇等障礙物處於工作區等)，如何保障塔吊運行時的安全性是目前亟待解決的問題。導致塔機事故發生的原因主要有兩個方面一方面是由於操作工人不清楚塔機的當前狀態；另一方面是一些操作工人為了追求工作「效率」使塔機超負荷工作，所以研究塔機運行狀態在線實時監測儀刻不容緩。塔吊發生事故主要有以下幾種情況1)塔吊大臂碰撞其它物體；2)塔吊吊鉤碰撞其它物體；3)高位塔吊吊鉤碰撞低位塔吊大臂；4)低位塔吊大臂碰撞高位塔吊塔身。目前國內塔機裝配的一些簡單控制儀表只能監控塔機力矩、重量、幅度等信息，還不具有單機防碰撞、群體防碰撞、實時性遠程監控功能。具體的，在塔吊上安裝能夠採集塔吊運行時各物理參數的限位器，比如吊重、小車高度、幅度、轉角等限位器，然後分別判斷採集到的各物理參數是否超出預設範圍，從而限定塔吊的運行。該裝置主要缺點為人機互動性差，不方便塔吊操作人員獲取塔吊運行時的各參數。另外，大型建築工地塔機布設密度越來越大，塔機之間的碰撞以及塔機與周邊建築物碰撞的頻率也隨之增高，隨時都有事故發生。再有，為了便於建築施工工程公司、工程監理部門、安全監理部門、施工安檢人員等能夠監視到塔吊的適時運行狀態，因此，設計一種基於無線網絡通信的、數據處理能力強、具有多測控任務、安全可靠、操作方便，具有在塔吊群交叉幹涉作業時能夠防止塔吊相互碰撞，同時具有遠程監視塔吊運行狀態的塔吊監控系統是非常有必要的。
發明內容針對現有技術存在的上述缺陷，本實用新型提供一種基於AVR單片機的塔吊安全監控系統，該監控系統數據處理能力強、易操作，方便監控塔吊運行時的各物理參數，從而可以有效降低塔吊運行時事故發生頻率。為達上述目的，本實用新型採取如下方案一種基於AVR單片機的塔吊安全監控系統，該系統包括主控晶片、信號採集模塊、重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、迴轉傳感器、風速風向傳感器、顯示模塊、觸控螢幕模塊、語音模塊、電源模塊，其特徵在於還包括無線通信模塊、GPRS+GPS模塊、控制模塊和伺服器；電源模塊，連接系統中的各個模塊，為各個模塊供電；重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、迴轉傳感器、風速風向傳感器分別與信號採集模塊的信號輸入端連接，將塔吊運行時的各物理參數轉化為數位訊號；信號採集模塊，將轉換後的數位訊號發送至主控晶片；顯示模塊，連接主控晶片的數據輸出端，用於顯示塔吊的狀態信息；觸控螢幕模塊，連接主控晶片的數據輸入端，將操作員輸入的指令發送至主控晶片;語音模塊，從主控晶片接收數據進行預警和報警；無線通信模塊，連接主控晶片的數據輸入端；控制模塊，接收來自主控晶片的控制命令，並向塔吊輸出控制信號；GPRS+GPS模塊，連接主控晶片的數據輸出端，並將接收到的數據發送給伺服器；伺服器，通過網絡接收GPRS+GPS模塊發送的數據；主控晶片，分別與信息採集模塊、顯示模塊、觸控螢幕模塊、語音模塊、電源模塊、無線通信模塊、控制模塊以及GPRS+GPS模塊相連接。優選的，所述主控晶片採用的是Atmel公司生產的8位AVR單片機主控晶片ATmegal28。優選的，所述信號採集模塊採用TI公司的12位串行模數轉換器TLC2543。優選的，所述語音模塊由WT588D語音單片機和W25Q16存儲晶片組成。優選的，所述無線通信模塊採用的是CEL公司的ZigBee模塊。本實用新型具有以下優點和積極效果I)防止群塔作業時相互碰撞。依靠Zigbee無線傳感網絡技術，將區域內的所有塔吊組成了一個無線網絡，它們之間相互通訊，當兩臺或多臺塔吊之間有交叉作業時，由於無線通訊網絡的存在，塔吊安全監控系統能夠預防塔吊之間的相互碰撞，即塔吊安全監控系統具有群塔作業防碰撞功能；2)對安全隱患進行預警。系統採用嵌入式技術、數據採集技術、傳感技術、數據融合和處理等先進技術，用於塔吊的安全監控，監視塔吊運行時的關鍵參數，不但能夠監視單臺塔吊的運行，而且在塔吊群交叉幹涉作業時能夠防止塔吊相互碰撞，在進行相關的數據處理和判斷後，當塔吊臨近危險狀況時能發出預警及報警信號，提示塔吊操作人員作出相應合理的操作，確保塔吊安全運行；3)對參數進行實時監控。系統運用遠程無線傳輸(GPRS)、GPS、SMS等技術實現塔吊遠程監控，並結合地理定位系統和短息功能，在遠程終端能夠準確適時地反映塔吊運行時的參數、塔吊運行狀態、塔吊所處地理位置、塔吊屬性等，並能夠在報警時以簡訊形式通知相關安全人員，以便及時處理，保證塔吊更安全、更穩定地運行。

圖1為本實用新型提供的塔吊安全監控系統的結構示意圖；圖2為本實用新型中電源模塊的電路圖；圖3為本實用新型中信號採集模塊的電路圖；[0031]圖4為本實用新型中語音模塊的電路圖；圖5為本實用新型提供的塔吊安全監控系統的遠程監控原理示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的實施方式做進一步的說明。所述塔吊安全監控系統的結構如圖1所示。該系統包括主控晶片、信號採集模塊、重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、迴轉傳感器、風速風向傳感器、顯示模塊、觸控螢幕模塊、語音模塊、電源模塊、無線通信模塊、GPRS+GPS模塊、控制模塊和伺服器。其中，電源模塊連接系統中的各個模塊，為系統中的各個模塊供電。重量傳感器採用旁壓式測重傳感器，利用測量鋼絲繩和柔性繩索的張力原理，來測量鋼絲繩和柔性繩索所吊物體的重量，即主要用於測量塔吊所吊物體的重量，量程隨具體塔吊而定。幅度傳感器輸入軸上的小齒輪與捲筒上的齒圈嚙合，當捲筒工作時其轉動的圈數(卷繞或輸出的鋼繩長度)被幅度傳感器記錄下來。幅度傳感器包括機械限位和電子限位，機械限位可防止司機誤操作，使小車在碰到臂尖或臂根的緩衝器前停止運動，電子限位可測量小車在大臂的具體位置。高度傳感器的輸入軸由提升捲筒軸直聯驅動，或通過固定於高度傳感器輸入軸上的小齒輪與捲筒上的齒圈嚙合驅動。當捲筒工作時，其轉動的圈數(卷繞或輸出的鋼繩長度)被高度傳感器記錄下來。高度傳感器包括機械限位和電子限位，機械限位用於控制滑輪組或吊鉤在距臂架小車Im處或接觸地面前終止運動，電子限位用於測量吊鉤的具體高度。迴轉傳感器是利用地磁場來定北極的一種傳感器。迴轉傳感器安裝於塔吊大臂上，用於測量塔吊大臂的方向。迴轉傳感器採用角度傳感器，用塔吊的迴轉齒輪帶動一個小齒輪，不同的塔吊有不同的變比，小齒輪帶動編碼器，編碼器的輸出與迴轉齒輪的旋轉角成比例關係，從而能夠測量塔吊迴轉角度以及大臂的指向。風速風向傳感器包括風速傳感器和風向傳感器兩部分，用於測量塔機所處位置的風速和風向。風速傳感器是一種高響應、低門限、三風杯的光電型風速計，轉換器由裝接於風速計轉軸上的齒盤組成，齒盤安置於光電稱合器的發光管與光電三極體之間並能隨軸轉動，光電耦合器裝於印製電路板上。轉盤有多個齒度，當齒盤隨軸轉動時，發光管LED發射的光束被齒盤上的齒度切割，光電三極體即產生脈衝輸出。每個齒遮住光束時表現為低電平，軸轉動一圈，多次切割光束而輸出一高一低的脈衝信號。風向傳感器也是光電型傳感器，由單風標、格雷碼盤、光電組件組成，紅外LED和光電三極體分別安裝於6位格雷碼盤上下兩側的6個窩型孔內。當風標隨風向變化而轉動時，通過其軸帶動軸下端固定著的格雷碼盤，在光電組件的狹縫中轉動，產生的光電信號經放大整形後，輸出對應當時風向的幅度為12V的六位格雷碼(每位格雷碼只有電平高低的區別，習慣上高電平為1，低電平為0)，轉動時風向信號以516度的解析度為步進變化。測量範圍為0 360°，64個方位。重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、迴轉傳感器、風速風向傳感器分別與信號採集模塊連接。上述傳感器將塔吊運行時的各物理參數，即吊重、小車變幅、風速風向、迴轉角度、高度，對應的物理量轉換成相應的模擬電信號，輸入信號採集模塊中。信號採集模塊對輸入的模擬電信號進行A/D轉換為數位訊號並發送給主控晶片。[0042]顯示模塊，接收來自主控晶片的數據，用於顯示塔吊的模擬圖、塔吊運行的相關參數以及運行狀態。觸控螢幕模塊，用於與操作員之間的交互，將操作員輸入的指令發送至主控晶片。顯示模塊和觸控螢幕模塊採用的是由32位的ARM9S3C2410設計開發的一款高性能、低功耗、易使用的真彩色智能顯示終端，可以直接和具有串行接口的AVR單片機連接。語音模塊，接收來自主控晶片的數據，用於進行預警和報警。無線通信模塊，採用的是CEL公司的ZigBee模塊，用於在塔吊之間發生相互碰撞之前向主控晶片發送報警數據並請求控制。通過該模塊，區域內的所有塔吊之間形成了一個無線網絡，它們之間相互通信，當兩臺或多臺塔吊之間有交叉作業時，單臺塔吊的數據通過ZigBee無線通信模塊發送至ZigBee網絡，其它塔吊接收到數據後計算是否與自己發生幹涉，如果有幹涉情況則向主控晶片發送報警數據並請求控制。塔吊安全監控系統能夠預防塔吊之間的相互碰撞，即塔吊安全監控系統具有群塔作業防碰撞功能。控制模塊，接收來自主控晶片的控制命令，用於切斷塔吊向危險方向運行的迴路，從而起到安全保護的作用。GPRS+GPS模塊，是集GPRS功能和GPS功能於一體的數據傳輸模塊，接收來自主控晶片的數據，將塔吊的相關運行參數、運行狀態以及塔吊所處地理位置信息傳給伺服器，安監部門、施工單位、工地安全員以及塔吊租賃公司可以通過網際網路訪問伺服器，通過登陸伺服器上運行的塔吊監測管理系統就能夠了解到塔吊運行時的參數、塔吊運行狀態、塔吊所處地理位置、塔吊屬性等信息，並能夠在報警時以簡訊形式通知相關安全人員，以便及時處理，保證塔吊更安全、更穩定地運行。伺服器，用於接收GPRS+GPS模塊發送的塔吊的相關運行參數、運行狀態以及塔吊所處地理位置信息，在伺服器上運行有塔吊監測管理系統，安監部門、施工單位、工地安全員以及塔吊租賃公司通過登陸伺服器上運行的塔吊監測管理系統，能夠了解到塔吊運行時的參數、塔吊運行狀態、塔吊所處地理位置、塔吊屬性等信息。主控晶片採用的是Atmel公司生產8位AVR單片機主控晶片ATmegal28，與信息採集模塊、顯示模塊、觸控螢幕模塊、語音模塊、電源模塊、無線通信模塊、控制模塊以及GPRS+GPS模塊相連接。主控晶片接收經過信號採集模塊量化後的信號，並進行相應的處理、判斷、計算、存儲、轉化，在顯示模塊上顯示塔吊運行參數及塔吊的運行狀態。主控晶片接收無線通信模塊發送的數據，並將塔吊運行時的參數、塔吊運行狀態、塔吊所處地理位置、塔吊屬性等信息發送給GPRS+GPS模塊。在滿足預警或報警條件時，通過語音模塊進行預警和報警，並向控制模塊發送控制指令，切斷塔吊向危險方向運行的迴路。該安全監控系統電源模塊的電路圖如圖2所示。該電源模塊由市電供電，市電輸入後經開關、保險管、繞線電阻、TVS管和電源濾波器後進入到AC/DC模塊，保險管、繞線電阻和TVS管用作過流過壓保護，電源濾波器可防浪湧抗跌落，AC/DC模塊輸出±12V和5V三組電壓，為後繼電路供電。該安全監控系統信號採集模塊的電路圖如圖3所示。信號採集模塊採用TI公司的12位串行模數轉換器TLC2543，使用開關電容逐次逼近技術完成A/D轉換過程。由於是串行輸入結構，能夠節省單片機I/O資源，且價格適中，解析度較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。 該安全監控系統語音模塊的電路圖如圖4所示。語音模塊由WT588D語音單片機和W25Q16存儲晶片組成。用上位機軟體對SP1-FLASH存儲器25PXX燒寫語音程序時，選擇三線串口控制模式。I/O 口 PO I被定義為DATA數據口，P02為CS片選口，P03為CLK時鐘口，單片機可通過三個控制口對WT588D語音模塊進行控制。三線串口控制模式下，P00、P04、P05、P06、P07、P10、P11、P12均無效。P17端為BUSY忙信號輸出端，可設置為播放狀態LED點亮和播放狀態LED熄滅。SP1-FLASH存儲器25PXX的電壓範圍為要保證在2. 8V 3. 5V,VDD-SIM為WT588D語音晶片的串口電源管理輸入端，將25PXX的VCC連接到此端，可自動平衡WT588D跟25PXX之間的串口電壓。圖5示出了該塔吊安全監控系統的遠程監控原理示意圖。安監部門、施工單位、工地安全員以及塔吊租賃公司可以通過網際網路訪問伺服器，通過登陸伺服器上運行的塔吊監測管理系統就能夠了解到塔吊運行時的參數、塔吊運行狀態、塔吊所處地理位置、塔吊屬性
等信息。本實用新型的保護範圍並不限於上述的實施例，顯然，本領域的技術人員可以對本實用新型進行各種改動和變形而不脫離本實用新型的範圍和精神。倘若這些改動和變形屬於本實用新型權利要求及其等同技術的範圍內，則本實用新型的意圖也包含這些改動和變形在內。
權利要求1.一種基於AVR單片機的塔吊安全監控系統，該系統包括主控晶片、信號採集模塊、重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、迴轉傳感器、風速風向傳感器、顯示模塊、觸控螢幕模塊、 語音模塊、電源模塊，其特徵在於還包括無線通信模塊、GPRS+GPS模塊、控制模塊和伺服器；電源模塊，連接系統中的各個模塊，為各個模塊供電；重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、迴轉傳感器、風速風向傳感器分別與信號採集模塊的信號輸入端連接；信號採集模塊，將轉換後的數位訊號發送至主控晶片；顯示模塊，連接主控晶片的數據輸出端，用於顯示塔吊的狀態信息；觸控螢幕模塊，連接主控晶片的數據輸入端，將操作員輸入的指令發送至主控晶片；語音模塊，從主控晶片接收數據進行報警；無線通信模塊，連接主控晶片的數據輸入端；控制模塊，接收來自主控晶片的控制命令，並向塔吊輸出控制信號；GPRS+GPS模塊，連接主控晶片的數據輸出端，並將接收到的數據發送給伺服器； 伺服器，通過網絡接收GPRS+GPS模塊發送的數據；主控晶片，分別與信息採集模塊、顯示模塊、觸控螢幕模塊、語音模塊、電源模塊、無線通信模塊、控制模塊以及GPRS+GPS模塊相連接。
2.根據權利要求1中所述的塔吊安全監控系統，其特徵在於所述主控晶片採用的是Atmel公司生產的8位AVR單片機主控晶片ATmegal28。
3.根據權利要求1中所述的塔吊安全監控系統，其特徵在於所述信號採集模塊採用TI公司的12位串行模數轉換器TLC2543。
4.根據權利要求1中所述的塔吊安全監控系統，其特徵在於所述語音模塊由WT588D語音單片機和W25Q16存儲晶片組成。
5.根據權利要求1中所述的塔吊安全監控系統，其特徵在於所述無線通信模塊採用的是CEL公司的ZigBee模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種基於AVR單片機的塔吊安全監控系統，其中主控晶片分別與信號採集模塊、顯示模塊、觸控螢幕模塊、語音模塊、電源模塊、無線通信模塊、GPRS+GPS模塊、控制模塊連接，重量傳感器、幅度傳感器、高度傳感器、迴轉傳感器、風速風向傳感器分別與信號採集模塊連接，GPRS+GPS模塊通過網絡與伺服器連接。通過在塔吊間組成無線網絡來預防塔吊之間的相互碰撞，通過GPRS和GPS技術實現了對塔吊運行狀態的遠程監控以及簡訊預警，從而有效降低了塔吊運行時事故發生頻率。
文檔編號B66C23/88GK202848937SQ20122055156
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月25日 優先權日2012年10月25日
發明者鄒明強, 張鵬程, 熊雲飛 申請人:宜昌三思科技有限公司