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塔吊黑匣子的软、硬件设计方案
1 引言
塔机安全监控管理系统,是国务院和建设部为了塔机安全生管理进行开发及实用的一个工具，2010年中【国务院关于进一步加强企业安全生产工作的通知】中有重要的批示。塔吊安全管理系统是用于多塔吊交叉作业的现代建筑工地，对塔吊之间各种碰撞危险进行预警，以及对塔吊的非法侵入保护区域进行预警的多功能电子系统。第三代塔机碰撞防护系统基于电子传感、计算技术，不依赖人工观察，能够在塔机接近危险位置时自动发出提示或控制信号，辅助操作人员合理操作避免安全事故，能够有效避免解决塔机碰撞事故，并可提高施工现场的工作效率。对于塔机防互撞、塔机与障碍物防碰撞、敏感区域保护、边界限制等都可以有效处理，在不牺牲工作效率的前提下尽可能保证塔机安全，其安全性、准确性与易用性远高于上代产品。 随着微电子技术、计算机技术、智能仪表技术及传感器技术的迅速发展．现今起重机用户已越来越不满足于起重机仅仅拥有载荷、力矩限制功能，希望获得更多关于起重机状态的准确信息，以降低操作和维护的劳动负担并保证起重机的安全。从目前国生产状况来看．塔机的智能化方面还处于起步阶段。其研制的“黑匣子”产品大都采用8位或16位单片机的系统。对存的管理能力及存储设备的容量都十分有限。功能大多较单一；大都普遍缺乏强有力的数据分析软件的配合，庞大的数据显示起来很不直观，难以对数据进行具体分析。本系统以32位的ARM9为处理器并以嵌入式实时操作系统来实现对存的管
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理和任务的调度，并有数据分析软件对所采集的数据进行具体的分析。
2 系统硬件设计 2．1 系统硬件设计
本设计采用了嵌入式系统软件和硬件平台的设计理念，采用了模块化的设计思想。功能配置、扩展方便。图2．1给出了系统的硬件原理框图。微处理器模块作为主模块与其它模块通过扁平电缆相连接；传感器模块与现场的传感器通过屏蔽电缆连接；继电器模块与电控箱通过屏蔽电缆连接。硬件平台的主处理器选用的是NXP的32位芯片。它是基于ARM9嵌入式微处理器的16／32位微控制器。其处理核为高性能的32位RISC(精简指令集计算机)体系结构，嵌了16通道1O位ADC、2通道1O位DAC，24KB片SRAM．87个I／O 口，16位色TFT显示驱动支持640*800像素的WVGA,ARM 处理器资源丰富、处理能力强，具有很高的性价比。数据存储器分为随机存储器和非易失存储器，其中非易失存贮器采用FLASH存储器。开关量输入输出均采用光电隔离。通信接口设计了USB接口和标准的RS232通信接口。键盘采用3×3键盘完成对系统的设置。640x800的LCD完成显示功能。
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图2.1 系统硬件原理框图
2.2 传感器 2．2．1重力传感器
重量传感器选用专用销轴式压力传感器图2.2.1所示，销轴传感器实际上就是一根承受剪力作用的空心截面圆轴，双剪型电阻应变计粘贴在中心孔凹槽中心的位置上，有两种组桥测量方式，即两个凹槽处的双剪型电阻应变计共同组成一个惠斯通电桥，或分别组成惠斯通电桥再并联进行测量,销轴式压力传感器特点:
◆优点：
1. 弹性元件为一整体空心截面圆轴，结构紧凑，几何外形简单，容易加工出很高的尺寸和形位精度；
2. 空心截面具有很强的抗扭转、抗弯曲能力，并且轴销中性轴处的应力最大；
3. 当空心截面轴销承受垂直和水平弯曲时，弯矩为零的截面在同一截面；
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4. 当设计较大容量的轴销传感器时，中心孔也较大，双剪型电阴应变计可以粘贴在孔，即得到很好的保护又可以实施抽真空充惰性气体密封工艺；
5. 与相关承力部件组装容易，使用方便。 ◆缺点：
销轴传感器的缺点是生产工艺难度大，需要较多的专用工具与装备。
图2.2.1 销轴式压力传感器
2．2．2 幅度、高度传感器
黑匣子中测量幅度、高度的传感器采用变幅传感器如图2.2.2作为传感器。
图2.2.2 变幅传感器
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变幅传感器采用电子传感、传输原理，完全放弃以前的机械性误
差太大的原因造成不便，在原有的基础上增添了传感器，使灵敏度提高，误差在0.1%配有方便接口，可和主机方便连接。 传感器参数：
最大起升高度：999m幅度可达520m
2．2．3转角传感器
转角传感器如图2.2.3所示,采用编码器技术研制,精确测定塔吊工作转角。 传感器参数:
回转角度0-1080度，回转角度控制综合精度±1%
图2.2.3 转角传感器
2．2．4风速传感器
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塔吊黑匣子软硬件施工设计方案
