塔机安全监管系统.docx

电子电路设计大赛报告

作品名称： 塔机安全监管系统
作 者： 郭玉龙 张志强 李全勇
指导教师： 张智杰

2010年5月23日

目录
1、摘要及引言 2
2、 方案比较与论证 2
2.1 单片机最小系统 3
2.2 时钟模块 3
2.3 显示模块 3
2.4 存储模块 4
2.5 信号采集模块 4
2.6 报警模块 4
2.7 电源模块 4
3、 总体方案设计 5
3.1硬件设计 6
3.2软件设计 7
4、 功能分析 8
5、 总结 8
7、 参考文献 9
8、 附录 10

塔机安全监管系统
摘要：
本文详细的介绍了基于STC89C58RD+单片机的塔机安全监管系统的设计和应用。本系统用HS320240液晶屏实时读取显示当前时间和各种参数值和设定值，通过按键设定系统参数值，进行信息查询，设置时间等，并用DS1302时钟芯片。通过ATMEL24C64进行数据存储。系统通过工业上比较成熟的AD芯片TLC1543，将传感器采集来的信号经过LM324放大处理后，与24C64中存储的数据比较，超出上限值报警。报警时，用ULN2003驱动继电器切断外部电路，同时蜂鸣器响，LED灯闪烁。
关键词：STC89C58RD+；DS1302；ATMEL24C64; TLC1543; HS320240E
Abstract:
this paper introduces the ‘STC89C58RD +’ MCU based on the security supervision system of tower design and application. This system uses DS1302 clock chip to set time, through the key parameter setting, and uses HS320240E LCD display, time and various parameters and value. Through IIC bus, data ATMEL24C64 deposit. Through the comparison system of industrial TLC1543 chip, mature AD will be collected signal processing, and 24C64 stored in the data controls, beyond the limit and floor will alarm. When the alarm relay is cut off, and through external problem circuit, and at the same time, LED lights flashing buzzer rang.

Keywords: STC89C58RD + ; DS1302; ATMEL24C64; TLC1543; HS320240E
1.引言
伴随着国家经济持续良好运行,国内基础设施建设数量亦持续地增长。塔式起重机(简称“塔机”)由于其塔身高、吊臂长、作用范围广等特点,在基础设施建设中具有极其广泛的应用。然而,由于自身缺陷以及工作环境恶劣等诱因,塔机事故层出不穷,解决塔机安全性问题迫在眉睫。本作品就是针对这一问题而设计，它主要应用于塔机的实时监控，避免因为操作失误造成安全事故。本作品用HS320240E液晶屏实时显示时间和各种参数值和设定值；通过AD芯片TLC1543，将传感器采集来的信号经LM324放大处理后，与24C64中存储的上限值比较，超限将声光报警；并能通过按键改变上限值，修改时间，实现报警范围的改变；每次塔机工作的参数（包括主钩重量，主钩高度，回转角度，小车行程）都存储到24C64中，系统自动永久保存最近工况数据和超限值，为正确分析事故原因提供依据，通过按键查询信息；所有参数的设定都设有密码保护，防止随意更改。 而且通过参数的整定和系数的设定，可以应用到多种塔机的监控上，实现广泛而且方便的应用。

2. 方案比较与论证
2.1主控芯片选择
方案一：AT89S52单片机价格低廉，可反复擦写，但是不能加密，并且FLASH只有8K，不能满足要求。
方案二：STC89C58RD+单片机是一款相对较大内存的单片机，内有32K的Flash，16K的EEPROM，能存储较大的程序。它的特点如下：
1、加密性强，无法解密；
2、超强抗干扰；
3、降低单片机时钟对外部电磁辐射；
4、超低功耗；
5、在系统可编程,无需编程器,可远程升级；
综合考虑两种方案的性价比，最终决定采用方案二。
2.2时钟模块
方案一：时间显示用DS1302时钟芯片。DS1302时钟芯片是一款常用的时钟芯片。实时时钟计数秒,分钟,小时，日，月，周,一年有闰年。随意工业温度范围，—40°C + 85°C。占用I/O口少,价格低廉。
方案二：用DS12C887时钟模块。此芯片能显示世纪，不用再加外部电路，直接接单片机接口，不用外部加电池，内部电池可掉电工作十年之久。价格较贵。
综合考虑两种方案的性价比和I/O口资源，最终决定采用方案一。
2.3液晶显示模块
方案一：使用HS320240E液晶显示屏。指令功能强：可组合成各种输入、显示、移位方式以满足不同的要求； 接口简单方便：可与 8位微处理器或微控制器相联； 可靠性高：寿命为 50,000小时。
方案二：使用12864液晶屏，价格低，使用方法简单。
综合考虑两种方案的性价比，最终决定采用方案一。
2.4 数据存储模块
方案一：使用ATMEL公司的28C64。24C64是一款8K * 8 bit 的存储芯片。但是占用I/O口资源多，读写驱动程序麻烦。
方案二：24C64也是一款8K * 8 bit 大小的存储芯片。但是它是基于IIC总线协议，读写驱动程序简单，只占用两个I/O口。价格也很低廉。
综合考虑两种方案的性价比，最终决定采用方案一。
2.5 AD转换模块
方案一：本系统所选用的是工业上比较成熟的AD芯片TLC1543。特性如下：
（1）10位分辨率 A/D转换器；
（2）11个模拟输入通道；
（3）固有的采样与保持功能；
（4）片内系统时钟；
（5）转换结束（End-of-Conversion，EOC）输出。
（6）串行输出至单片机，占用单片机资源少。
方案二：ADC0809是8位分辨率的AD芯片，占用大量单片机资源。
综合考虑两种方案的性价比，最终决定采用方案一。

2.6 声光报警模块
经过综合比较，报警时，通过ULN2003达林顿管阵列驱动芯片，使继电器动作，切断出现安全问题的外部电路，同时蜂鸣器响，LED灯闪烁。实现声光报警。
2.7 电源模块
方案一：使用开关电源，输出电流大，体积小。
方案二：使用MEW20-S5D15B电源模块，此模块可承受的输入电压范围宽，可适用不同工作场合。输出稳定。
综合考虑工作条件和工作场合，最终决定采用方案二。

3. 总体方案设计
3.1 硬件方案设计图
TLC1543AD模块
STC89C58RD+单片机
320*240液晶屏
24C64
存储模块
声光报警模块
DS1302
时钟模块

键盘输入模块
继电器输出

图1 塔机监管系统图
经过我们的细心设计和缜密论证，最终确定硬件方案如下：
(1)电源模块：采用输入电压较宽的MEW20-S5D15B电源模块。
(2)控制核心：采用内存较大的STC89C58RD+单片机。
(3)AD采集模块：使用TLC1543 AD芯片采集模块。
(4)显示模块：使用功能强大的HS320240E进行实时显示。
(5)数据存储模块：使用24C64存储芯片进行数据存储。
(6)报警模块：利用ULN2003驱动继电器切断主电路，同时声光报警。
(7)时钟模块：利用DS1302时钟芯片显示时间。
（8）键盘模块：四个独立按键和一个复位按键进行操作。

开始

3.2系统软件设计

否
程序流程图
初始化
功能键按下
输入密码
结束

密码正确
选择页面
工况设置
信息查询
时间设置
零点设置
声光报警
是

是
否
否
是
否
重量超限
力矩超限
高度超限
行程超限
角度超限
重量继电器
力矩继电器
高度继电器
角度继电器
行程继电器
是
是
是
是
否
否
否
否
实时读取
液晶显示

4．功能分析
塔式起重机(简称塔机)以其塔身高、吊臂长、抬吊重量大、覆盖范围广、工作效率高等结构技术特点,在建筑领域中占有重要地位,得到了极其广泛的应用。但由塔机引起的人员伤亡和设备损毁事故屡屡发生,重大事故发生率居高不下,塔机的安全问题引起了社会的广泛重视。我国建筑安全监管部门正在制定塔机参数安全监测的相关标准,将强制要求塔机设备安装安全保护系统。
该装置是综合应用微电子技术，信息传感技术，信息通讯技术的高科技智能产品, 是动态检测的数字式电子记录装置,可广泛应用于载重、起重机械,实现对其工作状况的安全保护监测。 该装置主要应用在塔机上, 它可以对塔机安全施工状况实时记录并存储每一工作循环的工况参数，随时将塔机违规操作进行科学检测，为管理者对设备进行有效管理提供真实可靠的数据，有效的预防和抑制事故的发生，杜绝安全生产隐患。
产品功能:
（1）、数据记录：
在塔机运行过程中，以800ms秒为采样周期实时采集塔机的工作参数，主要包括载重量、力矩等。可以累积储存上千条的工作记录。
（2）、安全保护：
该装置可实现塔机多种安全限制器的功能，如起重力矩限制、起重量限制、起升高度限制、幅度限制和回转角限制等。在超载时，系统将发出控制信号，允许起重机向安全方向运行，禁止其向危险方向运行。一旦塔机运行到危险位置，继电器切断电路。
（3）、临界报警：
当起重量、起重力矩超过90%额定值时自动发出声光报警。同时切断相应主电路。
（4）、实时显示：
液晶屏幕实时显示塔机工作的关键参数（起重量、幅度、起重力矩、等）和主要操作（提升、变幅等）；

产品优点:
（1）、适用面广：
适用于各种类型塔式起重机；
（2）、安装方便：
系统安装无需对塔机进行改造；
（3）、单机区域限制：
可通过预设参数防止吊钩进入限制工作区域；
（4）、密码功能：
所有参数的设定都设有密码保护，防止随意更改；
（5）、适应性强：
-20℃～60℃超宽工作温度范围；耐老化、抗粉尘，可在恶劣的露天条件下可靠工作。

5．总结
通过两个多月的不懈努力，我们的作品基本功能终于实现了。但是我们还在不断的找问题，使我们的产品更加完善，争取早日应用到实际生产中，为人民的生命财产安全提供一道有力的屏障。在这次比赛里，我们的创新意识和团队精神进一步的得到了启迪，分析问题、解决问题的能力也得到了很大的提高，也意识到了理论联系实际的重要性。在制作过程中我们遇到了很多问题，不过我们没有放弃，我们逐一地解决，更换了好多方案，最终成功的完成了作品。

6．参考文献：
[1]谭浩强.《C程序设计》，清华大学出版社.2007
[2]孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用[M].东南大学出版社.2004
[3]周明德.微型计算机系统原理及应用.清华大学出版设[M].2007
[4]阎石.数字电子技术基础（第四版）[M].高等教育出版社.1998

7．附录：
整体原理图