CN202848937U - 一种基于avr单片机的塔吊安全监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统，其中主控芯片分别与信号采集模块、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、控制模块连接，重量传感器、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、风速风向传感器分别与信号采集模块连接，GPRS+GPS模块通过网络与服务器连接。通过在塔吊间组成无线网络来预防塔吊之间的相互碰撞，通过GPRS和GPS技术实现了对塔吊运行状态的远程监控以及短信预警，从而有效降低了塔吊运行时事故发生频率。

Description

一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统

技术领域

本实用新型涉及起重机的安全控制技术领域，特别涉及一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统。

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胁建筑工人生命和企业财产的大问题。由于建设环境的复杂性（比如：塔吊间交叉作业频繁、高压楼宇等障碍物处于工作区等），如何保障塔吊运行时的安全性是目前亟待解决的问题。

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：1）塔吊大臂碰撞其它物体；2）塔吊吊钩碰撞其它物体；3）高位塔吊吊钩碰撞低位塔吊大臂；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。具体的，在塔吊上安装能够采集塔吊运行时各物理参数的限位器，比如：吊重、小车高度、幅度、转角等限位器，然后分别判断采集到的各物理参数是否超出预设范围，从而限定塔吊的运行。该装置主要缺点为人机交互性差，不方便塔吊操作人员获取塔吊运行时的各参数。

另外，大型建筑工地塔机布设密度越来越大，塔机之间的碰撞以及塔机与周边建筑物碰撞的频率也随之增高，随时都有事故发生。再有，为了便于建筑施工工程公司、工程监理部门、安全监理部门、施工安检人员等能够监视到塔吊的适时运行状态，因此，设计一种基于无线网络通信的、数据处理能力强、具有多测控任务、安全可靠、操作方便，具有在塔吊群交叉干涉作业时能够防止塔吊相互碰撞，同时具有远程监视塔吊运行状态的塔吊监控系统是非常有必要的。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本实用新型提供一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统，该监控系统数据处理能力强、易操作，方便监控塔吊运行时的各物理参数，从而可以有效降低塔吊运行时事故发生频率。

为达上述目的，本实用新型采取如下方案：

一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统，该系统包括主控芯片、信号采集模块、重量传感器、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、风速风向传感器、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块，其特征在于：还包括无线通信模块、GPRS+GPS模块、控制模块和服务器；

电源模块，连接系统中的各个模块，为各个模块供电；

重量传感器、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、风速风向传感器分别与信号采集模块的信号输入端连接，将塔吊运行时的各物理参数转化为数字信号；

信号采集模块，将转换后的数字信号发送至主控芯片；

显示模块，连接主控芯片的数据输出端，用于显示塔吊的状态信息；

触摸屏模块，连接主控芯片的数据输入端，将操作员输入的指令发送至主控芯片；

语音模块，从主控芯片接收数据进行预警和报警；

无线通信模块，连接主控芯片的数据输入端；

控制模块，接收来自主控芯片的控制命令，并向塔吊输出控制信号；

GPRS+GPS模块，连接主控芯片的数据输出端，并将接收到的数据发送给服务器；

服务器，通过网络接收GPRS+GPS模块发送的数据；

主控芯片，分别与信息采集模块、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块、无线通信模块、控制模块以及GPRS+GPS模块相连接。

优选的，所述主控芯片采用的是Atmel公司生产的8位AVR单片机主控芯片ATmega128。

优选的，所述信号采集模块采用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543。

优选的，所述语音模块由WT588D语音单片机和W25Q16存储芯片组成。

优选的，所述无线通信模块采用的是CEL公司的ZigBee模块。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

1）防止群塔作业时相互碰撞。依靠Zigbee无线传感网络技术，将区域内的所有塔吊组成了一个无线网络，它们之间相互通讯，当两台或多台塔吊之间有交叉作业时，由于无线通讯网络的存在，塔吊安全监控系统能够预防塔吊之间的相互碰撞，即塔吊安全监控系统具有群塔作业防碰撞功能；

2）对安全隐患进行预警。系统采用嵌入式技术、数据采集技术、传感技术、数据融合和处理等先进技术，用于塔吊的安全监控，监视塔吊运行时的关键参数，不但能够监视单台塔吊的运行，而且在塔吊群交叉干涉作业时能够防止塔吊相互碰撞，在进行相关的数据处理和判断后，当塔吊临近危险状况时能发出预警及报警信号，提示塔吊操作人员作出相应合理的操作，确保塔吊安全运行；

3）对参数进行实时监控。系统运用远程无线传输（GPRS）、GPS、SMS等技术实现塔吊远程监控，并结合地理定位系统和短息功能，在远程终端能够准确适时地反映塔吊运行时的参数、塔吊运行状态、塔吊所处地理位置、塔吊属性等，并能够在报警时以短信形式通知相关安全人员，以便及时处理，保证塔吊更安全、更稳定地运行。

附图说明

图1为本实用新型提供的塔吊安全监控系统的结构示意图；

图2为本实用新型中电源模块的电路图；

图3为本实用新型中信号采集模块的电路图；

图4为本实用新型中语音模块的电路图；

图5为本实用新型提供的塔吊安全监控系统的远程监控原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的实施方式做进一步的说明。

所述塔吊安全监控系统的结构如图1所示。该系统包括主控芯片、信号采集模块、重量传感器、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、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、控制模块和服务器。

其中，电源模块连接系统中的各个模块，为系统中的各个模块供电。

重量传感器采用旁压式测重传感器，利用测量钢丝绳和柔性绳索的张力原理，来测量钢丝绳和柔性绳索所吊物体的重量，即主要用于测量塔吊所吊物体的重量，量程随具体塔吊而定。

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，电子限位可测量小车在大臂的具体位置。

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。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。

回转传感器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。回转传感器采用角度传感器，用塔吊的回转齿轮带动一个小齿轮，不同的塔吊有不同的变比，小齿轮带动编码器，编码器的输出与回转齿轮的旋转角成比例关系，从而能够测量塔吊回转角度以及大臂的指向。

风速风向传感器包括风速传感器和风向传感器两部分，用于测量塔机所处位置的风速和风向。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LED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0～360°，64个方位。

重量传感器、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、风速风向传感器分别与信号采集模块连接。上述传感器将塔吊运行时的各物理参数，即吊重、小车变幅、风速风向、回转角度、高度，对应的物理量转换成相应的模拟电信号，输入信号采集模块中。信号采集模块对输入的模拟电信号进行A/D转换为数字信号并发送给主控芯片。

显示模块，接收来自主控芯片的数据，用于显示塔吊的模拟图、塔吊运行的相关参数以及运行状态。触摸屏模块，用于与操作员之间的交互，将操作员输入的指令发送至主控芯片。显示模块和触摸屏模块采用的是由32位的ARM9S3C2410设计开发的一款高性能、低功耗、易使用的真彩色智能显示终端，可以直接和具有串行接口的AVR单片机连接。

语音模块，接收来自主控芯片的数据，用于进行预警和报警。

无线通信模块，采用的是CEL公司的ZigBee模块，用于在塔吊之间发生相互碰撞之前向主控芯片发送报警数据并请求控制。通过该模块，区域内的所有塔吊之间形成了一个无线网络，它们之间相互通信，当两台或多台塔吊之间有交叉作业时，单台塔吊的数据通过ZigBee无线通信模块发送至ZigBee网络，其它塔吊接收到数据后计算是否与自己发生干涉，如果有干涉情况则向主控芯片发送报警数据并请求控制。塔吊安全监控系统能够预防塔吊之间的相互碰撞，即塔吊安全监控系统具有群塔作业防碰撞功能。

控制模块，接收来自主控芯片的控制命令，用于切断塔吊向危险方向运行的回路，从而起到安全保护的作用。

GPRS+GPS模块，是集GPRS功能和GPS功能于一体的数据传输模块，接收来自主控芯片的数据，将塔吊的相关运行参数、运行状态以及塔吊所处地理位置信息传给服务器，安监部门、施工单位、工地安全员以及塔吊租赁公司可以通过互联网访问服务器，通过登陆服务器上运行的塔吊监测管理系统就能够了解到塔吊运行时的参数、塔吊运行状态、塔吊所处地理位置、塔吊属性等信息，并能够在报警时以短信形式通知相关安全人员，以便及时处理，保证塔吊更安全、更稳定地运行。

服务器，用于接收GPRS+GPS模块发送的塔吊的相关运行参数、运行状态以及塔吊所处地理位置信息，在服务器上运行有塔吊监测管理系统，安监部门、施工单位、工地安全员以及塔吊租赁公司通过登陆服务器上运行的塔吊监测管理系统，能够了解到塔吊运行时的参数、塔吊运行状态、塔吊所处地理位置、塔吊属性等信息。

主控芯片采用的是Atmel公司生产8位AVR单片机主控芯片ATmega128，与信息采集模块、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块、无线通信模块、控制模块以及GPRS+GPS模块相连接。主控芯片接收经过信号采集模块量化后的信号，并进行相应的处理、判断、计算、存储、转化，在显示模块上显示塔吊运行参数及塔吊的运行状态。主控芯片接收无线通信模块发送的数据，并将塔吊运行时的参数、塔吊运行状态、塔吊所处地理位置、塔吊属性等信息发送给GPRS+GPS模块。在满足预警或报警条件时，通过语音模块进行预警和报警，并向控制模块发送控制指令，切断塔吊向危险方向运行的回路。

该安全监控系统电源模块的电路图如图2所示。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。

该安全监控系统信号采集模块的电路图如图3所示。信号采集模块采用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，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。

该安全监控系统语音模块的电路图如图4所示。语音模块由WT588D语音单片机和W25Q16存储芯片组成。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2.8V～3.5V，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。

图5示出了该塔吊安全监控系统的远程监控原理示意图。安监部门、施工单位、工地安全员以及塔吊租赁公司可以通过互联网访问服务器，通过登陆服务器上运行的塔吊监测管理系统就能够了解到塔吊运行时的参数、塔吊运行状态、塔吊所处地理位置、塔吊属性等信息。

本实用新型的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变形而不脱离本实用新型的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围内，则本实用新型的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种基于AVR单片机的塔吊安全监控系统，该系统包括主控芯片、信号采集模块、重量传感器、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、风速风向传感器、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块，其特征在于：还包括无线通信模块、GPRS+GPS模块、控制模块和服务器；

电源模块，连接系统中的各个模块，为各个模块供电；

重量传感器、幅度传感器、高度传感器、回转传感器、风速风向传感器分别与信号采集模块的信号输入端连接；

信号采集模块，将转换后的数字信号发送至主控芯片；

显示模块，连接主控芯片的数据输出端，用于显示塔吊的状态信息；

触摸屏模块，连接主控芯片的数据输入端，将操作员输入的指令发送至主控芯片；

语音模块，从主控芯片接收数据进行报警；

无线通信模块，连接主控芯片的数据输入端；

控制模块，接收来自主控芯片的控制命令，并向塔吊输出控制信号；

GPRS+GPS模块，连接主控芯片的数据输出端，并将接收到的数据发送给服务器；

服务器，通过网络接收GPRS+GPS模块发送的数据；

主控芯片，分别与信息采集模块、显示模块、触摸屏模块、语音模块、电源模块、无线通信模块、控制模块以及GPRS+GPS模块相连接。

2.根据权利要求1中所述的塔吊安全监控系统，其特征在于：

所述主控芯片采用的是Atmel公司生产的8位AVR单片机主控芯片ATmega128。

3.根据权利要求1中所述的塔吊安全监控系统，其特征在于：

所述信号采集模块采用TI公司的12位串行模数转换器TLC2543。

4.根据权利要求1中所述的塔吊安全监控系统，其特征在于：

所述语音模块由WT588D语音单片机和W25Q16存储芯片组成。

5.根据权利要求1中所述的塔吊安全监控系统，其特征在于：

所述无线通信模块采用的是CEL公司的ZigBee模块。

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