傳統(tǒng)塔機的安全系統(tǒng)普遍采用起升高度限位器、回轉(zhuǎn)限位器等機械式安傘裝置，而塔機運行過程中施工載荷不確定、工作環(huán)境惡劣，缺少設(shè)備運行狀念的實時動念的監(jiān)控與顯示，其安全性主要由操作工和現(xiàn)場指揮人員保證，造成其運行故障率較高。隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外工程界、企業(yè)界對建筑塔機的狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷越來越重視，從而使之得到不斷發(fā)展。本文介紹一種在現(xiàn)有機械式安令裝置的基礎(chǔ)上，以當(dāng)今流行的混合信號系統(tǒng)級芯片為核心，構(gòu)成高效率、靈活可靠的安全監(jiān)控系統(tǒng)。
　　一、系統(tǒng)功能
　　(1)安全保護(hù)功能。在塔機運行過程中，實時采集并記錄塔機的工作參數(shù)，主要包括起重量、電流、電壓、風(fēng)速等，并判斷實現(xiàn)塔機多種安全限制器的功能，如起重力矩限制、起重量限制、起升高度限制、幅度限制和回轉(zhuǎn)角限制等。當(dāng)塔機超載時，系統(tǒng)發(fā)出控制信號，允許起重機向安全方向運行，禁止其向危險方向運行。
　　(2)數(shù)據(jù)記錄功能。在塔機運行過程中，實時記錄塔機起升、下降、回轉(zhuǎn)、變幅等主要操作過程，記錄載荷起升高度、幅度、回轉(zhuǎn)角度、起重力矩等工作參數(shù)。根據(jù)FLASH內(nèi)存容量的大小，可至少保持最新1～2h的實時數(shù)據(jù)記錄。
　　(3)實時顯示功能。利用中文液晶屏幕實時顯示塔機工作的關(guān)鍵參數(shù)(起重量、起重力矩、幅度、回轉(zhuǎn)角度)和主要操作工況(起升、回轉(zhuǎn)、變幅)，以便于操作人員及時了解塔機的工作狀態(tài)。
　　(4)數(shù)據(jù)通訊功能。利用裝置提供的CAN現(xiàn)場總線接口與計算機進(jìn)行通訊，將記錄數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碛嬎銠C，再利用相應(yīng)的安全分析系統(tǒng)軟件，以實時曲線顯示記錄的事件和數(shù)據(jù)，并利用專家系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。
　　二、系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。控制電路由微處理器模塊、傳感器及信號調(diào)理模塊、開關(guān)量輸出模塊、鍵盤與液晶顯示模塊等構(gòu)成。考慮到當(dāng)前單片機技術(shù)發(fā)展的實際情況，經(jīng)過對存儲容量、接口能力、功率、軟件設(shè)計等方面的分析和比較，確定采用以C8051F020單片機為CPU的安全監(jiān)控系統(tǒng)。

　　2.1 C8051F020單片機介紹
　　C8051F系列單片機是美國CYGNAL公司推出的一種完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的位控制器內(nèi)核，與MCS51指令集完全兼容。除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。C8051F是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)(SOC)，是今后單片機發(fā)展的方向之一。以C8051F020為例，這種芯片單片機的特點為：
　　(1)內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，是單周期指令，速度可達(dá)25MIPS(在25MHz晶振下)，比普通的51單片機快10倍；JARG調(diào)試方式支持在系統(tǒng)、全速、非插入調(diào)試和編程，且不占用片內(nèi)資源。
　　(2)片上集成有64kB FLASH、4352B內(nèi)部RAM(256+4kB，可外擴(kuò)至64kB)、59個I/O口，含有模擬多路選擇器、可編程增益放大器12位ADC(速度100kS/s)DAC、3路模擬比較器、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)等。由于C8051F的高集成度，因而無需外擴(kuò)ROM、RAM、A/D、D/A、WATCH-DOG、可編程I/O口和E2PROM，從而大大簡化了外圍硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。
　　(3)可編程的16位計數(shù)器陣列(PCA)有6個捕捉/比較模塊和5個通用16位計數(shù)器/定時器，這為要求定時器/計數(shù)器具有較多的測控節(jié)點提供了方便?！　?br/>　　(4)片內(nèi)集成有2個UART、1個SM(兼容12C)和1個SPI。C8051F集成了CAN總線控制器，可廣泛應(yīng)用于干擾環(huán)境非常嚴(yán)重的各種工業(yè)現(xiàn)場測控領(lǐng)域，C8051F只需加上CAN總線收發(fā)電路就可掛接到CAN通信網(wǎng)絡(luò)上，因而大大簡化了通信系統(tǒng)的設(shè)計，減少了通信節(jié)點受干擾的概率。
　　(5)C8051F系列單片機最突出的改進(jìn)就是引入了數(shù)字交叉開關(guān)，這是一個大的數(shù)字開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳，這種結(jié)構(gòu)可支持所有的功能組合?？赏ㄟ^設(shè)置交叉開關(guān)控制寄存器，將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷、ADC轉(zhuǎn)換啟動輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用，選擇通用端口I/O和所需數(shù)字資源的組合。
　　2.2主要傳感器的配置
　　系統(tǒng)中采用的主要傳感器配置采用如下方式，測量回轉(zhuǎn)角度、幅度、起升高度及風(fēng)速等的傳感器采用光電編碼器，通過光電轉(zhuǎn)換，可將電機軸的角位移、角速度等機械量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖以數(shù)字量輸出，通過計算機對脈沖進(jìn)行采樣，從而得到相應(yīng)的測量值。重量傳感器安裝在原起重量限制器的滑輪軸上，其所承受的繩索壓力與起重量成正比，傳感器選用專用軸式壓力傳感器，輸出4～20mA的電流信號，該信號經(jīng)過電壓形成、濾波放大后輸入給C8051F020的12位A/D轉(zhuǎn)換器接口。為了提高信號的抗干擾能力，傳感器的輸出信號均通過屏蔽電纜連接到駕駛室內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)上。
　　2.3開關(guān)量輸出模塊
　　系統(tǒng)對外部的控制功能主要由開關(guān)量輸出模塊來完成。一部分輸出給PLC的控制信號，包括力、力矩、風(fēng)速和幅值報警等，這些信號輸出至變頻系統(tǒng)PLC控制器，以作出相應(yīng)反應(yīng)；另一部分為控制2路聲光報警的信號。這些控制信號由C8051F020的P4口經(jīng)光電隔