塔式起重機(jī)（簡(jiǎn)稱塔吊）作為建筑施工物料垂直運(yùn)輸?shù)闹饕�設(shè)備，具有工作范圍大、高效快捷等特點(diǎn)，對(duì)工程的進(jìn)度、施工的質(zhì)量和成本的控制起著至關(guān)重要的作用。但同時(shí)，由于塔吊的使用引起的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失也時(shí)有發(fā)生，塔吊已成為影響建筑施工安全的主要危險(xiǎn)源，而造成塔吊事故的因素又有很多，如結(jié)構(gòu)疲勞損壞、超載、操作失誤、多塔作業(yè)相互碰撞等等。本文從單片機(jī)和nRF2401射頻收發(fā)芯片入手，研究一種防止多臺(tái)塔吊同時(shí)作業(yè)時(shí)發(fā)生碰撞的控制系統(tǒng)，解決多塔作業(yè)相互碰撞的問(wèn)題，減小塔吊事故發(fā)生的概率。
　　1系統(tǒng)的控制原理
　　本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、無(wú)線通信系統(tǒng)、位置檢測(cè)系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)4個(gè)部分組成，其中單片機(jī)是核心控制部分，主要實(shí)現(xiàn)如下功能：⑴實(shí)現(xiàn)與無(wú)線通信系統(tǒng)的信號(hào)交互；⑵接收位置檢測(cè)系統(tǒng)傳回來(lái)的信號(hào)并實(shí)時(shí)處理；⑶控制執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行塔吊回轉(zhuǎn)控制電路的通斷。
　　在多臺(tái)塔吊同時(shí)交叉作業(yè)的情況下，如圖1，當(dāng)2號(hào)塔吊回轉(zhuǎn)進(jìn)入A區(qū)時(shí)，2號(hào)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)向單片機(jī)發(fā)回信號(hào)，單片機(jī)一接收到信號(hào)就對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，使無(wú)線通信系統(tǒng)向周邊塔吊發(fā)出預(yù)定的無(wú)線信號(hào)，此時(shí)當(dāng)3號(hào)機(jī)將要進(jìn)入到A區(qū)時(shí)，3號(hào)機(jī)的位置檢測(cè)系統(tǒng)就會(huì)將檢測(cè)信號(hào)傳給單片機(jī)，單片機(jī)將收到的信號(hào)與無(wú)線通信系統(tǒng)接受到特定信號(hào)后將信號(hào)進(jìn)行處比對(duì)，再控制執(zhí)行系統(tǒng)斷開(kāi)回轉(zhuǎn)控制電路，其它區(qū)域以此類推，從而實(shí)現(xiàn)防碰撞的目的。
　　
　　
　　2硬件電路設(shè)計(jì)
　　2.1單片機(jī)選擇
　　目前，應(yīng)用于控制系統(tǒng)的單片機(jī)主要有8位和16位兩種。對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化控制中的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)單片機(jī)的要求側(cè)重于中斷系統(tǒng)、I/O口的數(shù)量和功能、內(nèi)部存儲(chǔ)器和寄存器、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器件等。對(duì)于一般性的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，選擇8位機(jī)可以基本滿足要求[1]。
　　本設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)塔吊與塔吊之間的無(wú)線通信，并根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，總體來(lái)說(shuō)控制方案不算復(fù)雜，因此選用具有8031內(nèi)核的AT89C51作為控制系統(tǒng)的主機(jī)，由于其內(nèi)核有8KB的flash存儲(chǔ)器，因此不用再添加外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器。也可視情況換用8051、8052、8751、8752、80C51、8031等。
　　
　　2.2檢測(cè)系統(tǒng)
　　塔吊回轉(zhuǎn)位置的檢測(cè)，目前有很多種元件，例如旋轉(zhuǎn)編碼器、接近開(kāi)關(guān)、磁電式傳感器等等，本系統(tǒng)只需要檢測(cè)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)到某個(gè)特定的區(qū)域，考慮到成本等因素，選擇接近開(kāi)關(guān)作為本系統(tǒng)的檢測(cè)元件。接近開(kāi)關(guān)又稱無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)，它的測(cè)量敏感元件為半導(dǎo)體磁敏器件，具有工作可靠、壽命長(zhǎng)、成本低、功耗低、安裝簡(jiǎn)單、操作頻率高以及適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等特點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)是不能判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，測(cè)量精度也不高。其測(cè)量原理是：當(dāng)鐵磁材料接近磁敏器件時(shí)，空氣間隙減小磁阻降低，磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，輸出信號(hào)增大，輸出高電平；如果鐵磁材料遠(yuǎn)離磁敏器件時(shí)，空氣間隙增大，磁阻增大，輸出低電平。接近開(kāi)關(guān)可以直接與單片機(jī)相連接，無(wú)須再經(jīng)過(guò)光電耦合電路輸入。
　　如圖2，將接近開(kāi)關(guān)安裝在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)外沿，根據(jù)接近開(kāi)關(guān)的原理，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)每轉(zhuǎn)到設(shè)定位置就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，同時(shí)將兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)并排緊靠，就能通過(guò)軟件判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，從而檢測(cè)出塔吊回轉(zhuǎn)到某個(gè)設(shè)定的區(qū)域。
　　
　　2.3無(wú)線通信系統(tǒng)
　　本文設(shè)計(jì)的無(wú)線通信系統(tǒng)工作在高高的塔吊上，需要相互通信的塔吊之間基本無(wú)任何阻隔，因此數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃员容^高。綜合考慮傳輸速度，外圍元件，功率功耗等因素，采用以nRF2401為核心芯片的無(wú)線數(shù)傳模塊。nRF2401工作模式有收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式四種，而收發(fā)模式又有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種。工作模式由nRF2401引腳PWR、CE、CS的高低位決定。它跟單片機(jī)通信簡(jiǎn)單，只需跟單片機(jī)I/O或SPI相連即可，通信速率可達(dá)1Mbps，通信距離室內(nèi)約0-50米，室外80-200米（120米范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸很可靠；超過(guò)160米數(shù)據(jù)傳送成功率很低），多塔作業(yè)時(shí)，塔臂與塔臂的距離以目前塔吊普遍的臂長(zhǎng)不大于60m計(jì)算約為120m以內(nèi)，因此nRF2401可以可靠實(shí)現(xiàn)相關(guān)塔吊的通信。
　　nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，這種模式可以減小系統(tǒng)的平均工作電流、數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，抗干擾性高的情況下節(jié)省能耗。在這種模式下工作，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，使數(shù)據(jù)能從MCU低速輸入，但高速發(fā)射出去(1Mbit/s)，與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，而把nRF2401配置為ShockBurstTM收發(fā)模式只需15字節(jié)配置字，配置完成后，在nRF2401工作過(guò)程中只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，就可實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式間的切換。
　　nRF2401和單片機(jī)相互通信的連接電路圖如圖，對(duì)于無(wú)線收發(fā)模塊nRF2401的配置以及單片機(jī)AT89C51與nRF2401的通信過(guò)程如下：
　　（l）AT89C51配置nRF2401.
　　①設(shè)置CS為1，CE為0，使nRF2401進(jìn)入配置模式；
　　②nRF2401的Data腳準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；
　　③單片機(jī)通過(guò)MOSI寫(xiě)入數(shù)據(jù)，從MSIO讀出數(shù)據(jù)；
　　④配置數(shù)據(jù)通過(guò)nRF2401的Data腳輸入。
　　（2）AT89C51向nRF2401發(fā)送數(shù)據(jù)
　　①設(shè)置CE為1，使nRF2401進(jìn)入TX模式；
　　②nRF2401的Data腳準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；
　　③單片機(jī)通過(guò)MOSI寫(xiě)入數(shù)據(jù)，從MISO讀出數(shù)據(jù)；
　　④設(shè)置數(shù)據(jù)通過(guò)nRF2401的Data腳輸入，并輸入到TXFIOF；
　　⑤設(shè)置CE為0，開(kāi)始ShockBursTM傳輸模式。
　　（3）AT89C51從nRF2401讀取數(shù)據(jù)
　　①nRF2401在接收模式下，并且已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)包；
　　②單片機(jī)通過(guò)MOSI寫(xiě)入數(shù)據(jù)，從MISO讀出數(shù)據(jù)。
　　因?yàn)閳D中的兩個(gè)電阻，在MOSI寫(xiě)入的數(shù)據(jù)不會(huì)影響從nRF2401輸出的數(shù)據(jù)。
　　
　　2.4執(zhí)行系統(tǒng)
　　在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，被控制對(duì)象所需要的驅(qū)動(dòng)功率一般都比較大，而控制器發(fā)出的數(shù)字控制信號(hào)或經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后所得到的模擬控制信號(hào)的功率都很小，因而必須經(jīng)過(guò)某種電路后才能用來(lái)驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象。本設(shè)計(jì)采用繼電器來(lái)控制各動(dòng)作部件。
　　繼電器按所采用的驅(qū)動(dòng)電源不同分為直流型和交流型，工作電壓一般都比較高，因此從控制器輸出的控制信號(hào)需要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使輸出的驅(qū)動(dòng)電壓和電流能適應(yīng)繼電器的要求，由于繼電器的線圈為感性負(fù)載，在斷開(kāi)電的瞬間會(huì)生成反電動(dòng)勢(shì)，所以設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)接口要進(jìn)行保護(hù)。
　　采用直流電磁式繼電器功率驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)，一般可選用晶體管或集成電路驅(qū)動(dòng)。當(dāng)使用繼電器數(shù)目較多時(shí)，采用集成電路驅(qū)動(dòng)，如ULN2003等，也可以使用7407來(lái)驅(qū)動(dòng)。圖5中示出了單片機(jī)通過(guò)P口控制一直流繼電器的接口電路，圖中采用光電耦合器TIL117進(jìn)行了電器隔離。當(dāng)P口為高電平時(shí)，繼電器K吸合；反之，繼電器釋放。繼電器由普通晶體管9013驅(qū)動(dòng)，可以提供300mA的驅(qū)動(dòng)電流，適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的場(chǎng)合使用。接+12V電源的接口一般可接6~30V的電壓。光電耦合器使用TIL117，其電流傳輸比不低于50%。晶體管9013的電流放大倍數(shù)大于50。當(dāng)繼電器線圈工作電流為300mA時(shí)，光電耦合器需要輸出大于6.8mA的電流。其中，晶體管6013基極對(duì)地的電阻分流約為0.8mA，輸入光電耦合器的電流必須大于13.6mA，才能保證向繼電器供300mA的電流。圖中光電耦合器的輸入電流由7407提供，約20mA，二極管VD的作用是保護(hù)晶體管9013，防止9013關(guān)斷時(shí)繼電器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)所造成的損壞。
　　
　　圖4采用晶體管的繼電器接口
　　
　　圖4是本設(shè)計(jì)由繼電器控制的電路部分。當(dāng)P口為低電平時(shí)，繼電器K吸合，使開(kāi)關(guān)閉合，電路接通，電機(jī)等工作；反之，繼電器釋放，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，停止工作。
　　
　　3軟件設(shè)計(jì)
　　基于nRF2401的無(wú)線收發(fā)模塊的軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖5。軟件的主要功能如下：首先判斷收發(fā)狀態(tài)，在接收模式下，單片機(jī)接收傳入的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解碼，然后將控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作；在發(fā)送模式下，單片機(jī)首先接收內(nèi)部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（檢測(cè)系統(tǒng)）接收的數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)編碼后發(fā)送至無(wú)線收發(fā)芯片進(jìn)行發(fā)送。
　　圖5系統(tǒng)軟件流程圖
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　基于單片機(jī)和nRF2401射頻芯片的通信系統(tǒng)具有低成本、低功耗、硬件電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，將其應(yīng)用在多塔防碰撞系統(tǒng)上，能有效解決塔吊回轉(zhuǎn)過(guò)程中的碰撞問(wèn)題，降低事故發(fā)生率。同時(shí)，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的需要，依靠單片機(jī)多余的接口，將其與其它安全檢測(cè)、控制機(jī)構(gòu)相連，在實(shí)現(xiàn)整機(jī)的安全使用方面發(fā)揮更大的作用。