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1、理工学院毕业设计（论文） 塔式起重机动态平衡监控系统设计 学 生： 学 号：指导教师： 理工学院机械工程学院二O一三年六月摘 要随着近年来高层建筑的兴起，塔机在现代化建筑施工过程中起着作用越来越大的作用，并且不断向智能化、大型化方向发展。与此同时，塔式起重机事故也在频繁发生，塔机事故已成为威胁建筑施工安全的重要隐患之一。为使塔式起重机安全运行减少因事故造成的经济及人员损失，研究开发一种塔式起重机监控系统有着极其重要的工程应用价值。本文对塔式起重机平衡监控技术进行了研究，并在此基础上设计开发了基于单片机的塔式起重机监控系统。本文对塔式起重机工作原理及其监控需求进行了详细阐述，分析了国内外塔式起重
2、机监控系统的研究现状。然后，对塔式起重机监控系统进行了设计。本课题的监控系统运用角度传感器、鞘式重量传感器、绝对式光电编码器等，通过创新的安装方式，提高了塔机动态平衡监控的技术性能。关键词:塔式起重机;平衡检测;单片机;传感器ABSTRACTWith the develop of the architecture industry, the structure of tower cranes has been developed toward higher, bigger and intelligent. At the same time, the tower crane accidents
3、also occur frequently. It can be said tower crane Accident has become a major threat to the safety of building construction. For the tower crane safe operation, reducing the accident caused by the economic loss and personnel. Research and development of an intelligent monitoring system of tower cran
4、e has important engineering application. This paper studied the technology of tower crane, and on this basis, design and development of tower crane monitoring system based on MCU. This paper firstly detail the tower crane working principle and control demand, analysis of domestic and international m
5、onitoring system of tower crane, Secondly, design of the tower crane monitoring system. The subject with the advanced control system from the angle sensor, shaft pin sensor, absolute photoelectric encoder, through innovative methods to install, improved tower crane safety monitoring of technical per
6、formance. Keywords: Tower crane; balanced detection; MCU; transducerIII目录摘 要IABSTRACTII目录1第1章 绪论11.1课题研究背景和意义11.2塔式起重机简介21.2.1塔式起重机特点21.2.2塔式起重机结构及其工作原理21.3塔式起重机监控系统研究概况31.3.1国际研究概况31.3.2国内研究现状31.3.3塔机监控的发展趋势41.3.4课题主要研究内容51.3.5 论文解决的问题5第2章系统总体方案设计62.1监控方案设计62.1.1监控系统信息处理单元分析62.1.2监控结构系统化设计72.2塔机监控系
7、统传感器设计72.2.1倾角传感器的设计72.2.2称重传感器设计82.2.3小车变幅测量102.2.4力矩传感器设计11第3章系统硬件设计133.1系统硬件方案确定和主要芯片选型133.1.1单片机的选择133.1.2 A/D转换器的选择153.1.3外部存储器的扩展153.2系统硬件总体设计163.2.1电源模块设计173.2.2模拟信号采集保持电路173.2.3 A/D转换183.2.4开关量输入通道电路设计183.2.5后向通道的配置193.3.6按键扫描电路203.3.7 液晶显示模块的设计213.3.8单片机外围接口扩展模块21第4章系统软件设计234.1塔机监控系统系统软件设计2
8、34.1.1系统软件总体架构234.1.2系统软件ADC模块设计244.1.3LCD显示模块设计254.1.4按键中断服务程序设计264.1.5数据存储模块27第5章总结29参考文献30致谢31附录A监控主程序32附录B系统主要模块电路图413理工学院毕业设计（论文）第1章 绪论1.1课题研究背景和意义塔式起重机（简称塔机）起源于西欧，它是为适应欧洲工业革命建设的需要，由系缆式桅杆吊演变而来的12。到如今，塔机越来越多的运用于工业和民用建筑领域来垂直搬运和移动货物，可以说是大型建筑必不可少的工具之一。由于塔机机体庞大、起升高度高、起吊重量大、作业范围广等原因，也是一个蕴藏危险较多的机构。近年来
9、随着各类高层、超高层建筑的兴起和生产自动化程度的提高,为提高工作效率,塔机也日益向大型化、高速化、智能化方向发展，因而对其安全性能也提出更高要求。因而研发一种能对塔机的运行状态进行实时监控，并提供安全有效的保障措施的塔机安全监控系统有着十分重要的意义。本文在分析并总结当前塔式起重机监控系统研究现状和不足的基础上，研究开发一种基于单片机的塔机动态平衡远程监控系统。对于机械设备来说，完全不出故障是不可能做到的，关键是在于能够早期发觉，防患于未然。而以定期维护、维修的方式也必定不能完全杜绝安全事故的发生，所以必然会过渡到以状态为基础的状态检测维修制度。现代塔机的应用一方面能够大大加快建设的速度，而另
10、一方面也潜伏着巨大的危机，由于塔式起重机特殊的结构和使用方式，一旦稍有不慎，很容易引起很严重的安全事故。为了能够保障塔机安全工作，降低建筑施工事故发生,国家制定了比较完善的标准和规范,颁布了塔式起重机安全操作规程等一系列的文件。安全规程对塔机安全保护装置作了详细规定,强制要求塔机上必须装设安全保护装置。但即便如此,目前在建筑施工中,由塔机引起的人员伤亡和设备事故依旧屡屡发生。表1-1塔机结构损坏统计表塔机事故类别所占百分比(%)整体倾覆52起重臂折断或碰毁18塔身断折或底架碰毁27塔机出轨2机构损坏1由于塔机的特殊结构和使用方式，塔机事故具有多样性和复杂性。有资料对1200例塔机事故进行了统计
11、分析。如果按塔机结构损坏情况分类,塔机典型事故情况见表1-113。由上表可以知道，塔机事故的发生主要是由于整体倾覆。塔机的倾覆归根结底在于塔机在工作时产生的不平衡，基于此提出了此课题的研究。1.2塔式起重机简介1.2.1塔式起重机特点塔式起重机属于起重机门类中的一大专门类型，它是工程建筑中应用的重要起重设备。其主要优点有以下几个当面：塔身高，起重臂的绞点装置处于塔身的顶部，使塔式起重机的有效起吊高度距离更大，能满足工程建筑施工中物料运输的高度；塔式起重机起重臂较长，旋转后水平覆面广；塔机在工作运行状态时能同时进行起升、变幅、回转和行走等运动，作业效率高，因此塔式起重机成为了建筑工程中不可替代的
12、重要设备之一。1.2.2塔式起重机结构及其工作原理目前使用的塔式起重机大多数都是变幅小车式，其主要机构包括：起升机构、回转机构、变幅机构与行走机构等几大机构组成，为塔式起重机的功能执行机构。在塔机的主要工作参数相同的情况下，起升、变幅及回转三大机构的工作性能决定了塔机的性能好坏。(1) 塔式起重机起升机构起升机构通过吊绳实现物料的垂直上下运动，其构实际上就是一台可调速的卷扬机。由原动机、卷筒、钢丝绳、制动器、滚轮组和吊钩组成。通过原动机旋转带动变速器，然后通过卷筒、钢丝绳、滚轮组等机构将原动机的旋转变为吊钩的垂直运动。当钢丝绳缠绕达到一定的圈数值时，制动器触发，切断起升机构的电源。(2) 塔式
13、起重机回转机构回转机构作用是实现物料在任意方向内的移动。由电机、行星齿轮减速器、回转齿圈和液力耦合器等构成。大多数的塔机是通过电机经行星齿轮减速器带动小齿轮，使其围绕大齿轮转动，从而驱动塔机的回转。回转机构设有回转限位器，通过调整限位器凸轮角度，限制塔身的回转角度。(3) 塔式起重机变幅机构变幅机构作用是改变吊钩中心位置与塔式起重机回转中心轴线位置之间的距离。变幅机构主要包括括电动机、蜗轮蜗杆减速机、变幅小车、钢丝绳、卷筒、导向轮和张紧轮等几部分。变幅变化时，电机通过减速机、卷筒带动钢丝绳的运动。钢丝绳两端分别通过臂架根滑轮和臂架前滑轮来连接到小车。其中一端收缩钢丝绳，另一端放出钢丝绳，带动小
14、车的运动。变幅机构设有行程限位器。小车运动时，齿轮带动凸轮运动。通过设定凸轮转动的角度范围来限定小车的极限行程。1.3塔式起重机监控系统研究概况随着高层建筑物和大型工程不断出现，塔式起重机向着大型化、高速化、智能化方向发展。但塔式起重机安全事故也逐年增加。而塔机监控系统的出现，在一定范围内防止了塔机安全事故的发生。塔式起重机在建筑业中成为工程机械一个重要分支以来，其安全性问题一直在国内外引起了巨大的关注，塔机安全监控系统也被广泛应用于各类塔式起重机。1.3.1国际研究概况随着计算机技术、信息技术、机械技术的不断融合，塔机各方面性能在不断改进，其监控系统功能也逐渐完善。国际上塔机设计制造行业较发
15、达的国家主要有德国、英国、法国、意大利、俄罗斯、丹麦、西班牙、美国和日本。其中又以法国和德国生产的塔机最具代表性。比较著名的塔机生产厂家有德国的LIEBHERR公司、法国的POTAIN公司、意大利的SIMMA等几十家制造商,其产品在国际塔机市场占据着大部分份额,同时也代表着塔机生产的发展历程、现状和未来趋势。较之国内国外塔机监控系统研制比较早，其监控系统参数比较全面，数字化和智能化程度都很高。塔机监控系统的应用对于遏制重大事故，减少一般事故起到了巨大的作用，改变了塔机事故频繁发生的被动局面，实现了预防事故的目的。1997年德国利勃海尔公司率先应用了全参数监控系统，而后这套系统迅速普及到欧美等发达国家。至2001年欧美各国所有的建筑塔式起重机都已安装了该系统，并且将其列入了技术法规。
