引言
塔式起重机大规模应用于工程建设中，我国每年都会发生 多起塔机倒塌事故⋯。为了防止重大事故的发生，保证塔机运 行安全可靠，减少因事故造成的人员和经济损失，非常有必要 开发一套可靠性和实时性高、功能强大、成本低的安全监控系 统。控制器局域网CAN(ControllerAreaNetwork)总线是一种有 效支持分布式实时控制的串行通信网络。CAN总线由于具有 传输距离长、报文短、通信速率高、出错率低、纠错能力强、实时 性和可靠性高、控制简单等优点j，被广泛应用于自动化控制 系统中。基于CAN总线的塔机安全监控系统可以很好的满足 上述要求。

系统网络拓扑采用总线型拓扑。这种结构优点是采用单 一 信道作为传输介质，所需电缆长度短，布线容易，工作的可靠 性高，增加和减少节点都很方便。

一 、塔机安全监控系统设计
1．1监控系统整体结构设计
塔机安全监控管理系统主要由HMI、CAN总线、数据采集模块和继电器 模块组成，系统结构如图1所示。系统数据采集模块有起重量 检测模块、幅度检测模块、高度检测模块和角度检测模块。HMI 通过CAN接口将系统初始参数(起重零点和参考载重校准信 号、最小幅度和最大幅度校准信号、起升高度零点和起升标准 高度校准信号、回转角度零点校准信号)发送到CAN总线上， 各数据采集模块通过判断接收保存需要的参数。传感器检测 塔机运行时的工作参数：起吊重量、小车行走幅度、重物提升高 度和臂架回转角度，各个数据采集模块的MCU将检测到的数 据处理后通过CAN接口实时发送到CAN总线上，HMI通过 CAN接口接收数据采集模块发送到CAN总线上的数据，并通 过硬件和软件编程方式对接收到的现场数据进行显示、存储、 比较报警处理。

塔机安全监控系统主要功能：
(1)实时检测功能，实时监测塔机运行时的各状态参数。
(2)实时显示功能，实时显示塔机运行时的工作参数值。
(3)报警和自动断电停机功能，系统识别塔机的运行状态 后，做出相应的处理。当塔机运行时的状态参数值超过其设定 的极限值时，系统报警并断电停止塔机工作。
(4)参数设定功能，由于不同型号塔机具有不同的固定参 数，可通过按键实现系统参数的修改设置，提高系统的通用性。
(5)数据存储功能，记录塔机工作参数，作为分析事故原因 的原始数据以及塔机工作损耗的参考。

1．2硬件电路设计
该监控系统硬件主要有单片机STC89C516、液晶显示器 CA320240B、CAN接口、CAN总线、A／D转换芯片、U盘及U盘 接口芯片等。系统以STC89C516为核心，实现对塔机运行过程 状态的监控、显示、记录和报警。系统模块有人机界面模块、数 据采集模块和继电器模块。数据采集模块共有4个部分：起重 量检测模块、幅度检测模块、高度检测模块和角度检测模块，完 成基本的模拟量和数字量的采集及CAN总线的通信功能。

1．2．1CAN总线
CAN总线是一种性价比非常高的现场总线，与一般的通信 总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活 性J。主要技术特点有：多主方式；节点分成不同的优先级，可 满足不同的实时要求；采用非破坏总线仲裁技术；极好的检错 效果；通信距离最长lOkm，速率最高达1Mbps．CAN总线上任 意2个节点之间的最大传输距离与其位速率的关系 塔机上的通信距离一般就几十m长，CAN总线完全可以 满足要求，结合塔机工作的实际情况，选择最高通信速率1Mb- ps·

1．2．2CAN接口电路设计
CAN接口主要由CAN控制器SJA1000和CAN收发器 TJA1050组成。CAN控制器SJA1000支持CAN2．0A和 CAN2．0B协议，可以支持11位、29位标识码，具有很强的扩展 性。CAN收发器TJA1050是CAN控制器与物理总线之间的接 口芯片，支持对CAN总线的差动发送和接收功能。它的电磁 抗干扰EMI性极高，且与ISO11898标准完全兼容。CAN总线 接口是数据采集模块和上位机通信的模块，如图2所示。 SJA1000与单片机的引脚连接如图所示。TJA1050的引脚8 (S)用于选定收发器的工作模式，引脚接地表示TJA1050进入 高速模式。收发器和总线的接口部分必须要加保护防干扰电 路，和魄为CAN匹配电阻，电容C具有退藕作用，c3和c4 起滤波作用。

1．2．3起重量数据采集模块硬件电路设计
塔机的工作环境恶劣，周围各种干扰较为严重，系统的抗 干扰能力、可靠性、通用性和灵活性要强，根据CAN通信模块 加上不同外部电路，电源电压调节电路人机接口输入电路等。 模块的电路结构如图3。 重量检测模块传感器采用DEE系列称重传感器，为了提高 测量的准确性，根据实际情况不同吨位的塔机应采用不同量程 的传感器。A／D转换采用16位高精度串行模数转换器 CS5523，该芯片内集成了1个仪表放大器、1个可编程增益放大 器、多路开关、数字滤波器、自校正和系统校正电路。通过简单 的串行连接，MCU可方便地控制CS5523,实现多通道高精度的A/D转换。 传感器将检测到的信号，经A/D转换器处理将模拟信号转换成数字信号输入MCU，MCU进一步处理数据，在程序中计算当前重量以及当 前重量占总重量的百分比。电路中单片机的外部中断信息由SJA1000的内部寄存器，提取数据确定具体的中断事件，并做出下应的反 馈。

1.2.4 其它数据采集模块电路设计
其它数据采集模块和角度检测模块的检测工作原理完全相同。在塔机幅度、高度和角度限制器的伸出軕上加一块一半是N极一 半是S极的圆形磁铁，当塔机工作时磁铁和轴一起旋转，利用磁铁转极性的变化检测出小车牵引器机、卷杨机和塔臂转过的圈数，在 程序中计算出幅度、高度和角度。硬件原理框如图4所示

1.2.5人机界面硬件电路设计
图5为人机界面原理框图，液晶显示器CA320240B使用功能强大的S1D13305作为控制器。内部固化160种5*7点陈的字符，具有文本和图 形混合显示功能，系统采用Inte8080时序。 显示器实时显示塔机工作时的力矩、重量、幅度、高度和角度数值，并图形显示塔机起重机特性图和当前工作点的位置。图6为塔机 起重特性图，图中阴影部分为塔机安全工作区域，正常工作点必须处于阴影区域内，当工作点超过最大力矩的80%时系统给出预警信 号（黄色LED灯亮报警），超过100%发出报警信号（红色LED灯亮和蜂鸣器报警），同时对继电影模块动作止电动工作。 系统采用大容量8GU盘存储数据，存储内容为塔机每次开作的年份、日期、开始时间、结束时间、开始高度、结束高度、开始角度、 最大力矩和警告。当发生安全事故或需要评估塔机的使用寿命时，可导出数据进行分析。