专利名称：一种基于arm的自组织塔吊防碰撞装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电子和通信领域，具体涉及一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置。
背景技术：
塔吊又名塔式起重机，在建筑领域扮演着无法取代的重要角色。中国自90年代起有了自己设计的塔吊，但规模较小，一般是几座塔吊或十几座塔吊同时作业，塔吊司机需足够谨慎才能避免塔吊碰撞事故。随着中国经济的高速发展和建筑业的蓬勃，塔吊的用量剧增，中国已发展为世界第一塔吊国。建筑工地上常常是几百座塔吊同时作业，存在多个交叉工作区，塔吊碰撞事故频繁发生，且建筑工地为了追求高效，通常坚持夜间作业和长时间连续施工，在天气不好或夜晚来临导致能见度剧减的情况下，或塔吊司机长时间连续工作变得疲惫时，事故发生率还会进一步上升。当时世界上已经存在一套荷兰生成的塔吊防碰产品，中国也生产出仿制荷兰生产的塔吊防碰产品，但普遍存在以下三大缺点①各座塔吊通过线缆连接至地面一中央处理器，各自将自身坐标信息传输至中央处理器，中央处理器通过运算各塔吊坐标判断其是否有碰撞危险，及时报警预防碰撞，而在建筑工地上，相邻两塔吊通常来自不同公司，却连接至同一中央处理器。②各座塔吊通过线缆连接至地面一中央处理器。而建筑工地布线错综复杂，环境恶劣，有线连接困难。同时，线缆时常损坏，查出坏线难度大，更换坏线难度大，很大程度上加重了工程成本并延误了工期。③该吊防碰产品最多连接9座塔吊。在当时的中国工地，几十台塔吊同时作业已很常见，发展到现在，建筑工地常常500台塔吊同时作业，因此，有连接台数上限的塔吊防碰仪器是难以投入使用的。近几年研发出的现代化的塔吊防碰产品，具有另外两大致命缺点①该塔吊防碰产品带很大的彩色液晶屏，图形化界面，很多专业数据同时显示，功能强大，操作复杂。②该塔吊防碰产品的成本高昂，接近20000元/套。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置。该自组织塔吊防碰撞装置成本低、界面简洁易用的，无共用中央处理器的，基于无线传输、且无塔吊台数上限。本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，，由供电模块、主控芯片模块、指示模块、坐标采集模块、显示模块和接口模块组成。所述供电模块为接口模块、主控芯片模块、指示模块、坐标采集模块和显示模块供电。该供电模块可以通过外接锂电池或USB接口供应5 士0.05V电压和3. 3 士0.05V电压。 通过外接锂电池供电具体为通过电压转换芯片(优选LM1084IS-5V)将外接直流电源(优选为6. 5V至8. 4V)转换成5 士0. 05V的电压，然后再通过电压转换芯片(优选AMSl 117-3V3) 将该5V的电压转换成3. 3士0. 05V的电压，当供电模块通过USB接口供电时，USB接口输入
45士0.05V的电压，然后通过电压转换芯片(优选为AMSll 17-3V3)将5士0. 05V的电压转换成3. 3士0. 05V的电压。其中5士0. 05V电压可为本发明中的接口模块、坐标采集模块和指示模块供电，3.3 士 0. 05V的电压可为本发明中的接口模块、主控芯片模块、指示模块、坐标采集模块和显示模块模块供电。所述的主控芯片模块包括STM32主控制芯片(优选为STM32F103系列芯片，如 STM32F103VCT6芯片，内核为ARM Cortex_M3的32位控制芯片)、晶体振荡回路A8、晶体振荡回路B9、备用电源10 (优选为3V纽扣电池)、JTAG接口(Joint Test Action Group联合测试行为组织)和滤波电路。所述的STM32主控制芯片的引脚PA13和PA14通过连接JTAG接口与JTAG仿真器相连接，其中引脚PA13与JTAG接口的引脚SWDIO相连接，引脚PA14与JTAG接口的引脚 SffCLK相连接，通过JTAG接口连接JTAG仿真器，该JTAG仿真器连接接口模块外接的电脑， 通过仿真器读取电脑中设定的防碰程序。STM32主控制芯片的引脚PC14和PC15连接晶体振荡回路A8(优选振荡频率为 32. 768kHz的晶体振荡器)，通过引脚0SC_IN和0SC_0UT连接晶体振荡回路B9 (优选振荡频率为8MHz的晶体振荡器)，所述的晶体振荡回路A8和晶体振荡回路B9为STM32主控制芯片提供精确的时间基准。STM32主控制芯片的引脚VBAT连接备用电源10，且在引脚VBAT与备用电池阳极中间串接有降压二极管A，该引脚VBAT还通过连接降压二极管B阳极与供电模块的 3. 3士0. 05V电压相连。用于在STM32主控制芯片主电源切断后继续为其供电，防止STM32 的后备寄存器中存储的塔吊坐标信息丢失。所述的STM32主控制芯片的引脚VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDD_4和VDD_5均分别连接3. 3 士0. 05V高电平后，顺次通过连接电容A、电容B、电容C、电容D、电容E分别与STM32 主控制芯片的引脚VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSS_4和VSS_5相连接，用于给STM32主控制芯片滤波，以消除干扰。所述的STM32主控制芯片的引脚VDDA通过磁珠与供电模块的3. 3士0. 05V电压相连接，此外STM32的引脚VDDA还分别与电容F(电容为IOuF)和电容G(电容为0. IuF)连接后接地，用于给STM32主控制芯片中的模数转换器ADC提供标准电压。所述的STM32主控制芯片的引脚Β00Τ0接地。所述的STM32主控制芯片的引脚 NRST接电阻A(R= 100KΩ)后接3.3士0. 05V电压，用于禁止STM32主控制芯片复位。所述的STM32主控制芯片的引脚VREF-接地，STM32主控制芯片的引脚VREF+接3. 3士0. 05V电压。所述的指示模块由发光二极管Α、发光二极管B、发光二极管C和蜂鸣器组成。其中所述的STM32主控制芯片的引脚PDl通过电阻B28(R = 510Ω)连至发光二极管A的阴极，发光二极管A的阳极接3. 3士0. 05V电压。发光二极管A为红色发光二极管，正常情况下长灭，当两座塔吊即将相碰时，发光二极管A闪烁，发出警报。STM32主控制芯片的引脚 PD3连接电阻C(R = 510 Ω )后连至发光二极管B的阴极，发光二极管B阳极接3. 3士0. 05V 电压。正常状态下发光二极管B长亮，当塔吊的坐标值处于输入模式(输入X，Y和H)时， 发光二极管B闪烁。STM32主控制芯片的引脚PD4连接电阻D(R=510Q)后连至发光二极管C的阴极，发光二极管C阳极接3. 3V±0. 05V电压。正常情况下发光二极管C长灭，当检测到供电模块的外接锂电池或USB接口电压过低时，该发光二极管C闪烁，提醒充电。STM32主控制芯片的引脚PDO通过电阻E31(R= IOKΩ)连至三极管(优选型号 2Ν3904)的基极，三极管集电极接5士0. 05V电压，三极管发射极接蜂鸣器的正极针脚，蜂鸣器的负极针脚接地，三极管用于控制蜂鸣器鸣叫、报警。所述的坐标采集模块用于获得塔臂转角值和塔身与钢丝绳之间间距值。主要包括塔臂转角的测量电路和塔身与钢丝绳的间距测量电路，所述的塔臂转角的测量电路与 STM32主控制芯片的引脚PBl相连接，具体为STM32主控制芯片的引脚PBl与运算放大器 33(型号LM358D)输出级相连接，运算放大器33的输出级还与运算放大器33的负输入级相连接。运算放大器33的正输入级与电阻F(R= ΜΚΩ)和电阻G(R= 10ΚΩ)串联后接地， 其中电阻F和电阻G的中间连接的节点通过三针插槽与塔吊的电位器相连。塔臂转角的测量电路与塔身与钢丝绳的间距测量电路连接方法均相同。塔臂转角的测量电路与STM32主控制芯片的引脚PA4相连接。在塔吊的各个滑轮和转轴处均有电位器与其啮合，塔吊转动时带动相啮合的电位器转动，就会输出变化的电压，变化的电压经过运算放大器A后，将电压值输入到STM32主控制芯片的引脚PBl (ADC)中，STM32主控制芯片根据电压的变化值就能换算出塔吊的角度，同理可以获得塔身与钢丝绳的间距，STM32主控制芯片根据塔臂转角值和塔身与钢丝绳的间距进行运算处理，避免与其他塔吊相碰。所述的显示模块共有两组，分别用于显示坐标采集模块测得的塔臂转角值和塔身与钢丝绳的间距值，常用的显示设备为数码管，数码管常用基础的连接方法为数码管的段控制引脚a、b、c、d、e、f、g和dp分别连接至STM32主控制芯片的引脚PE3、PE4、PE5、PE6， PC0、PC1、PC2和PC3，数码管的位控制引脚通过三极管后分别连接至PE8 PEll或PE12 PE15。所述的接口模块，包括插针A、插针B、插针C和电平转换芯片(用于TTL电平与 RS-232电平之间的转化)。其中还可以包括插针D和插针E。STM32主控制芯片的引脚PD8 PD15通过插针A(8针插针)与外接键盘(优选为 4X4矩阵键盘)连接，用于手动输入塔吊塔身的坐标值(该坐标值为三维空间坐标系中的塔身的横坐标、纵坐标和塔身的高度坐标，该三维坐标系是整体塔吊系统建立的唯一三维坐标系，每个塔吊在该三维坐标系中都有唯一确定的坐标值(X、Y、H)，在塔吊系统整体布局前，每个塔吊的坐标值是唯一确定的)。一座塔吊的姿态信息由五个数据确定，分别为塔身的横坐标、纵坐标、塔身高度坐标、塔臂转角值(该转角值的计算标准统一，即0°时指向统一方向)和塔身与钢丝绳间距， 当上述的五个数据唯一确定时，该塔吊的姿态唯一确定。STM32主控制芯片的引脚TXl和RXl通过插针B37G针插针)与串口相连接，进而通过串口与电脑相连接，通过电脑编写和控制用于控制STM32主控制芯片进行塔吊防碰程序，该程序利用已测得自身塔吊坐标和通过无线模块获得的其他塔吊坐标，计算得到两座塔吊发生碰撞可能的部位的间距，并通过设定危险间距的最小值，进而实现对发生碰撞的危险报警，该报警通过指示模块发光二极管A的闪烁报警及蜂鸣器的鸣叫实现报警。STM32主控制芯片的引脚PD5、TX4、RX4、PD6和PD7通过插针C(7针插针)与无线模块(优选RF200)相连接。通过无线模块将塔吊的姿态信息由五个数据确定，分别为塔身的横坐标、纵坐标、塔身高度坐标、坐标塔臂转角值(该转角值的计算标准统一，即0°时指向统一方向)和塔身与钢丝绳间距向周围的塔吊发送，并接收周围塔吊发送的姿态信息，STM32主控制芯片的引脚TX3和RX3通过插针DG针插针)接口与GPS模块(优选H0LUXM-98 GPS MODULE)相连接，用于在无人手动输入塔吊的三维坐标值(X，Y，H)的情况下获取塔吊的三维坐标值。所述的电平转换芯片与STM32主控制芯片的引脚T)(5和RX5连接，用于完成TTL 电平与RS-232电平之间的转化，输出的电平通过引脚TlOUT和T20UT输出，该输出端可以优选连接插针Ε，该插针用于备用连接使用。本发明的优点在于(1)本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，无共用的地面中央处理器，由其内部的主芯片(STM32)将自身的坐标信息与其他塔吊的坐标信息运算，由此判断出是否有相碰危险。因此每套产品是独立的个体，不存在交叉和共用问题。(2)本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，由无线模块将自身的坐标信息发送给周围其他的塔吊，同时也接收周围其他塔吊发送来的自身坐标信息，无需线缆，无需查线和换线，工作可靠，使用简便。(3)本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，应用时没有台数上限，各套产品之间互相发送信息，组成信息网络，不存在运算拥挤的问题，若检测出收到的坐标信息的塔吊不在其相碰的范围内，则不会发生报警，主控制芯片STM32会立即摒弃该数据包， 及时开始运算收到的下一组坐标信息。(4)本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，显示界面简洁，仅有3个指示灯和2排数码管进行显示。3个指示灯分别指示报警，使用状态和电池状态，2排数码管分别显示塔吊塔身与钢丝绳的间距和塔臂转角。操作的界面简洁，仅通过外接键盘即可实现操作。(5)本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，选用了低成本，低功耗， 高性能的STM32系列芯片作为控制器，整套装置价格低廉。(6)本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，能够将塔吊塔身与钢丝绳的间距显示出来，解决了现有技术中其他防碰装置无法获得该数据的问题。(7)本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，供电方式多样。
图1 本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置的结构示意图；图2:本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置的常用供电模块结构图；图3 本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置的主控芯片模块结构示意图；图4 本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置的指示模块示意图；图5 本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置的坐标采集模块结构示意图；图6 本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置的显示模块示意图7 本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置的接口模块示意图。图中
权利要求
1. 一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，其特征在于包括供电模块、主控芯片模块、指示模块、坐标采集模块、显示模块和接口模块；所述供电模块输出5士0. 05V的电压和3. 3士0. 05V的电压，为接口模块、主控芯片模块、指示模块、坐标采集模块和显示模块供电；所述的主控芯片模块包括STM32主控制芯片、晶体振荡回路A、晶体振荡回路B、备用电源、JTAG接口和滤波电路；所述的STM32主控制芯片的引脚PA13和PA14通过连接JTAG接口与JTAG仿真器相连接，其中引脚PA13与JTAG接口的引脚SWDIO相连接，引脚PA14与JTAG接口的引脚SWCLK 相连接，通过JTAG接口连接JTAG仿真器，该JTAG仿真器连接接口模块外接的电脑；STM32主控制芯片的引脚PC14和PC15连接晶体振荡回路A，通过引脚0SC_IN和0SC_ OUT连接晶体振荡回路B，所述的晶体振荡回路A和晶体振荡回路B为STM32主控制芯片提供精确的时间基准；STM32主控制芯片的引脚VBAT连接备用电源，且在引脚VBAT与备用电池阳极中间串接有降压二极管A，该引脚VBAT还通过连接降压二极管B阳极与供电模块的3.3士0. 05V电压相连，用于在STM32主控制芯片主电源切断后继续为其供电，防止STM32的后备寄存器中存储的塔吊坐标信息丢失；所述的STM32主控制芯片的引脚VDD_1、VDD_2、VDD_3、VDD_4和VDD_5均分别连接 3. 3 士0. 05V高电平后，顺次通过连接电容A、电容B、电容C、电容D、电容E分别与STM32主控制芯片的引脚VSS_1、VSS_2、VSS_3、VSS_4和VSS_5相连接，用于给STM32主控制芯片滤波；所述的STM32主控制芯片的引脚VDDA通过磁珠与供电模块的3. 3士0. 05V电压相连接，此外STM32的引脚VDDA还分别与电容F和电容G连接后接地，用于给STM32主控制芯片中的模数转换器ADC提供标准电压；所述的STM32主控制芯片的引脚Β00Τ0接地；所述的STM32主控制芯片的引脚NRST接电阻A(R= 100ΚΩ)后接3.3 士 0. 05V电压，用于禁止STM32主控制芯片复位；所述的STM32 主控制芯片的引脚VREF-接地，STM32主控制芯片的引脚VREF+接3. 3士0. 05V电压；所述的指示模块由发光二极管A、发光二极管B、发光二极管C和蜂鸣器组成；其中所述的STM32主控制芯片的引脚PDl通过电阻B连至发光二极管A的阴极，发光二极管A的阳极接3.3士0. 05V电压；发光二极管A为红色发光二极管，当两座塔吊欲发生相碰时，发光二极管A闪烁，发出警报；STM32主控制芯片的引脚PD3连接电阻C后连至发光二极管B的阴极，发光二极管B阳极接3. 3士0. 05V电压，当塔吊的坐标值处于输入模式时，发光二极管B 闪烁；STM32主控制芯片的引脚PD4连接电阻D后连至发光二极管C的阴极，发光二极管C 阳极接3. 3V±0. 05V电压；正常情况下发光二极管C长灭，当检测到供电模块的外接锂电池或USB接口电压过低时，该发光二极管C闪烁，提醒充电；STM32主控制芯片的引脚PDO通过电阻E31连至三极管的基极，三极管集电极接 5士0. 05V电压，三极管发射极接蜂鸣器的正极针脚，蜂鸣器的负极针脚接地，三极管用于控制蜂鸣器鸣叫、报警；所述的坐标采集模块用于获得塔臂转角值和塔身与钢丝绳之间间距值，主要包括塔臂转角的测量电路和塔身与钢丝绳的间距测量电路，所述的塔臂转角的测量电路与STM32主控制芯片的引脚PBl相连接，具体为STM32主控制芯片的引脚PBl与运算放大器A输出级相连接，运算放大器A的输出级还与运算放大器A的负输入级相连接；运算放大器A的正输入级与电阻F和电阻G串联后接地，其中电阻F和电阻G的中间连接的节点通过三针插槽与塔吊的电位器相连；所述的塔臂转角的测量电路与塔身与钢丝绳的间距测量电路连接方法均相同，塔臂转角的测量电路与STM32主控制芯片的引脚PA4相连接；所述的显示模块共有两组，分别与STM32主控制芯片相连接，分别用于显示坐标采集模块测得的塔臂转角值和塔身与钢丝绳的间距值；所述的接口模块，包括插针A、插针B、插针C和电平转换芯片；STM32主控制芯片的引脚PD8 PD15通过插针A与外接键盘连接，用于手动输入塔吊塔身的坐标值，该坐标值为三维空间坐标系中的塔身的横坐标、纵坐标和塔身的高度坐标；STM32主控制芯片的引脚TXl和RXl通过插针B与串口相连接，进而通过串口与电脑相连接，通过电脑编写和控制用于控制STM32主控制芯片进行塔吊防碰程序，进而实现对发生碰撞的危险报警，该报警通过指示模块发光二极管A的闪烁报警及蜂鸣器的鸣叫实现报 m.θ ，STM32主控制芯片的引脚PD5、ΤΧ4、RX4、PD6和PD7通过插针C与无线模块相连接；通过无线模块将塔吊的姿态信息，分别为塔身的横坐标、纵坐标、塔身高度坐标、坐标塔臂转角值和塔身与钢丝绳间距向周围的塔吊发送，并接收周围塔吊发送的姿态信息；所述的电平转换芯片与STM32主控制芯片的引脚Τ)(5和RX5连接，用于完成TTL电平与RS-232电平之间的转化，输出的电平通过引脚TlOUT和T20UT输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，其特征在于所述的供电模块通过外接锂电池或USB接口供应5 士0. 05V电压和3.3士0. 05V电压；通过外接锂电池供电具体为通过电压转换芯片将外接直流电源转换成5士0. 05V的电压，然后再通过电压转换芯片将该5V的电压转换成3. 3士0. 05V的电压，当供电模块通过USB接口供电时，USB接口输入5士0. 05V的电压，然后通过电压转换芯片将5士0. 05V的电压转换成 3. 3士0. 05V 的电压。
3.根据权利要求1所述的一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，其特征在于所述的接口模块包括插针D和插针E ；所述的电平转换芯片TlOUT和T20UT输出端连接插针E， 该插针用于备用连接使用；STM32主控制芯片的引脚TX3和RX3通过插针D接口与GPS模块相连接，当无人手动输入塔吊的横坐标、纵坐标和塔身高度坐标时，由GPS模块确定塔吊的横坐标、纵坐标和塔身高度坐标。
4.根据权利要求1所述的一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，其特征在于所述的显示模块为数码管，具体连接方法为数码管的段控制引脚a、b、c、d、e、f、g和dp分别连接至STM32主控制芯片的引脚PE3、PE4、PE5、PE6，PCO、PCl、PC2和PC3，数码管的位控制引脚通过三极管后分别连接至PE8 PEll或PE12 PE15。
5.根据权利要求1所述的一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，其特征在于所述的塔吊角度及塔身与钢丝绳的间距获得方法具体为通过塔吊转动时带动相啮合的电位器转动时输出的变化的电压，该变化的电压经过运算放大器A后，将电压值输入到STM32主控制芯片中，STM32主控制芯片根据电压的变化值换算得出塔吊角度和塔身与钢丝绳的间距。
全文摘要
本发明提出一种基于ARM的自组织塔吊防碰撞装置，该塔吊防碰撞装置由供电模块、主控芯片模块、指示模块、坐标采集模块、显示模块和接口模块组成。所述的自组织塔吊防碰撞装置成本低、界面简洁易用的，供电方式多样，无共用中央处理器的，基于无线传输、且无塔吊台数上限，且无共用的地面中央处理器，由其内部的STM32主控制芯片将自身的坐标信息与其他塔吊的坐标信息运算，由此判断出是否有存在相碰危险，因此每套产品是独立的个体，不存在交叉和共用问题。
文档编号B66C23/94GK102167264SQ20111009382
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月14日 优先权日2011年4月14日
发明者单悌磊, 周谦, 杨静远, 王保平, 董云峰, 赵文 申请人:北京航空航天大学