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塔式起重机（简称塔吊）作为建筑施工物料垂直运输的主要设备，具有工作范围大、高效快捷等特点，对工程的进度、施工的质量和成本的控制起着至关重要的作用。但同时，由于塔吊的使用引起的人员伤亡和财产的损失也时有发生，塔吊已成为影响建筑施工安全的主要危险源，而造成塔吊事故的因素又有很多，如结构疲劳损坏、超载、操作失误、多塔作业相互碰撞等等。本文从单片机和nRF2401射频收发芯片入手，研究一种防止多台塔吊同时作业时发生碰撞的控制系统，解决多塔作业相互碰撞的问题，减小塔吊事故发生的概率。
1 系统的控制原理
本系统主要由单片机、无线通信系统、位置检测系统和执行系统4个部分组成，其中单片机是核心控制部分，主要实现如下功能：⑴实现与无线通信系统的信号交互；⑵接收位置检测系统传回来的信号并实时处理；⑶控制执行系统执行塔吊回转控制电路的通断。
在多台塔吊同时交叉作业的情况下，如图1，当2号塔吊回转进入A区时，2号机检测系统向单片机发回信号，单片机一接收到信号就对无线通信系统发出信号，使无线通信系统向周边塔吊发出预定的无线信号，此时当3号机将要进入到A区时，3号机的位置检测系统就会将检测信号传给单片机，单片机将收到的信号与无线通信系统接受到特定信号后将信号进行处比对，再控制执行系统断开回转控制电路，其它区域以此类推，从而实现防碰撞的目的。
2 硬件电路设计
2.1单片机选择
目前，应用于控制系统的单片机主要有8位和16位两种。对于工业自动化控制中的单片机应用系统对单片机的要求侧重于中断系统、I/O口的数量和功能、内部存储器和寄存器、A/D、D/A转换器件等。对于一般性的控制系统来说，选择8位机可以基本满足要求[1]。
本设计主要是实现塔吊与塔吊之间的无线通信，并根据接收到的数据控制执行机构动作，总体来说控制方案不算复杂，因此选用具有8031内核的AT89C51作为控制系统的主机，由于其内核有8KB的flash存储器，因此不用再添加外扩程序存储器。也可视情况换用8051、8052、8751、8752、80C51、8031等。
2.2检测系统
塔吊回转位置的检测，目前有很多种元件，例如旋转编码器、接近开关、磁电式传感器等等，本系统只需要检测回转机构转到某个特定的区域，考虑到成本等因素，选择接近开关作为本系统的检测元件。接近开关又称无触点行程开关，它的测量敏感元件为半导体磁敏器件，具有工作可靠、寿命长、成本低、功耗低、安装简单、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等特点，但它的缺点是不能判断转动方向，测量精度也不高。其测量原理是：当铁磁材料接近磁敏器件时，空气间隙减小磁阻降低，磁感应强度增大，输出信号增大，输出高电平；如果铁磁材料远离磁敏器件时，空气间隙增大，磁阻增大，输出低电平。接近开关可以直接与单片机相连接，无须再经过光电耦合电路输入。
如图2，将接近开关安装在回转机构外沿，根据接近开关的原理，回转机构每转到设定位置就会产生一个脉冲信号，同时将两个接近开关并排紧靠，就能通过软件判断转动方向，从而检测出塔吊回转到某个设定的区域。
2.3 无线通信系统
本文设计的无线通信系统工作在高高的塔吊上，需要相互通信的塔吊之间基本无任何阻隔，因此数据传输的可靠性比较高。综合考虑传输速度，外围元件，功率功耗等因素，采用以nRF2401为核心芯片的无线数传模块。nRF2401工作模式有收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式四种，而收发模式又有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种。工作模式由nRF2401引脚PWR、CE、CS的高低位决定。它跟单片机通信简单，只需跟单片机I/O或SPI相连即可，通信速率可达1Mbps，通信距离室内约0-50米，室外80-200米（120米范围内数据传输很可靠；超过160米数据传送成功率很低），多塔作业时，塔臂与塔臂的距离以目前塔吊普遍的臂长不大于60m计算约为120m以内，因此nRF2401可以可靠实现相关塔吊的通信。
nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式，这种模式可以减小系统的平均工作电流、数据传输时间短，抗干扰性高的情况下节省能耗。在这种模式下工作，使用片内的先入先出堆栈区，使数据能从 MCU低速输入，但高速发射出去(1Mbit/s) ，与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，而把nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式只需 15字节配置字，配置完成后，在 nRF2401工作过程中只需改变其最低一个字节中的内容，就可实现接收模式和发送模式间的切换。
nRF2401和单片机相互通信的连接电路图如图，对于无线收发模块nRF2401的配置以及单片机 AT89C51 与 nRF2401的通信过程如下：
（l）AT89C51配置nRF2401.
因为图中的两个电阻，在MOSI写入的数据不会影响从nRF2401输出的数据。
2.4执行系统
在机电一体化产品中，被控制对象所需要的驱动功率一般都比较大，而控制器发出的数字控制信号或经D/A转换后所得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过某种电路后才能用来驱动被控对象。本设计采用继电器来控制各动作部件。
继电器按所采用的驱动电源不同分为直流型和交流型，工作电压一般都比较高，因此从控制器输出的控制信号需要经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压和电流能适应继电器的要求，由于继电器的线圈为感性负载，在断开电的瞬间会生成反电动势，所以设计驱动接口要进行保护。
采用直流电磁式继电器功率驱动接口设计，一般可选用晶体管或集成电路驱动。当使用继电器数目较多時，采用集成电路驱动，如ULN2003等，也可以使用7407来驱动。图5中示出了单片机通过P 口控制一直流继电器的接口电路，图中采用光电耦合器TIL117进行了电器隔离。当P口为高电平时，继电器K吸合；反之，继电器释放。继电器由普通晶体管9013驱动，可以提供300mA的驱动电流，适用于继电器线圈工作电流小于300mA的场合使用。接+12V电源的接口一般可接6~30V的电压。光电耦合器使用TIL117，其电流传输比不低于50%。晶体管9013的电流放大倍数大于50。当继电器线圈工作电流为300mA时，光电耦合器需要输出大于6.8mA的电流。其中，晶体管6013基极对地的电阻分流约为0.8mA，输入光电耦合器的电流必须大于13.6mA，才能保证向继电器供300mA的电流。图中光电耦合器的输入电流由7407提供，约20mA，二极管VD的作用是保护晶体管9013，防止9013关断时继电器线圈产生的感应电势所造成的损坏。
图4采用晶体管的继电器接口
图4是本设计由继电器控制的电路部分。当P口为低电平时，继电器K吸合，使开关闭合，电路接通，电机等工作；反之，继电器释放，开关断开，停止工作。
3软件设计
基于nRF2401的无线收发模块的软件设计流程见图5。软件的主要功能如下：首先判断收发状态，在接收模式下，单片机接收传入的数据，并进行解码，然后将控制执行机构动作；在发送模式下，单片机首先接收内部数据采集系统（检测系统）接收的数据，然后将数据编码后发送至无线收发芯片进行发送。
图5 系统软件流程图
4 结束语
基于单片机和nRF2401射频芯片的通信系统具有低成本、低功耗、硬件电路实现简单的特点，将其应用在多塔防碰撞系统上，能有效解决塔吊回转过程中的碰撞问题，降低事故发生率。同时，可以根据现场的需要，依靠单片机多余的接口，将其与其它安全检测、控制机构相连，在实现整机的安全使用方面发挥更大的作用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
1 系统的控制原理
本系统主要由单片机、无线通信系统、位置检测系统和执行系统4个部分组成，其中单片机是核心控制部分，主要实现如下功能：⑴实现与无线通信系统的信号交互；⑵接收位置检测系统传回来的信号并实时处理；⑶控制执行系统执行塔吊回转控制电路的通断。
在多台塔吊同时交叉作业的情况下，如图1，当2号塔吊回转进入A区时，2号机检测系统向单片机发回信号，单片机一接收到信号就对无线通信系统发出信号，使无线通信系统向周边塔吊发出预定的无线信号，此时当3号机将要进入到A区时，3号机的位置检测系统就会将检测信号传给单片机，单片机将收到的信号与无线通信系统接受到特定信号后将信号进行处比对，再控制执行系统断开回转控制电路，其它区域以此类推，从而实现防碰撞的目的。
2 硬件电路设计
2.1单片机选择
目前，应用于控制系统的单片机主要有8位和16位两种。对于工业自动化控制中的单片机应用系统对单片机的要求侧重于中断系统、I/O口的数量和功能、内部存储器和寄存器、A/D、D/A转换器件等。对于一般性的控制系统来说，选择8位机可以基本满足要求[1]。
本设计主要是实现塔吊与塔吊之间的无线通信，并根据接收到的数据控制执行机构动作，总体来说控制方案不算复杂，因此选用具有8031内核的AT89C51作为控制系统的主机，由于其内核有8KB的flash存储器，因此不用再添加外扩程序存储器。也可视情况换用8051、8052、8751、8752、80C51、8031等。
2.2检测系统
塔吊回转位置的检测，目前有很多种元件，例如旋转编码器、接近开关、磁电式传感器等等，本系统只需要检测回转机构转到某个特定的区域，考虑到成本等因素，选择接近开关作为本系统的检测元件。接近开关又称无触点行程开关，它的测量敏感元件为半导体磁敏器件，具有工作可靠、寿命长、成本低、功耗低、安装简单、操作频率高以及适应恶劣的工作环境等特点，但它的缺点是不能判断转动方向，测量精度也不高。其测量原理是：当铁磁材料接近磁敏器件时，空气间隙减小磁阻降低，磁感应强度增大，输出信号增大，输出高电平；如果铁磁材料远离磁敏器件时，空气间隙增大，磁阻增大，输出低电平。接近开关可以直接与单片机相连接，无须再经过光电耦合电路输入。
如图2，将接近开关安装在回转机构外沿，根据接近开关的原理，回转机构每转到设定位置就会产生一个脉冲信号，同时将两个接近开关并排紧靠，就能通过软件判断转动方向，从而检测出塔吊回转到某个设定的区域。
2.3 无线通信系统
本文设计的无线通信系统工作在高高的塔吊上，需要相互通信的塔吊之间基本无任何阻隔，因此数据传输的可靠性比较高。综合考虑传输速度，外围元件，功率功耗等因素，采用以nRF2401为核心芯片的无线数传模块。nRF2401工作模式有收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式四种，而收发模式又有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种。工作模式由nRF2401引脚PWR、CE、CS的高低位决定。它跟单片机通信简单，只需跟单片机I/O或SPI相连即可，通信速率可达1Mbps，通信距离室内约0-50米，室外80-200米（120米范围内数据传输很可靠；超过160米数据传送成功率很低），多塔作业时，塔臂与塔臂的距离以目前塔吊普遍的臂长不大于60m计算约为120m以内，因此nRF2401可以可靠实现相关塔吊的通信。
nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式，这种模式可以减小系统的平均工作电流、数据传输时间短，抗干扰性高的情况下节省能耗。在这种模式下工作，使用片内的先入先出堆栈区，使数据能从 MCU低速输入，但高速发射出去(1Mbit/s) ，与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，而把nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式只需 15字节配置字，配置完成后，在 nRF2401工作过程中只需改变其最低一个字节中的内容，就可实现接收模式和发送模式间的切换。
nRF2401和单片机相互通信的连接电路图如图，对于无线收发模块nRF2401的配置以及单片机 AT89C51 与 nRF2401的通信过程如下：
（l）AT89C51配置nRF2401.
因为图中的两个电阻，在MOSI写入的数据不会影响从nRF2401输出的数据。
2.4执行系统
在机电一体化产品中，被控制对象所需要的驱动功率一般都比较大，而控制器发出的数字控制信号或经D/A转换后所得到的模拟控制信号的功率都很小，因而必须经过某种电路后才能用来驱动被控对象。本设计采用继电器来控制各动作部件。
继电器按所采用的驱动电源不同分为直流型和交流型，工作电压一般都比较高，因此从控制器输出的控制信号需要经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压和电流能适应继电器的要求，由于继电器的线圈为感性负载，在断开电的瞬间会生成反电动势，所以设计驱动接口要进行保护。
采用直流电磁式继电器功率驱动接口设计，一般可选用晶体管或集成电路驱动。当使用继电器数目较多時，采用集成电路驱动，如ULN2003等，也可以使用7407来驱动。图5中示出了单片机通过P 口控制一直流继电器的接口电路，图中采用光电耦合器TIL117进行了电器隔离。当P口为高电平时，继电器K吸合；反之，继电器释放。继电器由普通晶体管9013驱动，可以提供300mA的驱动电流，适用于继电器线圈工作电流小于300mA的场合使用。接+12V电源的接口一般可接6~30V的电压。光电耦合器使用TIL117，其电流传输比不低于50%。晶体管9013的电流放大倍数大于50。当继电器线圈工作电流为300mA时，光电耦合器需要输出大于6.8mA的电流。其中，晶体管6013基极对地的电阻分流约为0.8mA，输入光电耦合器的电流必须大于13.6mA，才能保证向继电器供300mA的电流。图中光电耦合器的输入电流由7407提供，约20mA，二极管VD的作用是保护晶体管9013，防止9013关断时继电器线圈产生的感应电势所造成的损坏。
图4采用晶体管的继电器接口
图4是本设计由继电器控制的电路部分。当P口为低电平时，继电器K吸合，使开关闭合，电路接通，电机等工作；反之，继电器释放，开关断开，停止工作。
3软件设计
基于nRF2401的无线收发模块的软件设计流程见图5。软件的主要功能如下：首先判断收发状态，在接收模式下，单片机接收传入的数据，并进行解码，然后将控制执行机构动作；在发送模式下，单片机首先接收内部数据采集系统（检测系统）接收的数据，然后将数据编码后发送至无线收发芯片进行发送。
图5 系统软件流程图
4 结束语
基于单片机和nRF2401射频芯片的通信系统具有低成本、低功耗、硬件电路实现简单的特点，将其应用在多塔防碰撞系统上，能有效解决塔吊回转过程中的碰撞问题，降低事故发生率。同时，可以根据现场的需要，依靠单片机多余的接口，将其与其它安全检测、控制机构相连，在实现整机的安全使用方面发挥更大的作用。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。