基于单片机的自动化塔吊设计与实现
塔式起重机作为建筑施工行业不可缺少的垂直运输机械设备，其操作环境受气候影响较大。塔吊的工作主要针对部分固定点对点的多次重复调运，人工控制需要操作者目测控制对象，对工人素质要求较高，且需要信号员与操作者配合，不仅操作过程繁琐效率不高，各地施工现场关于塔吊的事故时有发生。基于以上现状，联系现代社会塔吊正向着大型化、自动化、多功能化发展的大趋势。本文利用AT89S52单片机设计了一款塔吊自动控制系统，从控制 度以及调运的稳定性两方面进行了分析试验，并制作了自动化塔吊模型，其实际运行效果良好。该系统具有操作便捷、安全、可靠，便于智能化功能拓展的特点，解决了单一重复操作等方面带来的问题。下文对模型制作过程及塔吊自动控制系统原理进行详细介绍。
一、自动化塔吊控制系统原理
以AT89S52作主控芯片，通过在起升机构、小车传动机构、回转机构的传动轴上安装光电编码器检测转动情况，准确计数传入单片机的PWM方波数，经过分析处理，在单片机内记录各空间坐标点信息，从而实现自动定位。系统采用闭环控制，在运行过程中，实时检测数据回传单片机，运用PI算法，使运行稳定，达到 定位的效果。
在一次点对点吊运的实际操作中，通过单片机对提物点和放物点传回的信息进行数据处理，即确定了一次吊运操作中吊绳卷扬的长度、小车行走的距离、以及吊臂实际转动的角度，即确定了两个独立的空间坐标点。将两坐标点的信息作为一组数据进行存储并标记，在下一次操作时仅需向系统输入此标记的指令，塔吊便可自动完成点对点的调运任务。系统整体设计框图见图1。
二、自动化塔吊主要模块介绍
2.1执行机构
吊臂转动部分：安装步进电机驱动吊臂的转动，步进电机具有定位精度高、控制简单、转子惯量低等优点，通过单片机进行控制，成本低、控制精度高、易于实现吊臂转动角度的 定位。用于模型制作的4相步进电机主要技术参数为：电压5VDC，电流92mA，电阻130Ω，步距角5.625°，空载牵出频率800pps，空载牵入频率500pps，减速比1/64，牵入转矩≥78.4mN.m。
起吊卷筒和小车行走部分：通过直流电机由啮合齿轮带动，驱动芯片选用L298N，用TLP521-4进行光电隔离，提高抗干扰能力和稳定性，保护主控器免受电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲影响。采用L298N驱动模块能同时驱动两个电机并实现正反转，可以通过输入PWM波控制直流电机转速，根据不同起吊物的重量对应设置不同的起吊速度和转运速度，在启动后和制动前一段时间设置缓和变速，以减轻吊运过程中的晃动和起止瞬间的冲击，并提高工作效率，从而可以有效改善塔吊性能。通过陀螺仪和加速度传感器可以向系统实时反馈状况。
2.2系统显示、人机交互部分
通过LED指示灯对塔吊运行过程中吊臂顺、逆时针转动、吊索升降、小车行走等动作进行动态显示，蜂鸣器对每次运行状态的切换发出提醒，并在运行异常时发出警报。高度、幅度和角度3个方向上的信息可以通过液晶屏显示。通过按键作为标记指令的输入，设置一个按键作为重复指令输入接口，另设部分按键作为空间坐标点指令和手动操作指令输入接口。根据后期智能拓展情况，人机交互部分相应完善。
2.3坐标测量模块
坐标测量模块使用红外反射式光电对管RPR220，红外反射式光电传感器安装在正对码盘的前方，码盘为黑白相间圆盘，控制码盘上黑白色条的数量可调节控制精度。当圆盘随着被测轴转动时，红外反射式光电对管的光敏三极管接收到的反射光强弱交替变化，由此可以得到一系列高低电脉冲，该信号通过比较器处理后输入单片机的计数器模块。利用单片机的输入捕捉功能，捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿，通过累计一定时间内的脉冲数，信息处理后可以得到坐标值。此外，通过记录相邻脉冲的间隔时间，还可以得到实时转速。光电编码器模块如图2所示。
2.4稳压模块
选用LM2940低压差三端稳压芯片作为系统稳压芯片，最小输入输出电压差小于0.8V，更大 输入电压26V，输出电压5V，输出电流1A。
三、塔吊功能拓展的思考和建议
基于单片机的自动化塔吊便于后期智能化功能拓展，对此有以下几点建议：
超重警报方面：在吊臂上安装力传感器，将不同位置处的实际吊重与更大 起吊重量进行比较，超出设定的阈值则发出警报，从而避免人工估测不准造成事故。
防撞保护方面：通过在塔臂上安装超声波测距模块，设置安全距离限值。或通过在塔吊执行机构上安装编码器、接近开关等传感器，将塔臂回转、小车运动、吊钩提升的位置信息，经过输入采集单元的信号调理、数字量化、光电隔离,输入终端控制器，可以对塔吊群的实时状态信息及终端控制器的执行动作进行监控和预警。可以有效防止各个塔吊塔臂之间发生意外碰撞事故。
无线遥控方面：可增加无线遥控模块，塔吊系统运行、报警状态通过无线收发模块发送给塔吊无线遥控器，无线遥控器发出命令，控制器接收信号并控制塔吊完成相应的动作。
结语
本款自动化塔吊是考虑到工地上点对点吊运位置相对固定的特点而设计的，通过光电编码器检测起升机构、小车传动机构、回转机构转轴转动情况，在单片机内经过数据处理，记录下各空间坐标点信息，从而实现自动定位的效果。通过三维建模与模型制作，可以实现简单的空间坐标信息采集和少量重复性工作，解决了目前塔吊操作靠司机目测手动控制的现状。塔吊自动化在 控制上仍需要结合现场干扰因素多、影响较大的实际情况进行完善，确保其高效安全的在工程建设中发挥作用。
