塔式起重機(jī)監(jiān)控中無(wú)線復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)

 

    工作原理結(jié)構(gòu)無(wú)線復(fù)合傳感器的工作原理2硬件設(shè)計(jì)2.1數(shù)據(jù)采集模塊系列線速度傳感器，它是基于線性可變差動(dòng)變壓器（LVDT）的技術(shù)，其工作原理即是鐵芯可動(dòng)變?cè)搨鞲衅鞯闹饕M成有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線傳輸和電源管理等部分。數(shù)據(jù)采集單元是采集吊鉤/吊臂的運(yùn)行方向和速度信號(hào)；數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)單元主要是將采集到的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)級(jí)融合、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和任務(wù)調(diào)度；無(wú)線傳輸單元山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目資助（20100321058山西省研究生優(yōu)秀創(chuàng)新項(xiàng)目：塔式起重機(jī)監(jiān)控中無(wú)線復(fù)合傳感器的設(shè)計(jì)研究（20113117）一45一壓器。它由一個(gè)初級(jí)線圈、2個(gè)次級(jí)線圈、鐵芯、線圈骨架及外殼等部件組成。次級(jí)線圈分布在線圈骨架上，線圈內(nèi)部有一個(gè)可自由移動(dòng)的桿狀鐵芯。當(dāng)鐵芯處于中間位置時(shí)，2個(gè)次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，這樣輸出電壓為0；當(dāng)鐵芯在線圈內(nèi)部移動(dòng)并偏離中心位置時(shí)，2個(gè)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。該傳感器運(yùn)行時(shí)無(wú)需外加電壓，線性范圍從050~24英寸，測(cè)量速度范圍：0~10爪，輸出靈敏度為425（17）￥以，頻率響應(yīng)好，抗干擾能力強(qiáng)，很好地滿足了設(shè)計(jì)的需要。

 

    方向傳感器采用霍尼韋爾的一種表面安裝的多芯片件模塊，專(zhuān)門(mén)為帶有一個(gè)數(shù)字接口的低磁場(chǎng)傳感器而設(shè)計(jì)的HMC5843.HMC5843包括霍尼韋爾*先進(jìn)的1043系列磁阻傳感器，以及霍尼韋爾研制的ASIC包括放大型、帶驅(qū)動(dòng)器、偏置消除、12-HtA-DC和一個(gè)I2C系列總線接口的ASIC.HMC5843被表面安裝在一個(gè)4.0mmx4.0mmxl.3mm的無(wú)引線芯片載體（LCC）中，低電壓運(yùn)行在2.5~3.3V，適用于電池供電。I2C數(shù)字量直接輸出，設(shè)計(jì)方便容易，外部只需2只電容即可通過(guò)串口接入單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算確定方向角度。

 

    單片機(jī)的12小于1度的精度，即在其中，0°和360°表示正北，90°表示正東，180°表示正南，270°表示正西。

 

    2.2數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)處理單元采用單片機(jī)，此芯片是一個(gè)16位超低功耗MCU，集成了較豐富的片內(nèi)外較器A、16通道12位ADC及基本定時(shí)器等外圍模塊；精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，豐富的尋址方式、內(nèi)核指令簡(jiǎn)潔；處理速度快，支持外部頻和4~32MHz高頻時(shí)鐘，中斷源較多，并可任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO）使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于5在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理操作、數(shù)據(jù)封裝解析、功耗管理及任務(wù)調(diào)度等工作，且可將采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)在意外丟失。處理器通過(guò)SPI接口連接CC2520模塊，其接口電路原理設(shè)計(jì)電路如所示。

 

    CC2520與MCU接口電路原理。3無(wú)線收發(fā)模塊無(wú)線通信模塊采用TI公司推出的CC2520，其代ZigBeeAEEE802.15.4射頻收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)業(yè)界*佳的連接性/共存性與優(yōu)異的鏈路預(yù)算，可滿足各種應(yīng)用對(duì)于ZigBeeEEE802.15.4與專(zhuān)有系統(tǒng)的要求，其中包括工業(yè)監(jiān)控、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。CC2520提供豐富的硬件支持電路，如封包處理、數(shù)據(jù)緩沖、爆發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、凈信道評(píng)估、鏈路質(zhì)量指示和封包時(shí)間信息，250Kbps數(shù)據(jù)速率的Modem，-98dBm程輸出功率達(dá)+5dBm.其設(shè)計(jì)電路原理圖如所示。

 

    2.4電源管理模塊塔機(jī)無(wú)線復(fù)合傳感器是使用電池供電，所以電源的設(shè)計(jì)決定著無(wú)線復(fù)合傳感器的壽命。對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，功耗公式為負(fù)載電容C一般不可控，所以在不影響系統(tǒng)性能的前提下，盡可能降低電源電壓和工作頻率。

 

    本設(shè)計(jì)采用TPS60210芯片及外圍電路，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的3.3V低電壓工作模式來(lái)降低系統(tǒng)消耗。為了不影響系統(tǒng)的正常工作，電源管理模塊具有電壓檢測(cè)功能，當(dāng)電池電壓低于設(shè)定閾值時(shí)，通過(guò)LED發(fā)光提示更換電池，可以調(diào)節(jié)R2的大小來(lái)修改電壓閾值。

 

    本設(shè)計(jì)中選擇的處理芯片在低功耗方面有很大優(yōu)勢(shì)，MSP430F5437的低功耗模式增加到6種，*低耗電可達(dá)0.1A；激活模式為165A；標(biāo)準(zhǔn)模式為2.6A，從標(biāo)準(zhǔn)模式喚醒時(shí)間小于53數(shù)據(jù)級(jí)信息融合算法為了增加新采樣數(shù)據(jù)在遞推平均中的比重，以提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前采樣值中所受干擾的靈敏度，采用了加權(quán)遞推平均融合算法。它是對(duì)遞推平均融合算法的改進(jìn)，不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)，通常越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取的越大。N項(xiàng)加權(quán)遞推平均融合算法基本計(jì)算過(guò)程為：假設(shè)采樣數(shù)據(jù)為巧，X2，Xn，則n個(gè)采樣數(shù)據(jù)的加權(quán)平均值為在式子中采用加權(quán)系數(shù)法選取，C2，Cn.設(shè)A為傳感器的滯后時(shí)間，且5=eA+e2A+eNA，所以有A越大5越小，則加在新的采樣數(shù)據(jù)上的權(quán)系數(shù)就越大，而之前給采樣數(shù)據(jù)的權(quán)系數(shù)就越小，從而增加了新的采樣值在平均過(guò)程中的權(quán)重。由此分析，Ci，C2，Cn應(yīng)滿足的條件為根據(jù)遞推理論可以求得實(shí)時(shí)估計(jì)值為估計(jì)值的方差為式（7）為數(shù)據(jù)融合結(jié)果，采用此方法用C語(yǔ)言編程易實(shí)現(xiàn)。

 

    4軟件設(shè)計(jì)4（Zigbee）聯(lián)盟定義了一種移動(dòng)設(shè)備使用的無(wú)線連接技術(shù)，這種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有：數(shù)據(jù)傳輸速率較低，*大傳輸率為250k字節(jié)/s；功耗低、成本低；網(wǎng)絡(luò)容量大。每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)。而幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；時(shí)延短。在10~15ms之間；安全性高，提供了數(shù)據(jù)芫整性檢查和鑒權(quán)功能采用AES428法；有效范圍小，有效覆蓋范圍在~350m之間；智能靈活，可根據(jù)實(shí)際狀況自動(dòng)配置網(wǎng)絡(luò)，自主形成*佳路由路徑。當(dāng)某一節(jié)―起重運(yùn)輸機(jī)槭20125瑋痍冷筇mPC芑±商迪冊(cè)口苒洱縈||湘埋3腱遛。

 

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