起重机安全监控管理系统已经在塔式起重机和门座式起重机上应用 ，但是应用于桥式起重机的安全监控管理系统还很少。另外黑匣子作为多信息采集记录仪已经成熟发展，飞行器、轮船、汽车都开发出其相应黑匣子 ，并广泛应用。但是飞行器和船用黑匣子监测参数众多 ，结构复杂 ，成本很高 ，而且起重机黑匣子的极限工作环境远远不会达到以上两种黑匣子的要求 ，因此起重机用户不会采用飞行器和船舶用黑匣子。汽车黑匣子技术 ，在我国还不成熟 ，而且汽车黑匣子偏重于监测汽车的行驶路线与周围车距 ，不适合用在桥式起重机上。因此开发一款桥式起重机安全监控管理系统非常有意义。

桥式起重机安全监控系统总体方案设计

1.1 系统总体结构

桥式起重机安全监控管理系统的工作原理设计为 ：通过各种传感器采集桥式起重机的运行参数和人员信息 ，汇聚到黑匣子节点 ，黑匣子节点再通过 GPRS_DTU 模块把数据发送到基站 ，基站通过网络把数据存入远程服务器 ，相关职能部门通过网络访问远程服务器在特点软件系统中显示各监测对象。

1.2 黑匣子节点结构

桥式起重机黑匣子硬件按照功能可以分为 ：外壳保护单元、单片机、数据采集模块、数据通讯模块、数据储存模块、实时时钟模块、数据显示模块、电源模块等几个部分。桥机黑匣子系统的结构框图如图 2 所示。

1.3 系统解决方案设计

1.3.1 主控芯片的选择

由于监测数据种类较少 ，目前起重机的安全监测管理系统一般是采用 51 单片机 ，此类单片机应用比较广泛 ，价格相对较低 ，发展也已成熟。

1.3.2 黑匣子节点采集方案选择

桥式起重机安全监控系统黑匣子节点需要采集起重量、起升高度、行程开关、限位开关、同一轨道两车间距等信息。其中行程开关直接通过单片机数字 I/O 口采集 ，其他数据采集需要其他辅助设备。

1）行程、限位开关采集。限位开关的信号接入有两种方式。方式一 ：桥式起重机限位器一般同时有常开和常闭两对触点 ，其中常闭触点接入起重机控制电路 ，控制电机电源。常开触点一般是空置的 ，I/O 量采集模块可以利用通过监控这个空置的常开触点状态反映限位器的状态。方式二 ：桥式起重机械限位器的常闭触点接入控制电路。通过在控制电路限位各开关触点位置串入 220 V 继电器的线包 ，然后通过监测继电器开关状态得出限位器的状态。方式一完全独立于桥式起重机的控制电路 ，简单可靠 ，但由于不同限位器遍布桥式起重机各个部位 ，需要进行长距离的布线。方式二需要在原控制电路中串接继电器 ，降低了系统的可靠性 ，但由于位器接入控制电路的位置相对集中 ，需要布线很少 

2）起重量信息采集。本系统的起重载荷值直接从桥式起重机械标配中的起重量限制器中获取。其精度一般小于 5%。试验用的桥式起重机配置的载荷限制器为浙江常州某厂家的产品 ，型号为 QCX-M 系列。该产品具有实时重量显示、零点自动跟踪、储存超载次数等功能。同时提供 4-20 mA、RS485 等接口。

3）起升高度信息采集。绝对式编码器 / 电位器这种方法一般用于测量旋转物体的角位移 ；虽然高度并非角位移 ，但是只需测量卷筒的角位移和其直径就可以计算出线位移。只是以上方法的局限是 ：角位移的测量范围有限 ，仅限于一圈（360°），实际情况中卷筒的旋转圈数范围绝对不止一圈。因此卷筒轴必须外接减速器 ，是所测量限制在一圈以内。由于采用机械方式经过几次转换 ，而且再加上电位器本身就具有非线性 ，测量的精度会受很大影响。同时该方法也有优点 ，就是只要开始位置（即为零点）确定 ，不管测试系统在什么时候停机 ，重启后 ，所读取的数据都可以准确确定起重机吊钩的位移量。以上两种传感器的不同之处就是 ：前者的输出的是数字信号 ，而后者输出的是电压或电流模拟信号。系统中应用绝对式多圈光电编码器测量起升高度。本设计中选用 GAX60 R13/12 E10 LB 编码器。其输出 RS485 信号 ，易于读取。编码器设置成主动模式时 ，主动向上位机发送数据。

4）两车间距信息采集。本系统选择超声波测距。超声波测距模块原理图如图 4 所示 ，模块包括固有频率正反馈发生器电路、换能器、线性电路（前置放大 ，噪音过滤 ，线性放大 ，整形电路）、单片机等部分。本采集模块设计时 ，单片机通过对 40 kHz 方波发生电路的控制实现对发射的控制。单片机的 P1.0 口以 6 个脉冲的序列发射信号再经过超声波发射电路放大 ，单片机程序是通过延时函数实现的。脉冲发射同时打开定时器 T0 开始计时 ，发射后等待1 ms（主要目的是消除余波干扰 ，同时会导致测量盲区），打开外部中断 INT0，等待回波反射到接收探头。

5）人员信息采集模块。桥式起重机械操作人员信息的采集，主要是为了实现人员和设备的管理。本系统设计借鉴门禁系统的功能。读写器向 IC 卡发一组固定频率的电磁波后 ，卡片内部的LC 串联谐振电路的频率与读写器发射的频率相同 ，在该电磁波的激励下 ，LC 谐振电路产生共振 ，从而使电容内有了电荷 ，在这个电容的另一端 ，接有一个单向导通的电子泵 ，将电容内的电荷送到另一个电容内储存 ，当所积累的电荷达到 2 V 时 ，此电容可作为电源为其他电路提供工作电压 ，并将卡内数据发射出去。读卡模块从内部引出四根线 ，这四根线分别表示电源线、地线、数据线 0、数据线 1。每次读卡时 ，如从 0 号数据线读到一个低电平 ，则信号记为 0，反之 ，从 1 号数据线读到一个低电平，则信号记为1，每两个信号的间隔大约为2.6 ms。硬件实现时，首先可用查询方式确定第一个信号 ，而后用定时器定时 2.6 ms再读其中任一根数据线 ，这时两线上至少有一根数据线出现信号。因此这种方法很容易实现 ，只是在读第一个信号时 ，系统可能陷入不断的查询中。

6）数据储存模块。本系统设计的数据存储功能 ，可以实现海量数据存储 ，用于信息的保存与历史数据的分析。现场黑匣子主要应用于安全数据的保障存储 ，根据实际需要保存近期 7天的安全数据 ，一旦数据达到一定数量 ，能够自动覆盖远些日期的数据。一般起重机监控系统数据的现场存储采用专用的存储装置（如硬盘等），对基站节点的要求很高，节点价格将比较昂贵，不适用推广。本系统研究了基于存储卡的现场存储方式 ，其中 SD 卡以其高存储容量、快速的读取速度、极大的移动灵活性以及很好的安全性成为本系统的选择。同时为了使其在 Windows 操作系统可以识别 ，系统在 SD 卡中建立了 FAT16 格式的文件 ，同时实现数据的定期自动覆盖。

7）实时时钟模块。桥式起重机每天工作后都要断电 ，断电后没有任何措施保证单片机内部时钟芯片的时间增量器正常工作 ，对于监测起重机运行参数来说是行不通的 ，因此需要选择外部时钟芯片 ，该芯片必须具有掉电检测功能并且提供备用电源。经过多方测试 ，PhiliPs 公司的 PCF8563 实时时钟芯片是满足要求的。该芯片平时用主机电源供电 ，可利用纽扣电池作为后备电源 ，掉电后 ，能正常计时。

8）数据上传模块。桥式起重机安全监控管理系统系统选用深圳市某科技有限公司的GPRS 内嵌式 DTU 模块 ，型号为 KB3021。