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一、系统功能
(1)安全保护功能。在塔机运行过程中，实时采集并记录塔机的工作参数，主要包括起重量、电流、电压、风速等，并判断实现塔机多种安全限制器的功能，如起重力矩限制、起重量限制、起升高度限制、幅度限制和回转角限制等。当塔机超载时，系统发出控制信号，允许起重机向安全方向运行，禁止其向危险方向运行。
(2)数据记录功能。在塔机运行过程中，实时记录塔机起升、下降、回转、变幅等主要操作过程，记录载荷起升高度、幅度、回转角度、起重力矩等工作参数。根据FLASH内存容量的大小，可至少保持最新1～2h的实时数据记录。
(3)实时显示功能。利用中文液晶屏幕实时显示塔机工作的关键参数(起重量、起重力矩、幅度、回转角度)和主要操作工况(起升、回转、变幅)，以便于操作人员及时了解塔机的工作状态。
(4)数据通讯功能。利用装置提供的CAN现场总线接口与计算机进行通讯，将记录数据传输到管理计算机，再利用相应的安全分析系统软件，以实时曲线显示记录的事件和数据，并利用专家系统对数据进行进一步分析。
二、系统硬件设计
系统的硬件框图如图1所示。控制电路由微处理器模块、传感器及信号调理模块、开关量输出模块、键盘与液晶显示模块等构成。考虑到当前单片机技术发展的实际情况，经过对存储容量、接口能力、功率、软件设计等方面的分析和比较，确定采用以C8051F020单片机为CPU的安全监控系统。
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2.1 C8051F020单片机介绍
C8051F系列单片机是美国CYGNAL公司推出的一种完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的位控制器内核，与MCS51指令集完全兼容。除具有标准8051的数字外设部件外，片内还集成了数据采集和控制中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051F是真正能独立工作的片上系统(SOC)，是今后单片机发展的方向之一。以C8051F020为例，这种芯片单片机的特点为：
(1)内核采用流水线结构，是单周期指令，速度可达25MIPS(在25MHz晶振下)，比普通的51单片机快10倍；JARG调试方式支持在系统、全速、非插入调试和编程，且不占用片内资源。
(2)片上集成有64kB FLASH、4352B内部RAM(256+4kB，可外扩至64kB)、59个I/O口，含有模拟多路选择器、可编程增益放大器12位ADC(速度100kS/s)DAC、3路模拟比较器、内部电压基准等。由于C8051F的高集成度，因而无需外扩ROM、RAM、A/D、D/A、WATCH-DOG、可编程I/O口和E2PROM，从而大大简化了外围硬件电路，提高了系统的可靠性。
(3)可编程的16位计数器阵列(PCA)有6个捕捉/比较模块和5个通用16位计数器/定时器，这为要求定时器/计数器具有较多的测控节点提供了方便。
(4)片内集成有2个UART、1个SM(兼容12C)和1个SPI。C8051F集成了CAN总线控制器，可广泛应用于干扰环境非常严重的各种工业现场测控领域，C8051F只需加上CAN总线收发电路就可挂接到CAN通信网络上，因而大大简化了通信系统的设计，减少了通信节点受干扰的概率。
(5)C8051F系列单片机最突出的改进就是引入了数字交叉开关，这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系统资源分配给端口I/O引脚，这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器，将片内的计数器/定时器、串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口I/O引脚。允许用户根据自己的特定应用，选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。
2.2主要传感器的配置
系统中采用的主要传感器配置采用如下方式，测量回转角度、幅度、起升高度及风速等的传感器采用光电编码器，通过光电转换，可将电机轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲以数字量输出，通过计算机对脉冲进行采样，从而得到相应的测量值。重量传感器安装在原起重量限制器的滑轮轴上，其所承受的绳索压力与起重量成正比，传感器选用专用轴式压力传感器，输出4～20mA的电流信号，该信号经过电压形成、滤波放大后输入给C8051F020的12位A/D转换器接口。为了提高信号的抗干扰能力，传感器的输出信号均通过屏蔽电缆连接到驾驶室内的监控系统上。
2.3开关量输出模块
系统对外部的控制功能主要由开关量输出模块来完成。一部分输出给PLC的控制信号，包括力、力矩、风速和幅值报警等，这些信号输出至变频系统PLC控制器，以作出相应反应；另一部分为控制2路声光报警的信号。这些控制信号由C8051F020的P4口经光电隔
