塔式起重機監控中無線復合傳感器的設計

 

    工作原理結構無線復合傳感器的工作原理2硬件設計2.1數據采集模塊系列線速度傳感器，它是基于線性可變差動變壓器（LVDT）的技術，其工作原理即是鐵芯可動變該傳感器的主要組成有數據采集、數據處理、無線傳輸和電源管理等部分。數據采集單元是采集吊鉤/吊臂的運行方向和速度信號；數據處理及存儲單元主要是將采集到的信號進行AD轉換，數據級融合、數據存儲和任務調度；無線傳輸單元山西省科技攻關項目資助（20100321058山西省研究生優秀創新項目：塔式起重機監控中無線復合傳感器的設計研究（20113117）一45一壓器。它由一個初級線圈、2個次級線圈、鐵芯、線圈骨架及外殼等部件組成。次級線圈分布在線圈骨架上，線圈內部有一個可自由移動的桿狀鐵芯。當鐵芯處于中間位置時，2個次級線圈產生的感應電動勢相等，這樣輸出電壓為0；當鐵芯在線圈內部移動并偏離中心位置時，2個線圈產生的感應電動勢不等，有電壓輸出，其電壓大小取決于位移量的大小。該傳感器運行時無需外加電壓，線性范圍從050~24英寸，測量速度范圍：0~10爪，輸出靈敏度為425（17）￥以，頻率響應好，抗干擾能力強，很好地滿足了設計的需要。

 

    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，專門為帶有一個數字接口的低磁場傳感器而設計的HMC5843.HMC5843包括霍尼韋爾*先進的1043系列磁阻傳感器，以及霍尼韋爾研制的ASIC包括放大型、帶驅動器、偏置消除、12-HtA-DC和一個I2C系列總線接口的ASIC.HMC5843被表面安裝在一個4.0mmx4.0mmxl.3mm的無引線芯片載體（LCC）中，低電壓運行在2.5~3.3V，適用于電池供電。I2C數字量直接輸出，設計方便容易，外部只需2只電容即可通過串口接入單片機將數據進行分析計算確定方向角度。

 

    單片機的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數據處理及存儲單元數據處理單元采用單片機，此芯片是一個16位超低功耗MCU，集成了較豐富的片內外較器A、16通道12位ADC及基本定時器等外圍模塊；精簡指令集結構，豐富的尋址方式、內核指令簡潔；處理速度快，支持外部頻和4~32MHz高頻時鐘，中斷源較多，并可任意嵌套，使用時靈活方便。它采用數字控制振蕩器（DCO）使得從低功耗模式到喚醒模式的轉換時間小于5在本設計中，單片機負責控制節點的數據處理操作、數據封裝解析、功耗管理及任務調度等工作，且可將采集數據實時的存儲在意外丟失。處理器通過SPI接口連接CC2520模塊，其接口電路原理設計電路如所示。

 

    CC2520與MCU接口電路原理。3無線收發模塊無線通信模塊采用TI公司推出的CC2520，其代ZigBeeAEEE802.15.4射頻收發器，可實現業界*佳的連接性/共存性與優異的鏈路預算，可滿足各種應用對于ZigBeeEEE802.15.4與專有系統的要求，其中包括工業監控、遠程監控等。CC2520提供豐富的硬件支持電路，如封包處理、數據緩沖、爆發傳輸、數據加密、數據驗證、凈信道評估、鏈路質量指示和封包時間信息，250Kbps數據速率的Modem，-98dBm程輸出功率達+5dBm.其設計電路原理圖如所示。

 

    2.4電源管理模塊塔機無線復合傳感器是使用電池供電，所以電源的設計決定著無線復合傳感器的壽命。對于數字系統，功耗公式為負載電容C一般不可控，所以在不影響系統性能的前提下，盡可能降低電源電壓和工作頻率。

 

    本設計采用TPS60210芯片及外圍電路，實現穩定的3.3V低電壓工作模式來降低系統消耗。為了不影響系統的正常工作，電源管理模塊具有電壓檢測功能，當電池電壓低于設定閾值時，通過LED發光提示更換電池，可以調節R2的大小來修改電壓閾值。

 

    本設計中選擇的處理芯片在低功耗方面有很大優勢，MSP430F5437的低功耗模式增加到6種，*低耗電可達0.1A；激活模式為165A；標準模式為2.6A，從標準模式喚醒時間小于53數據級信息融合算法為了增加新采樣數據在遞推平均中的比重，以提高系統對當前采樣值中所受干擾的靈敏度，采用了加權遞推平均融合算法。它是對遞推平均融合算法的改進，不同時刻的數據加以不同的權，通常越接近現時刻的數據，權取的越大。N項加權遞推平均融合算法基本計算過程為：假設采樣數據為巧，X2，Xn，則n個采樣數據的加權平均值為在式子中采用加權系數法選取，C2，Cn.設A為傳感器的滯后時間，且5=eA+e2A+eNA，所以有A越大5越小，則加在新的采樣數據上的權系數就越大，而之前給采樣數據的權系數就越小，從而增加了新的采樣值在平均過程中的權重。由此分析，Ci，C2，Cn應滿足的條件為根據遞推理論可以求得實時估計值為估計值的方差為式（7）為數據融合結果，采用此方法用C語言編程易實現。

 

    4軟件設計4（Zigbee）聯盟定義了一種移動設備使用的無線連接技術，這種無線網絡的主要特點有：數據傳輸速率較低，*大傳輸率為250k字節/s；功耗低、成本低；網絡容量大。每個協調器可連接多達255個節點。而幾個協調器則可形成一個網絡；時延短。在10~15ms之間；安全性高，提供了數據芫整性檢查和鑒權功能采用AES428法；有效范圍小，有效覆蓋范圍在~350m之間；智能靈活，可根據實際狀況自動配置網絡，自主形成*佳路由路徑。當某一節―起重運輸機槭20125瑋痍冷筇mPC芑±商迪冊口苒洱縈||湘埋3腱遛。

 

    fflcrbi老莒，拓袍葫社38s皿裝冊鏇，Nsnmpc芑±縈||湘s腱遛，擗苦，p扭0.6甜3，瞄腱遛3痂|1苗±0.5甜3，鈄抽7扭屮00統湟鵠忒崩拓it湘a攝！一蒯茚IDrK莒fIEI螋S，鉺TtIDr腱遛葙皿咨舔扭埋1->滋也！11.鵡葚媒畫S茚誅tt摒ilD>ffl屮茈釀繃3扣媒腱遛茈鄯。

 

    S聞竽鏇坳沖詠￡|襞。塍畫商油szlg―bee拓mmHrm2.4SZ裔斑裔姑3拓釀￡|結和成芑S媒蒔锎銪S拓it.媒D>f老湎Kf沲老苦4||.溶鉍媒胳>薛舔涵葩||笤耷薛舔逋塍搦，菊HESftssis菰冊s；m珥-惑Kilis丑，6擗涔sHn洱S拓it.鉺媒0>茈釀繃細7廟塍廟釀繃湘腱遛，斯媒胳茄葙>腱遛撕陸斯忒迪3哲！11，￡|3湟成芑3擁菡/擁螂stltll-fn瞄、1|斯￡11-1|-笤瞄腱遛3湘血瞄>腱遛卟也萌珍“瀆泠旯腱遛S媒塒睞>fees腧釀窳抖4ia塍，畫碰￡|、鄯瞄涪>洳甜屏瞄。珥-惑BP0塍費抽成芑茚君莒統實、商迪spxill噍商呢472茄瓣―仁713ill！數據方向數據/度差值理論數據實驗數據差值理論數據實驗數據d|D差值理論數據實驗數據差值理論數據實驗數據d|D8.4001~i