塔式起重机监控中无线复合传感器的设计

 

    工作原理结构无线复合传感器的工作原理2硬件设计2.1数据采集模块系列线速度传感器，它是基于线性可变差动变压器（LVDT）的技术，其工作原理即是铁芯可动变该传感器的主要组成有数据采集、数据处理、无线传输和电源管理等部分。数据采集单元是采集吊钩/吊臂的运行方向和速度信号；数据处理及存储单元主要是将采集到的信号进行AD转换，数据级融合、数据存储和任务调度；无线传输单元山西省科技攻关项目资助（20100321058山西省研究生优秀创新项目：塔式起重机监控中无线复合传感器的设计研究（20113117）一45一压器。它由一个初级线圈、2个次级线圈、铁芯、线圈骨架及外壳等部件组成。次级线圈分布在线圈骨架上，线圈内部有一个可自由移动的杆状铁芯。当铁芯处于中间位置时，2个次级线圈产生的感应电动势相等，这样输出电压为0；当铁芯在线圈内部移动并偏离中心位置时，2个线圈产生的感应电动势不等，有电压输出，其电压大小取决于位移量的大小。该传感器运行时无需外加电压，线性范围从050~24英寸，测量速度范围：0~10爪，输出灵敏度为425（17）￥以，频率响应好，抗干扰能力强，很好地满足了设计的需要。

 

    方向传感器采用霍尼韦尔的一种表面安装的多芯片件模块，专门为带有一个数字接口的低磁场传感器而设计的HMC5843.HMC5843包括霍尼韦尔*先进的1043系列磁阻传感器，以及霍尼韦尔研制的ASIC包括放大型、带驱动器、偏置消除、12-HtA-DC和一个I2C系列总线接口的ASIC.HMC5843被表面安装在一个4.0mmx4.0mmxl.3mm的无引线芯片载体（LCC）中，低电压运行在2.5~3.3V，适用于电池供电。I2C数字量直接输出，设计方便容易，外部只需2只电容即可通过串口接入单片机将数据进行分析计算确定方向角度。

 

    单片机的12小于1度的精度，即在其中，0°和360°表示正北，90°表示正东，180°表示正南，270°表示正西。

 

    2.2数据处理及存储单元数据处理单元采用单片机，此芯片是一个16位超低功耗MCU，集成了较丰富的片内外较器A、16通道12位ADC及基本定时器等外围模块；精简指令集结构，丰富的寻址方式、内核指令简洁；处理速度快，支持外部频和4~32MHz高频时钟，中断源较多，并可任意嵌套，使用时灵活方便。它采用数字控制振荡器（DCO）使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于5在本设计中，单片机负责控制节点的数据处理操作、数据封装解析、功耗管理及任务调度等工作，且可将采集数据实时的存储在意外丢失。处理器通过SPI接口连接CC2520模块，其接口电路原理设计电路如所示。

 

    CC2520与MCU接口电路原理。3无线收发模块无线通信模块采用TI公司推出的CC2520，其代ZigBeeAEEE802.15.4射频收发器，可实现业界*佳的连接性/共存性与优异的链路预算，可满足各种应用对于ZigBeeEEE802.15.4与专有系统的要求，其中包括工业监控、远程监控等。CC2520提供丰富的硬件支持电路，如封包处理、数据缓冲、爆发传输、数据加密、数据验证、净信道评估、链路质量指示和封包时间信息，250Kbps数据速率的Modem，-98dBm程输出功率达+5dBm.其设计电路原理图如所示。

 

    2.4电源管理模块塔机无线复合传感器是使用电池供电，所以电源的设计决定着无线复合传感器的寿命。对于数字系统，功耗公式为负载电容C一般不可控，所以在不影响系统性能的前提下，尽可能降低电源电压和工作频率。

 

    本设计采用TPS60210芯片及外围电路，实现稳定的3.3V低电压工作模式来降低系统消耗。为了不影响系统的正常工作，电源管理模块具有电压检测功能，当电池电压低于设定阈值时，通过LED发光提示更换电池，可以调节R2的大小来修改电压阈值。

 

    本设计中选择的处理芯片在低功耗方面有很大优势，MSP430F5437的低功耗模式增加到6种，*低耗电可达0.1A；激活模式为165A；标准模式为2.6A，从标准模式唤醒时间小于53数据级信息融合算法为了增加新采样数据在递推平均中的比重，以提高系统对当前采样值中所受干扰的灵敏度，采用了加权递推平均融合算法。它是对递推平均融合算法的改进，不同时刻的数据加以不同的权，通常越接近现时刻的数据，权取的越大。N项加权递推平均融合算法基本计算过程为：假设采样数据为巧，X2，Xn，则n个采样数据的加权平均值为在式子中采用加权系数法选取，C2，Cn.设A为传感器的滞后时间，且5=eA+e2A+eNA，所以有A越大5越小，则加在新的采样数据上的权系数就越大，而之前给采样数据的权系数就越小，从而增加了新的采样值在平均过程中的权重。由此分析，Ci，C2，Cn应满足的条件为根据递推理论可以求得实时估计值为估计值的方差为式（7）为数据融合结果，采用此方法用C语言编程易实现。

 

    4软件设计4（Zigbee）联盟定义了一种移动设备使用的无线连接技术，这种无线网络的主要特点有：数据传输速率较低，*大传输率为250k字节/s；功耗低、成本低；网络容量大。每个协调器可连接多达255个节点。而几个协调器则可形成一个网络；时延短。在10~15ms之间；安全性高，提供了数据芫整性检查和鉴权功能采用AES428法；有效范围小，有效覆盖范围在~350m之间；智能灵活，可根据实际状况自动配置网络，自主形成*佳路由路径。当某一节―起重运输机槭20125玮痍冷筇mPC芑±商迪册口苒洱萦||湘埋3腱遛。

 

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