塔式起重機（簡稱塔吊）作為建筑施工物料垂直運輸的主要設備，具有工作范圍大、高效快捷等特點，對工程的進度、施工的質量和成本的控制起著至關重要的作用。但同時，由于塔吊的使用引起的人員傷亡和財產的損失也時有發生，塔吊已成為影響建筑施工安全的主要危險源，而造成塔吊事故的因素又有很多，如結構疲勞損壞、超載、操作失誤、多塔作業相互碰撞等等。本文從單片機和nRF2401射頻收發芯片入手，研究一種防止多臺塔吊同時作業時發生碰撞的控制系統，解決多塔作業相互碰撞的問題，減小塔吊事故發生的概率。
　　1系統的控制原理
　　本系統主要由單片機、無線通信系統、位置檢測系統和執行系統4個部分組成，其中單片機是核心控制部分，主要實現如下功能：⑴實現與無線通信系統的信號交互；⑵接收位置檢測系統傳回來的信號并實時處理；⑶控制執行系統執行塔吊回轉控制電路的通斷。
　　在多臺塔吊同時交叉作業的情況下，如圖1，當2號塔吊回轉進入A區時，2號機檢測系統向單片機發回信號，單片機一接收到信號就對無線通信系統發出信號，使無線通信系統向周邊塔吊發出預定的無線信號，此時當3號機將要進入到A區時，3號機的位置檢測系統就會將檢測信號傳給單片機，單片機將收到的信號與無線通信系統接受到特定信號后將信號進行處比對，再控制執行系統斷開回轉控制電路，其它區域以此類推，從而實現防碰撞的目的。
　　
　　
　　2硬件電路設計
　　2.1單片機選擇
　　目前，應用于控制系統的單片機主要有8位和16位兩種。對于工業自動化控制中的單片機應用系統對單片機的要求側重于中斷系統、I/O口的數量和功能、內部存儲器和寄存器、A/D、D/A轉換器件等。對于一般性的控制系統來說，選擇8位機可以基本滿足要求[1]。
　　本設計主要是實現塔吊與塔吊之間的無線通信，并根據接收到的數據控制執行機構動作，總體來說控制方案不算復雜，因此選用具有8031內核的AT89C51作為控制系統的主機，由于其內核有8KB的flash存儲器，因此不用再添加外擴程序存儲器。也可視情況換用8051、8052、8751、8752、80C51、8031等。
　　
　　2.2檢測系統
　　塔吊回轉位置的檢測，目前有很多種元件，例如旋轉編碼器、接近開關、磁電式傳感器等等，本系統只需要檢測回轉機構轉到某個特定的區域，考慮到成本等因素，選擇接近開關作為本系統的檢測元件。接近開關又稱無觸點行程開關，它的測量敏感元件為半導體磁敏器件，具有工作可靠、壽命長、成本低、功耗低、安裝簡單、操作頻率高以及適應惡劣的工作環境等特點，但它的缺點是不能判斷轉動方向，測量精度也不高。其測量原理是：當鐵磁材料接近磁敏器件時，空氣間隙減小磁阻降低，磁感應強度增大，輸出信號增大，輸出高電平；如果鐵磁材料遠離磁敏器件時，空氣間隙增大，磁阻增大，輸出低電平。接近開關可以直接與單片機相連接，無須再經過光電耦合電路輸入。
　　如圖2，將接近開關安裝在回轉機構外沿，根據接近開關的原理，回轉機構每轉到設定位置就會產生一個脈沖信號，同時將兩個接近開關并排緊靠，就能通過軟件判斷轉動方向，從而檢測出塔吊回轉到某個設定的區域。
　　
　　2.3無線通信系統
　　本文設計的無線通信系統工作在高高的塔吊上，需要相互通信的塔吊之間基本無任何阻隔，因此數據傳輸的可靠性比較高。綜合考慮傳輸速度，外圍元件，功率功耗等因素，采用以nRF2401為核心芯片的無線數傳模塊。nRF2401工作模式有收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式四種，而收發模式又有ShockBurstTM收發模式和直接收發模式兩種。工作模式由nRF2401引腳PWR、CE、CS的高低位決定。它跟單片機通信簡單，只需跟單片機I/O或SPI相連即可，通信速率可達1Mbps，通信距離室內約0-50米，室外80-200米（120米范圍內數據傳輸很可靠；超過160米數據傳送成功率很低），多塔作業時，塔臂與塔臂的距離以目前塔吊普遍的臂長不大于60m計算約為120m以內，因此nRF2401可以可靠實現相關塔吊的通信。
　　nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發模式，這種模式可以減小系統的平均工作電流、數據傳輸時間短，抗干擾性高的情況下節省能耗。在這種模式下工作，使用片內的先入先出堆棧區，使數據能從MCU低速輸入，但高速發射出去(1Mbit/s)，與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行，而把nRF2401配置為ShockBurstTM收發模式只需15字節配置字，配置完成后，在nRF2401工作過程中只需改變其最低一個字節中的內容，就可實現接收模式和發送模式間的切換。
　　nRF2401和單片機相互通信的連接電路圖如圖，對于無線收發模塊nRF2401的配置以及單片機AT89C51與nRF2401的通信過程如下：
　　（l）AT89C51配置nRF2401.
　　①設置CS為1，CE為0，使nRF2401進入配置模式；
　　②nRF2401的Data腳準備接收數據；
　　③單片機通過MOSI寫入數據，從MSIO讀出數據；
　　④配置數據通過nRF2401的Data腳輸入。
　　（2）AT89C51向nRF2401發送數據
　　①設置CE為1，使nRF2401進入TX模式；
　　②nRF2401的Data腳準備接收數據；
　　③單片機通過MOSI寫入數據，從MISO讀出數據；
　　④設置數據通過nRF2401的Data腳輸入，并輸入到TXFIOF；
　　⑤設置CE為0，開始ShockBursTM傳輸模式。
　　（3）AT89C51從nRF2401讀取數據
　　①nRF2401在接收模式下，并且已經接收到數據包；
　　②單片機通過MOSI寫入數據，從MISO讀出數據。
　　因為圖中的兩個電阻，在MOSI寫入的數據不會影響從nRF2401輸出的數據。
　　
　　2.4執行系統
　　在機電一體化產品中，被控制對象所需要的驅動功率一般都比較大，而控制器發出的數字控制信號或經D/A轉換后所得到的模擬控制信號的功率都很小，因而必須經過某種電路后才能用來驅動被控對象。本設計采用繼電器來控制各動作部件。
　　繼電器按所采用的驅動電源不同分為直流型和交流型，工作電壓一般都比較高，因此從控制器輸出的控制信號需要經過驅動電路進行轉換，使輸出的驅動電壓和電流能適應繼電器的要求，由于繼電器的線圈為感性負載，在斷開電的瞬間會生成反電動勢，所以設計驅動接口要進行保護。
　　采用直流電磁式繼電器功率驅動接口設計，一般可選用晶體管或集成電路驅動。當使用繼電器數目較多時，采用集成電路驅動，如ULN2003等，也可以使用7407來驅動。圖5中示出了單片機通過P口控制一直流繼電器的接口電路，圖中采用光電耦合器TIL117進行了電器隔離。當P口為高電平時，繼電器K吸合；反之，繼電器釋放。繼電器由普通晶體管9013驅動，可以提供300mA的驅動電流，適用于繼電器線圈工作電流小于300mA的場合使用。接+12V電源的接口一般可接6~30V的電壓。光電耦合器使用TIL117，其電流傳輸比不低于50%。晶體管9013的電流放大倍數大于50。當繼電器線圈工作電流為300mA時，光電耦合器需要輸出大于6.8mA的電流。其中，晶體管6013基極對地的電阻分流約為0.8mA，輸入光電耦合器的電流必須大于13.6mA，才能保證向繼電器供300mA的電流。圖中光電耦合器的輸入電流由7407提供，約20mA，二極管VD的作用是保護晶體管9013，防止9013關斷時繼電器線圈產生的感應電勢所造成的損壞。
　　
　　圖4采用晶體管的繼電器接口
　　
　　圖4是本設計由繼電器控制的電路部分。當P口為低電平時，繼電器K吸合，使開關閉合，電路接通，電機等工作；反之，繼電器釋放，開關斷開，停止工作。
　　
　　3軟件設計
　　基于nRF2401的無線收發模塊的軟件設計流程見圖5。軟件的主要功能如下：首先判斷收發狀態，在接收模式下，單片機接收傳入的數據，并進行解碼，然后將控制執行機構動作；在發送模式下，單片機首先接收內部數據采集系統（檢測系統）接收的數據，然后將數據編碼后發送至無線收發芯片進行發送。
　　圖5系統軟件流程圖
　　4結束語
　　基于單片機和nRF2401射頻芯片的通信系統具有低成本、低功耗、硬件電路實現簡單的特點，將其應用在多塔防碰撞系統上，能有效解決塔吊回轉過程中的碰撞問題，降低事故發生率。同時，可以根據現場的需要，依靠單片機多余的接口，將其與其它安全檢測、控制機構相連，在實現整機的安全使用方面發揮更大的作用。