高處作業(yè)平臺(tái)安全鎖試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)研究

郭 樺,陳士忠,江雪晨,喻惠業(yè),吳玉厚

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院,遼寧沈陽(yáng) 110136;2.沈陽(yáng)建筑大學(xué),遼寧 沈陽(yáng) 110168;3.無(wú)錫申錫建筑機(jī)械有限公司,江蘇 無(wú)錫 214101)

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展,高處作業(yè)吊籃以其結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝方便、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用.它是建筑外墻裝修、清洗和維護(hù)作業(yè)不可缺少的載人設(shè)備,其工作特點(diǎn)是人員在空中懸掛的吊籃中進(jìn)行升降和作業(yè),屬于高度危險(xiǎn)作業(yè)[1].在建筑外墻裝修施工中,由高處作業(yè)吊籃引發(fā)的人員傷亡事故時(shí)有發(fā)生,所以其安全性受到高度重視[2-3].安全鎖是吊籃懸掛平臺(tái)的安全保護(hù)裝置.當(dāng)工作鋼絲繩斷裂或者吊籃懸掛平臺(tái)嚴(yán)重傾斜時(shí),安全鎖能夠自動(dòng)快速地鎖緊鋼絲繩,從而保證操作人員的人身安全.為了避免由于安全鎖性能缺陷而引起的墜落事故,必須研究有效的檢測(cè)裝置,以便快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地檢測(cè)安全鎖的各項(xiàng)性能指標(biāo).目前國(guó)內(nèi)吊籃安全鎖性能檢測(cè)手段仍是手工操作方法,檢測(cè)精度差,操作繁瑣,而且需要2套設(shè)備分別對(duì)離心式和擺臂式這2種不同類(lèi)型的安全鎖進(jìn)行檢測(cè).文獻(xiàn)[1,2]提出了利用高速傳感器和高速采集器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,用專(zhuān)用軟件和計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了新型的高空作業(yè)吊籃檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái),但設(shè)備成本較高,不利于商業(yè)化;文獻(xiàn)[3]提出了基于89S52單片機(jī)的安全鎖質(zhì)量檢測(cè)裝置,設(shè)計(jì)成本大大降低,但功能不夠全面.

本文在文獻(xiàn)[2]的基礎(chǔ)上以PIC16F877A單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)了新型吊籃安全鎖試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng).應(yīng)用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的自動(dòng)化和對(duì)吊籃安全鎖的靜置位移、鎖繩角度、自由墜落時(shí)的鎖繩制動(dòng)距離和安全鋼絲繩瞬間沖擊力等的性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)顯示和打印輸出.

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)原理的不同,安全鎖分為擺臂式與離心式2種類(lèi)型,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,這2種安全鎖需要測(cè)試的性能是不同的,因此控制系統(tǒng)分為擺臂式檢測(cè)模式和離心式檢測(cè)模式.控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.通過(guò)按鍵設(shè)定檢測(cè)模式,單片機(jī)首先自動(dòng)調(diào)平懸掛平臺(tái),按下“檢測(cè)開(kāi)始”按鍵,檢測(cè)開(kāi)始,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)傳感器將角度和拉力信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào),送入單片機(jī)進(jìn)行處理,通過(guò)并行方式單片機(jī)將處理后的信號(hào)發(fā)送到液晶顯示器上實(shí)時(shí)顯示.檢測(cè)結(jié)束后,檢測(cè)結(jié)果傳送到給微型打印機(jī)打印輸出.

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Control principle block

1.2 單片機(jī)選擇

選擇高效可靠的控制單片機(jī)將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單可靠,軟件編制方便,系統(tǒng)整體性能得以提高.本文選擇性?xún)r(jià)比較高的PIC16F877A單片機(jī)為控制核心,PIC16F877A擁有8 kB×14位的FLASH存儲(chǔ)器,采用獨(dú)特的哈佛總線結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)總線和指令總線分離,指令精簡(jiǎn),執(zhí)行速度快,在線編程方便可調(diào);I/O端口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),可以直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器,固態(tài)繼電器等,還具有8通道的10位AD轉(zhuǎn)換端口[4～7],如A端口除RA4口外的5個(gè)I/O與E端口.

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

由于采用了單片機(jī)作為主控制單元,大部分工作都由單片機(jī)在軟件中實(shí)現(xiàn),從而簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì).硬件電路主要由信號(hào)采集電路、液晶顯示電路、通信接口電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成.

2.1 信號(hào)采集電路

信號(hào)采集電路的作用主要是拾取角度、拉力信號(hào),并將信號(hào)送入PIC16F877A單片機(jī)RA0與RA1口.為了能夠在極短時(shí)間內(nèi)對(duì)安全鎖高速下落過(guò)程中的各種動(dòng)態(tài)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集和實(shí)時(shí)分析,傳感器系統(tǒng)需要較高的靈敏度.

圖2 角度傳感器測(cè)量電路Fig.2 Testing circuit of angle sensor

選用SCA61T單軸傾角傳感器采集角度信號(hào).SCA61T單軸傾角傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性好,溫度特性?xún)?yōu)良,抗沖擊能力強(qiáng),用它組成的測(cè)量角度系統(tǒng)具有線路簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn).角度傳感器測(cè)量電路如圖2所示.其中 SCK為時(shí)鐘控制線,MISO為主機(jī)進(jìn)從機(jī)出,MOSI為主機(jī)出從機(jī)進(jìn),GND為接地,CSB為芯片選擇輸入,ST為自檢輸入,OUT為模擬輸出,VDD為電源.

選用RSS02稱(chēng)重傳感器采集拉力信號(hào).拉力傳感器內(nèi)部有應(yīng)變片,如果發(fā)生形變將會(huì)改變電阻值.將這個(gè)應(yīng)變片置于1個(gè)電阻橋式電路中,外加一定電壓,當(dāng)發(fā)生形變時(shí),在橋式電路的節(jié)點(diǎn)上便會(huì)產(chǎn)生電壓的變化.電壓的變化比較微弱,所以要經(jīng)過(guò)變送器濾波放大成0～5 V.

2.2 液晶顯示電路

基于PIC16F877A單片機(jī)的ST7920液晶顯示控制,電路原理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了.根據(jù)ST7920液晶顯示器的原理和引腳特性,采用PORTD端口與ST7920的數(shù)據(jù)端口相連,將RE0,RE1,RE2與ST7920的E,R/W,RS端口相連,其控制電路原理圖如圖3所示.

圖3 PIC16F877A與ST7920液晶電氣原理圖Fig.3 Electrical principle diagram of PIC16F877A connecting to ST7920 LCD

圖3中,RE0/RD/AN5為RE0/并行口讀出控制端/第5路模擬信號(hào)輸入端;RE1/WR/AN6為RE1/并行口寫(xiě)入控制端/第6路模擬信號(hào)輸入端;RE2/CS/AN7為RE2/并行口片選控制端/第7路模擬信號(hào)輸入端;RD0～RD7為數(shù)據(jù)傳送端口;VSS為電源地;VDD為電源輸入正;Vo為L(zhǎng)CD驅(qū)動(dòng)電源輸入端.

RS并行模式時(shí),高電平:數(shù)據(jù);低電平:命令.RS串行模式時(shí),為芯片使能端,高有效.

R/W并行模式時(shí),高電平:讀;低電平:寫(xiě).R/W串行模式時(shí),串行數(shù)據(jù)端.

E并行模式時(shí),LCD讀寫(xiě)信號(hào)起始端;E串行模式時(shí),串行時(shí)鐘端.

D0～D7為數(shù)據(jù)位;L-燈的負(fù)極,L+燈的正極.

2.3 通信接口電路

采用RD-DH48打印機(jī)打印檢測(cè)結(jié)果,RDDH48打印機(jī)支持并行和串行2種接口方式與單片機(jī)相連,可通過(guò)改變打印機(jī)控制板上的串并口控制塊來(lái)選擇通信方式,本文選擇串行接口方式.RD-DH48打印機(jī)的串口與 RS232標(biāo)準(zhǔn)兼容,其接口插座為DIC5線插座.檢測(cè)結(jié)果通過(guò)單片機(jī)TX,RX引腳經(jīng)MAX232轉(zhuǎn)換為PS232電平向打印機(jī)傳送,硬件組成如圖4所示.

圖4 串行接口電氣原理圖Fig.4 Electrical principle diagram of serial interface

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)及警示電路

為防止交流電對(duì)單片機(jī)的干擾,本文采用固態(tài)繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電耦合器隔離.由于電機(jī)需要正反轉(zhuǎn),使用2個(gè)固態(tài)繼電器G1,G2,用單片機(jī)RC1,RC2口控制電機(jī)正反轉(zhuǎn).當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí),RC1端口輸出高電平,經(jīng)ULN2003電路反相放大后,吸合G1,接通電機(jī)電源,電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);反之則反轉(zhuǎn).警示電路由固態(tài)繼電器G3,G4及紅、綠燈組成.當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)準(zhǔn)備就緒,RB2端口輸出高電平,經(jīng) ULN2003電路反相放大后,吸合G3,綠燈亮,提醒工作人員此時(shí)可開(kāi)始進(jìn)行安全鎖檢測(cè);紅燈亮則表明檢測(cè)到不合格安全鎖產(chǎn)品,由RB1端口控制.RV為壓敏電阻,防止固態(tài)繼電器吸合瞬間感應(yīng)電壓超過(guò)繼電器最大耐壓而損壞繼電器.

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件是該控制系統(tǒng)核心,除了一些自鎖和保護(hù)功能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)外,大部分功能均通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn),整個(gè)軟件采用C語(yǔ)言模塊化編程方式[8],易于系統(tǒng)的集成和二次開(kāi)發(fā).

安全鎖分為擺臂式安全鎖和離心式安全鎖,由于這2種安全鎖需要測(cè)試的內(nèi)容是不同的,所以控制系統(tǒng)軟件分為擺臂式檢測(cè)模塊和離心式擺臂模塊2部分.擺臂式檢測(cè)模塊又分為安全鎖鎖繩角度測(cè)試模塊、安全鎖靜置滑移量測(cè)試模塊和安全鋼絲繩瞬間沖擊力測(cè)試模塊;離心式檢測(cè)模塊又分為安全鎖靜置滑移量測(cè)試模塊、鎖繩距離測(cè)試模塊和安全鋼絲繩瞬間沖擊力測(cè)試模塊.控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示安全鎖性能指標(biāo)功能及檢測(cè)報(bào)告生成功能,可以根據(jù)各個(gè)模塊的測(cè)試數(shù)據(jù)生成安全鎖測(cè)試報(bào)告.安全鎖試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示.

4 結(jié)論

圖5 控制系統(tǒng)程序流程圖Fig.5 Program flow chart

本文基于PIC16F877A單片機(jī)為控制核心,設(shè)計(jì)了1種新型高處作業(yè)吊籃安全鎖試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng),從硬件角度看,PIC16F877A單片機(jī)自帶AD轉(zhuǎn)換器,無(wú)需外加AD轉(zhuǎn)換電路,簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì);在軟件方面,采用C語(yǔ)言模塊化編程方式,簡(jiǎn)潔緊湊、靈活方便,易于系統(tǒng)的集成和二次開(kāi)發(fā).控制系統(tǒng)大部分功能均通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn),減少了檢測(cè)過(guò)程中的硬件設(shè)備,可滿足擺臂式安全鎖和離心式安全鎖的不同特點(diǎn),在1臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)對(duì)這2種類(lèi)型安全鎖性能參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè),降低檢測(cè)設(shè)備的成本.

[1]張華文,張金生,朱憲臣.新型高處作業(yè)吊籃安全鎖試驗(yàn)裝置[J].建筑機(jī)械,2007(8):90-92.ZHANG Huawen,ZHANG Jinsheng,ZHU Xianchen.Testing device for safety lock for suspended powered platforms for work at heights[J].Construction Machinery,2007(8):90-92.

[2]劉卉,劉劍,呂洪玉.吊籃安全鎖檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)智能測(cè)試分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2007(7):77-79.LIU Hui,LIU Jian,LV Hongyu.Aerial lifting basket safety lock testing system[J].Hoisting and Conveying Machinery,2007(7):77-79.

[3]湯艷坤,董興文,李井泉.基于89S52單片機(jī)的安全鎖質(zhì)量檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].電腦編程技巧與維護(hù),2009(1):59-60.TANG Yinkun,DONG Xingwen,LI Jingquan.Design of lock test instrument based on 89S52 singlechio[J].Computer Programming Skills Maintenance,2007(8):90-92.

[4]王建平,袁勝臣,徐曉東.基于PIC16F877A單片機(jī)的車(chē)控系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶(hù),2007,14(2):33-34.WANG Jianping,YUAN Shengchen,XU Xiaodong.The vehicle control system of missile based on PIC16F877A[J].Electronic Instrumentation Customer,2007,14(2):33-34.

[5]王正彥,臧宏文.基于PIC單片機(jī)的A/D變換器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2004(2):86-91.WANG Zhengyan,ZANG Hongwen.Design and implementation of A/D conversion based on PIC microcontroller[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument,2004(2):86-91.

[6]林忠波,馬朝勇,姚政,等.基于PIC單片機(jī)的便攜式氣體測(cè)漏儀[J].電子測(cè)量技術(shù),2010(2):79-82.LIN Zhongbo,M A Chaoy ong,YAO Zheng,et al.Portable air-tightproerty detector based on PIC single-chip[J].Electronic Measurement Technology,2010(2):79-82.

[7]Michrochip Technology Inc.PIC16F87XA data sheet[M].Chandler:Michrochip Technology Company,2003.

[8]伍春生,劉四洋,彭燕昌,等.基于PIC16F877A自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(20):147-149.WU Chunsheng,LIU Siyang,PENG Yanchang,et al.Design of automatic sun trackers based on PIC16F877A[J].Modern Electronics Technique,2007(20):147-149.