郭 樺,陳士忠,江雪晨,喻惠業(yè),吳玉厚

(1.沈陽工程學院,遼寧沈陽 110136;2.沈陽建筑大學,遼寧 沈陽 110168;3.無錫申錫建筑機械有限公司,江蘇 無錫 214101)

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展,高處作業(yè)吊籃以其結構緊湊、拆裝方便、使用靈活等優(yōu)點得到了廣泛應用.它是建筑外墻裝修、清洗和維護作業(yè)不可缺少的載人設備,其工作特點是人員在空中懸掛的吊籃中進行升降和作業(yè),屬于高度危險作業(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的安全保護裝置.當工作鋼絲繩斷裂或者吊籃懸掛平臺嚴重傾斜時,安全鎖能夠自動快速地鎖緊鋼絲繩,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裝置,以便快速、準確、科學地檢測安全鎖的各項性能指標.目前國內(nèi)吊籃安全鎖性能檢測手段仍是手工操作方法,檢測精度差,操作繁瑣,而且需要2套設備分別對離心式和擺臂式這2種不同類型的安全鎖進行檢測.文獻[1,2]提出了利用高速傳感器和高速采集器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集,用專用軟件和計算機處理數(shù)據(jù),設計了新型的高空作業(yè)吊籃檢測試驗臺,但設備成本較高,不利于商業(yè)化;文獻[3]提出了基于89S52單片機的安全鎖質量檢測裝置,設計成本大大降低,但功能不夠全面.

本文在文獻[2]的基礎上以PIC16F877A單片機為核心,設計了新型吊籃安全鎖試驗臺控制系統(tǒng).應用該系統(tǒng)可實現(xiàn)檢測過程的自動化和對吊籃安全鎖的靜置位移、鎖繩角度、自由墜落時的鎖繩制動距離和安全鋼絲繩瞬間沖擊力等的性能指標的實時顯示和打印輸出.

1 控制系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)原理

根據(jù)結構原理的不同,安全鎖分為擺臂式與離心式2種類型,按照國家標準要求,這2種安全鎖需要測試的性能是不同的,因此控制系統(tǒng)分為擺臂式檢測模式和離心式檢測模式.控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示.通過按鍵設定檢測模式,單片機首先自動調平懸掛平臺,按下“檢測開始”按鍵,檢測開始,通過現(xiàn)場傳感器將角度和拉力信號轉換為相應的電信號,送入單片機進行處理,通過并行方式單片機將處理后的信號發(fā)送到液晶顯示器上實時顯示.檢測結束后,檢測結果傳送到給微型打印機打印輸出.

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

1.2 單片機選擇

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

2 控制系統(tǒng)硬件設計

由于采用了單片機作為主控制單元,大部分工作都由單片機在軟件中實現(xiàn),從而簡化了硬件電路的設計.硬件電路主要由信號采集電路、液晶顯示電路、通信接口電路和電機驅動電路組成.

2.1 信號采集電路

信號采集電路的作用主要是拾取角度、拉力信號,并將信號送入PIC16F877A單片機RA0與RA1口.為了能夠在極短時間內(nèi)對安全鎖高速下落過程中的各種動態(tài)信號進行準確采集和實時分析,傳感器系統(tǒng)需要較高的靈敏度.

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

選用SCA61T單軸傾角傳感器采集角度信號.SCA61T單軸傾角傳感器長期穩(wěn)定性好,溫度特性優(yōu)良,抗沖擊能力強,用它組成的測量角度系統(tǒng)具有線路簡單、體積小的特點.角度傳感器測量電路如圖2所示.其中 SCK為時鐘控制線,MISO為主機進從機出,MOSI為主機出從機進,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稱重傳感器采集拉力信號.拉力傳感器內(nèi)部有應變片,如果發(fā)生形變將會改變電阻值.將這個應變片置于1個電阻橋式電路中,外加一定電壓,當發(fā)生形變時,在橋式電路的節(jié)點上便會產(chǎn)生電壓的變化.電壓的變化比較微弱,所以要經(jīng)過變送器濾波放大成0～5 V.

2.2 液晶顯示電路

基于PIC16F877A單片機的ST7920液晶顯示控制,電路原理結構簡單明了.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路模擬信號輸入端;RE1/WR/AN6為RE1/并行口寫入控制端/第6路模擬信號輸入端;RE2/CS/AN7為RE2/并行口片選控制端/第7路模擬信號輸入端;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LCD驅動電源輸入端.

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

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

E并行模式時,LCD讀寫信號起始端;E串行模式時,串行時鐘端.

D0～D7為數(shù)據(jù)位;L-燈的負極,L+燈的正極.

2.3 通信接口電路

采用RD-DH48打印機打印檢測結果,RDDH48打印機支持并行和串行2種接口方式與單片機相連,可通過改變打印機控制板上的串并口控制塊來選擇通信方式,本文選擇串行接口方式.RD-DH48打印機的串口與 RS232標準兼容,其接口插座為DIC5線插座.檢測結果通過單片機TX,RX引腳經(jīng)MAX232轉換為PS232電平向打印機傳送,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 電機驅動及警示電路

為防止交流電對單片機的干擾,本文采用固態(tài)繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)光電耦合器隔離.由于電機需要正反轉,使用2個固態(tài)繼電器G1,G2,用單片機RC1,RC2口控制電機正反轉.當正轉時,RC1端口輸出高電平,經(jīng)ULN2003電路反相放大后,吸合G1,接通電機電源,電動機正轉;反之則反轉.警示電路由固態(tài)繼電器G3,G4及紅、綠燈組成.當試驗臺準備就緒,RB2端口輸出高電平,經(jīng) ULN2003電路反相放大后,吸合G3,綠燈亮,提醒工作人員此時可開始進行安全鎖檢測;紅燈亮則表明檢測到不合格安全鎖產(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電壓超過繼電器最大耐壓而損壞繼電器.

3 控制系統(tǒng)軟件設計

軟件是該控制系統(tǒng)核心,除了一些自鎖和保護功能通過硬件實現(xiàn)外,大部分功能均通過軟件實現(xiàn),整個軟件采用C語言模塊化編程方式[8],易于系統(tǒng)的集成和二次開發(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模塊和離心式擺臂模塊2部分.擺臂式檢測模塊又分為安全鎖鎖繩角度測試模塊、安全鎖靜置滑移量測試模塊和安全鋼絲繩瞬間沖擊力測試模塊;離心式檢測模塊又分為安全鎖靜置滑移量測試模塊、鎖繩距離測試模塊和安全鋼絲繩瞬間沖擊力測試模塊.控制系統(tǒng)具有實時顯示安全鎖性能指標功能及檢測報告生成功能,可以根據(jù)各個模塊的測試數(shù)據(jù)生成安全鎖測試報告.安全鎖試驗臺控制系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示.

4 結論

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

本文基于PIC16F877A單片機為控制核心,設計了1種新型高處作業(yè)吊籃安全鎖試驗臺控制系統(tǒng),從硬件角度看,PIC16F877A單片機自帶AD轉換器,無需外加AD轉換電路,簡化了硬件電路設計;在軟件方面,采用C語言模塊化編程方式,簡潔緊湊、靈活方便,易于系統(tǒng)的集成和二次開發(fā).控制系統(tǒng)大部分功能均通過軟件實現(xiàn),減少了檢測過程中的硬件設備,可滿足擺臂式安全鎖和離心式安全鎖的不同特點,在1臺設備上實現(xiàn)對這2種類型安全鎖性能參數(shù)的自動檢測,降低檢測設備的成本.

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