崔曉海

（黑龍江省機(jī)械科學(xué)研究院，哈爾濱150040）

0 引言

目前國內(nèi)的大部分電梯檢驗(yàn)所采用的測量方法主要是通過拉力計(jì)和鋼直尺進(jìn)行配合測量，這就需要檢驗(yàn)人員站在轎頂用拉力計(jì)分別拉扯鋼絲繩相同的距離，然后讀取拉力計(jì)的讀數(shù)。這種方法因?yàn)椴僮鲝?fù)雜，太多的人為因素出現(xiàn)在測量的過程中，測量精度很難保證。

1 鋼絲繩張力測量設(shè)備的測量原理

對(duì)鋼絲繩的張力測量，通常是采用“三點(diǎn)彎曲法”[1]，即通過鋼絲繩與測量設(shè)備上的三點(diǎn)（滾輪）接觸，通過外力使鋼絲繩產(chǎn)生變形，測量在接觸滾輪壓緊過程中的張力T，其原理如圖1所示。

圖1 測力器張力測定

圖2 C處鋼絲繩局部變形

在張力測量過程中，外力強(qiáng)迫鋼絲繩與測力器滾輪壓緊，考慮到在A、B、C處的局部變形和鋼絲繩本身的抗彎能力，如圖2所示，滾輪A、B處的約束力相等，則C截面的彎矩為

式中，EI為鋼絲繩的抗彎剛度。

2 鋼絲繩張力T的計(jì)算

對(duì)鋼絲繩圖2中EAC段進(jìn)行受力分析，如圖3所示，有∑ME=0，則

式中：yA為A截面的撓度；l為測力器標(biāo)距。

圖3 EAC段鋼絲繩受力分析圖

圖4 ECD段鋼絲繩受力分析圖

同理，取圖2中ECD段進(jìn)行受力分析，如圖4所示，取∑MD=0，

上式是在不考慮測量設(shè)備和鋼絲繩本身自重等影響因素的理想狀態(tài)下成立，和實(shí)際測量結(jié)果存在差異，因此還需進(jìn)行二次測定，即張力T不變，對(duì)同一點(diǎn)取2次測量結(jié)果δ1、P1、δ2、P2，有

這里近似地Mc=M1，TyA=T1yA1，則可以推導(dǎo)出鋼絲繩靜、動(dòng)張力測定計(jì)算公式：

式中，P、P1、P2是需要測量的值。

3 張力測量設(shè)備的設(shè)計(jì)

3.1 主要器件選擇

測量設(shè)備選用MCS-51單片機(jī)系統(tǒng)[2]，測量設(shè)備采用的主控芯片為AT89C52，雖然控制的外圍設(shè)備較多，但對(duì)于有32個(gè)雙向I/O口的AT89C52來說，還是足以應(yīng)付的，但是由于對(duì)鍵盤采用了專用的控制芯片，以及A/D轉(zhuǎn)換部分采用了占用系統(tǒng)硬件資源最少的設(shè)計(jì)方案，而留下的I/O口主要用于完成與上位機(jī)的通信和控制LCD液晶顯示器，系統(tǒng)顯得很緊湊，為后來的PCB板設(shè)計(jì)，及儀器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來了很多方便。將AT89C52硬件資源分配如下：P0口用于與AT89C2051的并行數(shù)據(jù)傳送，并配合部分P3口用于數(shù)據(jù)傳送的開始與結(jié)束控制，P1口用于液晶顯示器的并行數(shù)據(jù)傳送，P2口用于控制液晶顯示器的顯示模式，及顯示命令的輸入，部分P3口用于控制鍵盤操作。在主控制芯片的選擇上，采用的AT89C52對(duì)于整個(gè)儀器的硬件、軟件設(shè)計(jì)起到很關(guān)鍵的作用。同樣可做資源升級(jí)而不改變硬件設(shè)計(jì)的芯片還有SM8951A/52A等硬件資源更為豐富的單片機(jī)產(chǎn)品。在液晶顯示器件的選擇上，目前市場上的液晶顯示器件主要針對(duì)的是ARM/AVR系列高端單片機(jī)設(shè)計(jì)，功能極為豐富，但同時(shí)也有較多的控制口線，而本次設(shè)計(jì)所選用的ST7920-12864液晶顯示器件只有16個(gè)控制口線，并且還內(nèi)置了中文字庫，這樣最少的占用了系統(tǒng)的硬件和軟件資源，同時(shí)又滿足了儀器的要求。

3.2 測試儀的液晶顯示接口設(shè)計(jì)

本文采用內(nèi)置ST7920芯片的SMG12864ZK液晶顯示模塊作為系統(tǒng)的顯示器件[3]。SMG12864ZK液晶顯示模塊可與CPU直接接口，省去了編寫要顯示的文字編碼的過程，同時(shí)為主控芯片的程序存儲(chǔ)器節(jié)省了空間，在引腳上共有20只引腳線。

在數(shù)據(jù)的傳送上，該液晶顯示器件還可以設(shè)置為并行或串行數(shù)據(jù)傳輸（需將器件背面的選擇開關(guān)重新焊接，默認(rèn)為并行數(shù)據(jù)傳輸），本案選擇默認(rèn)的并行數(shù)據(jù)傳輸。在電源上，器件及背景光源均采用5 V供電，屬于低壓微功耗類顯示器件，工作電流也只有幾微安/平方厘米。

在設(shè)計(jì)電路原理圖時(shí)，充分地考慮到軟件的設(shè)計(jì)過程，基本原則是在不增加硬件成本的同時(shí)，合理地設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)使軟件編程最簡化。SMG12864ZK共有20只引腳線，其中DB7-DB14為并行數(shù)據(jù)接口，應(yīng)與單片機(jī)的一個(gè)并行I/0口連接設(shè)計(jì)[4-5]AT89C52的P1口。RS/RW為液晶顯示模塊的讀/寫信號(hào)線，對(duì)應(yīng)AT89C52的P3.6/P3.7信號(hào)線。E腳為使能信號(hào)線，接P3.4口。

對(duì)SGM12864ZK的軟件編程分為對(duì)控制器寫命令及對(duì)控制器寫數(shù)據(jù)，由于SGM12864ZK帶有內(nèi)部字庫，因此它對(duì)字符及漢字的處理是相當(dāng)方便的，在外部只需要將字符及漢字的ASCII碼值以十六進(jìn)制的形式送到DB0-DB7，SGM12864ZK即可自動(dòng)識(shí)別并顯示輸入的字符和漢字（因?yàn)闈h字有2個(gè)字節(jié)，需2次寫入數(shù)據(jù)，最后組合成為一個(gè)漢字，否則會(huì)出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象）。

對(duì)ST7920的初始化包括設(shè)定其顯示的行數(shù)[5]，字型大小，清除當(dāng)前的屏幕顯示，并設(shè)置顯示、光標(biāo)及光標(biāo)閃耀的狀態(tài)。也可對(duì)屏幕寫滿數(shù)據(jù)用來測試屏幕是否有壞點(diǎn)。在每個(gè)命令之間，應(yīng)該有一定的時(shí)間延遲，一般為10 ms左右，來滿足控制芯片的時(shí)序要求并且應(yīng)留有一定的時(shí)間裕度。

3.3 設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

由傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)值為1～5 V，但是ICL7135輸入值的范圍為±2 V，因此必需對(duì)模擬信號(hào)調(diào)理才能接入A/D轉(zhuǎn)換器，在這里選用集成運(yùn)算一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器OP07。

智能化測量控制儀表要完成對(duì)外界參數(shù)的測量并控制某些參數(shù)變化的任務(wù)，在鋼絲繩張力測試儀中外界所測量的物理量是拉力，它通過電阻應(yīng)變式變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，再?jīng)過放大、濾波，得到平滑的輸入信號(hào)。這種輸入信號(hào)還是連續(xù)的模擬量。然后通過A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)模擬的輸入信號(hào)進(jìn)行量化，得到幅度和時(shí)間均為離散信號(hào)的數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。然后再將處理后的數(shù)字信號(hào)通過LCD顯示出來。本文中選用的A/D轉(zhuǎn)換器為ICL7135。

4 測量設(shè)備的安裝

相對(duì)于已有的一些測量設(shè)備，大部分每次都只能測量1根鋼絲繩的張力。對(duì)于類似電梯鋼絲繩這樣的多繩系統(tǒng)來說就會(huì)顯得不那么方便。因此本文的設(shè)計(jì)方案是能夠同時(shí)測量5根鋼絲繩的張力，這樣使得測量結(jié)果更加準(zhǔn)確，能夠同時(shí)測量5根鋼絲繩的張力，也節(jié)省了檢測過程中所需要的時(shí)間，如圖5所示。

圖5 測量設(shè)備安裝示意圖

在多次對(duì)轎箱頂部實(shí)地考察后，考慮到轎箱頂部空間狹小，轎頂圍欄與鋼絲繩尚有一定的距離，故采用支架結(jié)構(gòu)對(duì)測量設(shè)備進(jìn)行安裝。支架頂端在測量設(shè)備的面板上可進(jìn)行直接的拆卸，這樣可增加設(shè)備的便攜性。采用兩段式可活動(dòng)支架來調(diào)節(jié)設(shè)備與鋼絲繩之間的距離，支架底端可鎖在轎頂?shù)膰鷻谏?。支架底端安裝如貓爪一樣的裝置用來鎖住轎頂?shù)膰鷻?，為防止打滑，安裝時(shí)應(yīng)加彈簧墊片。

表1 測量數(shù)據(jù)

5 鋼絲繩張力實(shí)地測量實(shí)驗(yàn)結(jié)論

為驗(yàn)證本文方法的正確性，我們對(duì)哈爾濱市某小區(qū)住宅樓2部電梯鋼絲繩進(jìn)行實(shí)際測量。測量次數(shù)：3次，標(biāo)距l(xiāng)=98.6 cm，δ1=0.516 cm，δ2=0.258 cm，δ3=0.774 cm，測出各次T對(duì)應(yīng)的P1、P2、P3如表1所示（取T*0=32 484 kg）。

由上面對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出，僅用公式求得的張力T誤差較大，而用本文測量方法計(jì)算的張力T與實(shí)際值基本吻合（誤差＜1.5%）。

[1]姚文斌,程赫明.用“三點(diǎn)彎曲法”原則測定鋼絲繩張力[J].實(shí)驗(yàn)力學(xué),1998(1):79-84.

[2]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1993:200-208.

[3]長沙太陽人電子有限公司.12864ZK使用說明[Z].

[4]趙亮,候國銳.單片機(jī)C語言編程與實(shí)例[M].北京:人民郵電出版社,2003:133-134.

[5]蔡美琴,張為民.MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2004:159-164.

[6]劉大茂.智能儀器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998:12-15.