基于MMA7455的施工升降機(jī)安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)當(dāng)前施工升降機(jī)自動(dòng)化程度低、安全管理弱的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種施工升降機(jī)自動(dòng)化的遠(yuǎn)程安全控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由重量傳感器采集重量信號(hào)，經(jīng)加速度傳感器校正后監(jiān)測(cè)吊籠負(fù)載情況并報(bào)警。同時(shí)通過(guò)無(wú)線模塊接收各樓層分機(jī)發(fā)送的呼叫信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)同向優(yōu)先、就近優(yōu)先的原則及吊籠載荷情況綜合判斷施工升降機(jī)起升運(yùn)行,并利用GPRS模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)報(bào)警。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，該遠(yuǎn)程安全控制系統(tǒng)能有效提高運(yùn)輸效率和避免誤報(bào)警情況，具有穩(wěn)定性好、管理方便等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：安全控制；加速度傳感器；樓層呼叫；GPRS

施工升降機(jī)將人或物料在大范圍內(nèi)進(jìn)行垂直升降和搬運(yùn)，是常見的建筑施工設(shè)備中事故發(fā)生概率較大的建筑機(jī)械[1]。因?yàn)楣ぷ髦胁荒茴A(yù)知哪個(gè)樓層需要停站且吊籠不能預(yù)知載荷，導(dǎo)致施工升降機(jī)不能穩(wěn)定地安全運(yùn)行，運(yùn)輸效率低下?，F(xiàn)代建筑的特點(diǎn)導(dǎo)致超高層建筑物的出現(xiàn)，大運(yùn)輸量的高速升降機(jī)必不可少，但它的安全可靠性是極為重要的[2]。
針對(duì)施工升降機(jī)現(xiàn)行安全管理的特點(diǎn)，升降機(jī)作業(yè)時(shí)大量的、無(wú)作用的往返運(yùn)動(dòng)，將嚴(yán)重影響工作效率。同時(shí)在升降過(guò)程中頻繁地起制動(dòng)時(shí)，由于速度變化而產(chǎn)生動(dòng)載荷問(wèn)題，施工升降機(jī)誤報(bào)警的情況時(shí)有發(fā)生。目前各級(jí)管理者、監(jiān)管者僅靠人工對(duì)特種設(shè)備進(jìn)行有限的分散抽檢，從效率和費(fèi)用及準(zhǔn)確性等方面都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了要求，也帶來(lái)了巨大的安全隱患和風(fēng)險(xiǎn)壓力。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種施工升降機(jī)遠(yuǎn)程安全控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　 系統(tǒng)主控制芯片采用SILICON公司的模數(shù)混合微控制器。通過(guò)采集安裝在升降機(jī)吊籠頂部的銷軸式重量傳感器信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、A/D采樣后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由加速度傳感器校正，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)吊籠內(nèi)的載荷，判斷是否超載，同時(shí)又可以為控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)提供依據(jù)。無(wú)線樓層模塊采用315 MHz無(wú)線頻率傳輸，通過(guò)PT2262/PT2272編解碼后發(fā)送、接收各個(gè)樓層信號(hào),同時(shí)利用旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖數(shù)標(biāo)定各個(gè)樓層高度。在進(jìn)行升降操作時(shí)根據(jù)計(jì)數(shù)器得到的脈沖數(shù)與相應(yīng)樓層的脈沖數(shù)進(jìn)行比對(duì)，以確定電機(jī)的啟停。電機(jī)控制模塊由具有光電隔離的固態(tài)繼電器構(gòu)成，固態(tài)繼電器控制交流接觸器以達(dá)到驅(qū)動(dòng)升降機(jī)電機(jī)的目的。系統(tǒng)通過(guò)鍵盤模塊和數(shù)碼顯示模塊完成人機(jī)交互和輸入輸出。遠(yuǎn)程通信模塊利用AT指令控制M10通信模塊，以收發(fā)短消息的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 重量采集模塊設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要利用2路銷軸式重量傳感器采集吊籠重量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)吊籠重量的實(shí)時(shí)監(jiān)控，防止超載事故的發(fā)生。采用CD4052雙4路模擬開關(guān)來(lái)切換2路重量傳感器和自檢信號(hào)。經(jīng)過(guò)RC低通濾波器濾除電路中的高頻分量后，使用差分放大器AD620放大由重量傳感器產(chǎn)生的mV級(jí)信號(hào)。AD620是一款低成本、高精度儀表放大器,具有高精度(最大非線性度40 ppm)、低失調(diào)電壓(最大50 μV)和低失調(diào)漂移(最大0.6μV/°C)等特性。非常適合于該系統(tǒng)中對(duì)重量傳感器信號(hào)的放大。放大以后的信號(hào)再經(jīng)過(guò)一級(jí)有源低通濾波器后，進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換。單片機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換后獲取數(shù)據(jù)，完成對(duì)吊籠載荷的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)CD4052切換到2路重量傳感器信號(hào)分時(shí)輸入時(shí)，不僅能夠通過(guò)求和計(jì)算出當(dāng)前載荷，還能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)升降機(jī)吊籠偏載或某一傳感器故障等情況。當(dāng)切換到自檢時(shí)，利用自檢信號(hào)可以排除信號(hào)采集部分的硬件故障情況。重量信號(hào)采集原理如圖2所示。

2.2 加速度采集模塊設(shè)計(jì)
通常施工升降機(jī)避免動(dòng)載荷的問(wèn)題采用加長(zhǎng)濾波時(shí)間常數(shù)，但是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間較慢，不符合實(shí)時(shí)響應(yīng)的特點(diǎn)。另外，還有采用起重機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行自適應(yīng)動(dòng)載荷濾波的方法[3]。由于自適應(yīng)濾波校零環(huán)節(jié)需要參考模型及對(duì)模型參數(shù)的精確確定,從而進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此也不宜采用。所以，本文采用了加速度的方法避免動(dòng)載荷問(wèn)題。
MMA7455是一款數(shù)字輸出、低功耗、緊湊型電容式微機(jī)械加速度傳感器，具有信號(hào)調(diào)理、低通濾波器、溫度補(bǔ)償及自檢測(cè)試功能，并可實(shí)現(xiàn) 中斷引腳（INT1或INT2）配置、自由落體動(dòng)力(0 g)檢測(cè)以及脈沖檢測(cè)（用于快速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)）等功能[4]。設(shè)置加速度傳感器靈敏度量程為±2 g模式，且由于施工升降機(jī)為垂直起升工作，只需要測(cè)試Y軸參數(shù)即可。
MMA7455數(shù)字輸出支持I2C、SPI接口方式。本系統(tǒng)為兼容數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，選用I2C接口方式獲取當(dāng)前加速度值。通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)重力加速度值來(lái)修正采集的重量傳感器值。若加速度值大于一個(gè)閾值,則認(rèn)為當(dāng)前處于動(dòng)載荷變化較大時(shí)刻，則舍棄當(dāng)前采集的重量傳感器的A/D值，采用上一個(gè)采集流程的值。再通過(guò)對(duì)重量傳感器值進(jìn)行一階濾波后，輸出顯示當(dāng)前載荷的百分比。因此，能有效減少升降機(jī)在起升和制動(dòng)由于加速度變化而產(chǎn)生的誤報(bào)警情況，為建筑施工安全運(yùn)行提供重要保障。
2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及接口電路模塊設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及接口電路模塊是該系統(tǒng)的核心模塊，能夠存儲(chǔ)施工升降機(jī)運(yùn)行的各項(xiàng)安全參數(shù)。存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容主要包括施工升降機(jī)“學(xué)習(xí)”時(shí)設(shè)置的零點(diǎn)值和增益值，還將其運(yùn)行時(shí)每次過(guò)載值、額定值、呼叫樓層、過(guò)載時(shí)間、加速度異常值、上電時(shí)間和掉電時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)。記錄上電時(shí)間和掉電時(shí)間可以更好地督促操作人員按操作手冊(cè)安全工作,防止人為關(guān)閉或旁路超載保護(hù)器，避免了安全隱患。
AT24C64是一個(gè)容量為64 KB的串行CMOS EEPROM,該器件通過(guò)I2C總線接口進(jìn)行操作。另外,設(shè)計(jì)了U盤讀寫的電路及USB接口,選用芯片CH375來(lái)實(shí)現(xiàn)。它具有8 bit數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機(jī)等控制器的系統(tǒng)總線上。通過(guò)采用提供的FAT32文件系統(tǒng)，能夠輕松實(shí)現(xiàn)U盤上各級(jí)文件級(jí)的應(yīng)用。當(dāng)系統(tǒng)檢查到有U盤插入時(shí)，指示燈亮，即可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存入U(xiǎn)盤，為管理者和監(jiān)管部門提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)參考[5]。U盤接口電路原理圖如圖3所示。

2.4 無(wú)線樓層呼叫接收模塊設(shè)計(jì)
無(wú)線樓層呼叫接收模塊由呼叫分機(jī)和接收主機(jī)組成。無(wú)線樓層呼叫分機(jī)安裝在各個(gè)樓層入口處，主機(jī)安裝在施工升降機(jī)吊籠內(nèi)。無(wú)線編解碼電路采用臺(tái)灣普城公司的PT2262/PT2272，它最多可有12位(A0~A11)三態(tài)地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供 531 441 地址碼,PT2262 最多可有 6 位(D0~D5)數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從 17 腳串行輸出，用于工業(yè)無(wú)線遙控發(fā)射電路。在該系統(tǒng)中各個(gè)樓層分機(jī)需要設(shè)置好唯一的樓層號(hào)當(dāng)有樓層呼叫時(shí)，通過(guò)編碼芯片PT2262將樓層號(hào)編碼后，由315 MHz無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送出去。接收主機(jī)通過(guò)315 MHz無(wú)線接收模塊接收到樓層編碼信號(hào)，由解碼芯片PT2272解碼后，送單片機(jī)處理來(lái)實(shí)現(xiàn)樓層信號(hào)的無(wú)線呼叫與應(yīng)答[6]。采用315 MHz無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)多對(duì)一的無(wú)線組網(wǎng)方式，避免了施工過(guò)程中隨著樓層的升高線路鋪設(shè)的麻煩，具有比有線組網(wǎng)方式具有更加靈活、實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線樓層呼叫分機(jī)原理如圖4所示。

2.5遠(yuǎn)程通信模塊設(shè)計(jì)
遠(yuǎn)程通訊部分采用QUECTEL公司的M10模塊,它基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口,支持GSM/GPRS 850 MHz/900 MHz/ 1 800 MHz/1 900 MHz的語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)傳輸和傳真等功能，具有小尺寸、低功耗的特點(diǎn),是一款SMD類型的GSM/GPRS四頻模塊,可以很方便地嵌入到工業(yè)應(yīng)用中。單片機(jī)通過(guò)對(duì)串口的操作，利用AT指令與M10模塊通信，實(shí)現(xiàn)短信息的收發(fā)及數(shù)據(jù)的傳輸。管理人員只需發(fā)送短信息到遠(yuǎn)程通信模塊即可獲取施工升降機(jī)參數(shù)或者設(shè)置是否需要短信報(bào)警等功能，為施工升降機(jī)租賃管理帶來(lái)方便。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)