基于MMA7455的施工升降机安全控制系统的设计

摘  要： 针对当前施工升降机自动化程度低、安全管理弱的问题，设计了一种施工升降机自动化的远程安全控制系统。该系统由重量传感器采集重量信号，经加速度传感器校正后监测吊笼负载情况并报警。同时通过无线模块接收各楼层分机发送的呼叫信号，系统根据同向优先、就近优先的原则及吊笼载荷情况综合判断施工升降机起升运行,并利用GPRS模块进行远程监测报警。通过现场试验可知，该远程安全控制系统能有效提高运输效率和避免误报警情况，具有稳定性好、管理方便等特点。
关键词：安全控制；加速度传感器；楼层呼叫；GPRS
       施工升降机将人或物料在大范围内进行垂直升降和搬运，是常见的建筑施工设备中事故发生概率较大的建筑机械[1]。因为工作中不能预知哪个楼层需要停站且吊笼不能预知载荷，导致施工升降机不能稳定地安全运行，运输效率低下。现代建筑的特点导致超高层建筑物的出现，大运输量的高速升降机必不可少，但它的安全可靠性是极为重要的[2]。
     针对施工升降机现行安全管理的特点，升降机作业时大量的、无作用的往返运动，将严重影响工作效率。同时在升降过程中频繁地起制动时，由于速度变化而产生动载荷问题，施工升降机误报警的情况时有发生。目前各级管理者、监管者仅靠人工对特种设备进行有限的分散抽检，从效率和费用及准确性等方面都远远满足不了要求，也带来了巨大的安全隐患和风险压力。针对上述缺点，本文设计了一种施工升降机远程安全控制系统。
   1系统总体结构
　 系统主控制芯片采用SILICON公司的模数混合微控制器。通过采集安装在升降机吊笼顶部的销轴式重量传感器信号，经滤波、放大、A/D采样后转换成数字信号。经由加速度传感器校正，用来实时监测吊笼内的载荷，判断是否超载，同时又可以为控制电机正反转提供依据。无线楼层模块采用315 MHz无线频率传输，通过PT2262/PT2272编解码后发送、接收各个楼层信号,同时利用旋转编码器的脉冲数标定各个楼层高度。在进行升降操作时根据计数器得到的脉冲数与相应楼层的脉冲数进行比对，以确定电机的启停。电机控制模块由具有光电隔离的固态继电器构成，固态继电器控制交流接触器以达到驱动升降机电机的目的。系统通过键盘模块和数码显示模块完成人机交互和输入输出。远程通信模块利用AT指令控制M10通信模块，以收发短消息的方式实现远程监测的目的。如图1所示。
   
   2 系统硬件设计
2.1 重量采集模块设计
     系统主要利用2路销轴式重量传感器采集吊笼重量，以实现对吊笼重量的实时监控，防止超载事故的发生。采用CD4052双4路模拟开关来切换2路重量传感器和自检信号。经过RC低通滤波器滤除电路中的高频分量后，使用差分放大器AD620放大由重量传感器产生的mV级信号。AD620是一款低成本、高精度仪表放大器,具有高精度(最大非线性度40 ppm)、低失调电压(最大50 μV)和低失调漂移(最大0.6μV/°C)等特性。非常适合于该系统中对重量传感器信号的放大。放大以后的信号再经过一级有源低通滤波器后，进入A/D转换。单片机实时转换后获取数据，完成对吊笼载荷的实时监控。当CD4052切换到2路重量传感器信号分时输入时，不仅能够通过求和计算出当前载荷，还能够及时发现升降机吊笼偏载或某一传感器故障等情况。当切换到自检时，利用自检信号可以排除信号采集部分的硬件故障情况。重量信号采集原理如图2所示。
   
   2.2 加速度采集模块设计
     通常施工升降机避免动载荷的问题采用加长滤波时间常数，但是会导致系统反应时间较慢，不符合实时响应的特点。另外，还有采用起重机械系统运动数学模型进行自适应动载荷滤波的方法[3]。由于自适应滤波校零环节需要参考模型及对模型参数的精确确定,从而进行大量的数学运算，因此也不宜采用。所以，本文采用了加速度的方法避免动载荷问题。
     MMA7455是一款数字输出、低功耗、紧凑型电容式微机械加速度传感器，具有信号调理、低通滤波器、温度补偿及自检测试功能，并可实现 中断引脚（INT1或INT2）配置、自由落体动力(0 g)检测以及脉冲检测（用于快速运动检测）等功能[4]。设置加速度传感器灵敏度量程为±2 g模式，且由于施工升降机为垂直起升工作，只需要测试Y轴参数即可。
      MMA7455数字输出支持I2C、SPI接口方式。本系统为兼容数据的存储，选用I2C接口方式获取当前加速度值。通过对比标准重力加速度值来修正采集的重量传感器值。若加速度值大于一个阈值,则认为当前处于动载荷变化较大时刻，则舍弃当前采集的重量传感器的A/D值，采用上一个采集流程的值。再通过对重量传感器值进行一阶滤波后，输出显示当前载荷的百分比。因此，能有效减少升降机在起升和制动由于加速度变化而产生的误报警情况，为建筑施工安全运行提供重要保障。
2.3 数据存储及接口电路模块设计
     数据存储及接口电路模块是该系统的核心模块，能够存储施工升降机运行的各项安全参数。存储的数据内容主要包括施工升降机“学习”时设置的零点值和增益值，还将其运行时每次过载值、额定值、呼叫楼层、过载时间、加速度异常值、上电时间和掉电时间进行存储。记录上电时间和掉电时间可以更好地督促操作人员按操作手册安全工作,防止人为关闭或旁路超载保护器，避免了安全隐患。
     AT24C64是一个容量为64 KB的串行CMOS EEPROM,该器件通过I2C总线接口进行操作。另外,设计了U盘读写的电路及USB接口,选用芯片CH375来实现。它具有8 bit数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机等控制器的系统总线上。通过采用提供的FAT32文件系统，能够轻松实现U盘上各级文件级的应用。当系统检查到有U盘插入时，指示灯亮，即可将数据转存入U盘，为管理者和监管部门提供实时数据参考[5]。U盘接口电路原理图如图3所示。
   
   2.4 无线楼层呼叫接收模块设计
     无线楼层呼叫接收模块由呼叫分机和接收主机组成。无线楼层呼叫分机安装在各个楼层入口处，主机安装在施工升降机吊笼内。无线编解码电路采用台湾普城公司的PT2262/PT2272，它最多可有12位(A0~A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供 531 441 地址码,PT2262 最多可有 6 位(D0~D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从 17 脚串行输出，用于工业无线遥控发射电路。在该系统中各个楼层分机需要设置好唯一的楼层号当有楼层呼叫时，通过编码芯片PT2262将楼层号编码后，由315 MHz无线发送模块发送出去。接收主机通过315 MHz无线接收模块接收到楼层编码信号，由解码芯片PT2272解码后，送单片机处理来实现楼层信号的无线呼叫与应答[6]。采用315 MHz无线收发模块实现多对一的无线组网方式，避免了施工过程中随着楼层的升高线路铺设的麻烦，具有比有线组网方式具有更加灵活、实用的优点。无线楼层呼叫分机原理如图4所示。
   
   2.5远程通信模块设计
     远程通讯部分采用QUECTEL公司的M10模块,它基于工业标准接口,支持GSM/GPRS 850 MHz/900 MHz/ 1 800 MHz/1 900 MHz的语音、短信、数据传输和传真等功能，具有小尺寸、低功耗的特点,是一款SMD类型的GSM/GPRS四频模块,可以很方便地嵌入到工业应用中。单片机通过对串口的操作，利用AT指令与M10模块通信，实现短信息的收发及数据的传输。管理人员只需发送短信息到远程通信模块即可获取施工升降机参数或者设置是否需要短信报警等功能，为施工升降机租赁管理带来方便。
3 系统软件设计