1、本科论文格式参考谢仁婷的论文毕 业 设 计 设计题目 便携式电梯限速器测试仪设计 学生姓名 谢仁婷 学 号 20080606 专业班级 机械设计制造及其自动化08-7班 指导教师 王玉琳 院系名称 机械与汽车工程学院 2012 年 6 月 6 日目 录中文摘要 1英文摘要 21 绪 论 31.1 电梯限速器简介 31.2 电梯限速器测试仪简介 31.3 电梯限速器测试仪国内外研究现状 41.4 电梯限速器测试仪经济性分析 41.5 本课题的研究目标 41.6 本章小结 52 便携式电梯限速器测试仪的总体方案设计 62.1 限速器轮盘的驱动方案 62.2 轿厢移动速度的测量方案 62.3 测控系
2、统的总体方案 72.4 本章小结 83 便携式电梯限速器测试仪的机械结构设计 93.1 驱动电机的计算、选型与安装 93.2 橡胶驱动轮的设计与安装 103.3 霍尔接近开关的选型和安装 103.4 磁钢的选型与安装 113.5 电气开关的选型与安装 113.6 测试仪外壳的设计 123.7 本章小结 144 便携式电梯限速器测试仪的测控系统设计 154.1 测控系统的电源设计 154.2 测控系统的CPU选型 164.3 测控系统的存储器扩展 174.4 测控系统的键盘设计 194.5 测控系统的显示设计 214.6 伺服电机驱动器的选型 214.7 便携式电梯限速器测试仪操作流程 224.
3、8 本章小结 235 便携式电梯限速器测试仪测控系统PCB的设计 245.1 电气原理图的设计过程 245.2 PCB的设计过程 245.3 PCB布线时的基本原则及注意事项 265.4 本章小结 286 便携式电梯限速器测试仪测控系统的软件设计 296.1 键值输入程序 296.2 显示输出程序 306.3 伺服电机控制程序 316.4 匀加速控制程序 346.5 轿厢移动速度检测程序 346.6 本章小结 35结论 36致谢 37参考文献 38附录1 AT89C2051芯片内部程序 40附录2 AT89S58芯片内部程序 47便携式电梯限速器测试仪设计摘 要:限速器是电梯的一个重要安全部件
4、，当轿厢运行速度超过规定的上限时，限速器先动作，之后带动安全钳把轿厢夹紧在导轨上，从而实现可靠的安全保护。限速器动作速度的现场测量是电梯安全检测的重要项目。文章提出了一种新型的便携式电梯限速器测试仪，该测试仪由电源变换模块和电机总成模块组成。电源变换模块为测试装置提供工作电压，电机总成模块内含驱动电机和单片机测控系统。单片机控制伺服电机驱动被测电梯限速器的轮盘，通过霍尔开关采集限速器轮盘的转速，结合轮盘的节圆直径即可计算出轿厢移动的速度。限速器的电气动作速度和机械动作速度分别通过电气开关和机械限位来获得。本文给出了测试装置的结构组成，分析了测试装置的测控原理，设计了具体的测试流程，最终研制出了
5、测试仪的样机。试用结果表明：该装置的检测精度满足国家标准规定的各项要求，具有体积小、重量轻、便于携带的优点，安装使用方便，操作简单快捷，性价比高，可靠性高，应用前景广阔。关键词：电梯；限速器；测试仪；单片机The Design of Portable Elevator Speed GovernorAbstract: Speed governor is an important security part of elevator. When the lift car exceeds the speed upper limit, the speed governor acts first and
6、then drives the safety tongs to clamp the lift car on the guides. So that the persons and goods can be protected reliably. The acting speed spot-testing for speed governor is the kernel of elevators safety test. A new type of portable testing device for elevator speed governor is presented which is
7、made up of power converting module and servo motor module. The power converting module supplies working power for the testing device and the servo motor module includes a driving motor and a single-chip micro-computer measuring and controlling system. The single-chip micro-computer controls the serv
8、o motor to drive the speed governors wheel. Through a Hall switch, the rotating speed of the wheel can be measured and the lift cars moving speed can be calculated combined with the pitch circle diameter. The electrical acting speed and mechanical acting speed of the speed governor can be obtained w
9、ith the aid of an electrical switch and a mechanical limit switch. The components of the testing device are introduced, the working principle of the testing device is analyzed, the concrete testing procedure is designed and finally the prototype of the testing device is developed. The trial results
10、indicate that the testing precision of the device meets the national standards demands. The testing device has the advantages of small size, light weight and being easy to carry about. It is convenient to install and operate and has high ratio of performance to price and good reliability, so it has
11、wide prospects of being popularized.Keywords: Elevator; Speed governor; Testing device; Single-chip microcomputer1 绪 论1.1 电梯限速器简介电梯作为高层建筑主要的垂直交通运输工具，在国内外得到了广泛的应用。为了保证乘客和货物的安全及电梯设备的运行安全，电梯设备要有可靠的安全性。当电梯因为机械或电气的某种故障失控时，电梯轿厢超速下行，或发生坠落时唯一的安全保护机械装置就是限速器-安全钳系统。限速器是电梯最重要的机械安全装置。当电梯运行速度达到限速器动作速度时，限速器发出电信号并产
12、生机械动作，通过限速器钢丝绳提拉起安全钳楔块，将轿厢夹持在导轨上。从而避免了不良后果的产生，保证了乘客和货物及电梯设备的安全。所以，电梯限速器的可靠运行就显得尤其重要，它是电梯安全管理的重要环节。电梯限速器作为电梯最主要的机械安全部件，其功能是检测电梯轿厢运行速度是否超过规定的运行速度，当轿厢运行速度达到限定的速度时，首先使限速器动作并通过其带动电梯的安全钳动作，从而制动电梯的轿厢。由此可见，限速器对保障电梯运行的安全是非常重要的。没有高质量的性能优异的限速器，安全钳也就形同虚设。因此，也对限速器的制造和测试提出了更高的要求。同时为了满足不同用途、不同种类、不同速度的电梯的要求，各生产商设计了
13、不同种类的电梯限速器。1.2 电梯限速器测试仪简介电梯限速器是载人载物电梯中最关键的安全保障部件。因此，电梯限速器的检测是一个关系到电梯上乘客与货物安全的重要检验项目。国标JB7588-2003中明确规定“限速器是安全部件，应根据安全部件形式实验的要求进行验证”。所以除生产厂家必须有相关的生产许可证和定期的国家的形式实验外，在电梯出厂前，必须具备电梯限速器的相关测试设备，并对每一台电梯限速器做相关的测试，以确保电梯限速器具备足够的安全性和可靠性。而且国家质检总局电梯监督检验规程规定，电梯限速器每使用两年必须检验一次，其动作速度应符合标准规定4-6。对电梯限速器的检测，就是通过对限速器的几何参数
14、以及运行参数的测量和处理，来判断限速器是否合格7-9。电梯限速器测试仪就是用来检测电梯限速器是否合格的检测工具。现在的电梯限速器测试仪有用于限速器的定期现场检验的便携式电梯限速器测试仪器，和用于限速器出厂检验和型式实验的固定式检测设备。1.3 电梯限速器测试仪国内外研究现状目前电梯限速器的检测方式主要有两种：拆装送检和上门检验。由于限速器拆装送检费时费力，同时拆装和运输过程也易使限速器受损，影响其动作速度，因此，对于一些特殊场合，如医院、住宅小区等，一般需要检验者上门检测。随着高层建筑的增多，每年需要上门检测的电梯限速器数量剧增。目前国内用来检测电梯限速器的设备虽然较多，但多数仪器结构笨重，构
15、造复杂，不便于携带，主要用于电梯限速器的出厂检验。现有的用于上门检验的便携式的限速器检测仪，检测部件安装困难，部件之间接插件多，检测时需要多人配合，每检测一次均需输入多个参数，操作繁琐，效率低，同时精度不高，仪器的可靠性也差，越来越难满足限速器的实际检测需要。1.4 电梯限速器测试仪经济性分析目前国外用来检测电梯限速器的测试仪设备大多精密复杂，造价费用一般都昂贵，普通的一台进口电梯限速器测试仪大约需要3万美元。国内的电梯限速器测试仪稍微便宜一些。中科智能公司生产的XC-3型电梯限速器测试仪是一款便携式电梯限速器测试仪，目前已广泛应用于各级质量技术监督部门对限速器的检测，市场占有率达80%。但是
16、它的市场价大约在1.5万元一台。本设计中拟设计的便携式电梯限速器测试仪大约在8千元一台。因此，在经济性分析来看，本产品将是一款造价低廉，使用方便的测试仪。1.5 本课题的研究目标针对上述问题，本文设计一种便于携带、体积小、重量轻、操作快捷、精度高的电梯限速器检测仪。主要研究目标如下：（1）要求所研制的检测仪部件少，连接电缆少，接插件少；（2）参数测量和输入方便，人-机界面友好，显示信息直观，数据掉电后不丢失；（3）控制限速器轮盘转动时，应使轮盘节圆的线速度按照0.01m/s2的加速度缓慢上升，满足国家标准GB7588-2003电梯制造与安装安全规范中有关限速器特性检查的描述“应以尽可能低的加速
17、度来达到限速器的动作速度，以便消除惯性的影响”；（4）适应范围宽，可测量电气动作速度和机械动作速度在0.515m/s的各种限速器，速度测量误差小于1%；（5）限速器轮盘节圆线速度采用非接触式方法进行检测，避免接触式测量因测速轮磨损及测速轮与限速器轮槽打滑所带来的测量精度低的问题；（6）采用吸附式电气开关测量限速器的电气动作速度，安装快捷、检测方便；（7）在重复检测同型号的限速器时，采用“一键式”操作，简化操作步骤，提高检测效率。1.6 本章小结本章主要对电梯限速器和限速器测试仪做了简单的介绍，以及国家标准对限速器所做的规范。同时，在本章中也对目前国内外电梯限速器的研究现状做了阐述。对电梯限速器
18、的经济性进行了分析，得出了本研究中电梯限速器测试仪的研究意义。讲述了本研究要设计出的电梯限速器测试仪应该具备的特点，即为其研究目标。2 便携式电梯限速器测试仪的总体方案设计2.1 限速器轮盘的驱动方案图2.1 限速器轮盘的驱动流程如图2.1，当CPU接收到来自于键盘的检测信号时，就会发脉冲信号和方向信号给伺服电机驱动器。伺服电机驱动器接收到来自于CPU的脉冲信号和方向信号后，驱动伺服电机加速。在伺服电机的驱动轴上固定有橡胶驱动轮。当开始检测时，橡胶驱动轮骑在限速器轮盘的钢丝绳槽内，使橡胶驱动轮和驱动轴的回转中心线与限速器轮盘的回转中心线平行。橡胶驱动轮用较软的耐磨橡胶制成，轮缘呈梯形，可与限速
19、器轮盘的钢丝绳槽充分接触。这样当伺服电机旋转时，驱动轴带动橡胶驱动轮转动，橡胶驱动轮又带动限速器轮盘转动。2.2 轿厢移动速度的测量方案当CPU接收到来自于键盘的检测信号时，就会发脉冲信号和方向信号给伺服电机驱动器。伺服电机驱动器接收到来自于CPU的脉冲信号和方向信号后，驱动伺服电机以一定的加速度加速转动。当伺服电机转动时，限速器轮盘跟着转动。拟采取方法使限速器轮盘每转一圈便产生一个脉冲信号，该信号传输给CPU后经过处理可得到转速，再结合限速器轮盘的节圆直径，即可计算出限速器轮盘节圆的线速度，也即电梯轿厢的移动速度。假如伺服电机的的转速用n表示，则反应在橡胶驱动轮上的速度即为： （2-1）则当
20、橡胶驱动轮的节圆直径用D表示时，线速度为： （2-2）由于橡胶驱动轮骑在限速器轮盘的钢丝绳槽内，使橡胶驱动轮和驱动轴的回转中心线与限速器轮盘的回转中心线平行。橡胶驱动轮的轮缘呈梯形，可与限速器轮盘的钢丝绳槽充分接触。这样当伺服电机旋转时，驱动轴带动橡胶驱动轮转动，橡胶驱动轮又带动限速器轮盘转动。所以橡胶驱动轮的线速度即是限速器轮盘的线速度，即为电梯轿厢的移动速度。2.3 测控系统的总体方案该测试仪首先应该具备一个控制系统CPU。而在检测过程中需要存储一些重要的参数，并且要求掉电后数据不丢失。因此，扩展了一片SRAM芯片用作数据存储器，同时设置了掉电保护电路，用来存放检测过程的相关数据。与CPU
21、芯片配套的尚有复位电路和晶振电路。便携式测试仪的参数设定需要通过矩阵键盘输入，因此扩展了一片矩阵键盘管理芯片来管理矩阵键盘；检测时的参数设定与显示需要通过相应的显示控制器来控制，而且相关的信息需要通过显示芯片显示出来，因此扩展了LED控制器以及LED显示器。限速器轮盘的转动需要通过电机来控制，初选为交流伺服电机，电机由交流伺服驱动器来控制，而驱动器接受来自CPU的方向信号和脉冲指令。本项目研制的测试仪主要用来测量限速器的两个速度：一个是电气动作速度，另一个是机械动作速度。这两个速度均为限速器轮盘节圆的线速度。当CPU控制交流伺服电机不断加速时，限速器轮盘的转速逐渐升高，最终布置在限速器轮盘上的
22、用弹簧连接的甩块因离心力作用，使得吸附在限速器轮盘支架上的常闭触点开关断开连接，CPU收到触点断开的信号后便锁定此时限速器轮盘节圆的线速度，此速度即为限速器的电气动作速度值；限速器轮盘继续加速旋转，直至被机械限位机构卡死，CPU再次锁定限速器轮盘被卡死之前的最大节圆线速度，此速度即为限速器的机械动作速度值。2.4 本章小结本章主要介绍了便携式电梯限速器测试仪开始测试时，限速器驱动轮的驱动方案，以及轿厢移动时的速度测量方案。最后讲述了便携式电梯限速器测试仪的测控系统的方案设计。3 便携式电梯限速器测试仪的机械结构设计3.1 驱动电机的计算、选型与安装在驱动电机的选型当中，加在驱动电动机转轴上的总
23、转动惯量是进给伺服系统的主要参数之一，它对选择电动机具有重要意义。由于传动系统的各传动部件并不都与电动机同轴安装，因此存在各传动部件的转动惯量向电动机转轴折算的问题，需要求得传动系统总的等效转动惯量。主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动部件等折算到电动机转轴上的转动惯量等。在本设计中，伺服电机旋转时，驱动轴带动橡胶驱动轮转动，橡胶驱动轮又带动限速器轮盘转动，因为橡胶驱动轮是用橡胶材料制作，质量很小，因此转动惯量可以忽略不计，主要是限速器驱动轮的转动惯量和电机转子本身的转动惯量。初选电动机的型号为60CB020C的小型交流伺服电机。其转动惯量=0.17。限速器驱动轮的转动惯量
24、=21.6。i=240/56=4.3则加在驱动电动机转轴上的总转动惯量为：= +/1.39 （3-1）由负载惯量电机转子惯量10可知满足要求。则该电机的性能参数如表3.1所示。表3.1 电机的性能参数表项目单位数据额定输出功率W200额定转矩Nm0.64瞬间最大转矩Nm1.91额定转速rpm3000最高转速rpm3600电机转子惯量kgcm20.17转矩系数Nm/A0.712额定相电流A1.27瞬间最大相电流A3.69电枢绕组相电阻13.0电枢绕组相电感mH31.87机械时间常数ms1.52电气时间常数ms2.45重量kg1.0编码器P/R2500该小型交流伺服电机安装在电机总成内部，以便可以
25、直接驱动固定在驱动轴上的橡胶驱动轮，以此来带动电梯限速器旋转。3.2 橡胶驱动轮的设计与安装橡胶驱动轮固定在伺服电机的驱动轴上，因为橡胶驱动轮要骑在限速器轮盘上，使限速器轮盘随着橡胶驱动轮一起旋转。因此，橡胶驱动轮选用较软的耐磨橡胶，且轮缘呈梯形，这样可以与限速器轮盘的钢丝绳槽充分接触。设计如上图3.1所示：3.3 霍尔接近开关的选型和安装霍尔式接近开关也叫霍尔开关，其检测对象必须是磁性物体。它可以方便地把磁输入信号转变成电信号，安装简单，可靠性高。 霍尔开关的结构如图3.2所示，它由稳压器、霍尔片、差分放大器、斯密特触发器以及输出级组成。霍尔效应即当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁
26、场中时，薄片的两端就会产生电位差。两端具有的电位差值称为霍尔电势U，其表达式为 U=KIB/d其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。霍尔开关输出特性如图3.3所示，在外磁场的作用下，当磁感应强度B超过导通阈值BOP时，霍尔电路输出管导通，输出低电平；之后，B再增加，仍保持导通状态；若外加磁场的B值降低到BRP时，输出管截止，输出高电平。我们称BOP为工作点，BRP为释放点，BOP - BRP = BH 称为回差，回差的存在使得霍尔开关电路的抗干扰能力显著增强。M12霍尔式接近开关（NP
27、N/PNP三极管驱动输出）检测距离：110毫米。在此，我们选择NJK5002C霍尔开关，这是最常用的霍尔开关，它的直径为12毫米，固定时只要在设备外壳上打一个12毫米的圆孔就能轻松固定，长度约30毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观，引线长度为100毫米。但是在安装时要注意磁铁的极性，磁铁极性装反无法工作。3.4 磁钢的选型与安装因为霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系，所以在选择磁钢时，选择强磁磁钢。磁钢不宜太大，本研究中选择的圆柱形磁钢直径为8mm，高度为6mm。磁钢产生外磁场。要实现每转一圈产生一个脉冲信号，要在电机总成的左侧
28、端面安装一只霍尔接近开关，在限速器轮盘右侧靠近外缘的端面上，吸上一只圆柱形磁钢（N极朝上），使得圆柱形磁钢随着限速器轮盘转动时有机会对准霍尔接近开关（不需要接触，离开距离在510mm左右）。3.5 电气开关的选型与安装电开关选择常闭式镀银触点开关。如图3.4所示为二线式常开型接近开关的接线方法。该产品型号为FA12-4LA，由浙江洞头飞凌传感器制造公司生产。主要参数为：电感式接近开关，二线常开型，工作电压直流1030V，最大电流50mA。产品有两根线，一根标“+”，另一根标“-”。由于工作电流不能超过50mA，所以在使用24V供电时，选择了680的限流电阻。接近开关的输入信号经过光电隔离后，送
29、给可编程接口芯片8255的PC1脚。当没有金属物体靠近开关的感应头时，光耦合器TLP521-1不导通，PC1获得高电平；当有金属物体靠近感应头时，光耦合器导通， PC1获得低电平。在限速器轮盘支架上，通过磁性连接吸附一只电气开关，使得当单片机控制交流伺服电机不断加速时，限速器轮盘的转速逐渐升高，限速器产生限速动作时最终布置在限速器轮盘上的用弹簧连接的甩块因离心力作用，使得吸附在限速器轮盘支架上的常闭触点开关断开连接。光耦合器TLP521-1在常闭触点开关处于常闭状态时，处于导通状态，输出低电平；经74HC14反相后输出信号为高电平。常闭触点开关断开，光耦合器TLP521-1不导通，输出端获得高
30、电平，经74HC14反相后输出信号为低电平。单片机即收到触点断开的信号后便锁定此时限速器轮盘节圆的线速度，此速度即为限速器的电气动作速度值。其电气图如图3.5所示：3.6 测试仪外壳的设计如图3.6所示，设置电机总成6，其内部包括一台小型交流伺服电机、一块八位单片机、一块数据存储器、一块键盘管理芯片、一块LED显示控制芯片，以及相关连接电路。电机总成6的上部设置有LED显示器4和键盘5。电机总成6左侧的驱动轴3上固定有橡胶驱动轮2，橡胶驱动轮2骑在限速器轮盘1的钢丝绳槽内，橡胶驱动轮2和驱动轴3的回转中心线与限速器轮盘1的回转中心线平行，橡胶驱动轮2用较软的耐磨橡胶制成，轮缘呈梯形，可与限速器
31、轮盘1的钢丝绳槽充分接触。当电机总成6内的伺服电机旋转时，驱动轴3带动橡胶驱动轮2转动，橡胶驱动轮2又带动限速器轮盘1转动。电机总成6的前侧面设置有把手12，操作者用左手握住把手12，右手掌的四指托起电机总成6的底部，让橡胶驱动轮2骑在限速器轮盘1的钢丝绳槽内，用右手的大拇指操作键盘5上的按键。在电机总成6的左侧端面安装一只霍尔接近开关11，在限速器轮盘1右侧靠近外缘的端面上，吸上一只圆柱形磁钢10（N极朝上），使得圆柱形磁钢10随着限速器轮盘1转动时有机会对准霍尔接近开关11（不需要接触，离开距离在510mm左右）。在限速器轮盘支架15上，通过磁性连接吸附一只电气开关14，使得当限速器产生限速动作时，限速器轮盘1上的甩块因离心力作用可以碰到电气开关14。设置电源转换模块8，通过电源输出电缆7给电机总成6提供工作电压（包括单片机系统的工作电压和伺服电机的工作电压），电源转换模块8通过电源输入电缆9与市电连接。3.7 本章小结本章主要讲述了驱动电机的计算、选型与安装；橡胶驱动轮的设计与安装，以及霍尔开关、磁钢和电气开关的选型与安装。最后讲述了限速器测试仪的外壳设计。4 便携式电梯限速器测试仪的测控系
