钢丝绳平均张力测量设备研究

2018-06-14崔晓海

机械工程师 2018年6期

关键词：液晶显示钢丝绳器件

崔晓海

（黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨150040）

0 引言

目前国内的大部分电梯检验所采用的测量方法主要是通过拉力计和钢直尺进行配合测量，这就需要检验人员站在轿顶用拉力计分别拉扯钢丝绳相同的距离，然后读取拉力计的读数。这种方法因为操作复杂，太多的人为因素出现在测量的过程中，测量精度很难保证。

1 钢丝绳张力测量设备的测量原理

对钢丝绳的张力测量，通常是采用“三点弯曲法”[1]，即通过钢丝绳与测量设备上的三点（滚轮）接触，通过外力使钢丝绳产生变形，测量在接触滚轮压紧过程中的张力T，其原理如图1所示。

图1 测力器张力测定

图2 C处钢丝绳局部变形

在张力测量过程中，外力强迫钢丝绳与测力器滚轮压紧，考虑到在A、B、C处的局部变形和钢丝绳本身的抗弯能力，如图2所示，滚轮A、B处的约束力相等，则C截面的弯矩为

式中，EI为钢丝绳的抗弯刚度。

2 钢丝绳张力T的计算

对钢丝绳图2中EAC段进行受力分析，如图3所示，有∑ME=0，则

式中：yA为A截面的挠度；l为测力器标距。

图3 EAC段钢丝绳受力分析图

图4 ECD段钢丝绳受力分析图

同理，取图2中ECD段进行受力分析，如图4所示，取∑MD=0，

上式是在不考虑测量设备和钢丝绳本身自重等影响因素的理想状态下成立，和实际测量结果存在差异，因此还需进行二次测定，即张力T不变，对同一点取2次测量结果δ1、P1、δ2、P2，有

这里近似地Mc=M1，TyA=T1yA1，则可以推导出钢丝绳静、动张力测定计算公式：

式中，P、P1、P2是需要测量的值。

3 张力测量设备的设计

3.1 主要器件选择

测量设备选用MCS-51单片机系统[2]，测量设备采用的主控芯片为AT89C52，虽然控制的外围设备较多，但对于有32个双向I/O口的AT89C52来说，还是足以应付的，但是由于对键盘采用了专用的控制芯片，以及A/D转换部分采用了占用系统硬件资源最少的设计方案，而留下的I/O口主要用于完成与上位机的通信和控制LCD液晶显示器，系统显得很紧凑，为后来的PCB板设计，及仪器的结构设计带来了很多方便。将AT89C52硬件资源分配如下：P0口用于与AT89C2051的并行数据传送，并配合部分P3口用于数据传送的开始与结束控制，P1口用于液晶显示器的并行数据传送，P2口用于控制液晶显示器的显示模式，及显示命令的输入，部分P3口用于控制键盘操作。在主控制芯片的选择上，采用的AT89C52对于整个仪器的硬件、软件设计起到很关键的作用。同样可做资源升级而不改变硬件设计的芯片还有SM8951A/52A等硬件资源更为丰富的单片机产品。在液晶显示器件的选择上，目前市场上的液晶显示器件主要针对的是ARM/AVR系列高端单片机设计，功能极为丰富，但同时也有较多的控制口线，而本次设计所选用的ST7920-12864液晶显示器件只有16个控制口线，并且还内置了中文字库，这样最少的占用了系统的硬件和软件资源，同时又满足了仪器的要求。

3.2 测试仪的液晶显示接口设计

本文采用内置ST7920芯片的SMG12864ZK液晶显示模块作为系统的显示器件[3]。SMG12864ZK液晶显示模块可与CPU直接接口，省去了编写要显示的文字编码的过程，同时为主控芯片的程序存储器节省了空间，在引脚上共有20只引脚线。

在数据的传送上，该液晶显示器件还可以设置为并行或串行数据传输（需将器件背面的选择开关重新焊接，默认为并行数据传输），本案选择默认的并行数据传输。在电源上，器件及背景光源均采用5 V供电，属于低压微功耗类显示器件，工作电流也只有几微安/平方厘米。

在设计电路原理图时，充分地考虑到软件的设计过程，基本原则是在不增加硬件成本的同时，合理地设计电路结构使软件编程最简化。SMG12864ZK共有20只引脚线，其中DB7-DB14为并行数据接口，应与单片机的一个并行I/0口连接设计[4-5]AT89C52的P1口。RS/RW为液晶显示模块的读/写信号线，对应AT89C52的P3.6/P3.7信号线。E脚为使能信号线，接P3.4口。

对SGM12864ZK的软件编程分为对控制器写命令及对控制器写数据，由于SGM12864ZK带有内部字库，因此它对字符及汉字的处理是相当方便的，在外部只需要将字符及汉字的ASCII码值以十六进制的形式送到DB0-DB7，SGM12864ZK即可自动识别并显示输入的字符和汉字（因为汉字有2个字节，需2次写入数据，最后组合成为一个汉字，否则会出现乱码的现象）。

对ST7920的初始化包括设定其显示的行数[5]，字型大小，清除当前的屏幕显示，并设置显示、光标及光标闪耀的状态。也可对屏幕写满数据用来测试屏幕是否有坏点。在每个命令之间，应该有一定的时间延迟，一般为10 ms左右，来满足控制芯片的时序要求并且应留有一定的时间裕度。

3.3 设备的数据采集

由传感器输出的模拟电压信号值为1～5 V，但是ICL7135输入值的范围为±2 V，因此必需对模拟信号调理才能接入A/D转换器，在这里选用集成运算一种高放大倍数的直接耦合放大器OP07。

智能化测量控制仪表要完成对外界参数的测量并控制某些参数变化的任务，在钢丝绳张力测试仪中外界所测量的物理量是拉力，它通过电阻应变式变送器转变为电量，再经过放大、滤波，得到平滑的输入信号。这种输入信号还是连续的模拟量。然后通过A/D转换器对模拟的输入信号进行量化，得到幅度和时间均为离散信号的数字信号，送入单片机中进行处理。然后再将处理后的数字信号通过LCD显示出来。本文中选用的A/D转换器为ICL7135。

4 测量设备的安装

相对于已有的一些测量设备，大部分每次都只能测量1根钢丝绳的张力。对于类似电梯钢丝绳这样的多绳系统来说就会显得不那么方便。因此本文的设计方案是能够同时测量5根钢丝绳的张力，这样使得测量结果更加准确，能够同时测量5根钢丝绳的张力，也节省了检测过程中所需要的时间，如图5所示。

图5 测量设备安装示意图

在多次对轿箱顶部实地考察后，考虑到轿箱顶部空间狭小，轿顶围栏与钢丝绳尚有一定的距离，故采用支架结构对测量设备进行安装。支架顶端在测量设备的面板上可进行直接的拆卸，这样可增加设备的便携性。采用两段式可活动支架来调节设备与钢丝绳之间的距离，支架底端可锁在轿顶的围栏上。支架底端安装如猫爪一样的装置用来锁住轿顶的围栏，为防止打滑，安装时应加弹簧垫片。