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                        助爬器控制器設計與實現

                        添加時間:2019/03/12 來源:中國科學院大學 作者:邱永根
                        基于單片機的助爬器控制器設計與實現是一次理論與實踐的聯系與嘗試,也是一次從技術到產品、從工程項目到市場檢驗的全面考驗。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          助爬器是一種輔助攀爬機器。它廣泛應用于風力發電廠的塔筒內,為需要攀爬垂直接梯的工作人員提供向上的助力,提離作業效率與作業安全性。

                          本論文主要探討了常見助爬器的工作原理與主要功能,并通過市場調查與用戶溝通等方式,了解到普通助爬器在功能上存在控制功能少、操作不靈活、價格商貴等不足么處。從技術上采用新的單片機直接控制助爬器操作的模式,對原有助爬器的進行了功能升級改造,使得新助爬器不僅達到了原來助爬器的性能,而且擴展了助爬器的功能,節省了成本,縮小了體積,為后續的功能擴展與提升提供了硬件基礎。

                          本文通過分析與記錄原助爬器的多種工作模式與功能狀態參數,在理解其業務需求與工作環境條件的基礎上,用單片機控制助爬器的全部動作,達到了原有的性能,并在功能上有所拓展。在生產過程中克服了傳感器與單片機接口匹配問題、惡劣環境下的電磁抗干擾問題,提高單片機實時控制程序的可靠性等實際問題,最終實現了用單片機對助爬器控制器的改造,通過了工程驗收并批量投產,得了用戶的普遍認可。

                          本產品的設計與工程實踐,為利用單片機實現工業助爬器提供了一套完整的解決方案,對設計滿足用戶實際要求的工業產品有一定的借鑒意義。同時在項目管理(平衡時間成本與巧備生產成本)上提供了一定的參考經驗。

                          關鍵詞:助爬器,單片機,傳感器,接口,電磁干擾

                        Abstract

                          Assistant climbing device is an equipment toat can provide an auxiliary pulling strength when somebody iS climbing. It is popular used in barrel towers of wind power station and can give helpful power for the people who need climb up with ver tical ladder and increase people works efficiency and safety.

                          This toesis primarily studies toe common assistant dimbing device works theory and main functions. With market survey and talk with the end user,the normal assis- tant climbing device has poor fUnctions to control, not flexible in operating,high price and other deficiencies. By using a new mode with MCU control the device di- rectly,the original equipment has been upgraded new functions and not only keep the old device performance but also ext;end the device functions, save cost for every equipment,reduce the device si之e and provide hardware support port for extend func- tions in the future.

                          This thesis record and smalyze the assistant climbing device parameters in every kinds working mode and status. Basing on understand toe device works and environ- ment requirement, By using MCU control all movement of equipment keep the orig- inal performance and extend hem functionality. Overcome the practical problem such as interface matching between MCU and sensor,anti-interference in harsh environ- ments and improve the MCU real controller program works dependabUity, in finally implemented to reform assistant climbing device,pass tile acceptance of works and quantity production, importantly it was approved by the end customer.

                          This product design and practice provide a complete solution project of using MCU control the industrial assistant climbing device, it has a reference value to de- sign industrial product which can content the real requirement of customer and give some value experience in project manage how to balance the time costs and product manufacture cost.

                          Key Words: Assistant climbing device. Single Chip Microcomputer, Sensor, Interface, Electromagnetic interference.

                          能源是經濟發展的動力,而綠色能源是社會可持續發展的基礎。隨著我國對清潔能源的需求越來越大,國家也相應加大了環保能源開發的政策扶持力度,這促進了近幾年風力發電產業的快速發展。助爬器作為大型風力發電塔諸多配套設備的一個重要配件,隨著風力發電機組設備的建設得到了越來越廣泛的普及。

                          風力發電主要是借助扇葉將空氣運動的動能轉化為機械能,然后通過磁電轉換原理產生電能。通常高空氣流運動的速度大于接近地面的氣流,因此風力發電機機扇葉安裝的高度越高,風速越大越平穩,風能可利用度高,發電效率大,但是扇葉的支撐高度也要求了支撐的塔筒高度,帶來了高成本、高故障率等不利因素,為此風力發電機的扇葉通常安裝在80米~100米左右的塔筒頂部。

                          由于塔筒頂部的扇葉與發電機組等需要經常進行保養維護,塔筒內部空間相對狹小,無法安裝電梯,上下塔筒只能依靠人工攀爬塔筒內的高80米左右的垂直爬梯。工作人員依靠體力每次上下攀爬如多米的塔筒是一個勞動強度很高的作業,同時超高度的攀爬對工作人員的也理壓力可想而知。因此設計之中輔助攀爬工具顯得十分必要,助爬器正是為此因運而生,其作用就是為攀爬人員提供向上攀爬的輔助拉力,既能為工作人員節省體力,又具有增強人身和也理安全保障的作用。它雖然不是風力發電的主體設備,但是其作為風電工程中必不可少的安全保障設施,已經得到越來越多的從業者的認可,普及到風電廠的塔筒與采礦礦井上下攀爬的安全生產環節中,成為了提高工人勞動效率,保障工人安全生產的重要安全工具。目前很多行業己經配備了大量各種各樣的助爬器。

                          本文在分析了幾種助爬器功能的基礎上,取長補短,采用簡單明了的硬件設計,制作完成了一款工業用助爬器。它既保留了原助爬器的性能,又開發增加了新的功能,為助爬器的更廣泛普及提供了技術保障。

                          作為風力發電塔筒常用的助爬器,它包括機械部件與電子控制部分。機械部件固定于豎直爬梯頂部與底部的定滑輪、環繞定滑輪及整個上下爬梯的鋼絲繩、中間主驅動輪、W及固定連接配件構成。電子控制部分則由信號傳感器,邏輯控制器,安全保護器件等組成。它通過主動輪帶動可連續運轉的環梯鋼絲繩為攀登者提供向上的助力,為作業工人提供安全保障。目前大多數助爬器中的輯控制器主要由PLC (可編程邏靖控制器)1及接口轉換器組成。傳感器采用光電賴合編碼器2,驅動單元一般由伺服驅動器或者變頻控制器3等構成。

                          PLC (Rrogramming Logic Controller)是 1968 年美國通用汽車公司(GM)提出要求,美國數字設備公司(D防)研制出了世界上第一臺可編程序控制器,并應用于通用汽車公司的生產線上。其核必思想是用程序代替硬接線,輸入/輸出電平可與外部裝置直接相聯,結構易于擴展等。雖然化C 一經推出,獲得了工業界一直追捧與好評。?11:也1^其靈活的性能,易于使用,優秀的性能表現獲得了極大的成功。但是隨著單片機,特別是Soc4 (片上系統)單片機的推出,由于SoC具有體積小,功能強,成本低、耗電小,發熱少,I/O接口功能強大,靈活方便,可編程能力強,易于移植等諸多優點。工業應用上逐漸出現了由SoC單片機替代PLC的趨勢,特別在大量應用時,SoC的低成本與結構配置靈活等優勢越來越明顯。因此本文正是在這一市場需求鼓勵下,設計出T用單片機控制的新型助爬器,它具有體積小,成本省,功能擴展方便,安全保密性強等特點,經過工程測試與驗證,其性能達到了原助爬器性能要求,大大降低了工程安裝成本,為助爬器的普及與應用提供了一種新的選擇。

                          助爬器控制器設計:

                        單片機助爬器中的控制主板
                        單片機助爬器中的控制主板

                        新舊助爬器性能對比測試環境
                        新舊助爬器性能對比測試環境

                        設備進行耐低濕測試
                        設備進行耐低濕測試

                        本項目單片機助爬器外觀圖
                        本項目單片機助爬器外觀圖

                        目錄

                          摘要
                          ABSTRACT
                          第一章 緒論
                            1.1 研究背景與意義
                            1.2 本課題研究進展與實現原理
                              1.2.1 普通助爬器的原理與實現
                              1.2.2 單片機助爬器的設計與實現
                            1.3 本文研究的內容
                            1.4 本文紀織結構
                          第二章 單片的硬件設計與實現
                            2.1 單片機助爬器的總體設計
                            2.2 單片機選型
                            2.3 伺服驅動器與伺服電機選型
                              2.3.1 伺服驅動器介紹
                              2.3.2 伺服驅動器與伺服電機選型
                              2.3.3 伺服驅動器與伺服電機性能介紹
                            2.4 單片機助爬器的接口電路
                              2.4.1 AD采集接日與I/O轉換電路
                              2.4.2 伺服驅動器與單片化AD接口電路
                              2.4.3 單片機DAC控制信號輸出
                            2.5 電源電路
                            2.6 小結
                          第三章 單巧機助IBS的巧件沒計與實現
                            3.1 單片機C8051F020軟件編積概述
                            3.2 單片機助爬器的工作過程與編程
                              3.2.1 助爬器動作要求與單片機程序功能
                              3.2.2 主控程序設計
                            3.3 AD采集輔程序設計
                              3.3.1AD采集軟件原理
                              3.3.2 配置端口1的引腳為模擬輸入
                              3.3.3AD軟件主要功能代碼
                            3.4 DAC輸出電路編程
                              3.4.1 軟件設計原理
                              3.2.2 配置DAC1通道輸出端
                              3.3.3 DAC輸出部分主要功能程序
                            3.5 單片機抗干擾與穩定椎獲件設計
                              3.5.1 影響軟件穩定性的因素
                              3.5.2 軟件穩定性與抗干擾設計
                            3.6 小結
                          第四章 單片機助爬器工程中的問題與測試
                            4.1 單片機助爬器工程中出現的問題
                              4.1.1 硬件問題
                              4.1.2 軟件問題
                              4.1.3 其他問題
                            4.2 克服助爬器工程問題的辦法
                            4.3 工程驗證與測試
                              4.3.1 單片機助爬器性能對比測試
                              4.3.2 設備高低溫測試與老化試驗
                            4.4 小結
                          第五章 結論與展望
                            5.1 主要完成的工作與結論
                            5.2 后續工作與展望
                          參考文獻
                          致謝
                          個人簡歷、在學期間發表的論文與研究成果

                        (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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