基于MMA7455的施工升降機安全控制系統的設計*

何 清，蘇 娟,余向陽

（湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082）

施工升降機將人或物料在大范圍內進行垂直升降和搬運，是常見的建筑施工設備中事故發生概率較大的建筑機械[1]。因為工作中不能預知哪個樓層需要停站且吊籠不能預知載荷，導致施工升降機不能穩定地安全運行，運輸效率低下。現代建筑的特點導致超高層建筑物的出現，大運輸量的高速升降機必不可少，但它的安全可靠性是極為重要的[2]。

針對施工升降機現行安全管理的特點，升降機作業時大量的、無作用的往返運動，將嚴重影響工作效率。同時在升降過程中頻繁地起制動時，由于速度變化而產生動載荷問題，施工升降機誤報警的情況時有發生。目前各級管理者、監管者僅靠人工對特種設備進行有限的分散抽檢，從效率和費用及準確性等方面都遠遠滿足不了要求，也帶來了巨大的安全隱患和風險壓力。針對上述缺點，本文設計了一種施工升降機遠程安全控制系統。

1 系統總體結構

系統主控制芯片采用SILICON公司的模數混合微控制器。通過采集安裝在升降機吊籠頂部的銷軸式重量傳感器信號，經濾波、放大、A/D采樣后轉換成數字信號。經由加速度傳感器校正，用來實時監測吊籠內的載荷，判斷是否超載，同時又可以為控制電機正反轉提供依據。無線樓層模塊采用315 MHz無線頻率傳輸，通過PT2262/PT2272編解碼后發送、接收各個樓層信號,同時利用旋轉編碼器的脈沖數標定各個樓層高度。在進行升降操作時根據計數器得到的脈沖數與相應樓層的脈沖數進行比對，以確定電機的啟停。電機控制模塊由具有光電隔離的固態繼電器構成，固態繼電器控制交流接觸器以達到驅動升降機電機的目的。系統通過鍵盤模塊和數碼顯示模塊完成人機交互和輸入輸出。遠程通信模塊利用AT指令控制M10通信模塊，以收發短消息的方式實現遠程監測的目的。如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 重量采集模塊設計

系統主要利用2路銷軸式重量傳感器采集吊籠重量，以實現對吊籠重量的實時監控，防止超載事故的發生。采用CD4052雙4路模擬開關來切換2路重量傳感器和自檢信號。經過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生的mV級信號。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)、低失調電壓(最大 50 μV)和低失調漂移(最大 0.6 μV/°C)等特性。非常適合于該系統中對重量傳感器信號的放大。放大以后的信號再經過一級有源低通濾波器后，進入A/D轉換。單片機實時轉換后獲取數據，完成對吊籠載荷的實時監控。當CD4052切換到2路重量傳感器信號分時輸入時，不僅能夠通過求和計算出當前載荷，還能夠及時發現升降機吊籠偏載或某一傳感器故障等情況。當切換到自檢時，利用自檢信號可以排除信號采集部分的硬件故障情況。重量信號采集原理如圖2所示。

2.2 加速度采集模塊設計

通常施工升降機避免動載荷的問題采用加長濾波時間常數，但是會導致系統反應時間較慢，不符合實時響應的特點。另外，還有采用起重機械系統運動數學模型進行自適應動載荷濾波的方法[3]。由于自適應濾波校零環節需要參考模型及對模型參數的精確確定,從而進行大量的數學運算，因此也不宜采用。所以，本文采用了加速度的方法避免動載荷問題。

MMA7455是一款數字輸出、低功耗、緊湊型電容式微機械加速度傳感器，具有信號調理、低通濾波器、溫度補償及自檢測試功能，并可實現中斷引腳（INT1或 INT2）配置、自由落體動力(0 g)檢測以及脈沖檢測（用于快速運動檢測）等功能[4]。設置加速度傳感器靈敏度量程為±2 g模式，且由于施工升降機為垂直起升工作，只需要測試Y軸參數即可。

MMA7455數字輸出支持 I2C、SPI接口方式。本系統為兼容數據的存儲，選用I2C接口方式獲取當前加速度值。通過對比標準重力加速度值來修正采集的重量傳感器值。若加速度值大于一個閾值,則認為當前處于動載荷變化較大時刻，則舍棄當前采集的重量傳感器的A/D值，采用上一個采集流程的值。再通過對重量傳感器值進行一階濾波后，輸出顯示當前載荷的百分比。因此，能有效減少升降機在起升和制動由于加速度變化而產生的誤報警情況，為建筑施工安全運行提供重要保障。

2.3 數據存儲及接口電路模塊設計

數據存儲及接口電路模塊是該系統的核心模塊，能夠存儲施工升降機運行的各項安全參數。存儲的數據內容主要包括施工升降機“學習”時設置的零點值和增益值，還將其運行時每次過載值、額定值、呼叫樓層、過載時間、加速度異常值、上電時間和掉電時間進行存儲。記錄上電時間和掉電時間可以更好地督促操作人員按操作手冊安全工作,防止人為關閉或旁路超載保護器，避免了安全隱患。

AT24C64是一個容量為64 KB的串行CMOS EEPROM,該器件通過I2C總線接口進行操作。另外,設計了U盤讀寫的電路及USB接口,選用芯片CH375來實現。它具有8 bit數據總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機等控制器的系統總線上。通過采用提供的FAT32文件系統，能夠輕松實現U盤上各級文件級的應用。當系統檢查到有U盤插入時，指示燈亮，即可將數據轉存入U盤，為管理者和監管部門提供實時數據參考[5]。U盤接口電路原理圖如圖3所示。

2.4 無線樓層呼叫接收模塊設計

無線樓層呼叫接收模塊由呼叫分機和接收主機組成。無線樓層呼叫分機安裝在各個樓層入口處，主機安裝在施工升降機吊籠內。無線編解碼電路采用臺灣普城公司的 PT2262/PT2272，它最多可有 12位(A0～A11)三態地址端管腳(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)數據端管腳,設定的地址碼和數據碼從 17腳串行輸出，用于工業無線遙控發射電路。在該系統中各個樓層分機需要設置好唯一的樓層號當有樓層呼叫時，通過編碼芯片PT2262將樓層號編碼后，由315 MHz無線發送模塊發送出去。接收主機通過315 MHz無線接收模塊接收到樓層編碼信號，由解碼芯片PT2272解碼后，送單片機處理來實現樓層信號的無線呼叫與應答[6]。采用315 MHz無線收發模塊實現多對一的無線組網方式，避免了施工過程中隨著樓層的升高線路鋪設的麻煩，具有比有線組網方式具有更加靈活、實用的優點。無線樓層呼叫分機原理如圖4所示。

2.5 遠程通信模塊設計

遠程通訊部分采用QUECTEL公司的M10模塊,它基于工業標準接口,支持GSM/GPRS 850 MHz/900 MHz/1 800 MHz/1 900 MHz的語音、短信、數據傳輸和傳真等功能，具有小尺寸、低功耗的特點,是一款 SMD類型的GSM/GPRS四頻模塊,可以很方便地嵌入到工業應用中。單片機通過對串口的操作，利用AT指令與M10模塊通信，實現短信息的收發及數據的傳輸。管理人員只需發送短信息到遠程通信模塊即可獲取施工升降機參數或者設置是否需要短信報警等功能，為施工升降機租賃管理帶來方便。

3 系統軟件設計

開機后進行系統的初始化，包括主控MCU自身初始化和顯示參數的初始化,系統判斷是正常運行狀態或是設置狀態。當運行狀態正常時,則獲取重量傳感器的值和加速度值，經過校正處理后輸出顯示并且判斷是否報警。若報警則存儲當前報警參數信息，并且驅動聲光報警裝置,檢查是否有樓層呼叫信號產生，若有呼叫信號則根據樓層數和當前吊籠的載荷驅動電機正反轉，將吊籠運行至呼叫樓層。系統同時檢查是否有U盤接入系統,若有則復制存儲區內容到U盤。設置狀態時，通過獲取當前的按鍵值進行系統自檢或者零點、增益等參數的設置。設置完成后清除設置狀態標志，返回到正常運行狀態。主系統軟件流程圖如圖5所示。

4 實驗數據分析

施工現場，通過編寫測試程序。施工升降機載一定載荷時，連續往返運行一次，通過串口實時觀察加速度數據、重量傳感器A/D值、顯示的百分比值。實驗數據如表1所示(表中數據只是列出了加速度有劇烈變化時的一段值)。從表中數據可以看出，沒有加入加速度傳感器校正時，百分比值超出了95%的預警值，發生了誤報警的情況;而加入加速度校正后的顯示值只有微小的波動，能滿足現場的需求。

表1 有無加速度測試數據結果

基于微電子機械系統MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技術，構建了一種利用GPRS模塊實現工程升降機中遠程安全監控系統。實現了對升降機在線、無線遠程實時安全監控及自動保護的目的。夠有效地使施工升降機運行更高效、更安全。利用廉價的GSM網絡，具有更加廣泛的應用價值。經過現場實際運行，能基本滿足《施工升降機》國家標準GB/T10054-2005中對安全保護自動化裝置的各項要求。該裝置已通過了國家特種設備安全型式試驗,在某大型工程機械國企得到了應用，反響效果良好。

[1]劉云斐,劉明.施工升降機自動化的安全控制[J].品牌與標準化，2011(2):46-47.

[2]倪建軍,韋權偉,白彬.施工升降機、塔機在線無線遠程監測系統介紹[J].建筑機械,2009(4):66-69.

[3]顧偉,褚建新.基于逼近濾波遞推濾波原理的大塊分量物沖擊載荷自適應辨識[J].機械工程學報,2009,45(1):282-286.

[4]王鵬,黃冰,陳婷.基于MMA7455L加速度鼠標的研究[J].傳感技術學報,2010,23(7):1044-1047.

[5]劉教瑜,黃少軍.智能起重機超載限制器設計[J].自動化技術與應用,2007,26(2):98-101.

[6]沈剛,呂廣明,韓俊偉,等.施工升降機平層控制位置檢測裝置設計[J].建筑機械化,2008,29(9):31-33.