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                                    助爬器控制器设计与实现

                                    添加时间:2019/03/12 来源:中国科学院大学 作者:邱永根
                                    基于单片机的助爬器控制器设计与实现是一次理论与实践的联系与尝试,也是一次从技术到产品、从工程项目到市场检验的全面考验。
                                    以下为本篇论文正文:

                                    摘要

                                      助爬器是一种辅助攀爬机器。它广泛应用于风力发电厂的塔筒内,为需要攀爬垂直接梯的工作人员提供向上的助力,提离作业效率与作业安全性。

                                      本论文主要探讨了常见助爬器的工作原理与主要功能,并通过市场调查与用户沟通等方式,了解到普通助爬器在功能上存在控制功能少、操作不灵活、价格商贵等不足么处。从技术上采用新的单片机直接控制助爬器操作的模式,对原有助爬器的进行了功能升级改造,使得新助爬器不仅达到了原来助爬器的性能,而且扩展了助爬器的功能,节省了成本,缩小了体积,为后续的功能扩展与提升提供了硬件基础。

                                      本文通过分析与记录原助爬器的多种工作模式与功能状态参数,在理解其业务需求与工作环境条件的基础上,用单片机控制助爬器的全部动作,达到了原有的性能,并在功能上有所拓展。在生产过程中克服了传感器与单片机接口匹配问题、恶劣环境下的电磁抗干扰问题,提高单片机实时控制程序的可靠性等实际问题,最终实现了用单片机对助爬器控制器的改造,通过了工程验收并批量投产,得了用户的普遍认可。

                                      本产品的设计与工程实践,为利用单片机实现工业助爬器提供了一套完整的解决方案,对设计满足用户实际要求的工业产品有一定的借鉴意义。同时在项目管理(平衡时间成本与巧备生产成本)上提供了一定的参考经验。

                                      关键词:助爬器,单片机,传感器,接口,电磁干扰

                                    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.

                                      能源是经济发展的动力,而绿色能源是社会可持续发展的基础。随着我国对清洁能源的需求越来越大,国家也相应加大了环保能源开发的政策扶持力度,这促进了近几年风力发电产业的快速发展。助爬器作为大型风力发电塔诸多配套设备的一个重要配件,随着风力发电机组设备的建设得到了越来越广泛的普及。

                                      风力发电主要是借助扇叶将空气运动的动能转化为机械能,然后通过磁电转换原理产生电能。通常高空气流运动的速度大于接近地面的气流,因此风力发电机机扇叶安装的高度越高,风速越大越平稳,风能可利用度高,发电效率大,但是扇叶的支撑高度也要求了支撑的塔筒高度,带来了高成本、高故障率等不利因素,为此风力发电机的扇叶通常安装在80米~100米左右的塔筒顶部。

                                      由于塔筒顶部的扇叶与发电机组等需要经常进行保养维护,塔筒内部空间相对狭小,无法安装电梯,上下塔筒只能依靠人工攀爬塔筒内的高80米左右的垂直爬梯。工作人员依靠体力每次上下攀爬如多米的塔筒是一个劳动强度很高的作业,同时超高度的攀爬对工作人员的也理压力可想而知。因此设计之中辅助攀爬工具显得十分必要,助爬器正是为此因运而生,其作用就是为攀爬人员提供向上攀爬的辅助拉力,既能为工作人员节省体力,又具有增强人身和也理安全保障的作用。它虽然不是风力发电的主体设备,但是其作为风电工程中必不可少的安全保障设施,已经得到越来越多的从业者的认可,普及到风电厂的塔筒与采矿矿井上下攀爬的安全生产环节中,成为了提高工人劳动效率,保障工人安全生产的重要安全工具。目前很多行业己经配备了大量各种各样的助爬器。

                                      本文在分析了几种助爬器功能的基础上,取长补短,采用简单明了的硬件设计,制作完成了一款工业用助爬器。它既保留了原助爬器的性能,又开发增加了新的功能,为助爬器的更广泛普及提供了技术保障。

                                      作为风力发电塔筒常用的助爬器,它包括机械部件与电子控制部分;挡考潭ㄓ谑迸捞荻ゲ坑氲撞康亩ɑ、环绕定滑轮及整个上下爬梯的钢丝绳、中间主驱动轮、W及固定连接配件构成。电子控制部分则由信号传感器,逻辑控制器,安全;て骷茸槌。它通过主动轮带动可连续运转的环梯钢丝绳为攀登者提供向上的助力,为作业工人提供安全保障。目前大多数助爬器中的辑控制器主要由PLC (可编程逻靖控制器)1及接口转换器组成。传感器采用光电赖合编码器2,驱动单元一般由伺服驱动器或者变频控制器3等构成。

                                      PLC (Rrogramming Logic Controller)是 1968 年美国通用汽车公司(GM)提出要求,美国数字设备公司(D防)研制出了世界上第一台可编程序控制器,并应用于通用汽车公司的生产线上。其核必思想是用程序代替硬接线,输入/输出电平可与外部装置直接相联,结构易于扩展等。虽然化C 一经推出,获得了工业界一直追捧与好评。?11:也1^其灵活的性能,易于使用,优秀的性能表现获得了极大的成功。但是随着单片机,特别是Soc4 (片上系统)单片机的推出,由于SoC具有体积小,功能强,成本低、耗电小,发热少,I/O接口功能强大,灵活方便,可编程能力强,易于移植等诸多优点。工业应用上逐渐出现了由SoC单片机替代PLC的趋势,特别在大量应用时,SoC的低成本与结构配置灵活等优势越来越明显。因此本文正是在这一市场需求鼓励下,设计出T用单片机控制的新型助爬器,它具有体积小,成本省,功能扩展方便,安全保密性强等特点,经过工程测试与验证,其性能达到了原助爬器性能要求,大大降低了工程安装成本,为助爬器的普及与应用提供了一种新的选择。

                                      助爬器控制器设计:

                                    单片机助爬器中的控制主板
                                    单片机助爬器中的控制主板

                                    新旧助爬器性能对比测试环境
                                    新旧助爬器性能对比测试环境

                                    设备进行耐低湿测试
                                    设备进行耐低湿测试

                                    本项目单片机助爬器外观图
                                    本项目单片机助爬器外观图

                                    目录

                                      摘要
                                      ABSTRACT
                                      第一章 绪论
                                        1.1 研究背景与意义
                                        1.2 本课题研究进展与实现原理
                                          1.2.1 普通助爬器的原理与实现
                                          1.2.2 单片机助爬器的设计与实现
                                        1.3 本文研究的内容
                                        1.4 本文纪织结构
                                      第二章 单片的硬件设计与实现
                                        2.1 单片机助爬器的总体设计
                                        2.2 单片机选型
                                        2.3 伺服驱动器与伺服电机选型
                                          2.3.1 伺服驱动器介绍
                                          2.3.2 伺服驱动器与伺服电机选型
                                          2.3.3 伺服驱动器与伺服电机性能介绍
                                        2.4 单片机助爬器的接口电路
                                          2.4.1 AD采集接日与I/O转换电路
                                          2.4.2 伺服驱动器与单片化AD接口电路
                                          2.4.3 单片机DAC控制信号输出
                                        2.5 电源电路
                                        2.6 小结
                                      第三章 单巧机助IBS的巧件没计与实现
                                        3.1 单片机C8051F020软件编积概述
                                        3.2 单片机助爬器的工作过程与编程
                                          3.2.1 助爬器动作要求与单片机程序功能
                                          3.2.2 主控程序设计
                                        3.3 AD采集辅程序设计
                                          3.3.1AD采集软件原理
                                          3.3.2 配置端口1的引脚为模拟输入
                                          3.3.3AD软件主要功能代码
                                        3.4 DAC输出电路编程
                                          3.4.1 软件设计原理
                                          3.2.2 配置DAC1通道输出端
                                          3.3.3 DAC输出部分主要功能程序
                                        3.5 单片机抗干扰与稳定椎获件设计
                                          3.5.1 影响软件稳定性的因素
                                          3.5.2 软件稳定性与抗干扰设计
                                        3.6 小结
                                      第四章 单片机助爬器工程中的问题与测试
                                        4.1 单片机助爬器工程中出现的问题
                                          4.1.1 硬件问题
                                          4.1.2 软件问题
                                          4.1.3 其他问题
                                        4.2 克服助爬器工程问题的办法
                                        4.3 工程验证与测试
                                          4.3.1 单片机助爬器性能对比测试
                                          4.3.2 设备高低温测试与老化试验
                                        4.4 小结
                                      第五章 结论与展望
                                        5.1 主要完成的工作与结论
                                        5.2 后续工作与展望
                                      参考文献
                                      致谢
                                      个人简历、在学期间发表的论文与研究成果

                                    (如您需要查看本篇毕业设计全文,请您联系客服索。

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