宁波市特种设备考验研究院 宁波 315048
摘 要：设计了一种具备一工装构造的电子式电梯钢丝绳张力计。该张力计操作办法类似于普通弹簧秤测力法，通过工装构造中的角度监测单元实时监测受拉钢丝绳的张角值以确定各钢丝绳被拉至同一水平径向位置的办法，提高了张力丈量精度和操作便捷性。为实现张力计的功能，开拓了一种基于MCU dsPIC30F4012 为主控芯片、以HX711+ 悬臂梁传感器为张力采集模块，以AS5045 为角度监测模块的张力计软件掌握系统，系统软件基于模块化思想，把张力计整体功能模块分解成各个功能子模块。在主程序等分别调用功能子模块程序，以实现张力计对张角、张力数据采集处理，判断张力差是否超标，并实现了显示、报警提示等干系人机交互功能。
关键词：张力；工装构造；掌握系统软件；便捷；模块化
中图分类号：TU857 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）23-0069-07
0 弁言
目前，电梯钢丝绳张力检测法紧张有2 种[1]，一种是弹簧秤测力法，其余一种是电子张力计法。普通弹簧秤测力法为人处于轿顶，操作弹簧秤逐一拉动各钢丝绳至同一水平径向位置，记录每根钢丝绳的张力值，打算出各钢丝绳的均匀张力，再打算各钢丝绳的张力与均匀张力的偏差是否在5% 的许可范围内。该方法虽大略直不雅观，但需同时掌握间隔和张力2 个物理量，操作时不仅须要用刻度尺来确定各钢丝绳是否拉至同一水平径向位置，同时还需关注弹簧秤的张力值，操作不便，丈量精度低下，每每不适宜一个人在轿顶操作。现有的电子张力计均由“三点法”事理研制而成[2]，虽张力丈量精度大大提高，但是体积、质量较大，易于与钢丝绳或其他轿顶设备产生干涉，不便在轿顶繁芜环境中操作。有些电子张力计的研发也并不是专用于电梯钢丝绳张力的丈量，在设计时，未考虑丈量环境的繁芜性和分外性。现有电子式张力计还存在一个缺陷，在丈量各钢丝绳张力时，须要手动加载各钢丝绳至同一水平径向位置。电子张力计虽然能显示张力值，但存在读取钢丝绳径向位移的麻烦，难以精确担保手动加载各钢丝绳至同一水平径向位置。
钢丝绳张力对电梯运行至关主要，但目前缺少一种构造小巧、携带方便、操作便捷、效率高、精度高、专用于电梯钢丝绳张力检测的张力计，故设计开拓了一种在操作办法上类似于普通弹簧秤测力法，具有一工装构造装置，能自动判断张力是否超标的电子式张力计。该张力计构造风雅，便于携带，吸取了普通弹簧测力法大略直不雅观的优点，又兼顾了电子张力计精度精准，能自动判断张力差。
1 张力计的构造及事情事理
普通弹簧秤测力法需用刻度尺肉眼不雅观察各钢丝绳是否拉至同一水平径向位置，在轿顶繁芜环境中操作相对繁杂，费时费力。根据三角关系，若拉动同一水平面上的各钢丝绳至相同水平径向位置，那么各弯折钢丝绳在拉力点所形成夹角（以下简称张角）一定是相同的，而角度的采集，相对付间隔的丈量，更为大略随意马虎。因此就通过大略的张角丈量，就可以确定钢丝绳的拉动间隔，避免了肉眼读取刻度尺所带来的偏差和操作上的啰嗦。为了丈量受拉弯折钢丝绳的张角，开拓了一种钢丝绳的工装构造[3]，其构造如图1 所示。
1. 钢丝绳上套环 2. 上迁徙改变杆件 3. 角度监测单元4. 迁徙改变止挡 5. 钢丝绳下套环 6. 下迁徙改变杆件7. 迁徙改变销轴 8. 复位弹簧
图 1 工装构造装置构造图
工装构造紧张由高下迁徙改变杆件、角度监测单元、迁徙改变止挡等组成。高下迁徙改变杆件的高下端分别由可供钢丝绳伸入，与钢丝绳紧密合营的高下套环构成。高下迁徙改变杆件与迁徙改变销轴合营形成迁徙改变副，迁徙改变轴端部安装有角度检测单元，用于采集高下迁徙改变杆件的迁徙改变角度。在迁徙改变止挡与复位弹簧的共同浸染下，使高下迁徙改变杆件保持在预备初始位置。（两杆成180°）工装构造的构造简图如图2a、图3a 所示，CAO1 即为上迁徙改变杆件，DBO1即为下迁徙改变杆件。个中CA 垂直于杆件AO1，杆件CA垂直于上套环，杆件DB 垂直于杆件BO1，杆件DB 垂直于下卡套，且CA=DB，AO1=BO1，当工装构造与钢丝绳套接在一起，在高下杆件中央点O2 水平径向拉动钢丝绳，根据以上几何关系可得，两迁徙改变杆件所形成的张角β 始终即是弯折钢丝绳所形成的张角α。若拉力消逝，在弹簧力与迁徙改变止挡的浸染下，工装构造有规复到预备初始位置。
综上所述，通过钢丝绳工装构造中的角度监测单元精确的获取受拉弯折钢丝绳的张角，来间接确定各钢丝绳拉至同一水平径向位置，确保了丈量精度。张力计的事情事理如图2b、图3b 所示，只要逐一拉动各钢丝绳至同一预设定张角，系统自动存储当时的张力值，且发出报警提示声，提示丈量职员完成该根钢丝绳张力的丈量，进入下一根钢丝绳张力的丈量。丈量完毕时，张力计通过打算，显示不合格钢丝绳绳号。
1. 上套环 2. 上钢丝绳 3. 下钢丝绳4. 下套环 5. 下杆件 6. 复位弹簧 7. 上杆件
（a）预备初始示意简图
(b) 预备初始状态三维图
图 2 工装构造预备初始状态
上套环 2. 上波折钢丝绳 3. 下波折钢丝绳4. 下套环 5. 下杆件 6. 复位弹簧 7. 上杆件
(a) 受拉事情示意简图
(b) 受拉事情状态三维图
图 3 工装构造受拉事情状态
为实现上述功能，开拓了以MCU dsPIC30F4012 为核心的主控芯片、以HX711+ 悬臂梁传感器为张力采集模块，以AS5045 为角度监测模块的张力计硬件掌握系统框架。掌握系统软件采取主程序模块和子程序模块。子程序紧张由各个特定功能模块程序组成。掌握系统主程序紧张实现各个子程序模块的调用，实现了一种便捷式电梯钢丝绳张力计对各受拉钢丝绳张力偏差判断并显示的功能。
2 主程序软件
子程序模块紧张包括张力采集子程序、预设张角偏差子程序、张角监测子程序、CN 中断按键功能子程序、数据中值均匀化处理子程序、张力偏差判断子程序、报警提示子程序、数码管显示子程序等。为实现张力计功能，主程序对上述子程序履行调用。程序初始化紧张完成I/O 引脚输入输出定义、I/O 引脚功能设置、定时器tiner1 初始化设置、按键功能CN 中断设置等。预设张角偏差值、是否开始丈量、是否丈量完毕的确定取决于是否按下相应的功能按钮。主程序流程如图4 所示。
图 4 张力计主程序流程
3 子程序软件
3.1 张力采集子程序
张力传感器采取的是400 N 的悬臂梁传感器[4]，传感器的满量程电压= 勉励电压× 灵敏度1.0 mV/V，而勉励电压为5 V，故该传感器的满量程电压仅为5mV。选用一款专为高精度电子秤而设计的24 位A/D转换芯片HX711，设置可编程增益为128 的通道A 作为张力差分输入旗子暗记口。而张力数据A/D 转换完成，需通过HX711 的串口通讯口管脚PD_SCK 和DOUT来进行数据通报。对HX711 张力数据读取流程如图5所示。
DO_IN 为dsPIC30F4012 中读取HX711 张力数据的引脚，与HX711 中的DOUT 相连。而CK_OUT 为脉冲发送引脚，与HX711 中的PD_SCK 相连。只有当DO_IN 从高电平变为低电平时，才能开始读取HX711中的24 位张力数据。每当脉冲旗子暗记CK_OUT 从低电平转换到高电平，DOUT 输出1 位张力数据。直至发送完24 个脉冲旗子暗记，变量Count 即为24 位张力数据。SRbits.IPL=7 是为了把CPU 的中断优先级置为7，以避免读取张力数据时，CPU 被中断，影响张力数据读取准确性。
3.2 张角监测子程序
为了实时监测受拉弯折钢丝绳的张角，采取磁性角度传感器芯片AS5045[5]，AS5045 的同步串行接口与dsPIC30F4012 进行数据通报， 流程如图6 所示。CSN_OUT 为AS5045 片选旗子暗记，DO_IN 为dsPIC30F4012 中读取AS5045 张角数据的引脚。CLK_OUT 为脉冲发送旗子暗记。当脉冲由低电平到高电平时，dsPIC30F4012 即可向AS5045 读取张角数据。因AS5045 为12 位霍尔角度传感器芯片，故发送12个脉冲后，变量Content_pos 后12 位数据即为张角数据。
图 5 张力采集子程序
图 6 张角监测子程序
3.3 预设张角偏差子程序
不同电梯的钢丝绳直径、材质、支配办法不同，故水平径向拉动钢丝绳至同一间隔，钢丝绳在受拉点所形成的弯折角( 张角) 是不同的，且不同类型的钢丝绳其受拉软硬程度也是不一致的，故需设置不同的张角偏差值。把不同的张角偏差值分为5 个等级，每一等级的张角偏差值是不一样的，详细偏差值由数组Angle_yushe[5] 中的5 个元素决定。张角偏差设置流程如图7 所示，Key_next 键用以切换张角偏差等级Angle_yushe_code，且4LED 数码管显示张角偏差等级，直到按下Key_determine 键，来确定张角偏差等级。
图 7 张角偏差设置子程序
3.4 张力偏差判断子程序
待张力计丈量完毕各钢丝绳的张力，张力计进入张力偏差判断， 逐一判断各钢丝绳的张力与均匀张力的偏差值与标准值0.05 的大小， 大于0.05 则该根钢丝绳张力超标，反之合格。软件流程如图8所示。
3.5 数码管显示子程序
3.5.1 芯片74HC595 串行输入并行输出程序
张力计的显示紧张由4 个8 段码LED 数码管组成，而8 段码LED 由2 块7 4 H C 5 9 5 来驱动， 2块7 4 H C 5 9 5 级联而成， 实现了段码及位码数据的串行输入并行输出功能， 软件流程如图9所示。
X 为要输出的8 位段码或位码，DIO_OUT 为74HC595 串行数据输入口，SCLK_OUT 为数据输入时钟旗子暗记，RCLK_OUT 为锁存时钟旗子暗记， 全体LED_OUT( ) 程序实现了把段码或位码从高位到低位逐位串行移位8 位并行输出的功能。
图 8 张力偏差判断子程序
图 9 串行输入并行输出子程序
3.5.2 数码管动态显示输出程序
4LED 数码管要实现动态显示只需调用函数LED_Display(GW,SW,BW,QW)，显示内容由4 个形参GW，SW，BW，QW 的数值所决定。GW，SW，BW，QW 是指距段码表数组LED_OF[ ] 首地址的长度。如GW=1，SW=2，BW=3，QW=4 即为元素LED_[1]，LED_[2]，LED_[3]，LED_[4] 段码所对应的显示内容。段码表数组LED_OF[ ] 中的元素为数字、带小数点的数字、全灭、部分英笔墨母等段码。
4 个LED 数码管的位选由位码数组bit_Select[4] 中的4 个元素确定，bit_Select[0] 的位码由595 并行输出代表使能GW数码管，bit_Select[1] 代表使能SW数码管，bit_Select[2] 代表使能BW 数码管，bit_Select[3] 代表使能QW 数码管。
为了切换4 个段码的内容，定义数组ge_shi_bai_qian[4]， 把GW 赋值给ge_shi_bai_qian[0]， 把SW 赋值给ge_shi_bai_qian[1]， 把BW 赋值给ge_shi_bai_qian[2]，把QW 赋值给ge_shi_bai_qian[3]。结合位码数组bit_Select[4] 的先容，设置变量n 为切换变量，轮流显示4 个数码管，动态显示流程如图10 所示。
图 10 数码管动态显示输出程序
3.5.3 程序动态显示输出程序调用办法
1）主程序中循环调用子程序LED_Display( )，为了不影响显示效果，哀求实行到LED_Display( ) 的周期<5 ms。采取这种显示办法的显示子程序如下：1."n b tJ" 字符显示；2. 准备开始张力丈量标识"_ _ _ _" 显示；3. 进入张力偏差判断标识". . . ." 显示；4. 张力合格标识"PASS" 显示。
2）定时中断动态显示：即在timer1 定时中断做事程序中调用显示子程序LED_Display( )。在钢丝绳张力丈量过程中，须要数码管实时显示张力值，但在实行张力采集子程序时，张力数据处理芯片HX711 的采样频率为10 Hz，也便是实行张力子程序的韶光周期约为100 ms。如果实时显示张力值连续采取在主程序中调用LED_Display( ) 这种显示办法，则数码管的扫描频率过大，将会严重影响显示效果。故实时显示张力值应采取定时中断动态显示办法，但若采取这种办法，单片机CPU 在读取张力数据和角度数据时，会发生定时中断，影响采集数据的准确性。为担保数码管显示效果，同时担保在读取张力和角度数据时，程序不被定时中断打断，应关闭定时中断。而在单片机读完数据时，使能定时中断。因单片机读取张力和角度值的韶光很短，故不会影响数码管显示效果。
3.6 其他子程序
为赞助完成张力计功能，还有CN 中断按键功能子程序。张力计设置了开始丈量、下一个、确定、结束丈量4 个功能按钮。这4 个功能按钮分别与dsPIC30F4012中具备CN 中断功能的I/O 口连接。一旦某个功能键动作，dsPIC30F4012 立即发生CN 中断。在CN 中断相应程序中置相应的按键标志变量为1，主程序中扫描相应的按键标志变量的状态，以相应并实行不同的功能和流程。而数据中值均匀化处理子程序紧张是为准确得到初始空载张力值和初始张角值，减小数据颠簸，对初始空载张力值和初始张角值作中值均匀化处理。
4 掌握系统软件的实现
为实现张力计的整体功能，开拓了一种便捷式电梯钢丝绳张力计掌握系统软件V1.0，该软件在MPLABIDE v7.5 环境中开拓完成， 采取C 措辞编写， 并由MPLAB C30 编译而成，实现了一种便捷式钢丝绳张力计能判断受测钢丝绳张力差是否超标的功能。张力计全体事情流程如图11 所示。
图 11 张力计掌握板事情流程
5 结论
掌握系统软件基于模块化思想，把张力计整体功能模块分解成张力采集子模块、张角监测子模块、数据中值处理模块、偏差判断模块、CN 按键功能子模块等。每个子模块的功能由一个函数实现，而在主程序main()等分别调用子功能模块函数，实现了张力计对张角、张力数据采集处理，判断张力差是否超标，并实现了显示、报警提示等干系人机交互功能。
该软件具有良好的可操作性、可移植性等功能特点，使丈量职员通过大略的按钮操作，即可完成对电梯钢丝绳的张力丈量。
参考文献
[1] 尹苏东．基于GPRS 的电梯钢丝绳张力检测系统的设计与实现[D]．上海: 东华大学，2011.
[2] 王朋．提升机钢丝绳张力监测系统张力传感器与测力装置的研发 [D]．邯郸：河北工程大学，2015．
[3] 赵德栋，张庆丰．一种电梯钢丝绳张力计的工装构造设计及张角偏差剖析 [J]．起重运输机器，2019（20）：80-85．
[4] 张庆丰，赵德栋，张铖宏，等．一种便捷式电梯钢丝绳张力计的设计 [J]．起重运输机器，2019（5）：105-111．
[5] 黄鹏程．基于FPA 的气动柔性手指康复器及其掌握系统[J]．中国机器工程，2014，25（13）：1 724-1 728．
