CN101857157A - 一种吊篮自动控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种吊篮自动控制系统，由电源转换单元，信号采集单元，运动控制单元、人机交互单元、授权信息单元、信号处理与控制单元组成。电源转换单元将交流电源转换为低压直流电源；信号采集单元采集吊篮运行的状态信息并模拟信号转换为数字信号；运动控制单元负责控制吊篮提升机运动；人机交互单元提供用户操作接口并向用户显示运行状态信息；授权信息单元存储授权信息；数据处理与控制单元组成验证授权信息，根据信号采集单元提供的状态信息和人机交互单元提供的控制信息通过运动控制单元控制吊篮运行，并通过人机交互单元显示运行状态和故障状态。本发明解决吊篮运行需要调整平衡的问题，并加强了对吊篮系统的电路和负载的安全性保护。
Description
技术领域
本发明涉及自动控制技术领域，特别是建筑行业用吊篮的自动控制系统。
背景技术
吊篮主要应用于高空建筑作业。当前在世界范围内，高层建筑大量出现是经济发展的必然趋势，用于高空作业的吊篮拥有良好的发展前景和广阔的市场。目前，吊篮中的电子控制部分还处于一个较低的水平，智能化水平较差，由于吊篮两端负载的不均衡，造成吊篮两端的交流电机运转速度不等，在使用到一定时间后就会发生倾斜，需要用户手动将吊篮调整水平，极为不方便。并且原有吊篮电路的保护主要通过电流过大造成发热来进行热保护，是一种效应积累的结果，这种保护方式反应速度慢，很难使系统得到及时的保护从而避免故障对系统造成损害。此外，对于用户超载使用吊篮也没有加以判断，从而影响吊篮运行的安全性。从企业经营的角度来说，也希望设备的使用可以有一个授权，便于实现企业经营的灵活性。
目前的吊篮都是无自动控制系统。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述吊篮工作过程中产生的平衡无法保持，电路难以及时被保护，使用的安全性无法保证的问题，满足企业经营灵活性的要求，提供一种在吊篮工作过程中拥有自动调整平衡，电路保护和过载保护功能，并提供授权功能的自动控制系统。
为达成所述目的，本发明提供一种吊篮自动控制系统，由电源转换单元、信号采集单元、信号处理与控制单元、人机交互单元、运动控制单元、授权信息单元、提升机驱动单元和提升机组成，其中：
电源转换单元将交流电源转换为低压直流电源，电源转换单元分别与信号采集单元、信号处理与控制单元和运动控制单元连接，为信号采集单元、信号处理与控制单元、运动控制单元提供低压直流电源；
信号采集单元采集吊篮运行的状态信息并生成吊篮运行状态模拟信号，并通过信号采集单元的A/D转换模块将吊篮运行状态模拟信号转换并输出吊篮运行状态信息的数字信号；
信号处理与控制单元连接信号采集单元、人机交互单元和授权信息单元，信号处理与控制单元接收信号采集单元输出的吊篮运行状态数字信号、接收人机交互单元输出的控制信息、以及接收并验证授权信息单元输出的授权信息，如果授权信息不正确，信号处理与控制单元根据信号采集单元提供的吊篮故障状态信息，则系统停止运行；如果授权信息验证通过后，信号处理与控制单元根据信号采集单元提供的吊篮运行的状态信息和人机交互单元提供的控制信息生成并输出运动控制信息；
授权信息单元与信号处理与控制单元连接，授权信息单元接收信号处理与控制单元输出的授权信息查询信号，输出并存储授权信息；
人机交互单元与信号处理与控制单元连接，接收显示吊篮运行状态和吊篮故障状态并提供用户操作接口并向用户显示运行状态信息；人机交互单元输出控制信息；
运动控制单元连接信号处理与控制单元，接收信号处理与控制单元输出的控制信息，生成并输出控制吊篮提升机运动的信号；
提升机驱动单元与运动控制单元连接，接收吊篮提升机运动的信号，生成并输出控制吊篮提升机运动的信号；
吊篮提升机与提升机驱动单元连接，接收提升机驱动单元输出的控制吊篮提升机运动的信号，吊篮提升机做提升动作。
其中，所述电源转换单元是二路直流输出的线性稳压电源。
其中，所述信号采集单元包括1个水平传感器，2个拉力传感器，2个电流传感器和1个A/D转换芯片，由水平传感器，拉力传感器和电流传感器分别与A/D转换芯片连接，将采集到的吊篮状态模拟信号输出给A/D转换芯片，生成吊篮状态数字信号。
其中，所述运动控制单元包括控制电机的4个固态继电器和功率驱动芯片，功率驱动芯片的每一个输出管脚连接一个固态继电器的控制端子，将接收到的运动控制信息传递给固态继电器。
其中，所述人机交互单元包括5个用户操作使用的按键，4个用于状态设定的拨动开关，2个用于显示的共阴数码管，1个报告错误状态的有源蜂鸣器1片串行移位寄存器，2片共阴数码管驱动，串行移位寄存器的输出端分别连接2片共阴数码管驱动，每片共阴数码管驱动驱动一个共阴数码管，拨动开关和蜂鸣器直接和信号处理与控制单元相连接。
其中，所述授权信息单元包括1个烧写好的EEROM，内含授权验证信息和时间信息。
其中，所述信号处理与控制单元为单片机电路。
本发明的有益效果：本发明对采集信号使用低通滤波器处理，加强了抗干扰能力，在系统架构上，使用多任务并行的处理方式，使系统工作更加灵活，高效，稳定。本发明可以设置使用于5种不同载重吊篮(400kg，500kg，630kg，800kg，1000kg)，吊篮水平误差不超过2°，超重检测的精确度不超过1％，与现有的传统吊篮连接后就可以进行吊篮的自动控制，电路抗干扰能力强，完全满足各种复杂的环境下应用。
附图说明
图1为本发明用于吊篮的自动控制系统的原理框图
图2为本发明外部接口板电路原理图一
图3为本发明外部接口板电路原理图二
图4为本发明控制板电路原理图一
图5为本发明控制板电路原理图二
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明为实现吊篮自动调整平衡，运行状态和故障检测，使用授权的综合控制系统，在与吊篮提升机和提升机驱动模块连接在一起后使用。针对吊篮使用中抖动较大，使用环境恶劣的特点，采取信号处理的方式和硬件上的保护，实现在吊篮运行中保持水平并且限制载重，吊篮最大倾斜角度不超过1.5°，最大超重负载不超过允许负载的5％，并对电路故障进行实时检测，同时也提供给吊篮系统设置授权权限和使用时间的方法。
参考图1，为本发明的总体框图，本发明由电源转换单元A1、信号采集单元A2、信号处理与控制单元A3、人机交互单元A4、运动控制单元A5和授权信息单元A6组成。
电源转换单元A1主要由一个交流线性变压器A101将220V的高压交流电转换成低压交流电，再通过两个AC-DC转换单元A102、A103，将低压交流电变换为两路直流+15V，+5V电源信号输出。其中+15V电源信号端与传感器模块A201和固态继电器驱动模块A502连接，+5V电源信号输出与信号处理与控制单元A3和A/D转换模块A202连接。所述电源转换单元A1包括1个交流220V转换为两路交流输出的线性变压器，2个整流桥堆将变压器的交流输出转换为直流，2片稳压芯片LM317，2个电位器调节输出范围5-20V的直流电压，2个LED灯显示电源工作状态，电源转换单元A1为所有其他单元提供工作电源。
信号采集单元A2主要由一组不同的传感器组成的传感器模块A201和A/D转换模块A202组成，通过传感器模块A201接收吊篮状态信息，并将A/D转换模块A202输出的数字信号与信号处理与控制单元A3连接。所述信号采集单元A2包括2个量程为1.5吨的拉力传感器以及对应的变送器，1个水平传感器SCA61T，2个量程为10A的电流传感器及变送器，以上传感器输出的模拟信号经过A/D抽样转换转变为数字信号送给信号处理与控制单元A3。
信号处理与控制单元A3接收信号采集单元A2送来的数字信号进行分析处理。
人机交互单元A4主要由命令输入模块A402和状态显示模块A401组成，人机交互单元A4将用户的操作信号与信号处理与控制单元A3连接，并接收信号处理与控制单元3送来的状态显示信号。信号处理与控制单元A3接收人机交互单元A4送来的用户操作信号，制定吊篮的运行方式，并把通过对信号处理得到的系统运行状态信号与人机交互单元A4连接。所述人机交互单元A4包括4个用于初始状态设定的拨动开关，5个按键，1个有源蜂鸣器，2个共阴数码管，1片串行移位寄存器CD4094，2片共阴数码管驱动78LS48。
运动控制单元A5主要由一个继电器驱动模块501和继电器模块A502组成。运动控制单元A5接收信号处理与控制单元A3送来的继电器控制信号，并生成提升机驱动控制信号与提升机驱动单元A7连接，提升机驱动单元A7接收运动控制单元A3送来的提升机驱动控制信号并生成提升机控制信号与提升机A8连接，使提升机A8按照控制系统的要求进行工作，改变吊篮的运行状态。所述运动控制单元A5包括1片功率驱动芯片ULN2003，2组固态继电器GTJ2-3A，每组2个负责控制一个交流电机，4个用于继电器保护的压敏电阻7D680。
授权信息单元A6主要是包括1片EEROM，24C16电路，授权信息单元A6将授权信号与信号处理与控制单元A3连接，并接收信号处理与控制单元A3送来的授权时间更改信号。信号处理与控制单元A3接收授权信息单元A6送来的授权信号，并把授权时间更改信号与授权信息单元A6连接。
信号处理与控制单元A3主要使用的是单片机型号为PIC16F877A及相应的外部电路，信号处理与控制单元A3接收信号采集单元A2送来的数字信号，人机交互单元A4送来的用户操作信号，授权单元A6送来的授权信号，并进行相应的处理分析，并将系统运行状态信号与人机交互单元A4连接，将授权时间更改信号与授权信息单元A6连接，将继电器控制信号与运动控制单元A5连接。
本发明各个单元共分布在两块印制板上，一块是外部接口板，一块是控制板。
参考图2和图3，是实现本发明技术方案的外部接口板电路原理图。板上包括电源转换单元A1，信息采集单元A2的传感器模块A201的一部分，运动控制单元A5的继电器模块A501，以及人机交互单元A4的命令输入模块A402，板上的电源转换单元A1的具体实现是放置在板外的线性交流变压器将220V高压交流电转换成两路低压交流电通过四芯接线端子J104进入印制板，并送入两个整流桥BR1和BR2各自的2，3脚，转换成直流电压从各自的1，4脚输出给线性稳压芯片U101和U110的3脚，从线性稳压芯片U101的2脚输出稳定的直流+5V，从线性稳压芯片U110的2脚输出稳定的直流+15V信号，供给图2、图3和图4、图5上所有需要供电的单元。信息采集单元A2的传感器模块A201包括两个电流传感器U310，U320，吊篮电路主回路通过接线端子J302接到电流传感器U310和U320上，其中1，3脚为接线端子J302的输入，2，4脚为接线端子J302的输出。电流传感器U310和U320的4脚为主回路输入，5脚为主回路输出，并通过1脚将输出的模拟信号将通过一根40针的排线J120的37、38、39和40脚送入接口板上，交由A/D转换模块A202转换成数字信号。运动控制单元A5的继电器模块A501包括四个固态继电器U210、U220、U230和U240，分成两组，通过40针排线J120的13-20脚送来的由继电器驱动模块A502产生的继电器控制信号的控制下，通过U210，U220，U230和U240的+15V引脚，控制交流输出端A36V引脚的通断，并通过电机控制端子J202控制提升机驱动单元A7，改变吊篮运动状态，由于固态继电器U210、U220、U230和U240带的是感性负载，所以增加压敏电阻RV211对固态继电器210、U220、U230和U240进行保护。人机交互单元A4的命令产生模块A402包括4个拨动开关S431-S434，设定用户的初始化信息和轻触按键SW401，命令发送端子J421上的4个引脚，共5个按键信号，提供给用户控制吊篮运行。用户的控制命令信号通过40针的排线J120的1-10脚交由图3，4，通过信号处理与控制单元A3处理。图中各个元件的关系均由连线和网络标记给出，此处不再赘述。
参考图4、图5为实现本发明技术方案的控制板电路原理图。包括信息采集单元A2的传感器模块A201的部分和A/D转换模块A202，信号处理与控制单元A3，运动控制单元A5的继电器驱动模块A502，人机交互单元A4的状态显示模块A401，授权信息单元A6。信息采集单元A2的传感器模块A201包括水平传感器U330将吊篮姿态信息转换成模拟信号从7脚输出，与通过接线端口J120的37-40脚进入的信号通过单片机U100的2，3，7，8，9脚送入集成在单片机U100内的A/D转换模块A202中。信号处理与控制单元A3包括单片机U100以及其外围电路。运动控制单元A5的继电器驱动模块A502是一块功率驱动芯片U310，U310的1-4脚接收单片机U100的26-29脚送来的控制信号，放大后由U310的13-16脚输出，通过40针排线J120的13-20脚传递给图2，图3中的控制继电器模块A501。人机交互单元A4的状态显示模块A401，通过状态显示模块A401中的串行移位寄存器U410的2，3脚接收单片机U100的37和38脚送来的状态显示信号，将串行的数据信号，转换为并行的数据信号，通过4，5，6，7，11，12，13，14脚输出，发送给两个共阴极数码驱动芯片U420，U430的1，2，6，7脚并最终显示在两片7段共阴数码管U440和U450上。图中各个元器件的连接关系已通过连线和网络标记指出，此处不再赘述。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种吊篮自动控制系统，其特征在于，由电源转换单元、信号采集单元、信号处理与控制单元、人机交互单元、运动控制单元、授权信息单元、提升机驱动单元和提升机组成，其中：
电源转换单元将交流电源转换为低压直流电源，电源转换单元分别与信号采集单元、信号处理与控制单元和运动控制单元连接，为信号采集单元、信号处理与控制单元、运动控制单元提供低压直流电源；
信号采集单元采集吊篮运行的状态信息并生成吊篮运行状态模拟信号，并通过信号采集单元的A/D转换模块将吊篮运行状态模拟信号转换并输出吊篮运行状态信息的数字信号；
信号处理与控制单元连接信号采集单元、人机交互单元和授权信息单元，信号处理与控制单元接收信号采集单元输出的吊篮运行状态数字信号、接收人机交互单元输出的控制信息、以及接收并验证授权信息单元输出的授权信息，如果授权信息不正确，信号处理与控制单元根据信号采集单元提供的吊篮故障状态信息，则系统停止运行；如果授权信息验证通过后，信号处理与控制单元根据信号采集单元提供的吊篮运行的状态信息和人机交互单元提供的控制信息生成并输出运动控制信息；
授权信息单元与信号处理与控制单元连接，授权信息单元接收信号处理与控制单元输出的授权信息查询信号，输出并存储授权信息；
人机交互单元与信号处理与控制单元连接，接收显示吊篮运行状态和吊篮故障状态并提供用户操作接口并向用户显示运行状态信息；人机交互单元输出控制信息；
运动控制单元连接信号处理与控制单元，接收信号处理与控制单元输出的控制信息，生成并输出控制吊篮提升机运动的信号；
提升机驱动单元与运动控制单元连接，接收吊篮提升机运动的信号，生成并输出控制吊篮提升机运动的信号；
吊篮提升机与提升机驱动单元连接，接收提升机驱动单元输出的控制吊篮提升机运动的信号，吊篮提升机做提升动作。
2.根据权利要求1所述的一种吊篮自动控制系统，其特征在于，所述电源转换单元是二路直流输出的线性稳压电源。
3.根据权利要求1所述的一种吊篮自动控制系统，其特征在于，所述信号采集单元包括1个水平传感器，2个拉力传感器，2个电流传感器和1个A/D转换芯片，由水平传感器，拉力传感器和电流传感器分别与A/D转换芯片连接，将采集到的吊篮状态模拟信号输出给A/D转换芯片，生成吊篮状态数字信号。
4.根据权利要求1所述的一种吊篮自动控制系统，其特征在于，所述运动控制单元包括控制电机的4个固态继电器和功率驱动芯片，功率驱动芯片的每一个输出管脚连接一个固态继电器的控制端子，将接收到的运动控制信息传递给固态继电器。
5.根据权利要求1所述的一种吊篮自动控制系统，其特征在于，所述人机交互单元包括5个用户操作使用的按键，4个用于状态设定的拨动开关，2个用于显示的共阴数码管，1个报告错误状态的有源蜂鸣器1片串行移位寄存器，2片共阴数码管驱动，串行移位寄存器的输出端分别连接2片共阴数码管驱动，每片共阴数码管驱动驱动一个共阴数码管，拨动开关和蜂鸣器直接和信号处理与控制单元相连接。
6.根据权利要求1所述的一种吊篮自动控制系统，其特征在于，所述授权信息单元包括1个烧写好的EEROM，内含授权验证信息和时间信息。
7.根据权利要求1所述的一种吊篮自动控制系统，其特征在于，所述信号处理与控制单元为单片机电路。
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