鋼絲繩平均張力測量設備研究

崔曉海

（黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱150040）

0 引言

目前國內(nèi)的大部分電梯檢驗所采用的測量方法主要是通過拉力計和鋼直尺進行配合測量，這就需要檢驗人員站在轎頂用拉力計分別拉扯鋼絲繩相同的距離，然后讀取拉力計的讀數(shù)。這種方法因為操作復雜，太多的人為因素出現(xiàn)在測量的過程中，測量精度很難保證。

1 鋼絲繩張力測量設備的測量原理

對鋼絲繩的張力測量，通常是采用“三點彎曲法”[1]，即通過鋼絲繩與測量設備上的三點（滾輪）接觸，通過外力使鋼絲繩產(chǎn)生變形，測量在接觸滾輪壓緊過程中的張力T，其原理如圖1所示。

圖1 測力器張力測定

圖2 C處鋼絲繩局部變形

在張力測量過程中，外力強迫鋼絲繩與測力器滾輪壓緊，考慮到在A、B、C處的局部變形和鋼絲繩本身的抗彎能力，如圖2所示，滾輪A、B處的約束力相等，則C截面的彎矩為

式中，EI為鋼絲繩的抗彎剛度。

2 鋼絲繩張力T的計算

對鋼絲繩圖2中EAC段進行受力分析，如圖3所示，有∑ME=0，則

式中：yA為A截面的撓度；l為測力器標距。

圖3 EAC段鋼絲繩受力分析圖

圖4 ECD段鋼絲繩受力分析圖

同理，取圖2中ECD段進行受力分析，如圖4所示，取∑MD=0，

上式是在不考慮測量設備和鋼絲繩本身自重等影響因素的理想狀態(tài)下成立，和實際測量結(jié)果存在差異，因此還需進行二次測定，即張力T不變，對同一點取2次測量結(jié)果δ1、P1、δ2、P2，有

這里近似地Mc=M1，TyA=T1yA1，則可以推導出鋼絲繩靜、動張力測定計算公式：

式中，P、P1、P2是需要測量的值。

3 張力測量設備的設計

3.1 主要器件選擇

測量設備選用MCS-51單片機系統(tǒng)[2]，測量設備采用的主控芯片為AT89C52，雖然控制的外圍設備較多，但對于有32個雙向I/O口的AT89C52來說，還是足以應付的，但是由于對鍵盤采用了專用的控制芯片，以及A/D轉(zhuǎn)換部分采用了占用系統(tǒng)硬件資源最少的設計方案，而留下的I/O口主要用于完成與上位機的通信和控制LCD液晶顯示器，系統(tǒng)顯得很緊湊，為后來的PCB板設計，及儀器的結(jié)構(gòu)設計帶來了很多方便。將AT89C52硬件資源分配如下：P0口用于與AT89C2051的并行數(shù)據(jù)傳送，并配合部分P3口用于數(shù)據(jù)傳送的開始與結(jié)束控制，P1口用于液晶顯示器的并行數(shù)據(jù)傳送，P2口用于控制液晶顯示器的顯示模式，及顯示命令的輸入，部分P3口用于控制鍵盤操作。在主控制芯片的選擇上，采用的AT89C52對于整個儀器的硬件、軟件設計起到很關(guān)鍵的作用。同樣可做資源升級而不改變硬件設計的芯片還有SM8951A/52A等硬件資源更為豐富的單片機產(chǎn)品。在液晶顯示器件的選擇上，目前市場上的液晶顯示器件主要針對的是ARM/AVR系列高端單片機設計，功能極為豐富，但同時也有較多的控制口線，而本次設計所選用的ST7920-12864液晶顯示器件只有16個控制口線，并且還內(nèi)置了中文字庫，這樣最少的占用了系統(tǒng)的硬件和軟件資源，同時又滿足了儀器的要求。

3.2 測試儀的液晶顯示接口設計

本文采用內(nèi)置ST7920芯片的SMG12864ZK液晶顯示模塊作為系統(tǒng)的顯示器件[3]。SMG12864ZK液晶顯示模塊可與CPU直接接口，省去了編寫要顯示的文字編碼的過程，同時為主控芯片的程序存儲器節(jié)省了空間，在引腳上共有20只引腳線。

在數(shù)據(jù)的傳送上，該液晶顯示器件還可以設置為并行或串行數(shù)據(jù)傳輸（需將器件背面的選擇開關(guān)重新焊接，默認為并行數(shù)據(jù)傳輸），本案選擇默認的并行數(shù)據(jù)傳輸。在電源上，器件及背景光源均采用5 V供電，屬于低壓微功耗類顯示器件，工作電流也只有幾微安/平方厘米。

在設計電路原理圖時，充分地考慮到軟件的設計過程，基本原則是在不增加硬件成本的同時，合理地設計電路結(jié)構(gòu)使軟件編程最簡化。SMG12864ZK共有20只引腳線，其中DB7-DB14為并行數(shù)據(jù)接口，應與單片機的一個并行I/0口連接設計[4-5]AT89C52的P1口。RS/RW為液晶顯示模塊的讀/寫信號線，對應AT89C52的P3.6/P3.7信號線。E腳為使能信號線，接P3.4口。

對SGM12864ZK的軟件編程分為對控制器寫命令及對控制器寫數(shù)據(jù)，由于SGM12864ZK帶有內(nèi)部字庫，因此它對字符及漢字的處理是相當方便的，在外部只需要將字符及漢字的ASCII碼值以十六進制的形式送到DB0-DB7，SGM12864ZK即可自動識別并顯示輸入的字符和漢字（因為漢字有2個字節(jié)，需2次寫入數(shù)據(jù)，最后組合成為一個漢字，否則會出現(xiàn)亂碼的現(xiàn)象）。

對ST7920的初始化包括設定其顯示的行數(shù)[5]，字型大小，清除當前的屏幕顯示，并設置顯示、光標及光標閃耀的狀態(tài)。也可對屏幕寫滿數(shù)據(jù)用來測試屏幕是否有壞點。在每個命令之間，應該有一定的時間延遲，一般為10 ms左右，來滿足控制芯片的時序要求并且應留有一定的時間裕度。

3.3 設備的數(shù)據(jù)采集

由傳感器輸出的模擬電壓信號值為1～5 V，但是ICL7135輸入值的范圍為±2 V，因此必需對模擬信號調(diào)理才能接入A/D轉(zhuǎn)換器，在這里選用集成運算一種高放大倍數(shù)的直接耦合放大器OP07。

智能化測量控制儀表要完成對外界參數(shù)的測量并控制某些參數(shù)變化的任務，在鋼絲繩張力測試儀中外界所測量的物理量是拉力，它通過電阻應變式變送器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，再?jīng)過放大、濾波，得到平滑的輸入信號。這種輸入信號還是連續(xù)的模擬量。然后通過A/D轉(zhuǎn)換器對模擬的輸入信號進行量化，得到幅度和時間均為離散信號的數(shù)字信號，送入單片機中進行處理。然后再將處理后的數(shù)字信號通過LCD顯示出來。本文中選用的A/D轉(zhuǎn)換器為ICL7135。

4 測量設備的安裝

相對于已有的一些測量設備，大部分每次都只能測量1根鋼絲繩的張力。對于類似電梯鋼絲繩這樣的多繩系統(tǒng)來說就會顯得不那么方便。因此本文的設計方案是能夠同時測量5根鋼絲繩的張力，這樣使得測量結(jié)果更加準確，能夠同時測量5根鋼絲繩的張力，也節(jié)省了檢測過程中所需要的時間，如圖5所示。

圖5 測量設備安裝示意圖

在多次對轎箱頂部實地考察后，考慮到轎箱頂部空間狹小，轎頂圍欄與鋼絲繩尚有一定的距離，故采用支架結(jié)構(gòu)對測量設備進行安裝。支架頂端在測量設備的面板上可進行直接的拆卸，這樣可增加設備的便攜性。采用兩段式可活動支架來調(diào)節(jié)設備與鋼絲繩之間的距離，支架底端可鎖在轎頂?shù)膰鷻谏?。支架底端安裝如貓爪一樣的裝置用來鎖住轎頂?shù)膰鷻?，為防止打滑，安裝時應加彈簧墊片。

表1 測量數(shù)據(jù)

5 鋼絲繩張力實地測量實驗結(jié)論

為驗證本文方法的正確性，我們對哈爾濱市某小區(qū)住宅樓2部電梯鋼絲繩進行實際測量。測量次數(shù)：3次，標距l(xiāng)=98.6 cm，δ1=0.516 cm，δ2=0.258 cm，δ3=0.774 cm，測出各次T對應的P1、P2、P3如表1所示（取T*0=32 484 kg）。

由上面對比數(shù)據(jù)可以看出，僅用公式求得的張力T誤差較大，而用本文測量方法計算的張力T與實際值基本吻合（誤差＜1.5%）。

[1]姚文斌,程赫明.用“三點彎曲法”原則測定鋼絲繩張力[J].實驗力學,1998(1):79-84.

[2]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學出版社,1993:200-208.

[3]長沙太陽人電子有限公司.12864ZK使用說明[Z].

[4]趙亮,候國銳.單片機C語言編程與實例[M].北京:人民郵電出版社,2003:133-134.

[5]蔡美琴,張為民.MCS-51系列單片機系統(tǒng)及其應用[M].北京:高等教育出版社,2004:159-164.

[6]劉大茂.智能儀器[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:12-15.