高楼逃生调速缓降器及测控系统.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y本 科 毕 业 论 文 高楼逃生调速缓降器及测控系统A speed-adjustable slow down equipment for tall building escape with measurement and control system学院名称： 机械工程学院 专业班级： 测控 0602 学生姓名： 姚钦 指导教师姓名： 张西良 指导教师职称： 教授 2010 年 06 月江 苏 大 学毕业设计(论文)任务书 机械 学院 测控06（ 02 ） 班级 姚钦 学生设计(论文)题目 高楼逃生调速缓降器及测控系统 课题来源 自选 起讫日期 2010 年 03 月 15 日至 2009 年 06 月 18 日共 14 周指导教师(签名) 张西良 系(教研室)主任(签名) 课题依据:针对现有产品的缺陷和不足，设计一种结构简单、使用方便、性能可靠价格适中的高楼逃生缓降器。要求: 装置能够巧妙地将人体向下的重力转化为重力矩，依次产生转速、离心力、正压力，增加滑动摩擦力和摩擦阻力矩，实现降落减速，使降落过程达到动态平衡，而使人安全地降落至地面；为了确保人员安全、不受伤，当人员即将到达地面时自动制动，进一步降低降落速度，安全舒适着地；装置可多人重复使用，安装方别、控制可靠快捷。任务要求:1开题/专题综述报告（3000字左右）2专业译文工作（10000汉字左右）3调研报告（1000字左右）4总体要求：采用合适的结构和速度控制方法，设计高楼逃生缓降器总体结构，并采用单片机、传感器、执行器和人机接口，设计高楼逃生缓降器测控系统。1）高楼逃生缓降器总体结构设计。2）单片机测控系统、传感器信号采集电路、执行器驱动电路设计。3）单片机测控系统软件设计。5毕业设计说明书/论文（20000字）毕业设计(论文)进度计划:起 讫 日 期工 作 内 容备 注3.13.143.153.283.294.114.124.254.265.95.105.235.246.66.76.136.146.18明确任务，收集资料，外文翻译，外出调研。（2周）外文翻译，文献综述，提出总体方案，提交开题报告，撰写调研报告。（2周）外文翻译，进行理论研究。（2周）总体结构设计。（2周）硬件设计。（2周）硬件调试，软件编程。（2周）系统调试、改进与完善（2周）编写毕业设计说明书（毕业论文）。（1周）资料总结、打印、归档，毕业设计答辩（1周）毕业实习备 注高楼逃生调速缓降器及测控系统专业班级：测控0602 学生姓名：姚钦指导教师：张西良 职称：教授摘要高楼火灾逃生问题越来越为公众所关注。当高楼发生火灾时，火势迅速扩散，大火封住了房门，威胁人们的生命。这时候，如果设置了相应的逃生装置，可以实现自救，从而大大减少人员伤亡。针对目前高楼逃生装置速度调节困难，要求人员的逃生技术高，安全系数低等不足，设计了一种高楼逃生调速缓降器。它分为机械系统和测控系统，机械系统是装置的主体，由离心机构、制动机构、绳索回收机构组成；测控系统对运行的过程进行监测和控制，核心是单片微机。该装置通过离心机构限制人员下降的速度；通过制动机构，控制人着陆的速度，使人缓慢平稳着陆；通过绳索回收机构，快速回收绳索，进行循环利用；运用微机控制技术，根据楼高和人员的重量，自动控制制动器制动高度和制动力，对运行过程实时速度监测，当发生高楼火灾时，实现人员快速安全逃生。该装置经过软硬件的调试以及大量的试验后，取得满意的效果。关键词：高楼逃生 缓降器 调速 自动控制A speed-adjustable slow down equipment for tall building escape with measurement and control systemAbstract People pay more and more attention to the problem of Building fire escape now. When building fire happen， the fire spread quickly， and block the door， peoples life are threatened. At that time， if there is a device which can achieve self-rescue， thus greatly reducing the casualty.Aiming at the building escape devises have problems with speed-unadjustable， high skills required， and low safety coefficient， we developed a speed-adjustable slow down equipment for tall building escape. It is divided into mechanical system and control system. Mechanical system is the subject of the device， includes centrifugal mechanism， brake mechanism， and rope recycle mechanism. The control system for real-time monitoring and control， has core with a single chip microcomputer.This device limits the speed when people drop through centrifugal mechanism； it controls the speed of landing， make people land smoothly and slowly， through the braking mechanism； it recycle the rope rapidly for recycling ， through the rope recycle mechanism； Using microcomputer control technology， it controls the brake height and brake power automatically according to the building height and the weight of the people， also it monitors the real-time speed in operation process. When there is a fire， people can safe themselves quickly and safely. After software debugging， hardware tests， and a large number of experiments， we achieved satisfactory results.Keywords： Tall escape Slow down equipment Speed adjustable Automatic control目 录第一章 绪论11.1 研究目的和意义11.2 国内外产品现状11.3 设计思路3第二章 总体方案设计42.1 功能要求42.2 技术方案论证4第三章 机械系统设计93.1 整体设计93.2 机架设计103.3 离心机构设计103.4 绳收回机构设计183.5 制动机构设计21第四章 控制系统设计244.1 控制方案244.2 控制器硬件结构设计254.3 控制器电路设计254.4 控制程序设计28第五章 调试与试验345.1 调试及试验方法345.2 控制系统调试345.3 机械系统调试365.4 逃生器试验37第六章 总结与展望396.1 总结396.2 展望39致谢40参考文献41附录A 机械设计图纸清单43附录B 程序项目文件清单45第一章 绪论1.1 研究目的和意义随着社会经济的发展，居民楼、办公楼越建越高，人民群众对生活工作环境的安全保障日益重视，迫切希望有一个安全的生活、工作空间。然而，生活中有时候会遇到意外情况，当高楼发生火灾时，大火能在一分钟内迅速扩散至整个房间，大火封锁了房间的门，电梯和楼道也不能通行，而且消防人员还不能及时赶到，大火威胁到人们的生命。一些人在等待救援的过程中难以忍受大火和浓烟的熏烤，选择跳楼；还有些人蜷缩在角落里，很快被大火吞噬。这时候，如果设置了相应的逃生装置可以实现自救，将大大减少人员的伤亡。高楼火灾的逃生要能够实现逃生快速安全，可多人逃生，操作方便。为此，研究高楼火灾逃生问题，具有非常重要的意义。1.2 国内外产品和技术现状及发展趋势1. 便携式逃生绳如图1-1所示，使用时一端固定于支撑物体上，人员握紧绳子另一端下滑。缺点：速度调节困难，逃生技术要求高。 （a） （b）图1-1 便携式逃生绳2. 防火梯如图1-2所示，主要有永久固定于外墙的和临时从窗台放下的绳梯（或折叠梯）两种形式，发生火灾时人员沿梯子到达地面。缺点：使用高度太低。 （a） （b）图1-2 防火梯3. 各种缓降器如图1-3所示，原理是通过各种手段，增加绳索与装置之间的摩擦力或人为制造升力，降低绳索下降的速度，人员通过绳索或者吊篮缓慢降落至地面。缺点：装置体积大，价格高。 （a） （b）图1-3 逃生缓降器4. 离心式高楼逃生器如专利高楼安全逃生器（专利号：ZL012 55973.3），如图1-4所示，该高楼逃生装置巧妙地将人体向下的重力，转化为转速，依次产生转速、离心力、正压力、滑动摩擦力、摩擦阻力矩，减小人下降的加速度，最终使人匀速下降，安全落地。该逃生器结构简单，成本低，但是无法调节人下降的速度，人的体重不同，落地的速度也不一样，下落重量越大，着地的速度越大。图1-4离心式高楼逃生器1.3 设计主要内容根据对现有产品的分析和比较，设计一种逃生快速、着陆平稳、操作方便和可循环利用的高楼逃生调速缓降器。要求装置能够巧妙地将人体向下的重力转化转速，依次产生离心力、正压力、滑动摩擦力和摩擦阻力矩，实现降落减速，使降落过程达到动态平衡，而使人安全地降落至地面。为了让人员以低速缓慢降落确保人员安全，不受伤，设计制动装置，当人员即将到达地面时自动制动，进一步降低降落速度，安全舒适着地。考虑到装置可多人循环利用，设计了绳索自动回收机构。为确保装置的自动稳定运行以及下降的速度自动调节，设计微机控制系统，系统有良好的人机交互界面以及稳定性。第二章 总体方案设计2.1 功能要求（1）装置用于高楼发生火灾时的自救逃生。要求装置能够快速方便安装于窗户或阳台，当发生火灾时，人员穿上安全带，连接在装置的挂钩上，人员顺着绳索缓降至地面。（2）人员开始下滑时，在离心机构的作用下，以一定的速度下降，当接近地面时，制动机构自动制动，使人员平稳着陆，实现快捷安全逃生。（3）当第一个人降落至地面后，绳索即快速自动回收，其他人员可以循环利用。2.2 技术方案论证逃生机构的原理从能量方面来说，就是要将逃生者的机械能转化为其他形式的能量，如机械能转化为电能（电磁感应效应），机械能转化为内能（流体阻力、离心机构）。方案一：一种电磁感应式高楼逃生缓降装置本装置的原理：根据电磁感应效应，利用转动线圈在恒定磁场下产生感应电荷感应电动势，通过感应电流的导体又与恒定磁场相互作用产生与原旋转方向相反的电磁制动转矩，并且线圈速度越大其产生的电磁转矩也越大，从而最后线圈达到一个恒定的速度。具体方案：如图2-1所示，在一个套筒中安装一对圆拱形的磁铁，在这对磁铁中穿插着绕有钢丝绳的转轴，在转轴上安装转子线圈，当人往下降落时带动转轴，且开始速度越来越大，到最后速度恒定匀速下落。本方案优点：本装置的反应较快，从起落到匀速时间间隔较短，准确、平稳，相对于其他方案重量较轻，结构简单，通过调节磁场强度还可以调节最终的下降速度。本方案缺点：转子线圈较难制作，且线圈产生的热量不容易排出，当发热严重时会烧坏线圈，对磁场的分布、磁场强度要求较高，下降的速度与人重量有关，速度调节困难，对线圈转子的刚度要求高。图2-1方案一原理示意图方案二：运用流体阻力来控制人的下落本系统的原理：因为流体不会对与它相对静止的物体施加摩擦力，但要对在其中运动的物体施加阻力。一般来说，在流体的粘滞性较大，运动物体较小，较慢的情况下，阻力正比于v，和粘滞性（v分别是运动速度，S横截面积），在相反的情况下，阻力正比于和S，但与粘滞性无关，通常在空气中坠落、行驶或飞翔属于后一种情况。具体方案：如图2-2所示，该减速装置运用流利力学原理，在轴上焊接上几块流线形状的挡板，根据情况将之完全或者部分浸泡在液体中，要保证当一块挡板离开液体的时候另一块挡板恰好或已经进入液体，以增加使用时装置的平稳性。可以通过改变液体深度来改变接触面积以适应不同体重的人有相同的最终下落速度。当人体在下落时，因为重力加速度的作用，下落的速度会逐渐加快，轴的转速也逐渐加快，在接触面积一定的情况下，速度越大流体对挡板的阻力也越大，速度增大的趋势将逐渐减小，最后当重力矩和流体阻力矩相等时，人将匀速下降。本方案优点：该装置容易控制最终速度，可以自动调控避免下落速度过大；整个过程比较平稳没有强烈的振动，延长了装置的使用寿命；没有复杂的控制设备，保证了安全性和可靠度；装置的结构较简单，体积相对较小，因而成本很低；由于所使用的液体种类较多，所以减速效果可以根据需要设计，加上阻力正比于速度的平方，所以减速效果好。本方案缺点：为了防止液体的溢出影响使用效果，该装置要求密封性很高；由于有一定量的液体，所以质量较大，相对笨重，装拆较麻烦；液体不适合长时间保存在装置里面，需要单独储存等到需要用时再倒进装置，用完后需要回收液体；收绳时装置会产生一定的阻力，阻碍收绳，循环利用性较差。需要保证装置内部的干净，防止杂质的存在影响使用效果。图2-2 方案二原理示意图方案三：运用离心机构产生阻力本系统的原理：说到缓降，就会考虑到摩擦力。又为了实现自动限速，要使人下降的速度越快时所受的摩擦力越大，因而设计离心摩擦机构。具体方案：如图2-3所示，人下降时带动轴转动，转速越快，离心力越大，将离心力转化为摩擦面上的正压力，产生摩擦阻力，当摩擦阻力矩和人体的重力矩相等时，人匀速下降，实现了自动调速。本方案优点：该装置结构简单，易于制造安装；可以实现自动限速，人下降的速度越快时，刹车皮所受的离心力越大，刹车皮与刹皮之间的摩擦力越大，控制速度变化幅度，从而避免了强烈的冲击。本方案缺点：由于本方案是利用摩擦力来制动，所以说摩擦力要足够大，这就需要每片刹皮的质量足够大；摩擦力利用率不高；为了保证摩擦力作用距离，要求刹车片有一定的长度；本方案只可用于单人单次使用，不适合用于多人逃生，循环利用性较差。123456图2-3 方案三原理示意图1转轴（绕绳）；2滑块；3摩擦片；4导杆；5离心转化机构综上所述，方案一线圈产生的热量不容易排出，当发热严重时会烧坏线圈；方案二中为了防止液体的溢出影响使用效果，该装置要求密封性很高；同时需要保证装置内部的干净，防止杂质的存在影响使用效果；方案三是单纯的机械结构，但仍存在一些问题。综合上述三种方案的优缺点提出了高楼逃生调速缓降器设计方案：离心减速下降，制动器制动着陆，电机回收绳索。本系统的原理：为了提高摩擦力的利用率将滑块设计成周向，垂直于轴，从而使摩擦力的利用率达到最高，并将摩擦片设计成圆筒状节约空间；为使人安全平稳着陆，当人接近地面时，制动器制动；为便于重复使用，增加绳索收回机构，同时为避免滑块受到摩擦阻力对电机的反作用，电机通过链条带动飞轮，飞轮带动轴套转动，而主轴几乎不转动。机械系统具体方案确定：离心机构结构示意图如图2-4所示，钢丝绳一端固定在轴套上，其余部分顺序绕在轴套上，只有一个自由端，人员下降带动主轴转动，产生摩擦阻力。主轴的一端动过链轮和制动器传动，当人接近地面时，制动器制动。当第一个人下降后，通过电机带动轴轴套反转，将绳收回，实现多人重复使用。图2-4 离心机构示意图