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J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 畢 業(yè) 論 文 高樓逃生調速緩降器及測控系統(tǒng) A speed-adjustable slow down equipment for tall building escape with measurement and control system 學院名稱： 機械工程學院 專業(yè)班級： 測控 0602 學生姓名： 姚欽 指導教師姓名： 張西良 指導教師職稱： 教授 2010 年 06 月 江 蘇 大 學 畢業(yè)設計(論文)任務書 機械 學院 測控06（ 02 ） 班級 姚欽 學生 設計(論文)題目 高樓逃生調速緩降器及測控系統(tǒng) 課題來源 自選 起訖日期 2010 年 03 月 15 日至 2009 年 06 月 18 日共 14 周 指導教師(簽名) 張西良 系(教研室)主任(簽名)  課題依據(jù): 針對現(xiàn)有產品的缺陷和不足，設計一種結構簡單、使用方便、性能可靠價格適中的高樓逃生緩降器。要求: 裝置能夠巧妙地將人體向下的重力轉化為重力矩，依次產生轉速、離心力、正壓力，增加滑動摩擦力和摩擦阻力矩，實現(xiàn)降落減速，使降落過程達到動態(tài)平衡，而使人安全地降落至地面；為了確保人員安全、不受傷，當人員即將到達地面時自動制動，進一步降低降落速度，安全舒適著地；裝置可多人重復使用，安裝方別、控制可靠快捷。 任務要求: 1．開題/專題綜述報告（3000字左右） 2．專業(yè)譯文工作（10000漢字左右） 3．調研報告（1000字左右） 4．總體要求：采用合適的結構和速度控制方法，設計高樓逃生緩降器總體結構，并采用單片機、傳感器、執(zhí)行器和人機接口，設計高樓逃生緩降器測控系統(tǒng)。 1）高樓逃生緩降器總體結構設計。 2）單片機測控系統(tǒng)、傳感器信號采集電路、執(zhí)行器驅動電路設計。 3）單片機測控系統(tǒng)軟件設計。 5．畢業(yè)設計說明書/論文（≥20000字） 畢業(yè)設計(論文)進度計劃: 起 訖 日 期 工 作 內 容 備 注 3.1～3.14 3.15～3.28 3.29～4.11 4.12～4.25 4.26～5.9 5.10～5.23 5.24～6.6 6.7～6.13 6.14～6.18 明確任務，收集資料，外文翻譯，外出調研。 （2周） 外文翻譯，文獻綜述，提出總體方案，提交開題報告，撰寫調研報告。（2周） 外文翻譯，進行理論研究。 （2周） 總體結構設計。 （2周） 硬件設計。 （2周） 硬件調試，軟件編程。 （2周） 系統(tǒng)調試、改進與完善（2周） 編寫畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）。（1周） 資料總結、打印、歸檔，畢業(yè)設計答辯（1周） 畢業(yè)實習 備 注 高樓逃生調速緩降器及測控系統(tǒng) 專業(yè)班級：測控0602 學生姓名：姚欽 指導教師：張西良 職稱：教授 摘要 高樓火災逃生問題越來越為公眾所關注。當高樓發(fā)生火災時，火勢迅速擴散，大火封住了房門，威脅人們的生命。這時候，如果設置了相應的逃生裝置，可以實現(xiàn)自救，從而大大減少人員傷亡。 針對目前高樓逃生裝置速度調節(jié)困難，要求人員的逃生技術高，安全系數(shù)低等不足，設計了一種高樓逃生調速緩降器。它分為機械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)，機械系統(tǒng)是裝置的主體，由離心機構、制動機構、繩索回收機構組成；測控系統(tǒng)對運行的過程進行監(jiān)測和控制，核心是單片微機。 該裝置通過離心機構限制人員下降的速度；通過制動機構，控制人著陸的速度，使人緩慢平穩(wěn)著陸；通過繩索回收機構，快速回收繩索，進行循環(huán)利用；運用微機控制技術，根據(jù)樓高和人員的重量，自動控制制動器制動高度和制動力，對運行過程實時速度監(jiān)測，當發(fā)生高樓火災時，實現(xiàn)人員快速安全逃生。該裝置經過軟硬件的調試以及大量的試驗后，取得滿意的效果。 關鍵詞：高樓逃生 緩降器 調速 自動控制 A speed-adjustable slow down equipment for tall building escape with measurement and control system Abstract 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 錄 第一章 緒論 1 1.1 研究目的和意義 1 1.2 國內外產品現(xiàn)狀 1 1.3 設計思路 3 第二章 總體方案設計 4 2.1 功能要求 4 2.2 技術方案論證 4 第三章 機械系統(tǒng)設計 9 3.1 整體設計 9 3.2 機架設計 10 3.3 離心機構設計 10 3.4 繩收回機構設計 18 3.5 制動機構設計 21 第四章 控制系統(tǒng)設計 24 4.1 控制方案 24 4.2 控制器硬件結構設計 25 4.3 控制器電路設計 25 4.4 控制程序設計 28 第五章 調試與試驗 34 5.1 調試及試驗方法 34 5.2 控制系統(tǒng)調試 34 5.3 機械系統(tǒng)調試 36 5.4 逃生器試驗 37 第六章 總結與展望 39 6.1 總結 39 6.2 展望 39 致謝 40 參考文獻 41 附錄A 機械設計圖紙清單 43 附錄B 程序項目文件清單 45 第一章 緒論 1.1 研究目的和意義 隨著社會經濟的發(fā)展，居民樓、辦公樓越建越高，人民群眾對生活工作環(huán)境的安全保障日益重視，迫切希望有一個安全的生活、工作空間。然而，生活中有時候會遇到意外情況，當高樓發(fā)生火災時，大火能在一分鐘內迅速擴散至整個房間，大火封鎖了房間的門，電梯和樓道也不能通行，而且消防人員還不能及時趕到，大火威脅到人們的生命。一些人在等待救援的過程中難以忍受大火和濃煙的熏烤，選擇跳樓；還有些人蜷縮在角落里，很快被大火吞噬。這時候，如果設置了相應的逃生裝置可以實現(xiàn)自救，將大大減少人員的傷亡。 高樓火災的逃生要能夠實現(xiàn)逃生快速安全，可多人逃生，操作方便。為此，研究高樓火災逃生問題，具有非常重要的意義。 1.2 國內外產品和技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1. 便攜式逃生繩 如圖1-1所示，使用時一端固定于支撐物體上，人員握緊繩子另一端下滑。 缺點：速度調節(jié)困難，逃生技術要求高。 （a） （b） 圖1-1 便攜式逃生繩 2. 防火梯 如圖1-2所示，主要有永久固定于外墻的和臨時從窗臺放下的繩梯（或折疊梯）兩種形式，發(fā)生火災時人員沿梯子到達地面。 缺點：使用高度太低。 （a） （b） 圖1-2 防火梯 3. 各種緩降器 如圖1-3所示，原理是通過各種手段，增加繩索與裝置之間的摩擦力或人為制造升力，降低繩索下降的速度，人員通過繩索或者吊籃緩慢降落至地面。 缺點：裝置體積大，價格高。 （a） （b） 圖1-3 逃生緩降器 4. 離心式高樓逃生器 如專利《高樓安全逃生器》（專利號：ZL012 55973.3），如圖1-4所示，該高樓逃生裝置巧妙地將人體向下的重力，轉化為轉速，依次產生轉速、離心力、正壓力、滑動摩擦力、摩擦阻力矩，減小人下降的加速度，最終使人勻速下降，安全落地。該逃生器結構簡單，成本低，但是無法調節(jié)人下降的速度，人的體重不同，落地的速度也不一樣，下落重量越大，著地的速度越大。 圖1-4離心式高樓逃生器 1.3 設計主要內容 根據(jù)對現(xiàn)有產品的分析和比較，設計一種逃生快速、著陸平穩(wěn)、操作方便和可循環(huán)利用的高樓逃生調速緩降器。 要求裝置能夠巧妙地將人體向下的重力轉化轉速，依次產生離心力、正壓力、滑動摩擦力和摩擦阻力矩，實現(xiàn)降落減速，使降落過程達到動態(tài)平衡，而使人安全地降落至地面。 為了讓人員以低速緩慢降落確保人員安全，不受傷，設計制動裝置，當人員即將到達地面時自動制動，進一步降低降落速度，安全舒適著地。 考慮到裝置可多人循環(huán)利用，設計了繩索自動回收機構。 為確保裝置的自動穩(wěn)定運行以及下降的速度自動調節(jié)，設計微機控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有良好的人機交互界面以及穩(wěn)定性。 第二章 總體方案設計 2.1 功能要求 （1）裝置用于高樓發(fā)生火災時的自救逃生。要求裝置能夠快速方便安裝于窗戶或陽臺，當發(fā)生火災時，人員穿上安全帶，連接在裝置的掛鉤上，人員順著繩索緩降至地面。 （2）人員開始下滑時，在離心機構的作用下，以一定的速度下降，當接近地面時，制動機構自動制動，使人員平穩(wěn)著陸，實現(xiàn)快捷安全逃生。 （3）當?shù)谝粋€人降落至地面后，繩索即快速自動回收，其他人員可以循環(huán)利用。 2.2 技術方案論證 逃生機構的原理從能量方面來說，就是要將逃生者的機械能轉化為其他形式的能量，如機械能轉化為電能（電磁感應效應），機械能轉化為內能（流體阻力、離心機構）。 方案一：一種電磁感應式高樓逃生緩降裝置 本裝置的原理：根據(jù)電磁感應效應，利用轉動線圈在恒定磁場下產生感應電荷感應電動勢，通過感應電流的導體又與恒定磁場相互作用產生與原旋轉方向相反的電磁制動轉矩，并且線圈速度越大其產生的電磁轉矩也越大，從而最后線圈達到一個恒定的速度。 具體方案：如圖2-1所示，在一個套筒中安裝一對圓拱形的磁鐵，在這對磁鐵中穿插著繞有鋼絲繩的轉軸，在轉軸上安裝轉子線圈，當人往下降落時帶動轉軸，且開始速度越來越大，到最后速度恒定勻速下落。 本方案優(yōu)點：本裝置的反應較快，從起落到勻速時間間隔較短，準確、平穩(wěn)，相對于其他方案重量較輕，結構簡單，通過調節(jié)磁場強度還可以調節(jié)最終的下降速度。 本方案缺點：轉子線圈較難制作，且線圈產生的熱量不容易排出，當發(fā)熱嚴重時會燒壞線圈，對磁場的分布、磁場強度要求較高，下降的速度與人重量有關，速度調節(jié)困難，對線圈轉子的剛度要求高。 圖2-1方案一原理示意圖 方案二：運用流體阻力來控制人的下落 本系統(tǒng)的原理：因為流體不會對與它相對靜止的物體施加摩擦力，但要對在其中運動的物體施加阻力。一般來說，在流體的粘滯性較大，運動物體較小，較慢的情況下，阻力正比于v，和粘滯性（v分別是運動速度，S橫截面積），在相反的情況下，阻力正比于和S，但與粘滯性無關，通常在空氣中墜落、行駛或飛翔屬于后一種情況。 具體方案：如圖2-2所示，該減速裝置運用流利力學原理，在軸上焊接上幾塊流線形狀的擋板，根據(jù)情況將之完全或者部分浸泡在液體中，要保證當一塊擋板離開液體的時候另一塊擋板恰好或已經進入液體，以增加使用時裝置的平穩(wěn)性?？梢酝ㄟ^改變液體深度來改變接觸面積以適應不同體重的人有相同的最終下落速度。 當人體在下落時，因為重力加速度的作用，下落的速度會逐漸加快，軸的轉速也逐漸加快，在接觸面積一定的情況下，速度越大流體對擋板的阻力也越大，速度增大的趨勢將逐漸減小，最后當重力矩和流體阻力矩相等時，人將勻速下降。 本方案優(yōu)點：該裝置容易控制最終速度，可以自動調控避免下落速度過大；整個過程比較平穩(wěn)沒有強烈的振動，延長了裝置的使用壽命；沒有復雜的控制設備，保證了安全性和可靠度；裝置的結構較簡單，體積相對較小，因而成本很低；由于所使用的液體種類較多，所以減速效果可以根據(jù)需要設計，加上阻力正比于速度的平方，所以減速效果好。 本方案缺點：為了防止液體的溢出影響使用效果，該裝置要求密封性很高；由于有一定量的液體，所以質量較大，相對笨重，裝拆較麻煩；液體不適合長時間保存在裝置里面，需要單獨儲存等到需要用時再倒進裝置，用完后需要回收液體；收繩時裝置會產生一定的阻力，阻礙收繩，循環(huán)利用性較差。需要保證裝置內部的干凈，防止雜質的存在影響使用效果。 圖2-2 方案二原理示意圖 方案三：運用離心機構產生阻力 本系統(tǒng)的原理：說到緩降，就會考慮到摩擦力。又為了實現(xiàn)自動限速，要使人下降的速度越快時所受的摩擦力越大，因而設計離心摩擦機構。 具體方案：如圖2-3所示，人下降時帶動軸轉動，轉速越快，離心力越大，將離心力轉化為摩擦面上的正壓力，產生摩擦阻力，當摩擦阻力矩和人體的重力矩相等時，人勻速下降，實現(xiàn)了自動調速。 本方案優(yōu)點：該裝置結構簡單，易于制造安裝；可以實現(xiàn)自動限速，人下降的速度越快時，剎車皮所受的離心力越大，剎車皮與剎皮之間的摩擦力越大，控制速度變化幅度，從而避免了強烈的沖擊。 本方案缺點：由于本方案是利用摩擦力來制動，所以說摩擦力要足夠大，這就需要每片剎皮的質量足夠大；摩擦力利用率不高；為了保證摩擦力作用距離，要求剎車片有一定的長度；本方案只可用于單人單次使用，不適合用于多人逃生，循環(huán)利用性較差。 1 2 3 4 5 6 圖2-3 方案三原理示意圖 1—轉軸（繞繩）；2—滑塊；3—摩擦片；4—導桿；5—離心轉化機構 綜上所述，方案一線圈產生的熱量不容易排出，當發(fā)熱嚴重時會燒壞線圈； 方案二中為了防止液體的溢出影響使用效果，該裝置要求密封性很高；同時需要保證裝置內部的干凈，防止雜質的存在影響使用效果；方案三是單純的機械結構，但仍存在一些問題。綜合上述三種方案的優(yōu)缺點提出了高樓逃生調速緩降器設計方案：離心減速下降，制動器制動著陸，電機回收繩索。 本系統(tǒng)的原理：為了提高摩擦力的利用率將滑塊設計成周向，垂直于軸，從而使摩擦力的利用率達到最高，并將摩擦片設計成圓筒狀節(jié)約空間；為使人安全平穩(wěn)著陸，當人接近地面時，制動器制動；為便于重復使用，增加繩索收回機構，同時為避免滑塊受到摩擦阻力對電機的反作用，電機通過鏈條帶動飛輪，飛輪帶動軸套轉動，而主軸幾乎不轉動。 機械系統(tǒng)具體方案確定：離心機構結構示意圖如圖2-4所示，鋼絲繩一端固定在軸套上，其余部分順序繞在軸套上，只有一個自由端，人員下降帶動主軸轉動，產生摩擦阻力。主軸的一端動過鏈輪和制動器傳動，當人接近地面時，制動器制動。當?shù)谝粋€人下降后，通過電機帶動軸軸套反轉，將繩收回，實現(xiàn)多人重復使用。 圖2-4 離心機構示意圖