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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(diào)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(xué)院名稱： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)班級： 測控 0602 學(xué)生姓名： 姚欽 指導(dǎo)教師姓名： 張西良 指導(dǎo)教師職稱： 教授 2010 年 06 月 江 蘇 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書 機(jī)械 學(xué)院 測控06（ 02 ） 班級 姚欽 學(xué)生 設(shè)計(jì)(論文)題目 高樓逃生調(diào)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(dǎo)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(chǎn)品的缺陷和不足，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為重力矩，依次產(chǎn)生轉(zhuǎn)速、離心力、正壓力，增加滑動摩擦力和摩擦阻力矩，實(shí)現(xiàn)降落減速，使降落過程達(dá)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(dāng)人員即將到達(dá)地面時自動制動，進(jìn)一步降低降落速度，安全舒適著地；裝置可多人重復(fù)使用，安裝方別、控制可靠快捷。 任務(wù)要求: 1．開題/專題綜述報(bào)告（3000字左右） 2．專業(yè)譯文工作（10000漢字左右） 3．調(diào)研報(bào)告（1000字左右） 4．總體要求：采用合適的結(jié)構(gòu)和速度控制方法，設(shè)計(jì)高樓逃生緩降器總體結(jié)構(gòu)，并采用單片機(jī)、傳感器、執(zhí)行器和人機(jī)接口，設(shè)計(jì)高樓逃生緩降器測控系統(tǒng)。 1）高樓逃生緩降器總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 2）單片機(jī)測控系統(tǒng)、傳感器信號采集電路、執(zhí)行器驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。 3）單片機(jī)測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 5．畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書/論文（≥20000字） 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃: 起 訖 日 期 工 作 內(nèi) 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(wù)，收集資料，外文翻譯，外出調(diào)研。 （2周） 外文翻譯，文獻(xiàn)綜述，提出總體方案，提交開題報(bào)告，撰寫調(diào)研報(bào)告。（2周） 外文翻譯，進(jìn)行理論研究。 （2周） 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （2周） 硬件設(shè)計(jì)。 （2周） 硬件調(diào)試，軟件編程。 （2周） 系統(tǒng)調(diào)試、改進(jìn)與完善（2周） 編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）。（1周） 資料總結(jié)、打印、歸檔，畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯（1周） 畢業(yè)實(shí)習(xí) 備 注 高樓逃生調(diào)速緩降器及測控系統(tǒng) 專業(yè)班級：測控0602 學(xué)生姓名：姚欽 指導(dǎo)教師：張西良 職稱：教授 摘要 高樓火災(zāi)逃生問題越來越為公眾所關(guān)注。當(dāng)高樓發(fā)生火災(zāi)時，火勢迅速擴(kuò)散，大火封住了房門，威脅人們的生命。這時候，如果設(shè)置了相應(yīng)的逃生裝置，可以實(shí)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(diào)節(jié)困難，要求人員的逃生技術(shù)高，安全系數(shù)低等不足，設(shè)計(jì)了一種高樓逃生調(diào)速緩降器。它分為機(jī)械系統(tǒng)和測控系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)是裝置的主體，由離心機(jī)構(gòu)、制動機(jī)構(gòu)、繩索回收機(jī)構(gòu)組成；測控系統(tǒng)對運(yùn)行的過程進(jìn)行監(jiān)測和控制，核心是單片微機(jī)。 該裝置通過離心機(jī)構(gòu)限制人員下降的速度；通過制動機(jī)構(gòu)，控制人著陸的速度，使人緩慢平穩(wěn)著陸；通過繩索回收機(jī)構(gòu)，快速回收繩索，進(jìn)行循環(huán)利用；運(yùn)用微機(jī)控制技術(shù)，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(yùn)行過程實(shí)時速度監(jiān)測，當(dāng)發(fā)生高樓火災(zāi)時，實(shí)現(xiàn)人員快速安全逃生。該裝置經(jīng)過軟硬件的調(diào)試以及大量的試驗(yàn)后，取得滿意的效果。 關(guān)鍵詞：高樓逃生 緩降器 調(diào)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(nèi)外產(chǎn)品現(xiàn)狀 1 1.3 設(shè)計(jì)思路 3 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 功能要求 4 2.2 技術(shù)方案論證 4 第三章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 3.1 整體設(shè)計(jì) 9 3.2 機(jī)架設(shè)計(jì) 10 3.3 離心機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10 3.4 繩收回機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 3.5 制動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 4.1 控制方案 24 4.2 控制器硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 4.3 控制器電路設(shè)計(jì) 25 4.4 控制程序設(shè)計(jì) 28 第五章 調(diào)試與試驗(yàn) 34 5.1 調(diào)試及試驗(yàn)方法 34 5.2 控制系統(tǒng)調(diào)試 34 5.3 機(jī)械系統(tǒng)調(diào)試 36 5.4 逃生器試驗(yàn) 37 第六章 總結(jié)與展望 39 6.1 總結(jié) 39 6.2 展望 39 致謝 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄A 機(jī)械設(shè)計(jì)圖紙清單 43 附錄B 程序項(xiàng)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(jīng)濟(jì)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(dāng)高樓發(fā)生火災(zāi)時，大火能在一分鐘內(nèi)迅速擴(kuò)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(shè)置了相應(yīng)的逃生裝置可以實(shí)現(xiàn)自救，將大大減少人員的傷亡。 高樓火災(zāi)的逃生要能夠?qū)崿F(xiàn)逃生快速安全，可多人逃生，操作方便。為此，研究高樓火災(zāi)逃生問題，具有非常重要的意義。 1.2 國內(nèi)外產(chǎn)品和技術(shù)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(diǎn)：速度調(diào)節(jié)困難，逃生技術(shù)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(zāi)時人員沿梯子到達(dá)地面。 缺點(diǎn)：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(diǎn)：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(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速，依次產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是無法調(diào)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(shè)計(jì)主要內(nèi)容 根據(jù)對現(xiàn)有產(chǎn)品的分析和比較，設(shè)計(jì)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(diào)速緩降器。 要求裝置能夠巧妙地將人體向下的重力轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)速，依次產(chǎn)生離心力、正壓力、滑動摩擦力和摩擦阻力矩，實(shí)現(xiàn)降落減速，使降落過程達(dá)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(shè)計(jì)制動裝置，當(dāng)人員即將到達(dá)地面時自動制動，進(jìn)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(shè)計(jì)了繩索自動回收機(jī)構(gòu)。 為確保裝置的自動穩(wěn)定運(yùn)行以及下降的速度自動調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)有良好的人機(jī)交互界面以及穩(wěn)定性。 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 2.1 功能要求 （1）裝置用于高樓發(fā)生火災(zāi)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(dāng)發(fā)生火災(zāi)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(jī)構(gòu)的作用下，以一定的速度下降，當(dāng)接近地面時，制動機(jī)構(gòu)自動制動，使人員平穩(wěn)著陸，實(shí)現(xiàn)快捷安全逃生。 （3）當(dāng)?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(shù)方案論證 逃生機(jī)構(gòu)的原理從能量方面來說，就是要將逃生者的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量，如機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能（電磁感應(yīng)效應(yīng)），機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能（流體阻力、離心機(jī)構(gòu)）。 方案一：一種電磁感應(yīng)式高樓逃生緩降裝置 本裝置的原理：根據(jù)電磁感應(yīng)效應(yīng)，利用轉(zhuǎn)動線圈在恒定磁場下產(chǎn)生感應(yīng)電荷感應(yīng)電動勢，通過感應(yīng)電流的導(dǎo)體又與恒定磁場相互作用產(chǎn)生與原旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁制動轉(zhuǎn)矩，并且線圈速度越大其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也越大，從而最后線圈達(dá)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(zhuǎn)軸，在轉(zhuǎn)軸上安裝轉(zhuǎn)子線圈，當(dāng)人往下降落時帶動轉(zhuǎn)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(diǎn)：本裝置的反應(yīng)較快，從起落到勻速時間間隔較短，準(zhǔn)確、平穩(wěn)，相對于其他方案重量較輕，結(jié)構(gòu)簡單，通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度還可以調(diào)節(jié)最終的下降速度。 本方案缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)子線圈較難制作，且線圈產(chǎn)生的熱量不容易排出，當(dāng)發(fā)熱嚴(yán)重時會燒壞線圈，對磁場的分布、磁場強(qiáng)度要求較高，下降的速度與人重量有關(guān)，速度調(diào)節(jié)困難，對線圈轉(zhuǎn)子的剛度要求高。 圖2-1方案一原理示意圖 方案二：運(yùn)用流體阻力來控制人的下落 本系統(tǒng)的原理：因?yàn)榱黧w不會對與它相對靜止的物體施加摩擦力，但要對在其中運(yùn)動的物體施加阻力。一般來說，在流體的粘滯性較大，運(yùn)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(yùn)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(guān)，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(yùn)用流利力學(xué)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(dāng)一塊擋板離開液體的時候另一塊擋板恰好或已經(jīng)進(jìn)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(yīng)不同體重的人有相同的最終下落速度。 當(dāng)人體在下落時，因?yàn)橹亓铀俣鹊淖饔?，下落的速度會逐漸加快，軸的轉(zhuǎn)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(dāng)重力矩和流體阻力矩相等時，人將勻速下降。 本方案優(yōu)點(diǎn)：該裝置容易控制最終速度，可以自動調(diào)控避免下落速度過大；整個過程比較平穩(wěn)沒有強(qiáng)烈的振動，延長了裝置的使用壽命；沒有復(fù)雜的控制設(shè)備，保證了安全性和可靠度；裝置的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)，加上阻力正比于速度的平方，所以減速效果好。 本方案缺點(diǎn)：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(zhì)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(dú)儲存等到需要用時再倒進(jìn)裝置，用完后需要回收液體；收繩時裝置會產(chǎn)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(nèi)部的干凈，防止雜質(zhì)的存在影響使用效果。 圖2-2 方案二原理示意圖 方案三：運(yùn)用離心機(jī)構(gòu)產(chǎn)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(shí)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(shè)計(jì)離心摩擦機(jī)構(gòu)。 具體方案：如圖2-3所示，人下降時帶動軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速越快，離心力越大，將離心力轉(zhuǎn)化為摩擦面上的正壓力，產(chǎn)生摩擦阻力，當(dāng)摩擦阻力矩和人體的重力矩相等時，人勻速下降，實(shí)現(xiàn)了自動調(diào)速。 本方案優(yōu)點(diǎn)：該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于制造安裝；可以實(shí)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(qiáng)烈的沖擊。 本方案缺點(diǎn)：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(zhì)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(zhuǎn)軸（繞繩）；2—滑塊；3—摩擦片；4—導(dǎo)桿；5—離心轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu) 綜上所述，方案一線圈產(chǎn)生的熱量不容易排出，當(dāng)發(fā)熱嚴(yán)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(nèi)部的干凈，防止雜質(zhì)的存在影響使用效果；方案三是單純的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但仍存在一些問題。綜合上述三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)提出了高樓逃生調(diào)速緩降器設(shè)計(jì)方案：離心減速下降，制動器制動著陸，電機(jī)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(shè)計(jì)成周向，垂直于軸，從而使摩擦力的利用率達(dá)到最高，并將摩擦片設(shè)計(jì)成圓筒狀節(jié)約空間；為使人安全平穩(wěn)著陸，當(dāng)人接近地面時，制動器制動；為便于重復(fù)使用，增加繩索收回機(jī)構(gòu)，同時為避免滑塊受到摩擦阻力對電機(jī)的反作用，電機(jī)通過鏈條帶動飛輪，飛輪帶動軸套轉(zhuǎn)動，而主軸幾乎不轉(zhuǎn)動。 機(jī)械系統(tǒng)具體方案確定：離心機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動，產(chǎn)生摩擦阻力。主軸的一端動過鏈輪和制動器傳動，當(dāng)人接近地面時，制動器制動。當(dāng)?shù)谝粋€人下降后，通過電機(jī)帶動軸軸套反轉(zhuǎn)，將繩收回，實(shí)現(xiàn)多人重復(fù)使用。 圖2-4 離心機(jī)構(gòu)示意圖