电力铁塔自动方形攀爬装置的制作方法

本发明属于电力系统辅助设备领域。

背景技术：

目前，采用高压和超高压架空电力线路进行电力输送是远距离输送电力的主要方式。电力铁塔及电力线长期显露在野外，分布地点多，绝大部分远离城镇，所处地形复杂，自然环境恶劣，因受到持续的机械张力、风吹日晒、材料老化等的影响，经常会出现断股、磨损、腐蚀、螺丝松动等问题。因自然原因或人为破坏造成的微小损坏或缺陷，都可能扩大，最终导致严重的事故。因此，对电力输电设备的日常巡检与维护是有效保障输电设备安全、可靠输送电力的基础工作。传统的巡检方法普遍采用的是人工巡检、手工记录的工作方式，需要工作人员逐塔巡视。这种方法费时费力，而且受恶劣的自然环境影响，工作条件艰苦、巡检周期长、效率低，同时，人工攀爬铁塔及上线检测对工作人员存在安全隐患。因此，急需开发可以替代或部分替代电力工人日常巡检作业的新型设备。随着装置技术的发展，电力特种装置成为特种装置领域的一个研究热点。但目前对电力特种装置的研发热点基本上都是针对电力线巡检的巡线装置，国内外已经先后成功研发出一些巡线装置，并在进一步的投入人力物力进行巡线装置的研发工作。然而用于巡检与维护电力铁塔的装置还未多见到相关的研究与报道。

技术实现要素：

本发明的目的是通过携带的传感器检测塔身，及时排除铁塔存在的安全隐患，同时有一定负载能力可以将人或设备运至铁塔上进行工作的电力铁塔自动方形攀爬装置。

本发明是由两个内部结构相同的右攀爬装置和左攀爬装置构成，并且右攀爬装置和左攀爬装置上的导轨槽相对应安装；在右攀爬装置和左攀爬装置内部的顶端均通过滑轮架安装有上支点滑轮，在上支点滑轮的下端侧壁上安装有绕线辊架；在右攀爬装置和左攀爬装置内部的底端均安装有电机，电机的电机轴上安装有动力滑轮，对应动力滑轮的上端通过支架安装有下支点滑轮；右攀爬装置和左攀爬装置的前端为开口，在右攀爬装置和左攀爬装置的开口端通过弾性轴安装有卡扣；在右攀爬装置和左攀爬装置内部缠绕有相互配合的右牵引绳和左牵引绳，右牵引绳和左牵引绳的缠绕结构是：右牵引绳的一端绳辊安装在右攀爬装置内部的右绕线辊架上，然后绕过右下支点滑轮，再穿过右攀爬装置和左攀爬装置上的导轨槽，再绕过左上支点滑轮，最后右牵引绳另一端安装在左动力滑轮上；左牵引绳的一端的绳辊安装在左绕线辊架上，然后绕过左下支点滑轮，再穿过右攀爬装置和左攀爬装置上的导轨槽，再绕过右上支点滑轮，最后左牵引绳另一端安装在右动力滑轮上。

本发明攀爬电路结构包括：主控芯片、电源保护电路、电源滤波电路、电源指示电路、5V稳压电路、12V稳压电路、3.3V稳压电路、MCU滤波电路、AD基准电路、MCU复位电路、Boot设置电路、MCU下载电路、MCU晶振电路、摄像头供电电路、无线图传模块供电接口、红外对管发射管供电接口电路、红外对管接收管电路、应变片模块结构电路、步进电机驱动控制电路、无线串口接口电路、电磁铁驱动电路；

主控芯片：采用STM32F103VET6芯片，主控芯片U1的11、28、50、75、100脚与3.3V稳压电路的VCC-3.3连接，主控芯片U1的10、27、49、74、99脚与电源的GND连接；

电源保护电路：电源输入接口J1的1脚为电源正极，2脚为电源GND；电源输入接口J1的1脚与自恢复保险丝F1的左端连接，自恢复保险丝F1的右端与肖特基二极管D2的左端连接，肖特基二极管D2的右端与瞬态抑制二极管TVSD3的左端连接为电源的输出端，瞬态抑制二极TVS的右端与电源输入接口J1的2脚GND连接；

电源滤波电路：电源保护电路中的电源输入接口J1的1脚VIN与电解电容C4、无极性电容C5的左端连接，电解电容C4、无极性电容C5的右端与电源保护电路中电源输入接口J1的2脚GND连接；

电源指示电路：电源保护电路中的VCC电源输出端与限流电阻R1的左端连接，限流电阻R1右端与发光二极管D1的左端连接，发光二极管D1的右端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；

5V稳压电路：电源保护电路的VCC电源输出端与稳压芯片LM2576-5VU3的1脚连接，电源保护电路的VCC电源输出端与电解电容C10的下端连接，C10的上端和稳压芯片U3的3、5脚连接到电源保护电路中电源输入接口J1的2脚的GND上；电感L1的左端与肖特基二极管D4的下端连接后接入U3的2脚上，L1的右端和电解电容C11的下端连接后接到U3的4脚上为VCC-5V输出端，肖特基二极管D4的上端与C11的上端连接后接到电源保护电路的电源输入接口J1的2脚GND；

12V稳压电路：电源保护电路的VCC电源输出端与U4稳压芯片LM2576-12V的1脚连接，电源保护电路的VCC电源输出端与电解电容C17的下端连接，C17的上端和U4的3、5脚连接到电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND上；电感L3的左端与肖特基二极管D5的下端连接后接入U4的2脚上，L3的右端和电解电容C18的下端连接后接到U4的4脚上为VCC-12V输出端，肖特基二极管D5的上端与C18的上端连接后接到电源保护电路的电源输入接口J1的2脚GND；

3.3V稳压电路：5V稳压电路的5V电压输出端与电容C6、C8的上端连接接到U2的3脚，C6、C7、C8、C9的下端与U2的1脚连接后与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND相连，C7、C9的上端与U2的2脚连接后为VCC-3.3V输出端；

MCU滤波电路：3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端与C12、C13、C14、C15、C16的上端连接，C12、C13、C14、C15、C16的下端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端与电感L2的左端连接，L2的右端与C19、C20、C21的上端连接后，接入到主控芯片中的22脚VDDA，电感L4的左端连接电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND，L4的右端连接C19、C20、C21的下端后，接入到主控芯片中的19脚VSSA；

AD基准电路：3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端与电感L5的左端连接，L5的右端与C22、C23、C24的上端连接后，接入到主控芯片中的21脚，电感L6的左端连接到电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND，L6的右端连接C22、C23、C24的下端后，接入到主控芯片中的20脚 ；

MCU复位电路：中的VCC-3.3V输出端与R2的右端连接，按键S1的右端、R2的左端、C2的右端与主控芯片中U1的14脚连接；C2、S1的左端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND；

Boot设置电路：电阻R3的右端与主控芯片中的94脚连接，电阻R3的左端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；

MCU下载电路：接插件P1的1脚与主控芯片U1的72脚、上拉电阻R5的下端连接，P1的2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，P1的3脚与主控芯片U1的76脚、上拉电阻R4的下端连接；上拉电阻R4、R5的上端与3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端连接；

MCU晶振电路：晶体振荡器Y1的2脚、C1的右端与主控芯片U1的12脚连接，晶体振荡器Y1的1脚与C3的右端与主控芯片U1的13脚连接，C1、C3的左端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；

摄像头供电电路：接插件J4的1脚与12V稳压电路的输出端连接，2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；

无线图传模块供电接口：接插件J5的1脚与12V稳压电路的输出端连接，2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；

红外对管发射管供电接口电路：接插件J2_1、J2_的1脚与5V稳压电路的输出端连接，2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；

红外对管接收管电路：接插件J6_1、J6_2的1脚与5V稳压电路的输出端连接，插件J6_1、J6_2的2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，插件J6_1的3脚与限流电阻R6的右端连接，插件J6_的3脚与限流电阻R12的右端连接，限流电阻R6的左端与主控芯片U1的29脚连接，限流电阻R12的左端与主控芯片U1的30脚连接；

应变片模块结构电路：接插件J3_1、J3_2、J3_3、J3_4的1脚与5V稳压电路的输出端连接，插件J3_1、J3_2、J3_3、J3_4的2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，插件J3_1、J3_2、J3_3、J3_4的3脚分别与主控芯片U1电路的90、91、92、93脚连接；

步进电机驱动控制电路：接插件J8_1、J8_2的1脚与12V稳压电路的输出端连接，接插件J8_1、J8_2的8脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，接插件J8_1的2脚、4脚、6脚与上拉电阻R7的右端连接，接插件J8_2的2脚、4脚、6脚与上拉电阻R10的右端连接，接插件J8_1的3脚、5脚、7脚分别与主控芯片U1的65脚、31脚、66脚连接，接插件J8_2的3脚、5脚、7脚分别与主控芯片U1的78脚、32脚、79脚连接；上拉电阻R7、R8、R10、R11的左端与5V稳压电路的输出端连接，上拉电阻R8的右端与接插件J8的5脚相连；

无线串口接口电路：接插件J7的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚分别与主控芯片U1的70脚、71脚、68脚、69脚连接，接插件J7的6脚与5V稳压电路的输出端连接，接插件J7的7脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；

电磁铁驱动电路：继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的1脚分别与续流二极管D7、D9、D11、D13的上端与5V稳压电路的输出端连接；继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的2脚与12V稳压电路的输出端连接，继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的3脚和续流二极管D6、D8、D10、D12的上端分别连接到接插件J9_1、J9_2、J9_3、J9_4的1脚；继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的5脚分别与续流二极管D7、D9、D11、D13的下端依次连接到三极管Q1、Q2、Q3、Q4的上端；接插件J9_1、J9_2、J9_3、J9_4的2脚、续流二极管D6、D8、D10、D12的下端、三极管Q1、Q2、Q3、Q4的下端连接到电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND；三极管Q1、Q2、Q3、Q4的右端分别与R13、R14、R15、R16的右端，R13、R14、R15、R16的左端分别与主控芯片U1的95、96、47、48脚连接。

本发明电路工作过程是：

①开始时，开启设备电源，系统控制板与电源保护电路中的电源接口连接的锂电池开始为系统提供电能，其中5V电源为红外对管检测电路、步进电机的控制电路、无线串口模块、电磁铁控制电路供电，12V电源为摄像头、无线图传、步进电机电源、电磁铁工作电路供电，3.3V电源为主控芯片供电；

②初始化无线串口模块，与操作设备连接；

③操作设备向攀爬装置发送握手指令，攀爬装置接收到指令后，发送回应指令给操作设备；

④握手成功以后，装置开始进行自我检测，单片机读取红外对管模块信号，实时监测红外对管的电平高低，由红外对管的高低电平判断左右两个设备是否对齐；读取应变片的输出电压，由应变片的输出电压判断卡扣是否卡紧，开启摄像头，并发送摄像头数据，并监测数据的有效性，由数据的有效性判断摄像头是否正常工作；

⑤操作设备通过串口发送指令给攀爬装置，操作设备通过上位机发送指令，经过USB转TTL电平后送至无线串口的TXD端口，无线串口将数据发送出去；

⑥攀爬装置开始进行工作状态的检测，工作状态检测通过两对红外对管及四个应变片经行检测；

⑦判断将要执行的指令为非断开指令，根据指令进行具体的操作，执行结束后返回到第5步；

⑧若接收到的指令为断开指令，则等待操作设备断开连接，直到操作设备断开连接，则结束。

本发明爬升周期过程是：

①开始，主控芯片通过控制步进电机驱动，控制攀爬装置的左半部分的步进电机开始进行工作，与此同时，主控芯片给电磁铁信号使装置的右半部分的电磁铁驱动电路开始工作，使得卡扣收缩，这时装置右半部份解除固定，装置的右半部分开始爬升，左半部分继续固定在铁塔上；

②主控芯片检测红外对管中接收管输出的电平高低，由红外对管的高低电平判断装置右半部分是否到达指定位置，若未到达指定位置，则继续第2步操作，否则，说明装置的右半部分已到达指定位置；

③当装置的右半部分到达指定位置，此时，主控芯片通过控制三极管使攀爬装置的右半部分的电磁铁驱动电路停止工作，因此装置的右半部分的卡扣会弹出，使其卡紧在铁塔上并，同时，主控芯片停止输出驱动信号使装置的左半部分的步进电机停止工作；

④检测装置的右半部分的应变片的输出电压，由应变片的输出电压判断卡扣是否卡紧，若没有卡紧，则进行相应的调整，直到卡紧，若卡紧，检测装置左半部分接收管是否收到信号，如果主控芯片接收到高电平信号；

⑤接下来主控芯片输出信号控制装置的右半部分的步进电机开始进行工作，与此同时，主控芯片控制装置的左半部分的电磁铁驱动电路开始工作，使得卡扣收缩；

⑥此时检测装置红外对管的电平高低，由红外对管的高低电平判断装置左是否到达指定位置，如果达到指定位置，左半部分的红外对管接收管的状态由上端接收管接收到信号下端接收管未接收到信号变为两个接收管都接收到信号再变为上端接收管接收到信号，下端接收管未接收到信号，并保持不变，若未到达指定位置，则继续第6步操作；

⑦当装置的左半部分到达指定位置，此时，装置的左半部分的电磁铁驱动电路停止工作，使得装置的左半部分的卡扣弹出，使其卡紧在铁塔上，同时，装置的右半部分的步进电机停止工作；

⑧检测装置的左半部分的应变片的输出电压，由应变片的输出电压判断卡扣是否卡紧，若没有卡紧，则进行相应的调整，直到卡紧，若卡紧，则装置的左半部分上升完毕，至此，装置爬升的一个周期结束。

本发明爬升过程是：

①开始，装置接收到上升指令，此时，判断装置是否到达塔顶，装置开始准备执行上升操作，主控芯片给步进电机驱动输出信号，使电机转动，从而使装置开始上升；

②判断装置是否到达塔顶，若到达塔顶，装置经过调整固定好之后，装置的状态为四个应变片全被压下，两个红外对管输出高电平，操作结束，若未到达，则执行爬升操作；

③执行爬升操作结束后，判断之前或此时是否收到新的指令，若未收到，则重复执行第2步操作，否则，结束爬升操作，执行新的操作。

本发明能够代替人工巡检、提高效率和检测精度、降低成本等，长远来看，当攀爬电力铁塔装置技术达到一定程度，它还可以负载巡线装置自主上线，甚至集攀爬铁塔与上线巡线于一身，实现电力巡检的全面自动化。

附图说明

图1是本发明与电力塔柱攀爬状态示意图；图中1、右攀爬装置；2、左攀爬装置；3、卡扣；4、安装在塔上的爬杆；5、塔上的支架；

图2是本发明两个攀爬装置以及攀爬装置内部结构示意图；

图3是本发明左（或右）攀爬装置内部结构示意图；

图4是本发明左攀爬装置和右攀爬装置拉绳连接示意图；

图5是主控芯片电路图；

图6是电源保护电路图；

图7是电源滤波电路图；

图8是电源指示电路图；

图9是5V稳压电路图；

图10是12V稳压电路图；

图11是3.3V稳压电路图；

图12是MCU滤波电路第一部分图；

图13是MCU滤波电路第二部分图；

图14是AD基准电路图；

图15是MCU复位电路图；

图16是Boot设置电路图；

图17是MCU下载电路图；

图18是MCU晶振电路图；

图19是摄像头供电电路图；

图20是无线图传模块供电接口图；

图21是红外对管发射管供电接口图；

图22是红外对管接收管电路图；

图23是应变片模块接口图；

图24是步进电机驱动控制电路图；

图25是无线串口接口图；

图26是电磁铁驱动电路图；

图27是系统工作的整体流程图；

图28是装置的爬升周期过程流程图；

图29是装置的爬升流程图。

具体实施方式

本发明是由两个内部结构相同的右攀爬装置1和左攀爬装置2构成，并且右攀爬装置1和左攀爬装置2上的导轨槽6相对应安装；在右攀爬装置1和左攀爬装置2内部的顶端均通过滑轮架安装有上支点滑轮7，在上支点滑轮7的下端侧壁上安装有绕线辊架8；在右攀爬装置1和左攀爬装置2内部的底端均安装有电机12，电机12的电机轴上安装有动力滑轮11，对应动力滑轮11的上端通过支架安装有下支点滑轮10；右攀爬装置1和左攀爬装置2的前端为开口，在右攀爬装置1和左攀爬装置2的开口端通过弾性轴9安装有卡扣3；在右攀爬装置1和左攀爬装置2内部缠绕有相互配合的右牵引绳13和左牵引绳14，右牵引绳13和左牵引绳14的缠绕结构是：右牵引绳13的一端绳辊安装在右攀爬装置内部的右绕线辊架82上，然后绕过右下支点滑轮102，再穿过右攀爬装置1和左攀爬装置2上的导轨槽6，再绕过左上支点滑轮71，最后右牵引绳13另一端安装在左动力滑轮111上；左牵引绳14的一端的绳辊安装在左绕线辊架81上，然后绕过左下支点滑轮101，再穿过右攀爬装置1和左攀爬装置2上的导轨槽6，再绕过右上支点滑轮72，最后左牵引绳14另一端安装在右动力滑轮112上。

设备整体结构参考升降梯模型，整个装置分为左右两部分，整体结构有升降机构，传动机构，紧锁机构构成。其中升降机构由导轨6组成。传动结构由传动绳子13和传动绳子14缠绕装置一些部件组成，具体连接方式为(如图4所示)：绳子13的一端固定在右攀爬装置的固定端82上，绕过右攀爬装置的下滑轮102，再绕过左攀爬装置的上滑轮71，最后经过左攀爬装置的电机带动滑轮111，由左攀爬装置的电机提供动能；绳子14的一端固定在左攀爬装置的固定端81上，绕过左攀爬装置的下滑轮101，再绕过右攀爬装置的上滑轮72，最后经过右攀爬装置的电机带动滑轮112，由右攀爬装置的电机提供动能。紧锁结构由左攀爬装置和右攀爬装置上的4个卡扣3组成。

铁塔升降装置参考升降梯设计而成，其攀升过程可分为以下过程：

a)右攀爬装置的上移

左攀爬装置的电机带动左攀爬装置的电机带动滑轮111转动，左攀爬装置的电机带动滑轮111牵引绳子13运动提供一个向下的力，绳子13带动左攀爬装置的上滑轮71转动，再穿过右攀爬装置的下滑轮102，又因为绳子的一端固定在右攀爬装置的固定端82，由于绳子13的牵引使得右攀爬装置向上移动，此时，紧锁结构的左攀爬装置的上下两个卡扣锁紧在铁塔的铁杆上，升降机构导轨的开始起作用，使得右攀爬装置向上攀爬，此时，左攀爬装置的卡扣卡在铁塔的铁杆上给整个装置提供支点，并和升降机构导轨一起固定右攀爬装置的行进方向。

b)卡扣的闭合

紧锁结构由于右攀爬装置的上下卡扣下方的电磁铁的通电实现卡扣的闭合，便于装置能够向上爬以通过铁塔的铁杆。

c)卡扣的张开

继续上升当装置移动到指定位置后，控制紧锁结构右攀爬装置的上下卡扣下方的电磁铁断电，此时，右攀爬装置的上下卡扣在弹簧回复力的作用下即可实现卡扣的张开，卡扣与铁塔的铁杆接触卡紧。

d)左攀爬装置的上移

右攀爬装置的电机带动右攀爬装置的电机带动滑轮112转动，右攀爬装置的电机带动滑轮112牵引绳子14运动提供一个向下的力，绳子14带动右攀爬装置的上滑轮72转动，再穿过左攀爬装置的下滑轮101，又因为绳子的一端固定在左攀爬装置的固定端81，由于绳子14的牵引使得左攀爬装置向上移动，此时，紧锁结构的右攀爬装置的上下两个卡扣锁紧在铁塔的铁杆上，升降机构导轨的开始起作用，使得左攀爬装置向上攀爬，此时，右攀爬装置的卡扣卡在铁塔的铁杆上给整个装置提供支点，并和升降机构导轨一起固定左攀爬装置的行进方向。

e)卡扣的闭合

紧锁结构由于左攀爬装置的上下卡扣下方的电磁铁的通电实现卡扣的闭合，便于装置能够向上爬以通过铁塔的铁杆。

f)卡扣的张开

继续上升当装置移动到指定位置后，控制紧锁结构左攀爬装置的上下卡扣下方的电磁铁断电，此时，左攀爬装置的上下卡扣在弹簧回复力的作用下即可实现卡扣的张开，卡扣与铁塔的铁杆接触卡紧。

左、右攀爬装置重复以上过程，整个装置就会实现向上爬的目的。

本发明攀爬电路结构包括：主控芯片、电源保护电路、电源滤波电路、电源指示电路、5V稳压电路、12V稳压电路、3.3V稳压电路、MCU滤波电路、AD基准电路、MCU复位电路、Boot设置电路、MCU下载电路、MCU晶振电路、摄像头供电电路、无线图传模块供电接口、红外对管发射管供电接口电路、红外对管接收管电路、应变片模块结构电路、步进电机驱动控制电路、无线串口接口电路、电磁铁驱动电路；

主控芯片：采用STM32F103VET6芯片，主控芯片U1的11、28、50、75、100脚与3.3V稳压电路（图11）的VCC-3.3连接，主控芯片U1的10、27、49、74、99脚与电源的GND连接。

电源保护电路：电源输入接口J1的1脚为电源正极，2脚为电源GND；电源输入接口J1的1脚与自恢复保险丝F1的左端连接，自恢复保险丝F1的右端与肖特基二极管D2的左端连接，肖特基二极管D2的右端与瞬态抑制二极管TVSD3的左端连接为电源的输出端，瞬态抑制二极TVS的右端与电源输入接口J1的2脚GND连接；实现了短路保护，电源防反接，以及抑制瞬间电涌的功能。

电源滤波电路：电源保护电路中的电源输入接口J1的1脚VIN与电解电容C4、无极性电容C5的左端连接，电解电容C4、无极性电容C5的右端与电源保护电路中电源输入接口J1的2脚GND连接；实现了整个电路电源的滤波功能。

电源指示电路：电源保护电路中的VCC电源输出端与限流电阻R1的左端连接，限流电阻R1右端与发光二极管D1的左端连接，发光二极管D1的右端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；实现了系统一旦插入电源就会有灯光提示。

5V稳压电路：电源保护电路的VCC电源输出端与稳压芯片LM2576-5VU3的1脚连接，电源保护电路的VCC电源输出端与电解电容C10的下端连接，C10的上端和稳压芯片U3的3、5脚连接到电源保护电路中电源输入接口J1的2脚的GND上；电感L1的左端与肖特基二极管D4的下端连接后接入U3的2脚上，L1的右端和电解电容C11的下端连接后接到U3的4脚上为VCC-5V输出端，肖特基二极管D4的上端与C11的上端连接后接到电源保护电路的电源输入接口J1的2脚GND；这部分电路为系统提供稳定的5V电压。

12V稳压电路：电源保护电路的VCC电源输出端与U4稳压芯片LM2576-12V的1脚连接，电源保护电路的VCC电源输出端与电解电容C17的下端连接，C17的上端和U4的3、5脚连接到电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND上；电感L3的左端与肖特基二极管D5的下端连接后接入U4的2脚上，L3的右端和电解电容C18的下端连接后接到U4的4脚上为VCC-12V输出端，肖特基二极管D5的上端与C18的上端连接后接到电源保护电路的电源输入接口J1的2脚GND；实现了为系统提供稳定的12V电压的功能。

3.3V稳压电路：5V稳压电路的5V电压输出端与电容C6、C8的上端连接接到U2的3脚，C6、C7、C8、C9的下端与U2的1脚连接后与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND相连，C7、C9的上端与U2的2脚连接后为VCC-3.3V输出端；实现了为系统提供稳定的3.3V电压的功能。

MCU滤波电路（图12和图13）：3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端与C12、C13、C14、C15、C16的上端连接，C12、C13、C14、C15、C16的下端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端与电感L2的左端连接，L2的右端与C19、C20、C21的上端连接后，接入到主控芯片中的22脚VDDA，电感L4的左端连接电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND，L4的右端连接C19、C20、C21的下端后，接入到主控芯片中的19脚VSSA。图13与图12一起构成了MCU的滤波电路。

AD基准电路：3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端与电感L5的左端连接，L5的右端与C22、C23、C24的上端连接后，接入到主控芯片中的21脚，电感L6的左端连接到电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND，L6的右端连接C22、C23、C24的下端后，接入到主控芯片中的20脚 ；给MCU的内部AD提供电压基准，以供使用。

MCU复位电路：中的VCC-3.3V输出端与R2的右端连接，按键S1的右端、R2的左端、C2的右端与主控芯片中U1的14脚连接；C2、S1的左端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND；实现S1按下MCU复位的功能。

Boot设置电路：电阻R3的右端与主控芯片中的94脚连接，电阻R3的左端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；实现单片机的BOOT设置的功能。

MCU下载电路：接插件P1的1脚与主控芯片U1的72脚、上拉电阻R5的下端连接，P1的2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，P1的3脚与主控芯片U1的76脚、上拉电阻R4的下端连接；上拉电阻R4、R5的上端与3.3V稳压电路中的VCC-3.3V输出端连接；实现系统的下载程序功能。

MCU晶振电路：晶体振荡器Y1的2脚、C1的右端与主控芯片U1的12脚连接，晶体振荡器Y1的1脚与C3的右端与主控芯片U1的13脚连接，C1、C3的左端与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；该电路为整个MCU的外部时钟输入。

摄像头供电电路：接插件J4的1脚与12V稳压电路的输出端连接，2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；实现给摄像头供电功能。

无线图传模块供电接口：接插件J5的1脚与12V稳压电路的输出端连接，2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；实现给无线图传模块供电功能。

红外对管发射管供电接口电路：接插件J2_1、J2_的1脚与5V稳压电路的输出端连接，2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；实现给红外对管发射管供电功能。

红外对管接收管电路：接插件J6_1、J6_2的1脚与5V稳压电路的输出端连接，插件J6_1、J6_2的2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，插件J6_1的3脚与限流电阻R6的右端连接，插件J6_的3脚与限流电阻R12的右端连接，限流电阻R6的左端与主控芯片U1的29脚连接，限流电阻R12的左端与主控芯片U1的30脚连接；实现给红外对管发射管供电及信号输出的功能。

应变片模块结构电路：接插件J3_1、J3_2、J3_3、J3_4的1脚与5V稳压电路的输出端连接，插件J3_1、J3_2、J3_3、J3_4的2脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，插件J3_1、J3_2、J3_3、J3_4的3脚分别与主控芯片U1电路的90、91、92、93脚连接；实现给应变片模块供电及信号输出的功能。

步进电机驱动控制电路：接插件J8_1、J8_2的1脚与12V稳压电路的输出端连接，接插件J8_1、J8_2的8脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接，接插件J8_1的2脚、4脚、6脚与上拉电阻R7的右端连接，接插件J8_2的2脚、4脚、6脚与上拉电阻R10的右端连接，接插件J8_1的3脚、5脚、7脚分别与主控芯片U1的65脚、31脚、66脚连接，接插件J8_2的3脚、5脚、7脚分别与主控芯片U1的78脚、32脚、79脚连接；上拉电阻R7、R8、R10、R11的左端与5V稳压电路的输出端连接，上拉电阻R8的右端与接插件J8的5脚相连；实现步进电机供电及控制的功能。

无线串口接口电路：接插件J7的1脚、2脚、3脚、4脚、5脚分别与主控芯片U1的70脚、71脚、68脚、69脚连接，接插件J7的6脚与5V稳压电路的输出端连接，接插件J7的7脚与电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND连接；实现无限串口的供电及信号传输的功能。

电磁铁驱动电路：继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的1脚分别与续流二极管D7、D9、D11、D13的上端与5V稳压电路的输出端连接；继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的2脚与12V稳压电路的输出端连接，继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的3脚和续流二极管D6、D8、D10、D12的上端分别连接到接插件J9_1、J9_2、J9_3、J9_4的1脚；继电器K1_1、K1_2、K1_3、K1_4的5脚分别与续流二极管D7、D9、D11、D13的下端依次连接到三极管Q1、Q2、Q3、Q4的上端；接插件J9_1、J9_2、J9_3、J9_4的2脚、续流二极管D6、D8、D10、D12的下端、三极管Q1、Q2、Q3、Q4的下端连接到电源保护电路中的电源输入接口J1的2脚GND；三极管Q1、Q2、Q3、Q4的右端分别与R13、R14、R15、R16的右端，R13、R14、R15、R16的左端分别与主控芯片U1的95、96、47、48脚连接。实现电磁铁的控制功能。

如图27所示，为系统工作的整体流程图，系统上电后会首先进行硬件初始化，检测各硬件设备是否正常工作，初始化失败返回错误代码，并给出相应的提示，便于用户处理故障。初始化成功后，会一直尝试并检测设备是否连接了操作设备，如果没有，则一直重复此操作，直到断电，如果连接了操作设备，则进入接收操作命令状态，通过不同指令使设备进行相应的操作，包括上升、停止、下降等。具体过程如下：

本发明电路工作过程是：

①开始时，开启设备电源，系统控制板与电源保护电路中的电源接口连接的锂电池开始为系统提供电能，图6电路为系统供电提供了有力的保护。其中的自恢复保险丝F1在电路短路的情况下自动断开，可以防止电路板中某些元件出现问题时产生大电流将整个系统烧坏。肖特基二极管D2防止了锂电池正负接反之后将系统烧坏，这样即使使用者在连接电源时发生误操作系统也不会因此而被损坏。开关打开后图8中的电源指示灯发光，提示使用者系统开始工作。如果系统发生严重问题，系统电源指示灯会熄灭，方便使用者大概判断系统是否正常。图9、图10、图11在系统连接上电源后开始为系统提供5V、12V和3.3V电源，其中5V电源为红外对管检测电路、步进电机的控制电路、无线串口模块、电磁铁控制电路供电，12V电源为摄像头、无线图传、步进电机电源、电磁铁工作电路供电，3.3V电源为主控芯片供电；图12为主控芯片的退耦电容，可防止电路通过电源形成的正反馈通路而引起的寄生振荡。所谓退耦，即防止前后电路电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对电路的正常工作产生影响，换言之，退耦电路能够有效地消除电路之间的寄生耦合。图13、图14将主控芯片的数字电源和模拟电源通过磁珠连接起来，防止模拟电源对数字电源产生干扰，提高了系统的稳定性。

②初始化无线串口模块，与操作设备连接；无线串口模块采用进口高性能无线射频芯片，以及超低功耗高性能单片机构成；模块有超低功耗接收模式，支持不同的功耗等级，同时对应不同的响应时间。无线串口模块可以设置多种波特率，通信双方可以波特率不同，提高了设备的灵活性。而且支持多种无线速率，可根据需要设定，从而在功耗、距离、速率上取得最佳平衡点。无线串口设计比较人性化，在用户设置好参数设置好后，模块会将参数保存，断电不丢失，重新上电后，模块会按照设置好的参数进行工作。无线串口用的是标准的TTL接口，而且有抗干扰屏蔽罩，可以提高接收灵敏度。信号的发射通过弹簧天线，增加了信号传输，而且成本很低。无线串口模块在休眠模式下功耗极低，较宽范围的工作电压，而且内部带电流保护电路。无线串口内置高效看门狗，在极其恶劣的工业环境中，也可以保证模块永不死机，提高了系统的可靠性。

③操作设备向攀爬装置发送握手指令，攀爬装置接收到指令后，发送回应指令给操作设备；（此处的指令发送与接收都有通信协议进行包装和拆装）。通过通信协议进行数据传输，保证了数据的正确性、可靠性，并且可以对数据进行加密，提高数据的安全性。防止其他人对装置工作进行干扰。

④握手成功以后，装置开始进行自我检测，单片机读取红外对管模块信号，实时监测红外对管的电平高低，由红外对管的高低电平判断左右两个设备是否对齐；读取应变片的输出电压，由应变片的输出电压判断卡扣是否卡紧，开启摄像头，并发送摄像头数据，并监测数据的有效性，由数据的有效性判断摄像头是否正常工作；根据反馈的得到状态，判断装置的各个模块能否正常工作，并将结果通过无线串口反馈给操作设备。若各个模块能够正常工作，则继续往下执行；否则，发送错误代码给操作设备，待用户去检查处理问题之后重新开启设备，直到设备状态正确开始工作。

⑤操作设备通过串口发送指令给攀爬装置，操作设备通过上位机发送指令，经过USB转TTL电平后送至无线串口的TXD端口，无线串口将数据发送出去；攀爬装置通过无线串口接收到指令，并通过RXD引脚将数据传给图5中的主控芯片U1并经过解析后得到指令，然后完成指令所指示的动作。当攀爬装置完成指令后，通过向无线串口的TXD发送操作完成指令，指令由无线串口传输给操作设备的无线串口，操作设备的无线串口接收到指令后通过USB转TTL芯片将指令传给上位机，上位机软件经过解析，得到反馈指令。然后将系统状态显示在上位机界面，让使用者能直观的判断系统状态。

⑥攀爬装置开始进行工作状态的检测，工作状态检测通过两对红外对管及四个应变片经行检测；两对红外对管分别固定在装置的上端和下端。若装置处于繁忙状态，则红外对管中的接收管接收不到信号图5中的第29、30引脚检测到低电平，应变片有两片没有被压下，并且经行持续检测，直到装置处于等待状态，及红外对管有一个有输出信号，应变片都有被压信号输出。

⑦判断将要执行的指令为非断开指令，根据指令进行具体的操作，执行结束后返回到第5步。

⑧若接收到的指令为断开指令，则等待操作设备断开连接，直到操作设备断开连接，则结束。

如图28所示为装置的爬升周期过程流程图，首先，左攀爬装置的电机开始转动为右攀爬装置提供动能，同时右攀爬装置的上、下卡扣收缩，检测右攀爬装置是否到达指定位置，如果到达指定位置，右攀爬装置的上下卡扣弹出，电机停止工作，紧锁在铁塔的铁杆上，由应变片判断其是否紧锁，是则结束。否则将进行调整，直到紧锁停止，然后，右攀爬装置的电机开始转动为装置提供动能，同时左攀爬装置的上、下卡扣收缩，检测左攀爬装置是否到达指定位置，如果到达指定位置，左攀爬装置的上下卡扣弹出，电机停止工作，紧锁在铁塔的铁杆上，由应变片判断其是否紧锁，是则结束。否则将进行调整，直到紧锁停止，整个装置的爬升的周期过程流程图，具体过程如下：

本发明的爬升周期过程是：

①开始，主控芯片通过控制步进电机驱动，控制攀爬装置的左半部分的步进电机开始进行工作，与此同时，主控芯片给电磁铁信号使装置的右半部分的电磁铁驱动电路开始工作，使得卡扣收缩，这时装置右半部份解除固定，装置的右半部分开始爬升，左半部分继续固定在铁塔上；其中电磁铁是主控芯片通过控制三极管来控制电磁铁，如果不使用三极管，则单片机IO口驱动能力不够，则电磁铁不会正常工作，加上三极管之后将小信号放大，则有足够的驱动能力使电磁铁正常工作。

②主控芯片检测红外对管中接收管输出的电平高低，由红外对管的高低电平判断装置右半部分是否到达指定位置，若未到达指定位置，则继续第2步操作，否则，说明装置的右半部分已到达指定位置；如果达到指定位置，装置左半部分的上端的红外接收管接收管向主控芯片输出高电平信号，另一个红外对管接收管没有接收到信号，则输出低电平信号。

③当装置的右半部分到达指定位置，此时，主控芯片通过控制三极管使攀爬装置的右半部分的电磁铁驱动电路停止工作，因此装置的右半部分的卡扣会弹出，使其卡紧在铁塔上并，同时，主控芯片停止输出驱动信号使装置的左半部分的步进电机停止工作。

④检测装置的右半部分的应变片的输出电压，由应变片的输出电压判断卡扣是否卡紧，若没有卡紧，则进行相应的调整，直到卡紧，若卡紧，检测装置左半部分接收管是否收到信号，如果主控芯片接收到高电平信号；则装置的右半部分上升完毕。否则装置故障，通过无线图传来检查装置。

⑤接下来主控芯片输出信号控制装置的右半部分的步进电机开始进行工作，与此同时，主控芯片控制装置的左半部分的电磁铁驱动电路开始工作，使得卡扣收缩；方便装置的左半部分爬升。

⑥此时检测装置红外对管的电平高低，由红外对管的高低电平判断装置左是否到达指定位置，如果达到指定位置，左半部分的红外对管接收管的状态由上端接收管接收到信号下端接收管未接收到信号变为两个接收管都接收到信号再变为上端接收管接收到信号，下端接收管未接收到信号，并保持不变，若未到达指定位置，则继续第6步操作。

⑦当装置的左半部分到达指定位置，此时，装置的左半部分的电磁铁驱动电路停止工作，使得装置的左半部分的卡扣弹出，使其卡紧在铁塔上，同时，装置的右半部分的步进电机停止工作。

⑧检测装置的左半部分的应变片的输出电压，由应变片的输出电压判断卡扣是否卡紧，若没有卡紧，则进行相应的调整，直到卡紧，若卡紧，则装置的左半部分上升完毕，至此，装置爬升的一个周期结束。

如图29所示为装置的爬升流程图，在接收到爬升命令后，首先判断是否到达塔顶，若是则结束，否则将执行一个爬升周期，在爬升过程中是否收到停止指令，是则结束，否则重复上述操作，具体过程如下：

本发明的爬升过程是：

①开始，装置接收到上升指令，此时，判断装置是否到达塔顶，装置开始准备执行上升操作，主控芯片给步进电机驱动输出信号，使电机转动，从而使装置开始上升。

②判断装置是否到达塔顶，若到达塔顶，装置经过调整固定好之后，装置的状态为四个应变片全被压下，两个红外对管输出高电平，操作结束，若未到达，则执行爬升操作；具体操作过程参考图28。

③执行爬升操作结束后，判断之前或此时是否收到新的指令，若未收到，则重复执行第2步操作，否则，结束爬升操作，执行新的操作。