一种气压式升降椅安全预警系统及升降椅的制作方法

本实用新型属于气压式升降椅，具体涉及一种气压式升降椅安全预警系统及升降椅。

背景技术：

气压式升降椅具有高度随意调节、坐感舒适、价格低廉、结构简单、操作灵活等优点，受到广大消费者的欢迎，成为了现代家居和办公最为普遍的一种实用坐椅。气压升降椅之所以能够实现高度的灵活调节，其主要的原理是依赖于工作在椅面和底盘之间，灌装了1至2个标准大气压氮气的气缸。该气缸用密封圈密封，气缸内的活塞杆在压力作用下可以上下移动，与座椅的调节手柄(即锁定装置)相配合，即可实现椅子的升降功能。

但近年来，气压式升降椅在实际使用中出现了多起由气缸爆炸引起的安全事故。2007年4月20日，浙江省舟山市娄女士坐的椅子发生爆炸，硬塑料、木屑、海绵、布料、密封圈等大量碎片崩进娄女士体内，造成重伤。无独有偶，同年11月26日烟台开发区68岁的吴老先生也因为升降椅的爆炸，导致臀部、腿部、直肠肛管和小肠受到严重伤害。2008年、2009年、2012年也都发生过类似的气压升降椅爆炸的案件，并对使用者造成不同程度的伤害。一时间，人们对气压升降椅的安全问题广泛关注，众多气压升降椅使用者感到恐慌，担心自己正坐在“炸弹”上。

从这些安全事故的调查中，可以看到气压式升降椅之所以发生爆炸，是由于气缸中充入的高纯度惰性气体氮气纯度不够(低于90％)或者混入其他气体，在环境温度太高以及频繁地上下调整高度而使第一活塞杆和气缸壁不断摩擦，导致了气缸气温和压力骤升，气体迅速膨胀，从而酿成爆炸惨剧。

为了减少或避免爆炸对人体的伤害，人们对气压式升降椅进行了改进。如CN104687822A记载的防护气囊式升降椅，包括椅垫、压杆、支架、支架钢板、螺杆、内钢管、外钢管，支架侧壁上固定有压杆上的支点，外钢管的顶部通过堵头和密封圈将内钢管底部固定在外钢管上，内钢管内部设置有可自由活动的螺杆，压杆在支架内部的一端与螺杆顶端相连，支架内部设有弹性缓冲层，弹性缓冲层的边缘嵌入支架内壁中，所述螺杆顶部设置有防护气囊，防护气囊的边缘固定在支架与内钢管间，通过安装在螺杆上的防护气囊，以及在防护气囊部分的上部还安装了弹性缓冲层，在升降椅内部发生爆炸时，二者的双重保护能够有效阻止使用者在升降椅使用不当时爆炸所带来的伤害，保证使用者的人身安全。但该防护气囊式升降椅仍存在以下问题：

(1)该方式属于爆炸时危害控制手段，不能减少爆炸发生；

(2)不能实现安全预警，给人提醒，无法做到事前危险预防。

(3)爆炸危险存在时，不能排除危险。

又如CN 201445170U公开的气压升降椅安全底盘，该安全底盘包括底板、连接孔及安装在底板下方的气压棒,底板与下方的气压棒垂直对应位置不设置空孔,采用密封结构。目的是在底盘与气缸垂直对应位置加强防护,防止气缸爆炸时第一活塞杆从空孔中冲出直接伤害到座椅上的人员。但该气压升降椅安全底盘仍存在以下问题：

(1)属于加强防护措施，不能减少爆炸发生；

(2)不能实现安全预警，给人提醒，无法做到事前危险预防。

(3)爆炸危险存在时，不能排除危险。

因此，有必须开发一种新的气压式升降椅安全预警系统及升降椅。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种气压式升降椅安全预警系统及升降椅，能实时监测升降椅内部气缸的气压，在气压异常时对使用者进行危险提示，并能自适应排除座椅爆炸危险。

本实用新型所述的气压式升降椅安全预警系统，包括气压棒，该气压棒包括升降气缸和调节组件；

升降气缸包括第一气缸本体、第一活塞和第一活塞杆，第一活塞设在第一气缸本体内并将第一气缸本体的内腔分隔为上下两个内腔，并在第一气缸本体的侧壁上开设有将上下两个内腔连通的气道，第一活塞杆的上端与第一活塞连接，第一活塞杆的下端伸出到第一气缸本体外；

调节组件包括调节杆和开关栓，开关栓设在第一气缸本体的上内腔与气道的连通处，调节杆的一端伸入到第一气缸本体内与开关栓连接，通过调节组件调节升降气缸，控制座椅的升降；还包括控制装置和泄压装置；

所述控制装置包括单片机模块，分别与单片机模块连接的电源模块、驱动模块、报警模块和A/D转换模块；

所述泄压装置包括泄压气缸、传动组件、步进电机和气压传感器；

所述泄压气缸包括第二气缸本体、第二活塞和第二活塞杆，第二活塞设在第二气缸本体内并将第二气缸本体的内腔分隔为左右两个内腔，且第二气缸本体的左腔体与第一气缸本体的上腔体连通，第二活塞杆的左端与第二活塞连接，第二活塞杆的右端伸出到第二气缸本体外；

所述传动组件设置在第二活塞杆的右端部，且传动组件的输入端与步进电机的输出轴连接，该步进电机与驱动模块电连接，所述气压传感器设在第二气缸本体的左腔体内，用于采集该左腔体内的气压值并发送给A/D转换模块，由A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号并发送至单片机模块，在气压值大于预设气压阈值时，单片机模块控制驱动模块驱动步进电机转动，传动组件将步进电机的转动转为直线运动，并通过第二活塞杆带动第二活塞沿第二气缸本体的内壁左右移动。

还包括降温装置，该降温装置包括无叶风扇和温度传感器；

所述温度传感器用于实时采集泄压气缸的左内腔内的温度，并发送给单片机模块，该温度传感器与单片机模块连接；

所述无叶风扇用于对升降气缸进行降温，该无叶风扇呈环状，套设在升降气缸外，该无叶风扇与驱动模块连接，在温度传感器所采集的温度值大于预设温度阈值时，单片机模块控制驱动模块控制无叶风扇工作；通过风冷对升降气缸进行降温，防止升降气缸爆炸。

进一步，所述传动组件包括齿轮以及与齿轮相啮合的蜗杆，齿轮与步进电机的输出轴连接，蜗杆沿左右方向水平设在第二活塞杆的右端部，通过齿轮无蜗杆配合，将步进电机的转动转换为直线运动。

所述控制装置还包括用于实时显示温度值和气压值的液晶显示器，该液晶显示器与单片机模块连接。

所述报警模块为声光报警器，在检测的温度值大于预设温度阈值时和/或检测的气压值大于预设气压阈值时，声光报警器进行报警。

本实用新型所述的一种升降椅，包括座椅底座和座椅本体，还包括本实用新型所述的气压式升降椅安全预警系统；

所述气压棒的下端伸入到座椅底座内，且通过升降气缸的第一活塞杆的下端与座椅底座连接；所述升降气缸的上端与座椅本体连接。

进一步，所述无叶风扇位于升降气缸与座椅底座之间。

进一步，所述升降气缸的第一活塞杆的下端通过轴承座与座椅底座连接，且升降气缸能相对于座椅底座绕第一活塞杆的轴线转动。

本实用新型具有以下优点：以单片机模块为核心，以泄压气缸和无叶风扇为执行机构，构建了一套升降椅气压安全预警系统，该系统能够实时监测到升降气缸内的气体的温度和气压情况，并通过液晶显示器实时显示该温度值和气压值，当出现气缸气压或/和温度过高时，系统将自动报警，以进行安全预警，做到事前危险预防，并通过泄压气缸和无叶风扇实现降压降温，故能够有效防止升降椅发生爆炸。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的电路原理图；

图3为本实用新型的流程图；

图4为本实用新型中单片机模块的电路图；

图5为本实用新型中温度传感器与单片机的连接电路图；

图6为本实用新型中温度传感器的工作流程图；

图7为本实用新型中ADC0832的引脚图；

图8为本实用新型中气压传感器、A/D转换模块以及单片机模块之间的连接电路图；

图9为本实用新型中气压传感模块中的A/D转换的工作流程图；

图10为本实用新型中液晶显示器与单片机模块连接电路图；

图11为本实用新型中液晶显示器的工作流程图；

图12为本实用新型中报警模块的电路图；

图13为本实用新型中直流电机驱动电路的电路图；

图14为本实用新型中步进电机驱动电路的连接电路图。

图中：1、座椅本体，2、调节杆，3、开关栓，4、无叶风扇，5、第一活塞，6、第一气缸本体，7、第一活塞杆，8、轴承座，9、座椅底座，10、气道，11、第二气缸本体，12、第二活塞，13、蜗杆，14、齿轮，15、步进电机，16、控制装置，17、温度传感器，18、气压传感器，19、第二活塞杆，20、单片机模块，21、电源模块，22、液晶显示器，23、驱动模块，34、报警模块，25、A/D转换模块，26、滚轮。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示的气压式升降椅安全预警系统，包括气压棒、控制装置16、泄压装置和降温装置。

如图1所示，气压棒包括升降气缸和调节组件。升降气缸包括第一气缸本体6、第一活塞5和第一活塞杆7，第一活塞5设在第一气缸本体6内并将第一气缸本体6的内腔分隔为上下两个内腔，并在第一气缸本体6的侧壁上开设有将上下两个内腔连通的气道10，第一活塞杆7的上端与第一活塞5连接，第一活塞杆7的下端伸出到第一气缸本体6外。调节组件包括调节杆2和开关栓3，开关栓3设在第一气缸本体6的上内腔与气道10的连通处，调节杆2呈L形，调节杆2的一端伸入到第一气缸本体6内与开关栓3连接，通过调节组件调节升降气缸，控制座椅的升降。具体调节原理如下：当把调节杆2向下拉时，使开关栓3打开，第一气缸本体6内的上内腔和下内腔相通，此时，上内腔和下内腔的压力一样，可自由调节座椅的高度。当将座椅的高度调节到适当位置时，使调节杆2复位，开关栓3闭合，使上内腔形成充满高压氮气的密闭空间，以满足座椅向下的压力。

如图1和图2所示，所述控制装置16包括单片机模块20，分别与单片机模块20连接的电源模块21、驱动模块23、报警模块24、A/D转换模块25和液晶显示器22。

如图1所示，所述泄压装置包括泄压气缸、传动组件、步进电机15和气压传感器18。所述泄压气缸包括第二气缸本体11、第二活塞12和第二活塞杆19，第二活塞12设在第二气缸本体11内并将第二气缸本体11的内腔分隔为左右两个内腔，且第二气缸本体11的左腔体与第一气缸本体6的上腔体连通，第二活塞杆19的左端与第二活塞12连接，第二活塞杆19的右端伸出到第二气缸本体11外。所述传动组件设置在第二活塞杆19的右端部，且传动组件的输入端与步进电机15的输出轴连接，该步进电机15与驱动模块23电连接，所述气压传感器18设在第二气缸本体11的左腔体内，用于采集该左腔体内的气压值并发送给A/D转换模块25，由A/D转换模块25将模拟信号转换为数字信号并发送至单片机模块20，在气压值大于预设气压阈值时，单片机模块20控制驱动模块23驱动步进电机15转动，传动组件将步进电机15的转动转为直线运动，并通过第二活塞杆19带动第二活塞12沿第二气缸本体11的内壁左右移动。

如图1所示，降温装置包括无叶风扇4和温度传感器17。所述温度传感器17用于实时采集泄压气缸的左内腔内的温度，并发送给单片机模块20，该温度传感器17与单片机模块20连接。所述无叶风扇4用于对升降气缸进行降温，该无叶风扇4呈环状，套设在升降气缸外，该无叶风扇4与驱动模块23连接，在温度传感器17所采集的温度值大于预设温度阈值时，单片机模块20控制驱动模块23控制无叶风扇4工作；通过风冷对升降气缸进行降温，防止升降气缸爆炸。

本实用新型所述气压式升降椅安全预警系统的工作原理：升降气缸内的气压、温度信息通过相连一体的泄压气缸内的温度传感器17、气压传感器18来实时监测两气缸内的温度和气压，由其采集电路完成对实时输入数据的采集、调理和转换，并传输到单片机模块20，单片机模块20负责判断、处理温度传感器17和气压传感器18所检测的信号，再通过液晶显示器22实时显所检测的温度值和气压值。单片机模块20判断温度值、气压值是否过高，若当气压值和/或温度值超过阈值时，则迅速发出报警信号提醒使用者，以进行安全预警，做到事前危险预防。同时通过驱动模块23控制泄压气缸和无叶风扇4工作，以减小升降气缸内的气压，实现安全控制，从而能够有效防止升降椅发生爆炸。

如图3所示，系统工作的主流程：系统在正常启动后，开始初始化，并且自动读取泄压气缸内温度值和气压值并显示在液晶显示器22上。系统一直判断温度值、气压值是否异常，若异常，则做出相应降温、泄压控制。

如图4所示，所述单片机模块20即为单片机最小系统，该单片机最小系统为升降椅气压安全预警系统的核心部分，是实现温度气压检测、信号实时显示、异常报警与降温、泄压控制的控制模块，单片机最小系统由单片机STC89C52、时钟晶振和复位电路共同构成，单片机选用单片机STC89C52，其具有功耗低保密性强，应用方便、灵活，价格低廉等特点。

如图5所示，温度传感器17采用DS18B20温度传感器，安装在泄压气缸的内壁，由于泄压气缸与升降气缸相连通，可实时监测两气缸内的温度。DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有众多优点，比如体积小、功耗低、较高的性能、抗干扰能力强、易配微处理器等，其可将测得的温度直接转化成串行数字信号，并供处理器处理。温度传感器17的工作流程如图6所示。

气压传感器18选用芯片MPX4250，是一款绝对压力集成传感器。它安装在泄压气缸的内壁上，由于两气缸内的气压平衡，可实时监测两气缸内的气压。该芯片MPX4250除了有压阻式气压传感器模块以外，还有信号放大作用的信号放大器，以及用于温度补偿的薄膜电阻网络。MPX4250系列压电电阻传感器是一个硅气压传感器。MPX4250芯片的特性参数如表1。

表1 MPX4250特性参数

如图7所示，A/D转换模块25用于将模拟信号转换为数字信号。因为气压传感器18输出的是模拟电压，所以，必须要进行A/D转换才能交由单片机处理。选用芯片ADC0832，转换分辨率为8位，同时其具有双通道输出。因其内部电源的输入，可以与参考电压进行复用，使得芯片ADC0832的模拟电压输入一种保持在0-5V之间。芯片ADC0832可实现输入和输出的电平与TTL/CMOS相兼容；输出电压在0-5V之间；250KHZ的工作频率，转换时间为32μS；一般功耗仅为15mw。

ADC0832芯片的接口说明：

CS_片选使能，低电平芯片使能；

CH0可为模拟输入通道0，亦或作为IN+/-使用；

CH1可为模拟输入通道1，亦或作为IN+/-使用；

GND芯片参考0电位；

DI数据信号输入，选择通道控制；

DO数据信号输出，转换数据输出；

CLK芯片时钟输入；

Vcc/REF电源输入及参考电压输入。

如图8所示，气压传感器18采用MPX4250，MPX4250的1脚与ADC0832的2脚连接，MPX4250的2脚接地，其3脚接电源。

如图9所示，当气压传感器18采集到气压信号时，气压信号需先经过ADC0832芯片进行A/D装换后，才能被单片机接收、处理。

如图10所示，液晶显示器22选择字符型液晶显示器LCD1602。LCD1602一共可以显示两行字符，并且每行可同时显示16个字符，其采用+5V的电源供电，具有较简单的外围电路配置。LCD1602是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，

LCD1602基本参数及引脚功能如表2所示。

表2 LCD1602引脚接口说明

如图10所示，液晶显示器22与单片机模块20的电路连接如下：液晶3(VEE)脚为对比度调节端，串接一个10K的电位器来调节对比度；液晶4(RS)脚接单片机P2.6口；液晶5(RW)脚为读/写选择端，接单片机P2.5口；液晶6(E)脚为使能端，是操作液晶时必须的，接单片机P2.7口；1(VSS)、2(VDD)脚是电源端；15(BLA)、16(BLK)脚是背光电源端；液晶7-14(D0-D7)脚为数据端，接单片机P0口，同时并联一个排阻做上拉电阻。

如图11所示，液晶显示其的工作流程：传感器采集到的信号经单片机处理后，在液晶显示器22上实时显示。

如图12所示，报警装置采用声光报警器，包括蜂鸣器和LED指示灯。通过单片机最小系统判断来自气压传感器18、温度传感器17的数据是否超出阈值门限，并由单片机最小系统触发蜂鸣器报警机制，同时由LED灯来显示气压、温度报警状态。

在单片机的I/O里会输出高低电平，在P1.1、P1.2、P1.3和P1.4分别接上LED指示灯，而P1.0接上蜂鸣器，而蜂鸣器外接个三极管Q1起到开关作用，当三极管达到饱和状态下就驱动了蜂鸣器工作了。

当温度值过高超出阈值时，蜂鸣器工作发出警报声音，红色发光二极管D1发光指示超温状态，降温装置工作。

当气压值过高超出阈值时，蜂鸣器工作发出警报声音，黄色发光二极管D2发光指示超压状态，蓝色发光二极管D4发光，泄压装置工作。

当气压和温度值处于正常范围时，绿色发光二极管D3发光指示正常状态，否则熄灭；

当单片机最小系统监测到气缸内气压或温度超标时，则通过驱动模块23，启动无叶风扇4和步进电机15工作，实现降温和泄压作业。驱动模块23包含两个部分，一部分如图13所示的直流电机驱动电路，接单片机P1.5口，它使用变化的小电流去驱动控制直流电机M2转动，从而控制无叶风扇4转动，中间有相应信号及功率匹配的电机驱动板。另一个部分为步进电机驱动电路，如图14所示，接单片机P1.6、P1.7口，由译码电路和L298N等芯片构成，通过控制步进电机15来驱动齿轮蜗杆组，使泄压气缸内的第二活塞向右方向运动，从而实现泄压。最终达到对气压棒的升降气缸的降温和泄压作用，实现安全控制。

如图1所示，本实施例中所述传动组件包括齿轮14以及与齿轮14相啮合的蜗杆13，齿轮14与步进电机15的输出轴连接，蜗杆13沿左右方向水平设在第二活塞杆19的右端部，通过齿轮14无蜗杆13配合，将步进电机15的转动转换为直线运动。

如图1所示，本实用新型所述的一种升降椅，包括座椅底座9、座椅本体1，以及本实用新型所述的气压式升降椅安全预警系统；所述气压棒的下端伸入到座椅底座9内，且升降气缸的第一活塞杆7的下端通过轴承座8与座椅底座9连接，且升降气缸能相对于座椅底座9绕第一活塞杆7的轴线转动；所述升降气缸的上端与座椅本体1连接。且无叶风扇4位于升降气缸与座椅底座9之间，并在座椅底座9的侧壁上开设有通风孔。

如图1所示，为了方便移动，可以在座椅底座9设置滚轮26。