基于單片機(jī)控制的緩降器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　本文介紹了一種基于單片機(jī)控制的緩降器硬件機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以單片機(jī)機(jī)為系統(tǒng)的控制核心，結(jié)合光電式傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了下降速度的測(cè)量，從而實(shí)現(xiàn)了緩降器的自給供電并能平穩(wěn)運(yùn)行.實(shí)驗(yàn)證明該緩降器設(shè)計(jì)滿(mǎn)足了應(yīng)用的需要.

　　1.引言

　　現(xiàn)代生活使人們的生活高層化，高層建筑為人們提供方便快捷的同時(shí)也給人們的安全帶來(lái)隱患.緩降器可以將處于高層建筑物上的受困人員快速解救下來(lái).但是，現(xiàn)有技術(shù)中的緩降器，有的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，使用中需要電源.

　　當(dāng)事故發(fā)生時(shí)，高層建筑通常都會(huì)斷電，使用電源的緩降器無(wú)法運(yùn)行;結(jié)構(gòu)復(fù)雜的緩降器，長(zhǎng)期放置，非常容易出現(xiàn)故障.還有的緩降器使用操作復(fù)雜，對(duì)于非專(zhuān)業(yè)人員，往往不便使用.發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，尤其是老人或小孩，容易驚慌，復(fù)雜的操作會(huì)減慢脫險(xiǎn)速度，如果操作失誤，反而會(huì)發(fā)生新的險(xiǎn)情.

　　2.系統(tǒng)主要硬件

　　本文設(shè)計(jì)的緩降器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，防止斷電造成意外，裝置具備自身發(fā)電.儲(chǔ)能作為能源，做到了真正意義低碳，并能夠適應(yīng)出險(xiǎn)時(shí)順利脫險(xiǎn).它包括：一個(gè)帶滑動(dòng)支架的框架機(jī)構(gòu)，一個(gè)線(xiàn)繩卷筒.一臺(tái)發(fā)電機(jī).一臺(tái)減速電機(jī).一臺(tái)復(fù)位電動(dòng)機(jī).一個(gè)線(xiàn)繩卷筒減速機(jī)構(gòu).一個(gè)載人裝置和一個(gè)控制裝置.如圖1所示.他們之間通過(guò)一條柔軟的鋼絲繩連接，為了增加鋼絲繩與發(fā)電機(jī)的摩擦力，可以將鋼絲繩在發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上多繞幾周.當(dāng)有重物(或者是人)放(站)在載物盤(pán)(人)上，載物盤(pán)受到重力加速度的作用，越來(lái)越快的下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生更多的電能;電能經(jīng)過(guò)充電器給蓄電池充電;蓄電池經(jīng)過(guò)電源管理模塊再為控制器.傳感器.減速電機(jī).復(fù)位電機(jī)等設(shè)備提供電源.由于重力加速度產(chǎn)生的電能很大(實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1說(shuō)明).根據(jù)能量守恒公式得出重物做功為W1=F*s=G*h,得到的電能為W2=U*I*t;相對(duì)來(lái)說(shuō)機(jī)械效率為η=W2/W1*100%;η越大說(shuō)明自己供電的風(fēng)險(xiǎn)越高，反之，自己供電安全系數(shù)越大，η很小.而控制器.傳感器使用低功耗元件，電流都是毫安級(jí)，幾乎可以忽略.減速電機(jī)只有下降速度超限時(shí)才發(fā)揮作用，所以說(shuō)用電時(shí)間.用電量都可以滿(mǎn)足要求.

　　3.系統(tǒng)控制原理

　　3.1 控制原理

　　控制原理如圖2所示，當(dāng)有重物(或者是人)放(站)在載物盤(pán)(人)上，載物盤(pán)受到重力加速度作用，越來(lái)越快的下降，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生電能;電能通過(guò)充電器給蓄電池充電;蓄電池經(jīng)過(guò)電源管理模塊再為控制器.傳感器.減速電機(jī)復(fù)位電機(jī)提供電源.當(dāng)載物盤(pán)下降速度超過(guò)設(shè)定上限時(shí)，發(fā)電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)軸也快速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸外有一圈均勻的分割的小葉片，在小葉片的外側(cè)裝有對(duì)射的光電式傳感器，轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)越快，對(duì)射式的光電傳感器被遮擋的頻率越高，產(chǎn)生的脈沖越多;因此測(cè)出載物盤(pán)與脈沖成正比，可以根據(jù)測(cè)得脈沖數(shù)控制減速電機(jī)的正反.快慢.減速電機(jī)的正反.快慢又影響到絲杠.摩擦片與摩擦盤(pán)之間的位置關(guān)系，從而可以控制緩降器的下降速度.因?yàn)榘l(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，緩降器將發(fā)生多次作用，當(dāng)緩降器下到最低部，就要考慮載物盤(pán)的復(fù)位問(wèn)題，如何識(shí)別緩降器已經(jīng)到底部，緩降器載物盤(pán)上沒(méi)有人了，當(dāng)緩降器到底部時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸不再轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)增設(shè)幾秒鐘的延時(shí)，作為下來(lái)時(shí)間就可以了.復(fù)位電機(jī)是空載，轉(zhuǎn)速可以恒速控制，而且要快.以避免緩降器在非正式使用時(shí)，載人裝置不會(huì)意外降下.該限位卡具有一定的強(qiáng)度，當(dāng)意外地有小孩拉動(dòng)或坐上載人裝置時(shí)，該限位卡可以卡住載人裝置不使其下降.當(dāng)要使用時(shí)，載人裝置上乘坐人的重量超過(guò)限位卡的極限強(qiáng)度，被拉斷，則載人裝置即可下降.

　　3.2 單片機(jī)的選用

　　單片機(jī)模塊在控制系統(tǒng)處于核心的位置，從硬件設(shè)計(jì)的角度來(lái)說(shuō)，首先要保證其供電穩(wěn)定，其次要對(duì)其部分功能模塊如PWM通道，定時(shí)器通道的進(jìn)行編程，寫(xiě)入驅(qū)動(dòng)程序，使其工作.MC9S12系列單片機(jī)是以速度更快的CPU12內(nèi)核為核心的單片機(jī)系列，總線(xiàn)速度為8MHZ,MC9S12 DG128開(kāi)發(fā)板實(shí)際上是單片機(jī)構(gòu)成的最小系統(tǒng).板上有構(gòu)成最小系統(tǒng)需要的復(fù)位電路.晶體振蕩器及時(shí)鐘電路，驅(qū)動(dòng)電路，+5V電源插座.單片機(jī)的所有I/O端口都通過(guò)2個(gè)64芯的歐式插頭引出.由于直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和緩 降器的下降時(shí)刻變化.存在傳感器測(cè)量滯后.灰分測(cè)量值存在檢測(cè)滯后等原因，在實(shí)際的起降操作不能簡(jiǎn)單的按照傳統(tǒng)的PID控制，采用模糊控制效果更加理想，本文提供的單片機(jī)完全滿(mǎn)足緩降器控制系統(tǒng)的要求.

　　3.3 傳感器工作原理

　　發(fā)光二極管在使用約15mA發(fā)射電流.沒(méi)有強(qiáng)烈外部光線(xiàn)干擾時(shí)，探測(cè)距離達(dá)到20mm,由于傳感器與轉(zhuǎn)輪距離很近，大約只有5mm,所以這樣的探測(cè)距離完全可以滿(mǎn)足需要.紅外傳感器的電路有多種形式，在這里為了安裝調(diào)試方便，我們采用了圖3的電路形式.圖3中LM324為四個(gè)運(yùn)算放大器所組成的IC芯片，將LM324連接成為一個(gè)電壓比較器，其反相輸入端由電位器分壓后接入，同相輸入端接收三極管的集電極，這樣設(shè)計(jì)的電路非常的直觀(guān)，且輸出端為數(shù)字信號(hào)“0”或者“1”,可直接與單片機(jī)的I/O端口相連.

　　3.4 電源模塊

　　單片機(jī).傳感器及其信號(hào)采集電路需要+5V電源，采用低壓降電源管理芯片LM2576產(chǎn)生，LM2576,價(jià)格低廉，電路成熟，但是考慮到驅(qū)動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)瞬間會(huì)引起電壓瞬間下降的現(xiàn)象，所以電源管理系統(tǒng)中采用了低壓降的電壓調(diào)節(jié)器LM2576來(lái)產(chǎn)生5V電壓.如圖4所示.

　　4.軟件設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)的緩降器，通過(guò)放繩索下降而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電，再通過(guò)發(fā)出的電能驅(qū)動(dòng)減速電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)線(xiàn)繩卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，減速機(jī)構(gòu)阻止放繩索下降的速度，使得緩降器能夠基本上勻速地下降，既快捷.又安全，老人.孩子使用也很方便.軟件流程如圖5所示.

　　5.實(shí)驗(yàn)測(cè)試

　　實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖6所示.為了驗(yàn)證緩降器的有效性，對(duì)實(shí)物進(jìn)行安裝與調(diào)試，為了計(jì)算方便，對(duì)在重量和高度專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，載重量為5.0Kg.10.0Kg,高度3.0m.6.0m,測(cè)控?cái)?shù)據(jù)為選擇關(guān)鍵的參數(shù)：發(fā)電機(jī)電壓.電流，載物盤(pán)的下降時(shí)間.發(fā)電機(jī)電壓.電流是考量其產(chǎn)生電量的參數(shù)，它關(guān)系到自供電的成敗.下降時(shí)間是測(cè)量下降速度的參數(shù).需要說(shuō)明的是有無(wú)控制器作用載物盤(pán)的下降速度方式是不一樣的，有控制器作用載物盤(pán)做的是勻速運(yùn)動(dòng)，無(wú)控制器作用載物盤(pán)做的是勻加速運(yùn)動(dòng).通過(guò)表1的相關(guān)數(shù)據(jù)能說(shuō)明這一點(diǎn).勻速運(yùn)動(dòng)0.5~0.6m/s;變化幅度10~20%勻加速運(yùn)動(dòng)1.1~2.6m/s2,變化幅度最大150%.

　　表1數(shù)據(jù)除重量.高度外其它為3次的平均值.實(shí)驗(yàn)環(huán)境為普通實(shí)驗(yàn)室環(huán)境.

　　6.結(jié)束語(yǔ)

　　本文提供的緩降器具有如下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.部件銜接緊湊，便于安裝;質(zhì)量可靠;考慮到了能源環(huán)保.防止意外等情況的發(fā)生.為了克服這些問(wèn)題在裝置設(shè)計(jì)上具有自身發(fā)電.儲(chǔ)能等功能，做到了真正意義低碳，并能夠適應(yīng)出險(xiǎn)時(shí)可能斷電的情況.因此，它特別適合于高層建筑，尤其高校的居住公寓.辦公樓，用于應(yīng)備突發(fā)事件.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期效果.