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基于单片机控制的缓降器设计与实现

作者:angelazhang时间:2016-03-04

本文介绍了一种基于单片机控制的缓降器硬件机构及控制系统.该系统以单片机机为系统的控制核心,结合光电式传感器技术实现了下降速度的测量,从而实现了缓降器的自给供电并能平稳运行.实验证明该缓降器设计满足了应用的需要.

  1.引言

  现代生活使人们的生活高层化,高层建筑为人们提供方便快捷的同时也给人们的安全带来隐患.缓降器可以将处于高层建筑物上的受困人员快速解救下来.但是,现有技术中的缓降器,有的结构比较复杂,使用中需要电源.

  当事故发生时,高层建筑通常都会断电,使用电源的缓降器无法运行;结构复杂的缓降器,长期放置,非常容易出现故障.还有的缓降器使用操作复杂,对于非专业人员,往往不便使用.发生险情时,尤其是老人或小孩,容易惊慌,复杂的操作会减慢脱险速度,如果操作失误,反而会发生新的险情.

  2.系统主要硬件

  本文设计的缓降器,系统结构简单,安装方便,防止断电造成意外,装置具备自身发电.储能作为能源,做到了真正意义低碳,并能够适应出险时顺利脱险.它包括:一个带滑动支架的框架机构,一个线绳卷筒.一台发电机.一台减速电机.一台复位电动机.一个线绳卷筒减速机构.一个载人装置和一个控制装置.如图1所示.他们之间通过一条柔软的钢丝绳连接,为了增加钢丝绳与发电机的摩擦力,可以将钢丝绳在发电机的转动轴上多绕几周.当有重物(或者是人)放(站)在载物盘(人)上,载物盘受到重力加速度的作用,越来越快的下降,发电机转动轴也随之转动并产生更多的电能;电能经过充电器给蓄电池充电;蓄电池经过电源管理模块再为控制器.传感器.减速电机.复位电机等设备提供电源.由于重力加速度产生的电能很大(实验数据见表1说明).根据能量守恒公式得出重物做功为W1=F*s=G*h,得到的电能为W2=U*I*t;相对来说机械效率为η=W2/W1*100%;η越大说明自己供电的风险越高,反之,自己供电安全系数越大,η很小.而控制器.传感器使用低功耗元件,电流都是毫安级,几乎可以忽略.减速电机只有下降速度超限时才发挥作用,所以说用电时间.用电量都可以满足要求.


3.系统控制原理

  3.1 控制原理

  控制原理如图2所示,当有重物(或者是人)放(站)在载物盘(人)上,载物盘受到重力加速度作用,越来越快的下降,发电机转动轴也随之转动并产生电能;电能通过充电器给蓄电池充电;蓄电池经过电源管理模块再为控制器.传感器.减速电机复位电机提供电源.当载物盘下降速度超过设定上限时,发电机上的转动轴也快速旋转,转动轴外有一圈均匀的分割的小叶片,在小叶片的外侧装有对射的光电式传感器,转动轴旋转越快,对射式的光电传感器被遮挡的频率越高,产生的脉冲越多;因此测出载物盘与脉冲成正比,可以根据测得脉冲数控制减速电机的正反.快慢.减速电机的正反.快慢又影响到丝杠.摩擦片与摩擦盘之间的位置关系,从而可以控制缓降器的下降速度.因为发生危险时,缓降器将发生多次作用,当缓降器下到最低部,就要考虑载物盘的复位问题,如何识别缓降器已经到底部,缓降器载物盘上没有人了,当缓降器到底部时,发电机的转动轴不再转动,此时增设几秒钟的延时,作为下来时间就可以了.复位电机是空载,转速可以恒速控制,而且要快.以避免缓降器在非正式使用时,载人装置不会意外降下.该限位卡具有一定的强度,当意外地有小孩拉动或坐上载人装置时,该限位卡可以卡住载人装置不使其下降.当要使用时,载人装置上乘坐人的重量超过限位卡的极限强度,被拉断,则载人装置即可下降.



3.2 单片机的选用

  单片机模块在控制系统处于核心的位置,从硬件设计的角度来说,首先要保证其供电稳定,其次要对其部分功能模块如PWM通道,定时器通道的进行编程,写入驱动程序,使其工作.MC9S12系列单片机是以速度更快的CPU12内核为核心的单片机系列,总线速度为8MHZ,MC9S12 DG128开发板实际上是单片机构成的最小系统.板上有构成最小系统需要的复位电路.晶体振荡器及时钟电路,驱动电路,+5V电源插座.单片机的所有I/O端口都通过2个64芯的欧式插头引出.由于直流电机的转速和缓  降器的下降时刻变化.存在传感器测量滞后.灰分测量值存在检测滞后等原因,在实际的起降操作不能简单的按照传统的PID控制,采用模糊控制效果更加理想,本文提供的单片机完全满足缓降器控制系统的要求.

  3.3 传感器工作原理

  发光二极管在使用约15mA发射电流.没有强烈外部光线干扰时,探测距离达到20mm,由于传感器与转轮距离很近,大约只有5mm,所以这样的探测距离完全可以满足需要.红外传感器的电路有多种形式,在这里为了安装调试方便,我们采用了图3的电路形式.图3中LM324为四个运算放大器所组成的IC芯片,将LM324连接成为一个电压比较器,其反相输入端由电位器分压后接入,同相输入端接收三极管的集电极,这样设计的电路非常的直观,且输出端为数字信号“0”或者“1”,可直接与单片机的I/O端口相连.

3.4 电源模块

  单片机.传感器及其信号采集电路需要+5V电源,采用低压降电源管理芯片LM2576产生,LM2576,价格低廉,电路成熟,但是考虑到驱动电机启动瞬间会引起电压瞬间下降的现象,所以电源管理系统中采用了低压降的电压调节器LM2576来产生5V电压.如图4所示.

4.软件设计

  本文设计的缓降器,通过放绳索下降而驱动发电机运转发电,再通过发出的电能驱动减速电动机带动线绳卷筒转动,减速机构阻止放绳索下降的速度,使得缓降器能够基本上匀速地下降,既快捷.又安全,老人.孩子使用也很方便.软件流程如图5所示.

5.实验测试

  实验实物如图6所示.为了验证缓降器的有效性,对实物进行安装与调试,为了计算方便,对在重量和高度专门设计,载重量为5.0Kg.10.0Kg,高度3.0m.6.0m,测控数据为选择关键的参数:发电机电压.电流,载物盘的下降时间.发电机电压.电流是考量其产生电量的参数,它关系到自供电的成败.下降时间是测量下降速度的参数.需要说明的是有无控制器作用载物盘的下降速度方式是不一样的,有控制器作用载物盘做的是匀速运动,无控制器作用载物盘做的是匀加速运动.通过表1的相关数据能说明这一点.匀速运动0.5~0.6m/s;变化幅度10~20%匀加速运动1.1~2.6m/s2,变化幅度最大150%.

表1数据除重量.高度外其它为3次的平均值.实验环境为普通实验室环境.

6.结束语

  本文提供的缓降器具有如下优点:结构简单.部件衔接紧凑,便于安装;质量可靠;考虑到了能源环保.防止意外等情况的发生.为了克服这些问题在装置设计上具有自身发电.储能等功能,做到了真正意义低碳,并能够适应出险时可能断电的情况.因此,它特别适合于高层建筑,尤其高校的居住公寓.办公楼,用于应备突发事件.通过实验,达到了预期效果.




关键词: 单片机 缓降器

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