基于AVR的自動扶梯 (二)
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
2.1 ATMEGA128開發(fā)板
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201612/326279.htmATMEGA128開發(fā)板采用了典型的計算機結構，主要是CPU，RAM，ROM和專門設計的輸入輸出接口電路等組成。ATMEGA128開發(fā)板則采用循環(huán)掃描工作方式，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結束符后又返回第一條。如此周而復始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態(tài)，按用戶程序進行運算處理，然后順序向輸出點發(fā)出相應的控制信號。
2.1.1 ATMEGA128開發(fā)板控制系統(tǒng)流程
ATMEGA128開發(fā)板的運行、停止、檢修、狀態(tài)顯示、故障判斷及報警等功能是通過采集光電探測傳感器等裝置送來的各種輸入信號經過ATMEGA128開發(fā)板內部邏輯處理，通過輸出指令控制變頻器、接觸器等裝置來實現?？刂屏鞒虉D如圖2-1所示。
在程序設計時，本系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，將各個功能模塊單獨編制子程序進行調用。在控制程序中，需要ATmega128單片機處理的最主要的邏輯信號是安全回路檢測信號，該信號用了判斷扶梯安全回路是否存在故障已及故障存在的位置，因而是自動扶梯安全運行的重要保證。需要ATmega128單片機進行處理的還有扶梯運行模式、狀態(tài)、檢修等信號。所有這些控制信號的給出，都是ATmega128單片機根據各個輸入信號通過復雜的控制程序來實現，這些程序之間必須協調一致、判斷合理才能完成自動扶梯的整體控制。
ATmega128單片機的程序為循環(huán)掃描工作方式、首先ATmega128單片機初始化檢查，內部寄存器復位與置位，接著檢測扶梯的運行狀態(tài)和運行模式，然后再將扶梯的各項安全信號狀態(tài)放入狀態(tài)寄存器，通過狀態(tài)字確認扶梯是否處于正常，如正常則輸出信號驅動變頻器等設備工作，使扶梯進行相應的運行。
2.2 EVK1100開發(fā)板
為了使扶梯運行更安全，我們將控制扶梯運行部分與監(jiān)控扶梯安全的部分分開。控制扶梯使用ATMEL的ATmega128芯片，監(jiān)控扶梯安全使用的是ATEML的EVK1100開發(fā)板。這樣當控制運行的部分突然出現故障時，監(jiān)控中心可以通過安全監(jiān)控電路使扶梯停止運行。EVK1100開發(fā)板使用的是UC3A0512芯片。UC3A 系列擁有512K 字節(jié)的閃存，并擁有一個內置10/100以太網媒體接入控制器 (MAC)、10/100-Mbps IEEE(R) 802.3 標準以太網 MAC 可實現設計能通過互聯網協議堆棧進行通訊的聯網的植入式系統(tǒng)。
2.3 變頻器(FR-A700)
變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實現電機的變速運行的設備。變頻器主要由五部分組成:整流回路、逆變器、控制電路、制動組件和保護回路.變頻調速控制方式一般大體可分為兩種，開環(huán)控制和閉環(huán)控制，后者需要電動機軸轉速反饋。普通的電壓/頻率(V/F)控制屬于開環(huán)方式，閉環(huán)控制方式包括轉差頻率控制、矢量控制等方式。
根據系統(tǒng)需要，本系統(tǒng)選用三菱公司生產的FR-740變頻器，該變頻器可方便設定啟動額度頻率、運行頻率、加速時間、驅動轉矩等參數，可滿足系統(tǒng)所需的各種功能要求。其實物如圖2-3。
2.3.1 ATMEGA128開發(fā)板與變頻器的連接圖
變頻器與ATMEGA128開發(fā)板的輸出端口連接如圖所示，當光電檢測裝置檢測到乘客信號時，Y0輸出，變頻器的RH端子有輸入信號，變頻器根據預先設置的頻率和加速時間控制扶梯電機緩慢加速啟動，當在設置的時間段T2內檢測不到新的乘客時。Y1輸出，變頻器的RM端子有輸入信號，變頻器按照預先設置的較低的頻率輸出，控制扶梯以節(jié)能方式運作。通過給變頻器的RH，RM，RL的三個端子進行不同輸入組合，可設置不同的運行頻率輸出。當在設置的時間T3段內檢測不到新的乘客時，Y2輸出，變頻器的停止信號控制端子MRS有輸入信號，變頻器停止輸出，扶梯停止運作。變頻器的SD端與ATMEGA128開發(fā)板的COM端相連接。連接如圖2-4所示。
2.3.2 ATMEGA128開發(fā)板與變頻器連接應注意的問題
數據處理需要時間，存在一定的時間延遲，故在較精確的控制時應予以考慮。因為變頻器在運行中會產生較強的電磁干擾，為保證ATMEGA128開發(fā)板不因為變頻器主電路斷路器及開關器件等產生的噪聲而出現故障，將變頻器與ATMEGA128開發(fā)板相連接時應該注意以下幾點：
1)對ATMEGA128開發(fā)板本身應按規(guī)定的接線標準和接地條件進行接地，而且應注意避免和變頻器使用共同的接地線，且在接地時使二者盡可能分開。
2)當電源條件不太好時，應在ATMEGA128開發(fā)板的電源模塊及輸入/輸出模塊的電源線上接入噪聲濾波器和降低噪聲用的變壓器等，另外，若有必要，在變頻器的接線端也應采取相應的措施。
3)當把變頻器和ATMEGA128開發(fā)板安裝于同一操作柜中時，應盡可能使與變頻器有關的電線和與ATMEGA128開發(fā)板有關的電線分開。
4)通過使用屏蔽線和雙絞線達到提高噪聲干擾的水平。對于變頻器而言，主回路端子PE的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實際應用中一定要非常重視。
在變頻器等電力電子設備中，為了提高裝置的抗干擾和防雷擊能力，在電源輸入側均有電容或者壓敏電阻組成的電源濾波和壓敏電阻、放電管組成的防雷擊電路，有些變頻器可以直接選用外接模塊單元。
在我國，大多數工廠采用三相四線制，有些用戶因沒有地線，干脆不接，或者為了簡單將PE接至零線。在這種情況下，由于防浪涌電路中的電容及壓敏電阻漏電流IC和IR較大，一般為幾十至幾百毫安，在接地情況不夠良好的情況下，R0較大，零線與地之間的電壓達到幾十伏，甚至上百伏，既不符合消防安全規(guī)范，也對系統(tǒng)的可靠性產生重大影響，因此在條件允許的情況下應盡量采用專用接地線，避免與其他設備公用接地。變頻器接地導線的截面積一般應不小于2.5mm2，長度控制在20m以內。建議變頻器的接地與其它動力設備接地點分開，不能共地。
2.4 旋轉編碼器(E6A2-CW5C)
旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數(幾十個到幾千個都有)，和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過兩組脈沖不僅可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。
工作原理：由一個中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦信號組合成A、B、C、D，每個正弦相差90度相位差(相對于一個周波為360度)，將C、D信號反向，疊加在A、B兩相上，可增強穩(wěn)定信號;另每轉輸出一個Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉與反轉，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。
編碼器有5條引線，其中3條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用ATMEGA128開發(fā)板的DC24V電源。電源“-”端要與編碼器的COM端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM端與ATMEGA128開發(fā)板輸入COM端連接，A、B相脈沖輸出線直接與ATMEGA128開發(fā)板的輸入端連接(A相與X0相連，B相與X1相連)，連接時要注意ATMEGA128開發(fā)板輸入的響應時間。有的旋轉編碼器還有一條屏蔽線，使用時要將屏蔽線接地。2.5 語音芯片(ISD 1720)在本系統(tǒng)中采用ISD 1720型號的語音芯片，來構成語音報警系統(tǒng)，人數過多時，發(fā)出警報，提醒乘客，達到語音報警的安全控制。
1、功能概述
ISD1700系列錄放芯片是一種高集成度，高性能的芯片。它可以多段錄音，采樣率可在4K至12K間調節(jié)，供電范圍可以在2.4V至5.5V之間。ISD1700系列錄放芯片可工作于獨立按鍵模式和SPI控制模式。芯片內有存儲管理系統(tǒng)來管理多段語音，這樣在獨立按鍵模式下也能進行多段語音錄放。此芯片內有振蕩器，可通過外部電阻來調節(jié)其振蕩頻率;還有帶自動增益控制(AGC)的話筒運放，模擬線路輸入，抗鋸齒濾波器，多級存儲陣列，平滑濾波器，音量控制，直接驅動喇叭的PWM輸出與接外部功放的電流/電壓輸出。
2.6 光電開關(GY50-W3-3E1)
光電開關(光電傳感器)是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出，接收器再根據接收到的光線的強弱或有無對目標物體進行探測。
關電開關的特點：
(1)、檢測距離長。
(2)、響應速度快。
(3)、分辨能力高。
(4)、容易取得規(guī)則的檢測區(qū)。
(5)、不受磁場和震動的影響。
(6)、利用光的特性檢測。
對于本系統(tǒng)的檢測要求，及以上對關電開關的功能分析，我們選用GY50-W3-3E1型號的光電開關用來做光電檢測，來滿足扶梯系統(tǒng)的檢測要求。
2.7 鑰匙開關
鑰匙開關分為三位鑰匙開關和兩位鑰匙開關，適用于交流50HZ(或60HZ)，電壓380V以下，及直流電壓220V以下的電磁啟動器、接觸器、繼電器及其它電器線路中作遙遠控制和安全控制之用，其中帶燈式按鈕(LED)發(fā)光)還適用于需要燈光信號指示的場合。本系統(tǒng)選用3種狀態(tài)的鑰匙開關，用于切換扶梯的上下行運行，可防止非工作人員接觸，造成不必要的故障及事故。
其實物如圖2-9所示
第三部分 系統(tǒng)通信
3.1 計算機(PC)與EVK1100開發(fā)板之間的通信
UC3A 系列擁有512K字節(jié)的閃存，并擁有一個內置10/100以太網媒體接入控制器(MAC)、10/100-Mbps IEEE(R) 802.3 標準以太網 MAC 可實現設計能通過互聯網協議堆棧進行通訊的聯網的植入式系統(tǒng)。本項目使用了EVK1100開發(fā)板上的以太網模塊。
第四部分 結束語
4.1 此設計系統(tǒng)最終實現的功能
節(jié)能方面：
1、分時運行：當光電傳感器檢測到有人時扶梯自動調頻并加速，無人時則減速至停止。
安全方面：
1、局域網安全監(jiān)控：通過攝像頭可觀測都整個扶梯的運行情況，扶梯不正常運行時監(jiān)控中心可通過網頁操作，發(fā)送指令給EVK1100，EVK1100發(fā)出信號是扶梯停止運行。
2、速度監(jiān)控：編碼器檢測扶梯的運行速度，并在速度與設定的速度相比過快或過慢時發(fā)出提示。
3、語音報警：電機溫度過高時會向乘客發(fā)出提示。
4、液晶：顯示扶梯運行速度，溫度，扶梯上的人數，當前時間，故障報警信息 。
5、線圈保護：KM1常閉和KM2線圈串聯，KM2常閉和KM1線圈串聯，保證KM1線圈和K M2線圈不能同時的電。
6、鑰匙開關：正，反，?？刂?，防止非工作人員接觸扶梯開關。
7、急停按鈕：變頻器或檢測傳感器出現故障時，可通過此按鈕讓扶梯停止運行。
自動扶梯控制設計方式多樣，各有千秋。通過以上介紹和分析，不難得出這樣的結論采用旁路變頻控制的自動扶梯的設計，除了運行可靠、穩(wěn)定性高和安全性能增強外，同時還大大的減少了能源的浪費，這自動扶梯控制系統(tǒng)的基礎上都有了一個質的飛躍，實現自動化控制的同時還節(jié)約了能源。本設計利用ATMEGA128開發(fā)板和三菱FR-A740型變頻器控制，運行可靠，性能優(yōu)良，檢修方便。
在傳統(tǒng)的扶梯中，不管人流量多少或者有無乘客，扶梯都以額定的速度運行，造成很大的能量損耗，不間斷的運行也使得扶梯各部分的機械磨損嚴重，縮短了扶梯的使用壽命。對傳統(tǒng)扶梯的控制系統(tǒng)進行節(jié)能改造后，具有調速性能好、節(jié)能效果顯著、運行安全可靠等優(yōu)點，是當今社會節(jié)能降耗、提高效率的有效手段。同時由于變頻器在啟動時電流是從零開始緩慢增加的，所以采用變頻器技術后，還可以降低扶梯在啟動時的沖擊電壓對電網的影響。
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