基于單片機控制的緩降器硬件機構及控制系統(tǒng)設計

本文介紹了一種基于單片機控制的緩降器硬件機構及控制系統(tǒng).該系統(tǒng)以單片機機為系統(tǒng)的控制核心，結合光電式傳感器技術實現(xiàn)了下降速度的測量，從而實現(xiàn)了緩降器的自給供電并能平穩(wěn)運行.實驗證明該緩降器設計滿足了應用的需要。

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也給人們的安全帶來隱患.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.但是，現(xiàn)有技術中的緩降器，有的結構比較復雜，使用中需要電源。

當事故發(fā)生時，高層建筑通常都會斷電，使用電源的緩降器無法運行;結構復雜的緩降器，長期放置，非常容易出現(xiàn)故障.還有的緩降器使用操作復雜，對于非專業(yè)人員，往往不便使用.發(fā)生險情時，尤其是老人或小孩，容易驚慌，復雜的操作會減慢脫險速度，如果操作失誤，反而會發(fā)生新的險情。

2.系統(tǒng)主要硬件

本文設計的緩降器，系統(tǒng)結構簡單，安裝方便，防止斷電造成意外，裝置具備自身發(fā)電，儲能作為能源，做到了真正意義低碳，并能夠適應出險時順利脫險。它包括：一個帶滑動支架的框架機構，一個線繩卷筒、一臺發(fā)電機、一臺減速電機、一臺復位電動機。一個線繩卷筒減速機構，一個載人裝置和一個控制裝置，如圖1所示。他們之間通過一條柔軟的鋼絲繩連接，為了增加鋼絲繩與發(fā)電機的摩擦力，可以將鋼絲繩在發(fā)電機的轉動軸上多繞幾周.當有重物(或者是人)放(站)在載物盤(人)上，載物盤受到重力加速度的作用，越來越快的下降，發(fā)電機轉動軸也隨之轉動并產生更多的電能；電能經過充電器給蓄電池充電；蓄電池經過電源管理模塊再為控制器。傳感器、減速電機、復位電機等設備提供電源。由于重力加速度產生的電能很大(實驗數(shù)據(jù)見表1說明)。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，相對來說機械效率為η=W2/W1*100%;η越大說明自己供電的風險越高，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，幾乎可以忽略.減速電機只有下降速度超限時才發(fā)揮作用，所以說用電時間，用電量都可以滿足要求。

3.系統(tǒng)控制原理

3.1 控制原理

控制原理如圖2所示，當有重物(或者是人)放(站)在載物盤(人)上，載物盤受到重力加速度作用，越來越快的下降，發(fā)電機轉動軸也隨之轉動并產生電能；電能通過充電器給蓄電池充電；蓄電池經過電源管理模塊再為控制器、傳感器、減速電機復位電機提供電源。當載物盤下降速度超過設定上限時，發(fā)電機上的轉動軸也快速旋轉，轉動軸外有一圈均勻的分割的小葉片，在小葉片的外側裝有對射的光電式傳感器，轉動軸旋轉越快，對射式的光電傳感器被遮擋的頻率越高，產生的脈沖越多;因此測出載物盤與脈沖成正比，可以根據(jù)測得脈沖數(shù)控制減速電機的正反.快慢.減速電機的正反，快慢又影響到絲杠、摩擦片與摩擦盤之間的位置關系，從而可以控制緩降器的下降速度.因為發(fā)生危險時，緩降器將發(fā)生多次作用，當緩降器下到最低部，就要考慮載物盤的復位問題，如何識別緩降器已經到底部，緩降器載物盤上沒有人了，當緩降器到底部時，發(fā)電機的轉動軸不再轉動，此時增設幾秒鐘的延時，作為下來時間就可以了.復位電機是空載，轉速可以恒速控制，而且要快。以避免緩降器在非正式使用時，載人裝置不會意外降下。該限位卡具有一定的強度，當意外地有小孩拉動或坐上載人裝置時，該限位卡可以卡住載人裝置不使其下降。當要使用時，載人裝置上乘坐人的重量超過限位卡的極限強度，被拉斷，則載人裝置即可下降。

3.2 單片機的選用

單片機模塊在控制系統(tǒng)處于核心的位置，從硬件設計的角度來說，首先要保證其供電穩(wěn)定，其次要對其部分功能模塊如PWM通道，定時器通道的進行編程，寫入驅動程序，使其工作.MC9S12系列單片機是以速度更快的CPU12內核為核心的單片機系列，總線速度為8MHZ,MC9S12 DG128開發(fā)板實際上是單片機構成的最小系統(tǒng).板上有構成最小系統(tǒng)需要的復位電路。晶體振蕩器及時鐘電路，驅動電路，+5V電源插座。單片機的所有I/O端口都通過2個64芯的歐式插頭引出，由于直流電機的轉速和緩降器的下降時刻變化，存在傳感器測量滯后，灰分測量值存在檢測滯后等原因，在實際的起降操作不能簡單的按照傳統(tǒng)的PID控制，采用模糊控制效果更加理想，本文提供的單片機完全滿足緩降器控制系統(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，沒有強烈外部光線干擾時，探測距離達到20mm，由于傳感器與轉輪距離很近，大約只有5mm,所以這樣的探測距離完全可以滿足需要，紅外傳感器的電路有多種形式，在這里為了安裝調試方便，我們采用了圖3的電路形式。圖3中LM324為四個運算放大器所組成的IC芯片，將LM324連接成為一個電壓比較器，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，這樣設計的電路非常的直觀，且輸出端為數(shù)字信號“0”或者“1”,可直接與單片機的I/O端口相連。