基于单片机控制的缓降器硬件机构及控制系统设计

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。