模擬升降控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張勝男 謝治虢 張嘉航 張進(jìn) 劉天飛

摘要：針對(duì)大多數(shù)工地施工升降機(jī)存在的成本高、施工效果不好、應(yīng)用不方便等問(wèn)題，文章提出一種基于ARM技術(shù)的施工升降控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103為主控制器，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)施工升降機(jī)的自動(dòng)控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)參數(shù)功能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，較大改善現(xiàn)有升降控制器存在的操作精度低、應(yīng)用不便及成本高等問(wèn)題，既保證了施工的安全，又可以降低施工費(fèi)用，增加工作效率，適合大規(guī)模推廣使用。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；STM32F103微控制器；升降控制器

目前，在一些建筑施工和工廠生產(chǎn)中，以建筑卷?yè)P(yáng)機(jī)和施工升降機(jī)等建筑貨運(yùn)電梯為代表的垂直升降機(jī)械扮演著重要的角色。利用這類(lèi)設(shè)備可以將物料和施工人員在地面和各樓層間輸送。在建筑工地和工廠生產(chǎn)中普遍采用的是卷?yè)P(yáng)機(jī)控制的方法，定位精度差，勞動(dòng)強(qiáng)度大，因此有必要采用具有自動(dòng)控制功能的施工升降機(jī)。

嵌入式微控制器體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可作為一個(gè)部件埋藏于所控制的裝置中，完成信號(hào)控制的功能。為了適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核相同，存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝不盡相同，這樣可以最大限度地與應(yīng)用需求相匹配，從而減小產(chǎn)品的功耗和成本。

本文提出一種基于ARM技術(shù)的施工升降控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用嵌入式微控制器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、功耗及成本較低、特別適合于信號(hào)控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種易于推廣的、參數(shù)功能能夠達(dá)到示范要求的升降自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以嵌入式電路為控制器核心，采用嵌入式芯片為將來(lái)擴(kuò)展功能預(yù)留了豐富的接口，外圍輔以驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路及電源電路，完善電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了物料及施工升降機(jī)的自動(dòng)控制，改善人工控制升降設(shè)備存在的操作精度低、應(yīng)用效果差等問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以STM32嵌入式系統(tǒng)為核心，從硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)物料及施工升降機(jī)的自動(dòng)控制。系統(tǒng)工作邏輯如下：通過(guò)按鍵來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)表示開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）的顯示和流水燈的控制，并用流水燈表示上行方向和下行方向。建筑升降機(jī)通過(guò)按鍵設(shè)定到達(dá)指定的工作平臺(tái)，雙路脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出分別控制升降機(jī)上下行運(yùn)行和開(kāi)關(guān)門(mén)動(dòng)作，LED流水燈模擬升降機(jī)運(yùn)行方向。

系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示，主要包括嵌入式芯片STM32F103、按鍵模塊、顯示電路模塊、串口模塊、電源模塊、PWM輸出模塊、LED流水燈模塊。顯示電路以1個(gè)邏輯門(mén)電路（Transistor-Transistor Logic，TTL）液晶顯示屏為核心構(gòu)成。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

具體電路如圖2所示，兩路PWM輸出接兩個(gè)小的5 V電機(jī)來(lái)表示開(kāi)門(mén)上下行；上下行接流水燈，上行亮，下行滅；開(kāi)關(guān)門(mén)接電機(jī)，正轉(zhuǎn)開(kāi)，反轉(zhuǎn)關(guān)；顯示用TTL液晶顯示。

由于嵌入式系統(tǒng)最小系統(tǒng)是經(jīng)典電路，在各類(lèi)參考書(shū)中均可查到，此處不再介紹，以下主要介紹按鍵模塊、顯示電路模塊、PWM輸出模塊、LED流水燈模塊電路設(shè)計(jì)。

2.1 LCD顯示

LCD顯示時(shí)鐘和當(dāng)前所在工作平臺(tái)。當(dāng)升降機(jī)運(yùn)行到目標(biāo)平臺(tái)時(shí)，平臺(tái)數(shù)字在1 s內(nèi)閃爍2次。系統(tǒng)上電后升降機(jī)默認(rèn)位于平臺(tái)1，升降機(jī)門(mén)默認(rèn)為打開(kāi)狀態(tài)。

2.2 按鍵功能

按鍵電路如圖3所示，用4個(gè)按鍵分別代表4個(gè)工作平臺(tái)。按下后通過(guò)點(diǎn)亮LED指示要到達(dá)的平臺(tái)（LD1-LD4，LD1對(duì)應(yīng)平臺(tái)1，依此類(lèi)推）。當(dāng)升降機(jī)到達(dá)目標(biāo)平臺(tái)時(shí)，對(duì)應(yīng)LED燈熄滅。按下當(dāng)前平臺(tái)對(duì)應(yīng)的按鍵無(wú)效。一次可以設(shè)定多個(gè)目標(biāo)平臺(tái)，上下平臺(tái)都有按鍵時(shí)，運(yùn)行順序是先上后下。在最后一次按鍵按完1 s之后，模擬電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行：升降機(jī)先關(guān)門(mén)，運(yùn)行到下一層后開(kāi)門(mén)；如果還有目標(biāo)平臺(tái)，則開(kāi)門(mén)后停留2 s，然后關(guān)門(mén)，繼續(xù)運(yùn)行到下一個(gè)目標(biāo)平臺(tái)，直到?jīng)]有目標(biāo)平臺(tái)。當(dāng)設(shè)置多個(gè)目標(biāo)平臺(tái)時(shí)，升降機(jī)的升降順序與按鍵順序無(wú)關(guān)，先按從低到高的順序走完設(shè)定的上行平臺(tái)，再按從高到低的順序走完設(shè)定的下行平臺(tái)。電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間按鍵無(wú)效。

2.3 PWM輸出

PWM電路如圖4所示，兩路PWM輸出分別控制上下行電機(jī)（PA6）和開(kāi)關(guān)門(mén)電機(jī)（PA7），并分別用一路方向控制信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向。PA4高電平表示升降機(jī)上行，反之表示升降機(jī)下行。PA5高電平表示升降機(jī)開(kāi)門(mén)，反之表示關(guān)門(mén)。上下每層平臺(tái)的電機(jī)運(yùn)行時(shí)間為6 s，升降機(jī)開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)間為4 s。上下行電機(jī)控制信號(hào)的頻率為1 kHz。升降機(jī)上行時(shí)，PWM信號(hào)占空比為80%；升降機(jī)下行時(shí)，PWM信號(hào)占空比為60%。開(kāi)關(guān)門(mén)電機(jī)控制信號(hào)的頻率為2 kHz。升降機(jī)開(kāi)門(mén)時(shí)，PWM信號(hào)占空比為60%；升降機(jī)關(guān)門(mén)時(shí)，PWM信號(hào)占空比為50%。

2.4 LED流水指示

升降機(jī)上下行時(shí)，4個(gè)LED（LD5-LD8）組成流水燈用來(lái)表示升降機(jī)的運(yùn)行方向。設(shè)計(jì)中需合理選擇流水燈的流水方式和時(shí)間間隔，如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖6所示，系統(tǒng)在上電初始化后顯示時(shí)鐘和當(dāng)前所示平按下目標(biāo)平臺(tái)按鍵后，相應(yīng)的LED燈會(huì)點(diǎn)亮，加上延時(shí)子程序，延時(shí)1 s后運(yùn)行到目標(biāo)平臺(tái)的最上平臺(tái)，開(kāi)門(mén)。平臺(tái)數(shù)字在1 s內(nèi)閃爍2次，平臺(tái)對(duì)應(yīng)LED熄滅。當(dāng)有剩余目標(biāo)平臺(tái)時(shí)，開(kāi)門(mén)后停留2 s，然后關(guān)門(mén)，沒(méi)有目標(biāo)平臺(tái)時(shí)結(jié)束。兩路PWM輸出接兩個(gè)小的5 V電機(jī)來(lái)表示開(kāi)門(mén)上下行，然后用流水燈表示上行方向和下行方向，流水燈往上走，表示上行，流水燈往下走，表示下行方向。電機(jī)正反轉(zhuǎn)表示開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)，正轉(zhuǎn)就代表開(kāi)門(mén)，反轉(zhuǎn)就代表關(guān)門(mén)。

4 樣品調(diào)裝

具體電路調(diào)試前應(yīng)先檢查電路，對(duì)照著電路圖，按一定的順序逐級(jí)逐步進(jìn)行檢查。注意電源連接，電源與地的連接，二極管的方向和電解電容的極性是否接反，集成電路與晶體管的引腳連接，觀察焊點(diǎn)是否焊牢固，有沒(méi)有虛焊等。按照信號(hào)的流向，對(duì)每一個(gè)模塊分別進(jìn)行調(diào)試，完成每個(gè)模塊調(diào)試后，再進(jìn)一步擴(kuò)大調(diào)試范圍，最后完成總的調(diào)試。

經(jīng)過(guò)PROTEUS和keil C軟件調(diào)試和聯(lián)調(diào)，完成產(chǎn)品，下一步進(jìn)行系統(tǒng)綜合調(diào)試。系統(tǒng)剛上電時(shí)的情況如圖7所示，系統(tǒng)顯示初始界面，通過(guò)按鍵可以對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，對(duì)施工升降機(jī)的安全性、方便性要求越來(lái)越高，電子控制技術(shù)的發(fā)展也為施工升降機(jī)的發(fā)展帶來(lái)可能。通過(guò)應(yīng)用STM32芯片為核心控制元件，結(jié)合其他模塊對(duì)施工升降進(jìn)行自動(dòng)控制，這樣更能滿足施工升降機(jī)的安全需要。本文基于ARM技術(shù)設(shè)計(jì)的一種施工升降控制系統(tǒng)，采用嵌入式芯片為主控芯片，為將來(lái)擴(kuò)展功能預(yù)留了豐富的接口，從可靠性出發(fā)，進(jìn)一步完善電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，各項(xiàng)參數(shù)功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由于本系統(tǒng)采用價(jià)格低廉、資源豐富的STM32F103芯片，其他材料也都采用常見(jiàn)的電子元件，造價(jià)低，控制方便、安全可靠，完全滿足施工現(xiàn)場(chǎng)的要求。經(jīng)過(guò)實(shí)地驗(yàn)證，效果良好，適合工地推廣應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王紹偉，鄭德志，吳玉勇.嵌入式微系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.

[2]馬維華.嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2017.

[3]李廣軍，林水生.微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]王劍.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[5]路瑩.嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.