劉福道

（鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 鞍山 114007）

智能便捷式起吊機(jī)設(shè)計(jì)

劉福道

（鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 鞍山 114007）

本文介紹了基于單片機(jī)的智能便捷式起吊機(jī)的研究，具體包括智能起吊機(jī)的工作過程和工作效益，裝置設(shè)計(jì)基本原理，單片機(jī)工作的基本方式，以及外圍主要電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，整個(gè)系統(tǒng)利用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，操作簡單。通過軟硬件的結(jié)合探索了單片機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的作用。

智能控制；便捷；起吊機(jī)設(shè)計(jì)

1 引言

房屋裝修都需要搬運(yùn)建筑材料，若使用大型的起吊裝置往往成本昂貴，人力搬運(yùn)工錢較高，而且樓道的高度、寬窄和搬運(yùn)物體的體積，都給搬運(yùn)帶來了很大的困難。針對這些問題，本文設(shè)計(jì)了一款智能起吊機(jī)，通過小型電機(jī)和簡單支架設(shè)備可以起吊沙子、水泥、石膏和一些體積不大、重量相對較輕的裝修材料，本裝置還采用了單片機(jī)的記憶功能控制電機(jī)的下行，提高了工作效率。智能便捷式起吊機(jī)作為一種能有效提高房屋裝修進(jìn)展的裝置，在市場上經(jīng)濟(jì)效益很廣，實(shí)際使用價(jià)值較高，而且成本低，便于安裝。

2 智能起吊機(jī)簡介

2.1 裝置圖的設(shè)計(jì)

通過市場調(diào)查，設(shè)計(jì)除要考慮裝置美觀度、所用材料、受力情況等，為使裝置在整體上達(dá)到穩(wěn)定，還要考慮裝置的失效性[1]。本裝置采用了三管一線，有兩根管子是豎直的，中間可以升降，防止室內(nèi)高度不同，影響裝置的穩(wěn)定性[2]。當(dāng)管子的頂端碰到房頂時(shí)，固定好管子，以防管子往下滑。還有一管是橫向的，在管里安裝上滑輪，當(dāng)物體運(yùn)上來時(shí)，可以橫向拽物體，通過滑輪運(yùn)進(jìn)屋里，避免了人伸出窗外拉物體，排除了安全隱患。還有一根斜拉線，通過它來減輕物體對橫向管的作用力。此裝置的設(shè)計(jì)解決了實(shí)際的載重問題，節(jié)省了室內(nèi)空間。此裝置比起直接固定在墻體上的產(chǎn)品更易拆卸與搬運(yùn)。見圖1。

圖1 裝置實(shí)物圖

2.2 智能起吊機(jī)工作過程

起吊機(jī)操作至少需要兩個(gè)人配合，其過程是：戶外上料員上料，室內(nèi)人員起吊并且看管貨物上行狀態(tài)，當(dāng)貨物達(dá)到規(guī)定的高度時(shí)，人在室內(nèi)橫拉物體，通過橫放置的管運(yùn)到室內(nèi)，卸貨的人員關(guān)閉電機(jī)，將貨物卸下。起吊機(jī)上升與下降過程采用勻速電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。上升的時(shí)候由于人為的原因?qū)е缕鸬鯔C(jī)載重會發(fā)生變化，上升時(shí)間就會不同，所以要智能控制貨物的上行過程難以實(shí)現(xiàn)。下行過程中，吊籃空載，下行時(shí)間相對穩(wěn)定。當(dāng)?shù)谝淮芜M(jìn)行下降時(shí)，啟動(dòng)裝置，然后進(jìn)行計(jì)時(shí)，利用單片機(jī)的記憶功能保存計(jì)數(shù)。以后下降時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)下降按鍵，當(dāng)?shù)趸@到達(dá)地面之后電機(jī)剛好就會停止，節(jié)省了人照看吊籃下降的時(shí)間。當(dāng)變換樓層時(shí)，高度會發(fā)生變化，下降的時(shí)間也會發(fā)生變化，我們對整個(gè)過程清零，然后重新進(jìn)行上面的操作。

3 設(shè)計(jì)基本原理

3.1 系統(tǒng)方案

智能便捷式起吊機(jī)系統(tǒng)方框圖如圖2，系統(tǒng)由單片機(jī)控制器、按鍵控制電路、液晶顯示電路、晶振電路、復(fù)位電路、繼電器控制電路、電源電路七部分組成。

單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心[3]，負(fù)責(zé)整個(gè)起吊機(jī)的運(yùn)行，通過按鍵控制電路的輸入，電機(jī)工作，相應(yīng)的指示電路反饋電機(jī)的工作情況，液晶顯示工作的時(shí)間。

圖2 智能便捷式起吊機(jī)的系統(tǒng)方框圖

3.2 原理設(shè)計(jì)

S1、S2、S3為按鍵控制電路，K1、K2為繼電器控制指示電路與繼電器控制電機(jī)工作電路，LCD1602為液晶顯示。電路詳細(xì)的分析見主要電路的設(shè)計(jì)。

圖3 電路設(shè)計(jì)原理圖

圖3為智能起吊機(jī)的主控電路圖，根據(jù)需求分析，設(shè)計(jì)出原理圖，參考ALTIUM DESIGNER原理圖與PCB設(shè)計(jì)書中制作原理圖的過程[4]，畫出完整的原理圖。

圖4 proteus仿真電路圖

當(dāng)按下上升按鍵時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，相應(yīng)的指示燈亮；當(dāng)抬起上升按鍵，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)的指示燈滅；第一次按下下降按鈕，單片機(jī)計(jì)時(shí)并保存，電機(jī)反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的指示燈亮；當(dāng)?shù)趸@到達(dá)地面，抬起下降計(jì)時(shí)按鍵，電機(jī)停止工作，指示燈滅；此后下降時(shí)，按下自動(dòng)下降按鈕，當(dāng)?shù)趸@到達(dá)地面時(shí)，電機(jī)自動(dòng)停止，指示燈熄滅。根據(jù)仿真結(jié)果來看，理論與實(shí)際的結(jié)果達(dá)成一致。說明電路的設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)的完成沒有出現(xiàn)錯(cuò)誤。

4 主要電路設(shè)計(jì)

4.1 單片機(jī)選型

AVR系列的單片機(jī)丟棄了計(jì)算機(jī)復(fù)雜的指令，通過計(jì)算機(jī)哈佛結(jié)構(gòu)使運(yùn)算速度提高，當(dāng)然這種高速度是靠高可靠性來保障的。AVR單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可以減少外圍電路的設(shè)計(jì)，可以省去功率驅(qū)動(dòng)器件，為電路的設(shè)計(jì)帶來了很大的方便。通用型號的AVR供貨較為穩(wěn)定，有些樣品供貨存在問題，通常要使用內(nèi)部的上拉電阻，懸空將造成干擾。PIC系列的單片機(jī)注重從實(shí)際出發(fā)，I/O口少，存儲空間不大，價(jià)格便宜，一般在小型場合使用較多，PIC引腳可以接到220V交流電源上，可直接與大功率的器件相連，無需隔離，但是在操作上具有危險(xiǎn)性[5]。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，與MCS-51單片機(jī)完全兼容，功能特別強(qiáng)大，隨著時(shí)代的發(fā)展，AT89C51已停止生產(chǎn)，完全由AT89SX代替。代表性的產(chǎn)品有AT89S51和AT89S52。AT89S52單片機(jī)片內(nèi)有8KB flash存儲器，256B的RAM,6個(gè)中斷源，3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；AT89S51單片機(jī)內(nèi)有4KB flash存儲器，128B的RAM,5個(gè)中斷源，2個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器。AT89系列單片機(jī)相對PIC單片機(jī)引腳多，不會直接在引腳上接220v交流電，避免失電后帶來的危險(xiǎn),從制作的安全性方面來說，我們應(yīng)該優(yōu)先考慮AT89系列的單片機(jī)。AT89系列的單片機(jī)相對AVR單片機(jī)來說，抗干擾能力強(qiáng)，供貨穩(wěn)定。AT89S52相對AT89S51單片機(jī)存儲空間大，抗干擾能力強(qiáng)。AT89S52相對于AT89C51來說，多了1個(gè)定時(shí)器，ARM多了128B,ROM了多4K,AT89C51工作頻率最大為24M,而AT89S52工作頻率最大能夠達(dá)到33M。通過對各種單片機(jī)的比較，最終我們選用AT89S52單片機(jī)。

4.2 電源電路

在電子電路中，需要對交流電壓進(jìn)行處理，如圖5。第一步，采用降壓變壓器對交流電網(wǎng)電壓降壓。第二步，為了得到小功率的直流電壓，將得到的交流電壓需要轉(zhuǎn)換為直流電壓，單相半波整流電路雖然簡單，但是單相半波整流電路效率太低，在這里選擇單相全波整流。假設(shè)變壓器副邊電壓U2，通過單相全波整流的電壓約為0.9U2。第三步，整流過后的電壓仍然有交流成分，需要濾去交流成分，選擇最簡單的電容處理。第四步，對電壓進(jìn)行穩(wěn)壓處理[6]。穩(wěn)壓管7805的標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓U0為5V，考慮輸入與輸出間電壓差帶來的功率損耗，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選取穩(wěn)壓管輸入U(xiǎn)1=( ) 2～3 U0，所以U1的取值范圍在10V到15V之間。我們?nèi)?2V，那么變壓器的有效值為U2。則電網(wǎng)電壓有10%的波動(dòng)，即變壓比單片機(jī)所能承受的最大電流IO不能大于71 mA,在單相橋式整流電路中，每只二極管只在變壓器的半個(gè)周期通過電流，所以平均電流只有負(fù)載電阻上電流的一半，即濾波電容的選取,為了獲得較好的濾波效果，在實(shí)際電路中，電容容量滿足

圖5 電源電路圖

4.3 電磁繼電器控制電路

電磁繼電器是一種電子控制器件，用弱電控制強(qiáng)電，電路中起自動(dòng)調(diào)節(jié)安全保護(hù)的作用。常開觸點(diǎn)就是在線圈通電時(shí)處于閉合狀態(tài)，在線圈斷電時(shí)處于斷開狀態(tài)。常閉觸點(diǎn)則與之相反。單片機(jī)是一個(gè)弱電器件[7]，不能控制電磁繼電器，因?yàn)閱纹瑱C(jī)自身所能承受的電壓是5伏。況且繼電器對于單片機(jī)來說也是一個(gè)大功率器件，電磁繼電器還要驅(qū)動(dòng)控制負(fù)載，所以這里對電壓進(jìn)行放大，我們選用三極管。繼電器線圈兩端電壓很大，為了防止線圈失電，在線圈兩端并聯(lián)一個(gè)大功率二極管釋放電壓。

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)通過單片機(jī)計(jì)時(shí)功能實(shí)現(xiàn)起吊機(jī)智能下降。通過簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，方便安裝與拆卸，節(jié)省空間、便于操作，還避免高空作業(yè)，解決安全隱患。通過單片機(jī)控制繼電器控制電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了弱電控制強(qiáng)電。產(chǎn)品設(shè)計(jì)最大限度降低了設(shè)備成本，便于推廣和使用。

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[2]吳明樺．家庭房屋裝修淺談[J]網(wǎng)絡(luò)財(cái)富，2 0 0 9(0 8)：2 0 8-2 0 9．

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Design on Intelligent Portable Lifting Machine

Liu Fudao
(Anshan Normal University,Anshan 114007,Liaoning)

This paper researches on the intelligent portable lifting machine based on microcontroller,including the working process,working efficiency,the basic principle of device design,the basic work mode of SCM,as well as the main points in the design of peripheral circuit.The whole system uses the modular design.The operation is simple.The application of SCM is explored through the combination of hardware and software.

intelligent control;convenient;lifting machine design

TP232 文獻(xiàn)識別碼：B

1008-6609(2016)11-0029-03

劉福道（19 9 3－），男，甘肅蘭州人，本科，研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。

2 0 16年遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目：智能便捷式起吊機(jī)，項(xiàng)目編號：U PR P2 0 140 40 3。