谷 彤， 王 颯， 佀東方， 郭 清

防人身傷害溫室卷簾機(jī)智能控制器研制*

谷 彤1， 王 颯1， 佀東方1， 郭 清2

(1.國(guó)網(wǎng)菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027 )

提出了一種防人身傷害溫室卷簾機(jī)智能控制器。采用單片機(jī)AT89S52作為控制主體，配置水平板靠近卷簾機(jī)卷軌邊緣，人員卷入卷軌后平板位置隨之變動(dòng)。利用超聲波傳感器對(duì)平板進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，位置信息輸入單片機(jī)以判斷是否執(zhí)行緊急制動(dòng)。兼具每日按時(shí)收放簾功能、過(guò)溫監(jiān)測(cè)功能以及全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)短信通知功能。從硬件和軟件介紹了控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，并制作樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的有效性。

防人身傷害; 卷簾機(jī); 單片機(jī)； 超聲波； 全球移動(dòng)通信系統(tǒng)

0 引 言

溫室卷簾機(jī)作為冬季每日收攏與鋪放保溫材料的電動(dòng)設(shè)施，已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用[1,2]。由于卷簾機(jī)結(jié)構(gòu)的固有缺陷以及人工操作的易疏漏性，人員卷入卷軌致傷致亡的事故常有發(fā)生[3]。目前防止卷簾機(jī)人身傷亡的理論主要有采用電量計(jì)量芯片采集電機(jī)運(yùn)行參數(shù)、通過(guò)聲控開(kāi)關(guān)拾取危險(xiǎn)信號(hào)、利用傾角傳感器測(cè)量卷軸與水平面夾角等方案，上述方案存在動(dòng)作時(shí)延長(zhǎng)、可靠性差等缺陷。

本文研制了專(zhuān)門(mén)用于防止人身傷害的卷簾機(jī)智能控制系統(tǒng)，采用超聲定位技術(shù)，可靠性強(qiáng)，靈敏度高，且功能完善、簡(jiǎn)單實(shí)用?；谠撛O(shè)計(jì)進(jìn)行了軟硬件開(kāi)發(fā)與樣機(jī)制作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案有效可行。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，控制器系統(tǒng)由控制器主體、超聲波定位機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)進(jìn)程探測(cè)機(jī)構(gòu)、溫度監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)、短信通信設(shè)備五個(gè)部分組成。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

運(yùn)動(dòng)進(jìn)程探測(cè)機(jī)構(gòu)為安裝在溫室底端與頂端的接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)的探測(cè)目標(biāo)是鑲嵌于保溫材料底部的鐵質(zhì)物體，溫度監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)為埋在電機(jī)線圈的溫度傳感器。

超聲波定位機(jī)構(gòu)包括水平放置在卷軌邊緣的平板與平板正上方的超聲波傳感器。平板作為超聲波傳感器的被感應(yīng)物，其與保溫材料在溫室坡面上收攏與鋪放的軌跡應(yīng)盡量接近。

水平板下部安裝有垂直支撐架與斜支撐架。其中，斜支撐架采用可伸縮二連桿結(jié)構(gòu)。正常狀態(tài)下，水平板重力作用使斜支撐架回縮為下部連桿長(zhǎng)度。當(dāng)有人員卷入卷軌時(shí)，被卷人員將會(huì)觸碰水平板，斜支撐架伸展，水平板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 超聲波定位原理

超聲波測(cè)距具有檢測(cè)距離遠(yuǎn)、精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[4,5]。超聲波角度特性較寬，且接收電路包括電壓比較電路，當(dāng)被測(cè)物與超聲波發(fā)射方向的垂直面之間的夾角增大到一定程度時(shí)，將發(fā)生多重反射，多重反射的測(cè)距結(jié)果大于實(shí)際值[6～8]。本設(shè)計(jì)利用超聲波測(cè)距結(jié)果受被測(cè)物放置角度影響這一特性對(duì)控制系統(tǒng)中的平板進(jìn)行定位。

初始狀態(tài)下，平板正對(duì)超聲波傳感器放置，此時(shí)通過(guò)計(jì)算出的距離大小設(shè)定為距離閾值；當(dāng)水平板右側(cè)受力向上傾斜時(shí)，由于平板直接返回至傳感器的回波部分減小以及多重反射的出現(xiàn)，超聲測(cè)距結(jié)果出現(xiàn)變大的趨勢(shì)，當(dāng)平板傾斜夾角增加至一定程度時(shí)，測(cè)距結(jié)果將大于設(shè)定的距離閾值，此時(shí)的夾角大小設(shè)定為距離閾值對(duì)應(yīng)的角度值。

由此可見(jiàn)，可以通過(guò)比較測(cè)距結(jié)果與距離閾值的大小來(lái)判斷平板傾斜角度是否超過(guò)角度閾值。

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用AT89S52作為中央處理器，控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，超聲波測(cè)距模塊提供回波信號(hào)；過(guò)溫監(jiān)測(cè)模塊在測(cè)量溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)向單片機(jī)發(fā)出外部中斷請(qǐng)求；運(yùn)動(dòng)進(jìn)程探測(cè)模塊在收放簾進(jìn)程到達(dá)溫室頂端或者底端時(shí)向單片機(jī)輸入位置報(bào)告信號(hào)；異常狀態(tài)復(fù)歸模塊在人員卷入或者過(guò)溫等異常問(wèn)題得到解決后，提供人工按鈕復(fù)歸信號(hào)；GSM通信模塊以向用戶(hù)手機(jī)發(fā)送短信的方式報(bào)告系統(tǒng)狀態(tài)的變化情況。

圖2 控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)原理及特點(diǎn)如下：

1)電源模塊電路設(shè)計(jì)

本模塊設(shè)計(jì)輸出四路供電電源，如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

第1路為+12 V電源，利用市電經(jīng)220/15 V(30 W)雙輸出變壓器、全波整流電路、電容濾波電路、7812穩(wěn)壓芯片獲得，為電感式接近開(kāi)關(guān)供電。

第2路為+5 V電源，由第1路電源經(jīng)7805穩(wěn)壓芯片獲得，為除接近開(kāi)關(guān)、繼電器線圈、通訊模塊之外的設(shè)備供電，以上設(shè)備工作電流均較小，不超過(guò)幾十毫安。

第3路為+5 V電源，由上述變壓器降壓、整流濾波后的信號(hào)經(jīng)兩路并聯(lián)的7812，7805穩(wěn)壓芯片獲得，專(zhuān)為GSM通信模塊供電，因?yàn)楫?dāng)GSM通信模塊處理的數(shù)據(jù)量較大時(shí)，要求供電電流達(dá)到1A以上，此電流與其余設(shè)備工作電流相比較大，為防止相互干擾分開(kāi)供電。另外，考慮到7812，7805芯片實(shí)際工作中散熱性能較差,采用兩路并聯(lián)供電，并在7805側(cè)用二極管降壓。

第4路為+5 V電源，為市電經(jīng)220/9 V(10 W)變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、7805穩(wěn)壓芯片獲得，此路電源與前三路不共地，專(zhuān)為繼電器線圈供電設(shè)計(jì)，以減小電機(jī)回路對(duì)控制系統(tǒng)的干擾。

2)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程與電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

圖4為運(yùn)動(dòng)進(jìn)程及電機(jī)控制模塊電路圖，采用三線制PNP電感式接近開(kāi)關(guān)LJ30A3—15—Z1BY，其LJ30A3—15—Z1BY電源線、地線接+12 V供電電源，信號(hào)線接PC817光耦芯片，PC817將12 V電平轉(zhuǎn)換為5 V電平。當(dāng)鐵質(zhì)物體進(jìn)入接近開(kāi)關(guān)感應(yīng)范圍(5 mm內(nèi))，接近開(kāi)關(guān)信號(hào)線輸出高電平，由于光耦輸出側(cè)設(shè)有上拉電阻，單片機(jī)P1.0或者P1.1端口輸入變?yōu)榈碗娖健?/p>

圖4 運(yùn)動(dòng)進(jìn)程與電機(jī)控制模塊電路

商用卷簾機(jī)一般設(shè)有收簾、放簾及停止三個(gè)按鈕，收放簾是通過(guò)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的?；趶V泛使用的互閉鎖電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線方式，本設(shè)計(jì)配置三個(gè)繼電器用于電機(jī)控制，其中兩個(gè)繼電器分別使用一對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)代替正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)按鈕，第三個(gè)繼電器使用一對(duì)常閉觸點(diǎn)代替停止按鈕。

由于互閉鎖電機(jī)正反轉(zhuǎn)接線方式具有自保持功能，觸點(diǎn)只需短時(shí)間閉合或斷開(kāi)即可，本設(shè)計(jì)設(shè)為3 s。常見(jiàn)卷簾機(jī)電機(jī)功率為1.5～2.2 kW，額定電流為5 A左右，選用繼電器SRD—5VDC—SL—C，單片機(jī)發(fā)出的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止命令信號(hào)分別從P0.0,P0.1,P0.2端口輸出，經(jīng)芯片PC817光耦隔離及三極管8050放大后輸入繼電器線圈。

3)過(guò)溫監(jiān)測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

利用LM339電壓比較芯片搭建過(guò)溫監(jiān)測(cè)電路如圖5所示。其中，R9為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC—MF52—103/3435，常溫時(shí)阻值為10 kΩ，隨溫度上升阻值減小。設(shè)定過(guò)溫閥值為80 ℃，對(duì)應(yīng)的熱敏電阻值為1.672 5 kΩ。

調(diào)節(jié)可變電阻R7使R7與R6之和與過(guò)溫閾值對(duì)應(yīng)的熱敏電阻值相等。LM339V+，V-端子接至芯片電源的電阻值相等，此電阻值應(yīng)較大，以防止熱敏電阻自身發(fā)熱過(guò)大引起測(cè)量誤差，選用10 kΩ。溫度低于溫度閾值時(shí)，LM339輸出為高電平；當(dāng)環(huán)境溫度高于溫度閾值時(shí)，LM339輸出為低電平。

圖5 LM339溫度比較電路

4)超聲定位模塊電路設(shè)計(jì)

采用HC—SR04超聲波模塊，單片機(jī)P1.7口為其提供不小于10 μs的高電平脈沖觸發(fā)信號(hào)，模塊輸出為高電平矩形波，高電平持續(xù)時(shí)間為超聲波渡越時(shí)間，使用單片機(jī)外部中斷口0接收此矩形波。

5)GSM網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路設(shè)計(jì)

SIM900A通信模塊可利用GSM網(wǎng)絡(luò)向手機(jī)發(fā)送短信，GSM網(wǎng)絡(luò)與GPRS等網(wǎng)絡(luò)相比具有覆蓋面積廣、基本不受通信距離限制的優(yōu)點(diǎn)[9，10]。

SIM900A使用AT指令集，串行口支持9 600 bps等多種波特率。單片機(jī)能夠通過(guò)串口異步通信方式向SIM900A發(fā)送以ASCⅡ碼形式存儲(chǔ)的AT指令。SIM900A每成功接收一條指令將執(zhí)行相應(yīng)功能并自動(dòng)返回執(zhí)行信息，之后繼續(xù)接收下一條指令，約定每條AT指令以十六進(jìn)制1AH作為結(jié)束標(biāo)志[11]。

6)異常狀態(tài)復(fù)歸電路設(shè)計(jì)

異常狀態(tài)復(fù)歸電路包括上拉電阻與開(kāi)關(guān)按鈕。常態(tài)下，開(kāi)關(guān)按鈕觸點(diǎn)斷開(kāi)，上拉電阻將單片機(jī)P2.0，P2.1口輸入上拉為高電平；異常問(wèn)題解決后，人工按下開(kāi)關(guān)按鈕使其觸點(diǎn)閉合，P2.0，P2.1輸入變?yōu)榈碗娖健?/p>

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

使用匯編語(yǔ)言進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)以循環(huán)每日收放簾為主線，在電機(jī)運(yùn)行期間執(zhí)行超聲測(cè)距，人員卷入緊急制動(dòng)、AT指令發(fā)送、延時(shí)等基礎(chǔ)功能采用子程序調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)，過(guò)溫制動(dòng)處理編寫(xiě)為中斷程序。圖6為主程序流程圖。

圖6 軟件流程圖

對(duì)于超聲測(cè)距部分，利用TMOD控制器中GATE位置1時(shí)，定時(shí)器由外部中斷口高電平與TR控制啟動(dòng)的功能測(cè)量超聲回波電平的持續(xù)時(shí)間。這種測(cè)量方式不需設(shè)置回波等待時(shí)間，運(yùn)行效率高。

對(duì)于過(guò)溫處理中斷程序，在返回語(yǔ)句RETI前設(shè)置指令 CLR IE1用于軟件去抖動(dòng)。IE1為外部中斷1請(qǐng)求標(biāo)志位，在轉(zhuǎn)向中斷程序時(shí)由硬件自動(dòng)清零。由于被測(cè)溫度值處于過(guò)溫閾值附近時(shí)，LM339輸出將出現(xiàn)多次高電平與低電平之間的轉(zhuǎn)換，為了防止中斷跳出后被再次觸發(fā)，在中斷程序結(jié)尾處清中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。

考慮到GSM網(wǎng)絡(luò)的延時(shí)性，每發(fā)送一條AT指令后均執(zhí)行延時(shí)子程序，以防止后續(xù)指令不能被正確執(zhí)行。本設(shè)計(jì)設(shè)定延時(shí)為3 s。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

圖7為制作的樣機(jī)實(shí)物。其中，超聲波模塊電路板、GSM通信模塊電路板通過(guò)杜邦線與主控制板連接。

對(duì)控制器各項(xiàng)功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法為：通過(guò)改變鐵塊、平板及加熱體的位置來(lái)模擬系統(tǒng)各種工作狀態(tài)；將繼電器對(duì)應(yīng)觸點(diǎn)串入LED電路，通過(guò)觀察LED的亮滅來(lái)判斷系統(tǒng)是否按照設(shè)計(jì)方案控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；同時(shí)，觀察手機(jī)短信能否正常接收。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明樣機(jī)能夠可靠實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的所有功能。圖8為部分實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

圖7 控制器實(shí)物圖

圖8 實(shí)驗(yàn)中的繼電器

實(shí)驗(yàn)中使用的被測(cè)平板為0.5 m×0.35 m的硬紙板，軟件設(shè)置的距離閾值為2 m。改變平板與超聲波傳感器之間的距離，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的人員卷入啟動(dòng)緊急制動(dòng)功能進(jìn)行多次模擬測(cè)試，不同距離條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以看出，在平板正對(duì)傳感器時(shí)不啟動(dòng)緊急制動(dòng)的前提下，當(dāng)平板傾斜角度達(dá)到一定值時(shí)，控制器能夠可靠啟動(dòng)緊急制動(dòng)，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，超聲波測(cè)距結(jié)果值偏大，這是由于經(jīng)被測(cè)平板反射的回波未完全被接收換能器接收導(dǎo)致的。

表1 不同距離下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

距離/m正對(duì)傳感器時(shí)是否啟動(dòng)緊急制動(dòng)啟動(dòng)緊急制動(dòng)時(shí)傾斜角度/(°)1．80否121．93否141．94是無(wú)2．00是無(wú)

4 結(jié) 論

本文從提高日光溫室卷簾機(jī)使用的智能化程度與安全性出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種可防人身傷害的卷簾機(jī)智能控制器，從硬件與軟件兩方面詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)分析了利用超聲波技術(shù)進(jìn)行人員卷入探測(cè)的工作原理，實(shí)驗(yàn)結(jié)

果表明設(shè)計(jì)方案有效可行。

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Personal injury preventing intelligent controller for greenhouse rolling machine*)

GU Tong1, WANG Sa1, SI Dong-fang1, GUO Qing2)

(1.State Grid Heze Power Supply Company,Heze 274000,China;2.School of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

To avoid personal injury,a new intelligent controller for greenhouse rolling machine is developed.Using MCU chip AT89S52 as the kernel of the system,a flat plate is placed horizontally close to the edge of the rolling track whose position will be altered when human body get entangled in.Ultrasonic senor is adopted for real-time positioning of the flat plate,location information is collected by MCU to judge whether the emergency brake should be carried out.The controller also possesses the function of daily rolling,over-temperature monitoring and SMS notification through GSM network.The composition and structure of the control system is described from the viewpoint of hardware and software.Experimental results verify the effectiveness of the design.

personal injury preventing; rolling machine; MCU; ultrasonic; GSM

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0110—04

2016—11—23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51577169)

TP 277

A

1000—9787(2017)02—0110—04

谷 彤(1988-)，女，碩士，工程師，從事嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

郭 清(1979-)，男，通訊作者，博士，副教授，從事電力電子技術(shù)研究工作，E-mail:quoqing@zju.edu.cn。