鄒智恒，楊 瑩

(湖南文理學(xué)院，湖南 常德 415000)

近年來(lái)單片機(jī)由于其特點(diǎn)和突出的性能被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，各種新型單片機(jī)層出不窮，片內(nèi)集成的功能模塊越來(lái)越多，整體性能也越來(lái)越強(qiáng)大[1]，其中最具有代表性且最基礎(chǔ)的是51單片機(jī)。由于通信技術(shù)在移動(dòng)通訊、無(wú)線通訊等方面的高速發(fā)展，以及嵌入式計(jì)算技術(shù)和傳感器技術(shù)的日漸成熟，具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力的微型傳感器開(kāi)始在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)[2]。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支，是計(jì)算機(jī)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑，開(kāi)辟了嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域[3]。

壓力傳感器在現(xiàn)代工業(yè)實(shí)踐中是必不可少的，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境中，包括水利水電、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、石化、電力、船舶、管道等行業(yè)[4]。但其在生活方面的應(yīng)用較少，因此，本文結(jié)合單片機(jī)與壓力傳感器設(shè)計(jì)了一款樓房自動(dòng)調(diào)速升降裝置，該裝置比現(xiàn)行運(yùn)行速度恒定的裝置更有應(yīng)用前景。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制器是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制的核心部分，是電動(dòng)機(jī)有效工作的保障。由于單片機(jī)具有靈活性好、成本低、易于產(chǎn)品化、抗干擾能力強(qiáng)、可構(gòu)成各種智能式控制設(shè)備和智能儀器等特點(diǎn)[5]，所以單片機(jī)適用范圍較大，可用于處理功能較強(qiáng)、運(yùn)行速度較快的系統(tǒng)中。此次設(shè)計(jì)選用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器，當(dāng)載物板上放有重物(≤20 kg)時(shí)，壓力傳感器和HX711模塊將壓力信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)傳送給51單片機(jī)，單片機(jī)將循環(huán)判斷壓力傳感器傳送的信號(hào)以調(diào)節(jié)L298的啟停頻率，最終利用PWM波脈寬調(diào)制原理調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。PWM脈寬調(diào)制功率放大器，不僅消耗功率小，且調(diào)制精度高[6]。電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)將物體運(yùn)至目的地，其工作流程如圖1所示。此設(shè)計(jì)采用按鍵與遙控相結(jié)合的方式，因?yàn)檫b控方式更為便捷、簡(jiǎn)單；同時(shí)在單片機(jī)上設(shè)置按鍵也可避免其他因素的干擾。當(dāng)載物重量大于20 kg時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)且電機(jī)不再運(yùn)行，起到過(guò)載保護(hù)作用。

圖1 控制流程圖

2 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

此傳動(dòng)裝置由直流減速電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、階梯軸、軸承及軸承座、卷筒及鋼絲繩(或其他承載能力符合要求的繩)等組成，其中鋼絲繩一端固定纏繞在卷筒上，另一端通過(guò)定滑輪與接載物板相連從而達(dá)到傳動(dòng)的目的。

電動(dòng)機(jī)采用24 V、35 W、30 r/min的大扭矩直流減速電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)在現(xiàn)代社會(huì)中被廣泛用于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)機(jī)械、通信雷達(dá)等各個(gè)行業(yè)中,雖然和交流電機(jī)相比,直流電機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜,但其最大轉(zhuǎn)矩以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩能夠滿足大部分系統(tǒng)的需求[7]；且其支持正反轉(zhuǎn)與脈沖寬度調(diào)制，滿足本次設(shè)計(jì)的要求

聯(lián)軸器采用剛性聯(lián)軸器，其在承受負(fù)載時(shí)也無(wú)任何回轉(zhuǎn)間隙，當(dāng)有偏差產(chǎn)生負(fù)荷時(shí)，剛性聯(lián)軸器還是剛性傳遞扭矩。且其構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低、可傳遞轉(zhuǎn)矩較大，具有免維護(hù)以及耐腐蝕的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)裝置轉(zhuǎn)速低、無(wú)沖擊、軸的剛性大、對(duì)中性較好時(shí)，常采用此種聯(lián)軸器。此處采用外徑為32 mm、長(zhǎng)度為32 mm、孔徑為8×10 mm的剛性聯(lián)軸器。

深溝球軸承主要承受徑向載荷,也可同時(shí)承受小的軸向載荷；當(dāng)量摩擦系數(shù)最小，極限轉(zhuǎn)速高；在高轉(zhuǎn)速且有輕量化要求的場(chǎng)合，可用來(lái)承受單向或雙向軸向載荷[8]。此設(shè)計(jì)選用GB/T276-94深溝球軸承6201。

軸承座選用其內(nèi)徑與軸承外徑相配、寬度大于軸承寬度的規(guī)格。

鋼絲繩選用載重能力大于25 kg的304不銹鋼鋼絲繩，直徑為1.5 mm、7×7規(guī)格。卷筒內(nèi)徑與軸直徑相配即可，軸采用直徑為10 mm、長(zhǎng)度為180 mm的鍍鉻軸。

整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)所選用的零件均為現(xiàn)有材料且能達(dá)到預(yù)期傳動(dòng)的目的，零件的承受負(fù)載能力皆大于設(shè)定質(zhì)量，安裝簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。該傳動(dòng)裝置示意圖如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

3 系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要由51單片機(jī)、壓力傳感器、HX711模塊、L298模塊、直流電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)等器件組成。如圖3所示，控制單片機(jī)P1.3端口的按鍵K1為電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，與P1.4相連的按鍵K2為電機(jī)反轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)，與P1.5相連的按鍵K3為急停開(kāi)關(guān)，紅外接口與單片機(jī)外部中斷口0相連。利用中斷程序解碼后，通過(guò)定義不同數(shù)值的功能即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與緊急制動(dòng)。蜂鳴器與單片機(jī)P1.7相連。HX711將檢測(cè)到的壓力信號(hào)通過(guò)DOUT串口數(shù)據(jù)輸出，經(jīng)P2.1口輸入51單片機(jī)，SCK口為斷電和串口時(shí)鐘輸入口，輸入單片機(jī)的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后經(jīng)P1.2口產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)即為控制L298驅(qū)動(dòng)模塊輸入端口ENA的啟停頻率，通過(guò)控制L298驅(qū)動(dòng)模塊的使能端也可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，且不同的壓力數(shù)值對(duì)應(yīng)不同的占空比，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)程序流程圖如圖4所示。

圖4 程序流程圖

4 控制系統(tǒng)元器件選擇

4.1 傳感器的選擇

控制系統(tǒng)通過(guò)壓力傳感器來(lái)對(duì)物體產(chǎn)生的壓力進(jìn)行感應(yīng)。電阻應(yīng)變式傳感器具有金屬應(yīng)變效應(yīng)，即有外力存在時(shí)，金屬會(huì)發(fā)生微弱的形變，從而改變其電阻值。電阻應(yīng)變式壓力傳感器的主要布局形式有膜片式、筒式和組合式。其中，膜片式主要用于測(cè)低壓，而筒式則用于測(cè)高壓[9]。電阻應(yīng)變式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，易于實(shí)現(xiàn)小型化的特點(diǎn)。對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性的輸出信號(hào)較弱[10]。

4.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇

HX711芯片無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程。輸入選擇開(kāi)關(guān)可任意選取通道A或通道B與其內(nèi)部的低噪聲可編程放大器相連。通道A的可編程增益為128或64倍，對(duì)應(yīng)的滿額度差分輸入信號(hào)幅值分別為±20 mV或±40 mV；通道B則為固定的64倍增益，可用于系統(tǒng)參數(shù)檢測(cè)[11]。

5 程序計(jì)算原理與仿真

5.1 計(jì)算原理

由于編寫(xiě)程序時(shí)是通過(guò)直接判斷重物的大小來(lái)做出相應(yīng)的處理，所以首先需要將A/D值反向轉(zhuǎn)換為重力值，已知傳感器供電電壓為4.3 V。假設(shè)重力值為A kg(A≤20 kg),測(cè)量出來(lái)的A/D值為y。

下面給出將重力信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的運(yùn)算過(guò)程(以便在keil軟件中編碼程序)。

發(fā)送給A/D轉(zhuǎn)換模塊的電壓為：

A×V/M=0.215A

(1)

式中：A為假定重力值，V為傳感器供電電壓4.3 V，M為傳感器最大承重20 kg。

經(jīng)過(guò)128倍增益后，電壓為：

V1=128×0.215A=27.52A

(2)

轉(zhuǎn)換為24 bit數(shù)字信號(hào)為：

V1×224/V=107 374.1824A

(3)

在C語(yǔ)言程序中，因LONG型變量計(jì)算速率和存放空間時(shí)占用資源較多，因此，通過(guò)除以100將其縮放為INT型，方便后續(xù)計(jì)算，得到：

y=G×A/100=107.4A

(4)

式中：G為轉(zhuǎn)換為24 bit后的數(shù)字信號(hào)值。

由式(4)可以得到：

A=y/107.4

由此，根據(jù)計(jì)算所得，keil軟件中編碼語(yǔ)句應(yīng)為：

Weight_Shiwu=(unsignedlong)(float Weight_Shiwu/107.4);

修改部分代碼用于校準(zhǔn)[12](語(yǔ)句在程序開(kāi)始處定義)，可以增加或減小數(shù)值以校準(zhǔn)傳感器，該數(shù)值一般為4.0～5.0(即103.4～111.4)。此處取104，即程序中定義：

#define Gap Value 104

5.2 仿真

在Proteus軟件中將畫(huà)好的實(shí)物圖連接完成且程序調(diào)試成功后點(diǎn)擊仿真按鈕，得到如圖5所示的結(jié)果。如圖6所示為電機(jī)轉(zhuǎn)速隨物體重量變化的仿真結(jié)果，結(jié)果表明：當(dāng)無(wú)壓力時(shí)為電機(jī)正常轉(zhuǎn)速(30 r/min)；而有壓力存在時(shí)速度下降，以使整個(gè)運(yùn)行過(guò)程更加平緩，且轉(zhuǎn)速隨著重量的改變而實(shí)時(shí)改變；當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)電機(jī)立馬停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電機(jī)的目的。

圖5 有壓力時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速

圖6 電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線實(shí)物圖

將控制系統(tǒng)所用元件的實(shí)物按照原理圖連接好，得到如圖7所示的實(shí)物圖。通過(guò)程序燒錄軟件將編好的代碼寫(xiě)入51單片機(jī)中；由于電機(jī)的額定電壓為24 V而單片機(jī)無(wú)法提供此電壓，所以此處使用24 V變壓器通過(guò)L298模塊與電動(dòng)機(jī)和單片機(jī)連接從而控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；將HX711按照原理圖與單片機(jī)連接好后開(kāi)始測(cè)試。測(cè)試中有兩臺(tái)不同型號(hào)的電機(jī)均達(dá)到了隨載物板重量改變而實(shí)時(shí)改變轉(zhuǎn)速的目的。結(jié)果證明該設(shè)計(jì)可行。

圖7 控制部分實(shí)物圖

6 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)采用循環(huán)判斷重物重量來(lái)調(diào)節(jié)單片機(jī)輸出頻率以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。單片機(jī)中寫(xiě)有超重報(bào)警程序，當(dāng)重物超過(guò)電機(jī)承受能力也就是大于設(shè)定值時(shí)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)設(shè)置了急停按鈕防止高空墜物等安全問(wèn)題。該設(shè)計(jì)裝置操作簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，尤其可為許多老人提供極大的幫助，可以為單元或者個(gè)人安裝。此方案是以小區(qū)住戶為主要應(yīng)用群體而展開(kāi)的傳動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為以后樓房建設(shè)提供了新思路，且其應(yīng)用范圍較廣，具有一定的實(shí)用價(jià)值。