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        一種升降高度可任意調(diào)節(jié)的智能路樁控制器設(shè)計

        2020-03-01 09:41:18盧丹萍丘天鵬
        西部交通科技 2020年10期

        盧丹萍 丘天鵬

        摘要:文章為解決現(xiàn)有路樁功能單一、使用不便的問題,設(shè)計了一種升降高度可任意調(diào)節(jié)的智能路樁控制器,由單片機、藍牙模塊、電機驅(qū)動電路、堵轉(zhuǎn)檢測電路組成,可通過手機APP操作控制路樁的上升和下降,實現(xiàn)任意高度調(diào)節(jié)。實踐表明,該系統(tǒng)操作穩(wěn)定可靠,具有較高的推廣價值。

        關(guān)鍵詞:智能路樁;藍牙;堵轉(zhuǎn)檢測

        0 引言

        當(dāng)前我國城市化進程越來越快,在市政公共區(qū)域管理中路樁的應(yīng)用越來越廣泛,比如城市道路限行、停車場管理、步行街等。現(xiàn)有的路樁多為固定高度路樁,也有可升降路樁,但是都有一些缺陷。如果路樁高度能自由調(diào)節(jié)會帶來很大的使用便利。

        鑒于此,本文設(shè)計了一種基于藍牙通信的智能升降路樁,將路樁基部埋在路面之下,伸出路面的部分樁體用直流電機通過螺紋螺桿帶動其升降,用手機APP控制樁體停在最低點與最高點之間任意位置。

        1 系統(tǒng)方案

        系統(tǒng)方案如圖1所示,控制核心為單片機,通過藍牙或者WIFI與操作人員的手機連接,接收動作指令。單片機發(fā)送控制信號至驅(qū)動電路,電機會根據(jù)需要正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的指令帶動路樁升降,可控制伸出路面的樁體高度為任意數(shù)值。當(dāng)上升到最高點或者下降到最低點時,會觸發(fā)上限位或者下限位傳感器,單片機據(jù)此信號停止電機轉(zhuǎn)動。電機在轉(zhuǎn)動過程中如果產(chǎn)生堵轉(zhuǎn),檢測電路會反饋給單片機,單片機隨即發(fā)出停止指令,同時也會將故障信號發(fā)送給手機APP。為了提高系統(tǒng)安全性,操作人員利用手機APP連接控制板時,需要輸入密碼驗證碼等步驟,以此來提高可靠性,避免誤操作和盜用的情況發(fā)生[1]。

        2 電路設(shè)計

        由圖1可知,本控制系統(tǒng)由單片機、藍牙模塊、WIFI模塊、直流電機、電機驅(qū)動電路、堵轉(zhuǎn)檢測電路、上下限位開關(guān)、指示燈等組成。對各部分介紹如下。

        2.1單片機

        本系統(tǒng)選用STC8F2K08S2-TSSOP20,此芯片為2.0~5.5V寬電壓供電,8KbyteROM及2048ByteSRAM,還具有4KBtyeEEPROM,這些資源滿足系統(tǒng)的設(shè)計需要。芯片還包括2路獨立串口,可用于連接藍牙模塊的數(shù)據(jù)端口[2]。TSSOP20封裝也很小巧,有利于最大程度地縮小電路板尺寸。

        2.2 電機

        使用ASLONGA5882-45渦輪蝸桿減速直流減速電機,工作電壓范圍:12~24V,額定電流300mA,額定24V轉(zhuǎn)速為18rpm/min。此電機在較低電流的情況下,可提供140kg·cm的扭矩,可帶動路樁完成升降的動作。

        2.3 電機驅(qū)動電路

        電機驅(qū)動電路如圖2所示。電路MA、MB為單片機輸出的控制信號,當(dāng)MA、MB輸出信號為“00”時,光耦U2、U3截止,三極管Q2、Q3截止,繼電器K1、K2線圈不得電觸點不動作,直流電機兩端連到+24V,此時電機不轉(zhuǎn)。當(dāng)MA、MB輸出信號為“01”時,光耦U2截止U3導(dǎo)通,三極管Q2截止Q3導(dǎo)通,繼電器K1線圈不得電觸點不動作,K21線圈得電觸點動作,直流電機1腳連到+24V,電機2腳連經(jīng)電阻R11之后倒地,此時電機正轉(zhuǎn)。以此類推當(dāng)MA、MB輸出信號為“10”時電機反轉(zhuǎn),當(dāng)MA、MB輸出信號為“11”時電機停止。驅(qū)動信號與電機動作的關(guān)系如表1所示[3]。

        電路中,D1、D2兩個二極管為肖特基二極管,起保護作用[4]。電阻R11為取樣電阻,當(dāng)電機工作在額定電流300mA時,電阻兩端壓降為300mV,當(dāng)檢測到此電壓高于某個數(shù)值時,說明電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)。如圖2所示。

        2.4 堵轉(zhuǎn)檢測

        電機在工作過程中,由于限位失效、電機卡死、軌道故障等原因可能會造成電機堵轉(zhuǎn)。如果出現(xiàn)這種情況不停止工作,可能會造成電機損壞或者設(shè)備損壞,因此堵轉(zhuǎn)檢測是個非常重要的主動保護策略。堵轉(zhuǎn)檢測電路如圖3所示,由LM358和EL357N以及少量外圍元件構(gòu)成。LM358組成一個比較電路取樣電阻(前述),R11的電壓信號接入LM358的3腳。電阻R12與R13分壓之后作為基準(zhǔn)電壓接入LM358的2腳,基準(zhǔn)電壓為0.6V。Int為輸入單片機中斷引腳的信號。當(dāng)電機正常工作時,比較強同相輸入端電壓約為0.3V,此時比價器輸出為“0”,光耦導(dǎo)通,Int信號為“1”。當(dāng)電機發(fā)生堵轉(zhuǎn),R11兩端電壓升高,當(dāng)高于0.6V時,比價器輸出為“1”,光耦截止,Int信號為“0”,此時觸發(fā)單片機中斷,單片機控制電機停止轉(zhuǎn)動,從而起到了保護的作用[5]。

        電機在實際工作的過程中,也會產(chǎn)生各種干擾信號,輸入比較器的電壓不會很純凈,因此單片機程序還要結(jié)合數(shù)字濾波手段。

        需要指出的是,這里只給出了一個路樁的電機驅(qū)動電路和堵轉(zhuǎn)檢測電路,此驅(qū)動電路和堵轉(zhuǎn)檢測電路和路樁一一配對。

        2.5 藍牙模塊

        藍牙選用HC-06藍牙串口通信模塊,是基于BluetoothSpecificationV2.0帶EDR藍牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線工作頻段為2.4GHzISM,調(diào)制方式是GFSK。此模塊的最大發(fā)射功率數(shù)值為4dBm,接收靈敏度為-85dBm,利用PCB電路板上的天線,通信距離可達10m。自帶LED狀態(tài)指示燈,可直觀判斷藍牙的連接狀態(tài)。

        主要參數(shù)如下:

        工作電壓:3.0~3.6V,通信電平:3.3V,通訊接口:UART3.3VTTL電平,通訊電流:40mA,工作溫度:-25℃~75℃。

        如圖4所示:模塊采用郵票孔封裝方式,模塊大小為(27×13×2)mm,自帶LED狀態(tài)指示燈,可直觀判斷藍牙的連接狀態(tài)。

        單片機串口可通過AT指令對模塊進行各種設(shè)置。

        “AT+BAUD1”指令,用于設(shè)置通信波特率,默認(rèn)為9600bps,支持1200~1382400的波特率。成功之后返回“OK2400”。

        “AT+NAMEname”指令,用于修改藍牙名稱,參數(shù)name為藍牙設(shè)定的新名字,將會在藍牙設(shè)備被搜索到的時候呈現(xiàn),這個字符串不能太長,通常不應(yīng)超過20個字符。設(shè)置成功之后返回“OKsetname”。

        2.6 指示燈

        指示燈的設(shè)置主要為了保證安全,在路樁升降過程以及路樁停留在較低位置時指示燈都應(yīng)閃爍,提醒車輛和行人,避免事故發(fā)生。

        3 程序設(shè)計

        單片機程序主要完成系統(tǒng)初始化、串口數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、電機控制等工作,程序流程如圖5所示。

        單片機上電之后進行系統(tǒng)初始化,包括環(huán)境變量設(shè)置、寄存器賦初值、串口初始化、中斷初始化等,完成之后進入休眠狀態(tài)。

        管理人員需要操作升降路樁時,首先要打開手機APP,用藍牙連接控制板。發(fā)出連接請求之后,板子串口會收到一幀數(shù)據(jù)。此時單片機被喚醒并處理數(shù)據(jù)請求,完成之后再次進入休眠。為保護系統(tǒng)被錯誤操作,登錄APP時必須進行身份和密碼驗證,成功之后才能對電機進行操作。登錄成功之后可控制電機上升下降及停止,電機每次動作的同時也會通過串口反饋一次當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù),操作完成之后退出登錄單片機再次休眠。

        堵轉(zhuǎn)保護程序在中斷程序里完成,此時單片機控制電機停止工作,并通過串口向APP發(fā)送報警信號。操作人員會根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)處理。

        4 手機端APP

        手機端APP主要完成數(shù)據(jù)連接、用戶登錄、電機控制等操作。主要操作如圖6~10所示。用戶登錄界面如圖6所示,操作人員輸入正確的用戶名和密碼之后才能進入系統(tǒng)完成后續(xù)動作。賬戶和密碼由管理員提前分配,也可用超級用戶修改。登錄成功之后進入操作界面如圖7所示,顯示數(shù)據(jù)連接為藍牙連接,電機處于停止?fàn)顟B(tài),停止圖標(biāo)以紅色突出顯示。如后頁圖8所示,當(dāng)按下上升按鈕時,上升控制按鈕以紅色突出顯示,同時APP發(fā)送控制指令給單片機。單片機會控制電機上升并反饋狀態(tài)信息,此時升降臺狀態(tài)欄顯示“路樁當(dāng)前處于上升狀態(tài)”。下降操作方法一樣,如后頁圖9所示。當(dāng)下降過程電機堵轉(zhuǎn)保護停止時,停止按鈕突出顯示,同時路樁狀態(tài)欄顯示“注意,下降過程電機堵轉(zhuǎn),電機已停止!”,提醒操作人員排除故障,如后頁圖10所示。

        5 結(jié)語

        實踐表明,本系統(tǒng)只需通過手機APP就能實現(xiàn)路樁任意高度的升降控制,靈活方便,安裝便捷穩(wěn)定可靠,為市政工程管理帶來了很大的便利。本系統(tǒng)改進之后也可通過網(wǎng)絡(luò)介入后臺,可實現(xiàn)對城市所有路樁的網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理,具有一定的推廣價值。

        參考文獻:

        [1]李勝嵐,李晶晶.基于Android平臺的移動校園App的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機產(chǎn)品與流通,2019(1):155-156.

        [2]李虹靜,李升輝.基于STC8系列單片機的繼電器控制電路設(shè)計[J].科技與創(chuàng)新,2019(13):37-38.

        [3]林海濱,張 鎬.基于H橋控制直流電機驅(qū)動電路設(shè)計[J].家電科技,2018(5):42-45.

        [4]王 勤.幾種直流供電防反接保護電路的分析[J].電子技術(shù)與軟件工程,2018(15):216.

        [5]付光杰,喬永娜,王佳楠,等.流量控制閥堵轉(zhuǎn)保護裝置的設(shè)計[J].國外電子測量技術(shù),2018,37(1):102-105.

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