□宮麗男

隨著城市和工業(yè)的發(fā)展，高空作業(yè)越來(lái)越普遍，施工吊籃、塔式起重機(jī)等機(jī)械裝置是工地上常見(jiàn)的高空作業(yè)機(jī)械。這類機(jī)械主要目的是幫助工人更高效地完成工作以及完成一些人們無(wú)法做到的工作，因此，高空作業(yè)裝置的效率成為了建筑商們關(guān)心的熱點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的高空作業(yè)裝置都需要在高處有一名工人操作，地面上還需要一名工人指揮，這樣操作具有一定的危險(xiǎn)性并且影響效率。為此，研發(fā)無(wú)線遙控吊籃提升裝置具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

一、無(wú)線遙控吊籃提升裝置的原理分析

整個(gè)裝置分為提升電機(jī)、高度檢測(cè)以及手持遙控器三個(gè)部分，系統(tǒng)由STM32F103 作為主控芯片，各部分直接通過(guò)無(wú)線串口的方式通信。在手持遙控器上設(shè)置高度并發(fā)送指令，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將吊籃提升到指定位置，并由安裝在吊籃底部的超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行高度檢測(cè)并反饋到手持遙控器上實(shí)時(shí)顯示同時(shí)進(jìn)行修正，三部分形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)整體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

二、無(wú)線遙控吊籃提升裝置的硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)的功能為實(shí)時(shí)控制和定位控制吊籃的高度并顯示在遙控器上，采用了多個(gè)傳感器模塊獲取相應(yīng)的參數(shù)。下面分別對(duì)三部分的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

(一)手持遙控器部分。手持遙控器作為整個(gè)裝置的上位機(jī)系統(tǒng)，采用STM32F103ZET6 作為主控芯片，包含顯示模塊、控制按鍵模塊、提示與報(bào)警模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、降壓模塊，采用鋰電池供電。

1.顯示模塊。顯示模塊由單片機(jī)PD0－PD4 引腳控制，采用Nokia5110 液晶顯示屏，該顯示屏具有體積小、顯示空間大、價(jià)格低廉、易驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，可以達(dá)到實(shí)時(shí)刷新顯示界面的功能。

2.控制按鍵模塊?？刂瓢存I模塊包含8 個(gè)獨(dú)立按鍵，由單片機(jī)PA0－PA7 控制，實(shí)現(xiàn)上升、下降、鎖定、解鎖、調(diào)速和急停等功能，操作方便，簡(jiǎn)單明了。

3.提示與報(bào)警模塊。提示與報(bào)警模塊由單片機(jī)PD7 引腳控制，采用有源蜂鳴器，利用三極管驅(qū)動(dòng)，可發(fā)出提示音與報(bào)警音，體積較小，易于安裝在遙控器內(nèi)部。

4.無(wú)線收發(fā)模塊。無(wú)線收發(fā)模塊由單片機(jī)PA9、PA10 控制，分別連接無(wú)線收發(fā)模塊的發(fā)送端與接收端。采用大功率2.4GHz 無(wú)線串口通信模塊，此類模塊是一種高速、高穩(wěn)定性、工業(yè)級(jí)的無(wú)線收發(fā)一體數(shù)傳模塊，工作在2.4GHz～2.5GHz 的ISM頻段，帶有金屬屏蔽罩，抗干擾能力極強(qiáng)。能準(zhǔn)確的各部分之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

(二)高度檢測(cè)部分。高度檢測(cè)部分由STC89C52RC 芯片作為主控芯片，采用超聲波測(cè)距模塊進(jìn)行高度檢測(cè)，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)的實(shí)用要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。該部分電路在單片機(jī)最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上還包含無(wú)線接收模塊和超聲波測(cè)距模塊。無(wú)線接收模塊由單片機(jī)P3.0、P3.1 分別連到接收端和發(fā)送端;超聲波測(cè)距模塊由P3.2、P3.3 分別連到發(fā)送端和接收端。

(三)提升電機(jī)部分。該部分仍采用STM32F103 系列芯片作為主控芯片，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)可根據(jù)實(shí)際情況選用不同型號(hào)，均可由STM32 單片機(jī)控制。該部分電路包括無(wú)線接收模塊由PA9、PA10 分別連到發(fā)送端和接收端;電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)PB1、PB2 連接到輸入1 和輸入2，PC7 控制使能端。

三、無(wú)線遙控吊籃提升裝置功能介紹

(一)吊籃高度實(shí)時(shí)控制。當(dāng)裝置處于實(shí)時(shí)控制模式時(shí)，控制者可以通過(guò)手持遙控器上的“上升”、“下降”兩個(gè)按鈕實(shí)時(shí)控制吊籃的高度。

(二)吊籃高度定位控制。當(dāng)裝置處于定位控制時(shí)，控制者可以在手持遙控器上設(shè)置預(yù)設(shè)高度，按下鎖定按鈕后，吊籃將自動(dòng)提升到預(yù)設(shè)高度值，到達(dá)指定高度后，蜂鳴器將發(fā)出一聲提示音。當(dāng)?shù)趸@由于某些原因高度被改變后，仍能自動(dòng)回到預(yù)設(shè)高度。

(三)手持遙控器實(shí)時(shí)顯示界面。手持遙控器界面如圖2所示。

1.顯示界面。Height:吊籃的實(shí)際高度;Set:預(yù)設(shè)高度;Speed:吊籃上升/下降速度調(diào)節(jié)，共設(shè)五個(gè)等級(jí);LOCK/UNLOCK:吊籃是否處于鎖定高度狀態(tài);UP/DOWN:吊籃上升/下降。

2.控制按鍵。上升:控制吊籃上升，按住按鍵即可控制吊籃上升，松開(kāi)后吊籃停止上升。下降:控制吊籃下降，按住按鍵即可控制吊籃下降，松開(kāi)后吊籃停止下降。+1 :輕觸按鍵，將預(yù)設(shè)高度值加1，長(zhǎng)按按鍵，預(yù)設(shè)高度值將持續(xù)加1。－1 :輕觸按鍵，將預(yù)設(shè)高度值減1，長(zhǎng)按按鍵，預(yù)設(shè)高度值將持續(xù)減1。鎖定:輕觸按鍵，吊籃將自動(dòng)鎖定在此時(shí)顯示界面上的預(yù)設(shè)高度，吊籃高度被改變后，會(huì)自動(dòng)回到當(dāng)前預(yù)設(shè)高度。解鎖:解除高度鎖定，輕觸按鍵后，吊籃解除高度鎖定，可以自由調(diào)整高度。調(diào)速:通過(guò)控制單片機(jī)PWM 輸出來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，速度共設(shè)置五個(gè)等級(jí)。急停:在有突發(fā)情況時(shí)，按下急停按鈕，整個(gè)裝置停止運(yùn)行，遙控器顯示屏上顯示“ERROR”，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。

四、軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)共分手持遙控器、高度檢測(cè)、提升電機(jī)三部分，各部分軟件流程圖如圖3 所示。

在吊籃高度的自動(dòng)定位控制模式中，由于電機(jī)具有一定慣性，開(kāi)環(huán)控制無(wú)法將電機(jī)準(zhǔn)確停在指定高度，于是通過(guò)高度檢測(cè)部分的反饋高度形成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。當(dāng)手持遙控器部分檢測(cè)到吊籃接近預(yù)設(shè)高度時(shí)，會(huì)向提升部分發(fā)送信號(hào)，令電機(jī)速度減慢，進(jìn)行高度微調(diào)，以確保吊籃準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)設(shè)高度。

五、結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103 的無(wú)線吊籃提升裝置，可對(duì)高空作業(yè)的吊籃進(jìn)行無(wú)線遙控，實(shí)時(shí)控制吊籃升降以及定位控制吊籃高度。該裝置簡(jiǎn)化了高空作業(yè)吊籃的控制，令一些高空作業(yè)的工作可以更高效、安全地完成，大大減少了人力成本和時(shí)間花費(fèi)。該裝置可以用在施工吊籃、塔式起重機(jī)、礦井吊籃等多種環(huán)境中。

圖2 手持遙控器界面

圖3 軟件流程圖

［1］STM32F103 參考手冊(cè)

［2］AS01－ML01DP5 參考手冊(cè)