單片機(jī)在環(huán)球穿梭游樂設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：目前游樂設(shè)備正向大型化、高速化、自動(dòng)化、玩法新穎的方向進(jìn)展，電氣控制系統(tǒng)在游樂設(shè)備是一項(xiàng)重要的組成部分，可靠性對(duì)保證游樂設(shè)備運(yùn)行的安全和使用壽命具有重要的作用和價(jià)值。利用單片機(jī)控制游樂設(shè)備具有成本低、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)。本文以“B型環(huán)球穿梭”游樂設(shè)備為例，介紹了單片機(jī)在游樂設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：PIC單片機(jī)；游樂設(shè)備；環(huán)球小車；控制系統(tǒng)

游樂設(shè)備的安全性以及質(zhì)量的可靠性對(duì)玩家的生命和健康具有重要的意義，在游樂設(shè)備中電氣控制系統(tǒng)是最為重要的一種控制系統(tǒng)，其運(yùn)用的安全性和可靠性對(duì)游樂設(shè)備的質(zhì)量的好壞具有決定性的作用。以往的游樂設(shè)備在都采用時(shí)間繼電器、中間繼電器控制，由于電氣元件工作時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)局部發(fā)熱，產(chǎn)生誤差，后來改用進(jìn)口的可編程控制器控控制。可編程控制器一般由國外進(jìn)口，價(jià)格較高，同時(shí)由于可編程控制器采用電池保持程序，程序有時(shí)會(huì)丟失，工作人員不得不重新編程，增加了工作量。使用單片機(jī)進(jìn)行控制，成本低、程序不容易丟失。本文介紹了“B型環(huán)球穿梭”游樂設(shè)備電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

觀覽車類其中之一的“B型環(huán)球穿梭”游樂設(shè)備，以開始時(shí)，整臺(tái)車在軌道上作往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行的高度逐漸增加，最后整臺(tái)車沿環(huán)形軌道在垂直平面內(nèi)作特定旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)循環(huán)。經(jīng)設(shè)計(jì)評(píng)審決定控制系統(tǒng)以PIC單片為核心。

1 控制系統(tǒng)構(gòu)思與設(shè)計(jì)思想

本項(xiàng)目避開同行同類型設(shè)備用人工手動(dòng)控制方式或用速度繼電器、延時(shí)繼電器等自動(dòng)方式來實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行，因?yàn)樗麄兌即嬖诳刹僮餍噪y、可能誤動(dòng)作、易打滑等，從而很可能造成燒毀電機(jī)、設(shè)備運(yùn)行不連續(xù)等問題。

本項(xiàng)目采用以下控制形式來實(shí)現(xiàn)設(shè)備新型的、可行的、娛樂者參與的而增強(qiáng)趣味性的運(yùn)行方式：

環(huán)球小車運(yùn)行控制采用PIC單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制中心，控制系統(tǒng)內(nèi)建軟件集檢測(cè)、控制、智能化等功能，自動(dòng)檢測(cè)電機(jī)順逆運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)合控制系統(tǒng)外部由娛樂者自行控制小車的運(yùn)行與否、運(yùn)行高度；控制輸出電機(jī)順逆運(yùn)轉(zhuǎn)軟件互鎖，硬件機(jī)械、電氣聯(lián)鎖；預(yù)設(shè)運(yùn)行速度并自動(dòng)檢測(cè)“到最大計(jì)程”方法等措施實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目獨(dú)特的運(yùn)行。

環(huán)球小車運(yùn)行過程可能由于軌道的不平整，造成車輛運(yùn)行震動(dòng)太強(qiáng)烈從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而在試運(yùn)行過程中必須密切注意抗震情況及做好防震措施。

環(huán)球小車運(yùn)行電機(jī)由于其運(yùn)行方式較獨(dú)特，電機(jī)頻繁順逆運(yùn)轉(zhuǎn)，必須有防缺相措施；主要控制器件應(yīng)選用質(zhì)量可靠的品牌，容量有一定的余量。

總控制臺(tái)同樣采用PIC單片機(jī)作為另一系統(tǒng)的控制中心，大大簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的數(shù)字、模擬結(jié)構(gòu)，智能自動(dòng)定時(shí)、方便調(diào)節(jié)時(shí)間，預(yù)定娛樂開始、結(jié)束鈴聲，緊急停止按鈕等。

2 設(shè)備的動(dòng)作過程

設(shè)備車輛的電機(jī)在一定的電氣程序控制之下有規(guī)律地正反轉(zhuǎn)，并且通過變速系統(tǒng)分別將動(dòng)力傳遞到前后車輪上，從而驅(qū)動(dòng)整臺(tái)車在垂直的圓環(huán)形軌道行駛。環(huán)球小車運(yùn)行起來很具有刺激性，因而得名“B型環(huán)球穿梭”。

環(huán)球小車通過螺栓結(jié)構(gòu)與動(dòng)力臂牢固聯(lián)接，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，可帶動(dòng)力臂、配重臂等繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，它主要由車底盤、小車靠背、傳動(dòng)裝置、安全壓桿及座艙等組成。在站臺(tái)上環(huán)球小車的運(yùn)行過程為：按下啟動(dòng)按鈕，預(yù)備鈴響后開始計(jì)時(shí)（時(shí)間1，1.5，2，2.5分鐘可調(diào)），設(shè)備通電，電機(jī)運(yùn)行，環(huán)球小車在軌道上越蕩越高，最后運(yùn)轉(zhuǎn)幾周。環(huán)球小車從開始到轉(zhuǎn)圈的時(shí)間及轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)可從控制板上調(diào)整。

3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 功能分析

綜上所述，控制系統(tǒng)必須完成下面的工作：

3.1.1 自動(dòng)檢測(cè)環(huán)球小車上接近開的運(yùn)行速度，并記憶速度是否是預(yù)設(shè)運(yùn)行速度。

3.1.2 對(duì)設(shè)備通電，電機(jī)運(yùn)行命令，控制環(huán)球小車的運(yùn)行時(shí)間。

3.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)可以分為2部分。

3.2.1 主控制部分：定時(shí)系統(tǒng)采用PIC16C54作CPU控制程序，采用整流橋整流后通過穩(wěn)壓管輸出作為CPU及外為原件的直流12V、5V電源，啟動(dòng)采樣的PIC的IO口通過一塊光耦I(lǐng)C作為啟動(dòng)輸入光電耦合，音頻由PIC的IO口輸出通過一發(fā)塊音頻功率放大器放大輸出預(yù)備鈴響，定時(shí)控制由PIC的IO口輸出信號(hào)控制繼電器輸出控制總回路，同時(shí)PIC 的IO口作為輸出LED指示。

3.2.2 環(huán)球小車控制部分：運(yùn)行系統(tǒng)采用PIC16C54作CPU控制程序，采用整流橋整流后通過穩(wěn)壓管輸出作為CPU及外為原件的直流12V、5V電源，運(yùn)行速度采樣的PIC的IO口通過一塊光耦I(lǐng)C作為接近開關(guān)速度檢測(cè)輸入光電耦合，正轉(zhuǎn)控制由PIC的IO口輸出信號(hào)控制繼電器輸出控制正轉(zhuǎn)回路，反轉(zhuǎn)控制由PIC的IO口輸出信號(hào)控制繼電器輸出控制反轉(zhuǎn)回路，同時(shí)控制輸出電機(jī)順逆運(yùn)轉(zhuǎn)軟件互鎖，還增加了硬件機(jī)械、電氣聯(lián)鎖，保證了正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的可靠平穩(wěn)。

3.3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)由兩大部分組成：控制主程序和環(huán)球小車附程序。

3.3.1 控制主程序。主程序完成整個(gè)控制系統(tǒng)的初始化，循環(huán)進(jìn)行鍵盤掃描。當(dāng)有鍵按下時(shí)，轉(zhuǎn)入鍵處理程序。若是啟動(dòng)鍵則啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行，若是急停鍵則停止系統(tǒng)的運(yùn)行。

3.3.2 環(huán)球小車程序。小車程序是完成小車控制系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)的重要程序。

當(dāng)主控制回路接通，小車控制系統(tǒng)啟動(dòng)。PIC16C54規(guī)劃RA口為1H，RB口為F8H，判斷預(yù)設(shè)檔位，來自哪一個(gè)拔碼開關(guān)，然后按預(yù)設(shè)置的相應(yīng)全程值運(yùn)行。

當(dāng)小車啟動(dòng)正轉(zhuǎn)時(shí)，1繼電器接通控制交流接觸器1閉合，2繼電器斷開控制交流接觸器2斷開，DELAY延時(shí)1繼電器斷開控制交流接觸器1斷開，2繼電器斷開控制交流接觸器2斷開，DELAY延時(shí)開始檢測(cè)開接近開關(guān)的反轉(zhuǎn)信號(hào)，然開CPU程序也同時(shí)計(jì)程、啟動(dòng)反轉(zhuǎn)，2繼電器接通控制交流接觸器2閉合，1繼電器斷開控制交流接觸器1斷開，DELAY延時(shí)2繼電器斷開控制交流接觸器2斷開，1繼電器斷開控制交流接觸器2斷開并繼續(xù)計(jì)程，如果不是最在值檢測(cè)正轉(zhuǎn)接近開關(guān)開始計(jì)程。開始計(jì)程、啟動(dòng)正轉(zhuǎn)1繼電器接通控制交流接觸器1閉合，2繼電器斷開控制交流接觸器2斷開，DELAY延時(shí)1繼電器斷開控制交流接觸器1斷開，2繼電器斷開控制交流接觸器2斷開并繼續(xù)計(jì)程，如果不是最大值檢測(cè)轉(zhuǎn)接近開關(guān)開始計(jì)程。正轉(zhuǎn)結(jié)速時(shí)計(jì)程不是最大值檢測(cè)反轉(zhuǎn)開關(guān)開啟計(jì)程啟動(dòng)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)結(jié)速時(shí)計(jì)程是最大值檢測(cè)反轉(zhuǎn)開關(guān)，是否最低檔時(shí)檢測(cè)反轉(zhuǎn)開關(guān)開啟計(jì)程啟動(dòng)反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)結(jié)速時(shí)原理都一樣。環(huán)球小車從開始到轉(zhuǎn)圈的時(shí)間及轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)可從控制板上調(diào)整。

4 應(yīng)用結(jié)果

為了提高系統(tǒng)的可靠性，還設(shè)計(jì)了專用電路控制板。使用PIC單片機(jī)控制游樂設(shè)備，在國內(nèi)起步較晚，但單片機(jī)系統(tǒng)具有可靠性好、成本低、便于維護(hù)等特點(diǎn)。上述系統(tǒng)經(jīng)過試運(yùn)行，通過了游樂設(shè)備的設(shè)計(jì)審查、型式試驗(yàn)證明安全可靠，完全可以替代進(jìn)口的可編程控制器。

參考文獻(xiàn)

[1]麥克·普雷德科.PIC單片機(jī)便攜手冊(cè)（機(jī)械工業(yè)出版社）2005.3 ISBN 7-111-16166-1

[2]張明峰.PIC單片機(jī)入門與實(shí)戰(zhàn)（北京航空航天大學(xué)出版社）2004-9-18

[3]楊曉梅.PIC單片機(jī)應(yīng)用（科學(xué)出版社有限責(zé)任公司）ISBN：9787030293381GB8408-2008，游樂設(shè)施安全規(guī)范[S].

作者簡(jiǎn)價(jià)：胡衛(wèi)軍（1979，6-），男，漢族，籍貫：廣東中山，職稱：電氣助理工程師；研究方面：電氣、電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電類安全技術(shù)探討與應(yīng)用、PIC單片機(jī)、PLC等編程設(shè)計(jì)。