模擬升降控制器的設計與實現

張勝男 謝治虢 張嘉航 張進 劉天飛

摘要：針對大多數工地施工升降機存在的成本高、施工效果不好、應用不方便等問題，文章提出一種基于ARM技術的施工升降控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以STM32F103為主控制器，通過軟件編程實現施工升降機的自動控制。經實驗驗證，該系統(tǒng)參數功能達到設計要求，較大改善現有升降控制器存在的操作精度低、應用不便及成本高等問題，既保證了施工的安全，又可以降低施工費用，增加工作效率，適合大規(guī)模推廣使用。

關鍵詞：嵌入式技術；STM32F103微控制器；升降控制器

目前，在一些建筑施工和工廠生產中，以建筑卷揚機和施工升降機等建筑貨運電梯為代表的垂直升降機械扮演著重要的角色。利用這類設備可以將物料和施工人員在地面和各樓層間輸送。在建筑工地和工廠生產中普遍采用的是卷揚機控制的方法，定位精度差，勞動強度大，因此有必要采用具有自動控制功能的施工升降機。

嵌入式微控制器體積小，結構緊湊，可作為一個部件埋藏于所控制的裝置中，完成信號控制的功能。為了適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核相同，存儲器和外設的配置及封裝不盡相同，這樣可以最大限度地與應用需求相匹配，從而減小產品的功耗和成本。

本文提出一種基于ARM技術的施工升降控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用嵌入式微控制器體積小、結構緊湊、功耗及成本較低、特別適合于信號控制的特點，設計了一種易于推廣的、參數功能能夠達到示范要求的升降自動控制系統(tǒng)，它以嵌入式電路為控制器核心，采用嵌入式芯片為將來擴展功能預留了豐富的接口，外圍輔以驅動電機電路及電源電路，完善電路設計，并進行軟件設計，增強了系統(tǒng)的可靠性，實現了物料及施工升降機的自動控制，改善人工控制升降設備存在的操作精度低、應用效果差等問題。

1 系統(tǒng)設計方案

本系統(tǒng)以STM32嵌入式系統(tǒng)為核心，從硬件和軟件兩個方面進行設計實現物料及施工升降機的自動控制。系統(tǒng)工作邏輯如下：通過按鍵來控制電機正反轉表示開門和關門，通過軟件編程實現對液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）的顯示和流水燈的控制，并用流水燈表示上行方向和下行方向。建筑升降機通過按鍵設定到達指定的工作平臺，雙路脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）輸出分別控制升降機上下行運行和開關門動作，LED流水燈模擬升降機運行方向。

系統(tǒng)方案設計如圖1所示，主要包括嵌入式芯片STM32F103、按鍵模塊、顯示電路模塊、串口模塊、電源模塊、PWM輸出模塊、LED流水燈模塊。顯示電路以1個邏輯門電路（Transistor-Transistor Logic，TTL）液晶顯示屏為核心構成。

2 硬件電路設計

具體電路如圖2所示，兩路PWM輸出接兩個小的5 V電機來表示開門上下行；上下行接流水燈，上行亮，下行滅；開關門接電機，正轉開，反轉關；顯示用TTL液晶顯示。

由于嵌入式系統(tǒng)最小系統(tǒng)是經典電路，在各類參考書中均可查到，此處不再介紹，以下主要介紹按鍵模塊、顯示電路模塊、PWM輸出模塊、LED流水燈模塊電路設計。

2.1 LCD顯示

LCD顯示時鐘和當前所在工作平臺。當升降機運行到目標平臺時，平臺數字在1 s內閃爍2次。系統(tǒng)上電后升降機默認位于平臺1，升降機門默認為打開狀態(tài)。

2.2 按鍵功能

按鍵電路如圖3所示，用4個按鍵分別代表4個工作平臺。按下后通過點亮LED指示要到達的平臺（LD1-LD4，LD1對應平臺1，依此類推）。當升降機到達目標平臺時，對應LED燈熄滅。按下當前平臺對應的按鍵無效。一次可以設定多個目標平臺，上下平臺都有按鍵時，運行順序是先上后下。在最后一次按鍵按完1 s之后，模擬電機開始運行：升降機先關門，運行到下一層后開門；如果還有目標平臺，則開門后停留2 s，然后關門，繼續(xù)運行到下一個目標平臺，直到沒有目標平臺。當設置多個目標平臺時，升降機的升降順序與按鍵順序無關，先按從低到高的順序走完設定的上行平臺，再按從高到低的順序走完設定的下行平臺。電機運轉期間按鍵無效。

2.3 PWM輸出

PWM電路如圖4所示，兩路PWM輸出分別控制上下行電機（PA6）和開關門電機（PA7），并分別用一路方向控制信號控制電機的運轉方向。PA4高電平表示升降機上行，反之表示升降機下行。PA5高電平表示升降機開門，反之表示關門。上下每層平臺的電機運行時間為6 s，升降機開關門時間為4 s。上下行電機控制信號的頻率為1 kHz。升降機上行時，PWM信號占空比為80%；升降機下行時，PWM信號占空比為60%。開關門電機控制信號的頻率為2 kHz。升降機開門時，PWM信號占空比為60%；升降機關門時，PWM信號占空比為50%。

2.4 LED流水指示

升降機上下行時，4個LED（LD5-LD8）組成流水燈用來表示升降機的運行方向。設計中需合理選擇流水燈的流水方式和時間間隔，如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計如圖6所示，系統(tǒng)在上電初始化后顯示時鐘和當前所示平按下目標平臺按鍵后，相應的LED燈會點亮，加上延時子程序，延時1 s后運行到目標平臺的最上平臺，開門。平臺數字在1 s內閃爍2次，平臺對應LED熄滅。當有剩余目標平臺時，開門后停留2 s，然后關門，沒有目標平臺時結束。兩路PWM輸出接兩個小的5 V電機來表示開門上下行，然后用流水燈表示上行方向和下行方向，流水燈往上走，表示上行，流水燈往下走，表示下行方向。電機正反轉表示開門和關門，正轉就代表開門，反轉就代表關門。

4 樣品調裝

具體電路調試前應先檢查電路，對照著電路圖，按一定的順序逐級逐步進行檢查。注意電源連接，電源與地的連接，二極管的方向和電解電容的極性是否接反，集成電路與晶體管的引腳連接，觀察焊點是否焊牢固，有沒有虛焊等。按照信號的流向，對每一個模塊分別進行調試，完成每個模塊調試后，再進一步擴大調試范圍，最后完成總的調試。

經過PROTEUS和keil C軟件調試和聯調，完成產品，下一步進行系統(tǒng)綜合調試。系統(tǒng)剛上電時的情況如圖7所示，系統(tǒng)顯示初始界面，通過按鍵可以對其進行調整。

5 結語

隨著建筑業(yè)的發(fā)展，對施工升降機的安全性、方便性要求越來越高，電子控制技術的發(fā)展也為施工升降機的發(fā)展帶來可能。通過應用STM32芯片為核心控制元件，結合其他模塊對施工升降進行自動控制，這樣更能滿足施工升降機的安全需要。本文基于ARM技術設計的一種施工升降控制系統(tǒng)，采用嵌入式芯片為主控芯片，為將來擴展功能預留了豐富的接口，從可靠性出發(fā)，進一步完善電路設計，并進行軟件設計，各項參數功能均達到了設計要求。由于本系統(tǒng)采用價格低廉、資源豐富的STM32F103芯片，其他材料也都采用常見的電子元件，造價低，控制方便、安全可靠，完全滿足施工現場的要求。經過實地驗證，效果良好，適合工地推廣應用。

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