攀繩的智能保護與輔助系統的設計

保松韌 吳洪銳 王毅 付宇賢

摘 要 為了提高基層官兵攀登運動的安全性，系統以STC89C52單片機為控制核心，包含拉力檢測模塊、LCD液晶顯示模塊、按鍵模塊等，提出了一款軍用的爬繩攀登訓練輔助裝置，當操作人員正常攀爬時，步進電機會勻速收繩;當操作人員失誤下墜時，步進電機會停止收繩。能夠有效對爬繩和攀登訓練進行保護和輔助。

關鍵詞 單片機 拉力 步進電機 保護

中圖分類號：TN108.3文獻標識碼：A

0引言

當前，隨著爬繩運動人數的日益增多和愈漸重視，安全事故也日益頻發。通過對這些事故的發生原因進行分析可以知道，這類事故存在共同性，主要是國內外對爬繩攀登運動的安全保護技術發展較慢，投入較小;傳統保護方法對保護人員要求較高，依賴較大，而專業保護人員培訓難度大，成本高;傳統的機械式保護設備故障率高，操作難度大，適用性低等原因。而隨著電子技術的發展，智能化設備應用于軍事和生活越發普遍和廉價，國內外也將攀登保護技術向著電子化、智能化發展。

1系統設計方案

攀繩智能保護與輔助系統主要實現的功能為：按下開始鍵計時器開始計時并執行保護程序，按下終止鍵后停止計時并通過顯示屏顯示成績。繩子間有拉力傳感器，能夠測量安全繩所受拉力。計時器按下后，拉力傳感器數值小于設定的具體數值，步進電機以一個適當速度轉動，卷收繩子;當攀爬人員墜落，安全繩受力突然變大，當超過所設的數值，步進電機停止轉動并鎖死起到保護作用。為了便于訓練，電機的轉速可以進行高、中、低速調節，因人而異進行作業，減少戰士的訓練危險。

根據需要本次設計主要分為三個部分：以單片機為核心的主體控制單元;由拉力傳感器、A/D轉換模塊和獨立按鍵模塊組成的檢測控制部分;由電機驅動模塊、步進電機以及液晶顯示模塊組成的驅動顯示部分。設計重點是拉力傳感器的檢測電路和電機的控制電路。

2系統硬件的設計

2.1單片機最小系統設計

單片機的最小系統是指利用最少的元件組成的可以穩定工作的系統，是單片機運用的基礎。它主要包括電源部分、晶振部分、復位電路部分。

2.2步進電機控制設計

系統中步進電機功率要求較大，需要單片機配合其他輸出放大電路或是專門的步進電機驅動來實現對電機的控制。同時，良好的驅動不僅滿足輸出要求，還具有相應的控制保護電路，對于系統整體設計的可靠性和安全性提供保障。根據本系統的設計目的，經過論證研究，我們在這里采用ULN2003為步進電機提供脈沖信號。

2.3 AD電路設計

在本設計中，A/D轉換器和外部拉力傳感器均由HX711芯片內的穩壓電路進行供電。單片機P2.0和P2.1口分別接DOUT和PD_SCK口，并連入兩個4.7K的電阻進行分壓，此兩個端口進行串口通訊，用來輸出輸入數據。選擇通道A，則A+口與A-口分別連接拉力傳感器信號輸出端。此時A信道可將輸增益128倍，即將5mv的電壓放大為128倍，而后單片機按相應時序將其讀出進行下步操作。

2.4按鍵控制電路設計

獨立按鍵的應用相對來說也是比較簡單的，按鍵的一端與單片機的任意一個IO口連接，本設計中選擇接入P3.2～P3.7口，按鍵的另外一端接入系統的地，就可以完成電路的設計。主要的原理就是采用單片機的IO口來檢測按鍵引起的單片機的引腳的高低電平的變化。單片機默認狀態引腳的IO口是高電平的，當按鍵按下單片機的引腳就檢測到了低電平，單片機可以根據這個信號來識別是否有按鍵動作，間接的就檢測到是否有人進行操作。

2.5顯示電路設計

液晶顯示的第一個引腳接地，接入低電平，連接系統的GND;第二引腳是顯示屏電源，連接到系統的VCC引腳;液晶顯示的第三個引腳是液晶顯示系統的對比度調節引腳，主要用于調節顯示的清晰程度，可以根據系統的實際要求去具體調節;液晶顯示的第四個引腳是顯示的信號引腳，可以設置成寫信號和讀信號，此引腳在接地的時候可以選擇液晶的寄存器;液晶的第五引腳是作為數據選擇引腳的方式進行設置的;液晶顯示的第六個引腳是選擇液晶是否使能;液晶顯示的第七個引腳到第十四個引腳是數據傳輸引腳。將顯示屏引腳與單片機P0口分別連接，通過相應程序，單片機輸出不同電平信號，顯示屏顯示不同字符。

3系統軟件的設計

主程序是整個系統軟件設計的核心，是計算程序的中心部分，本設計主程序有效的使各模塊共同協作，通過對拉力傳感器、步進電機驅動、按鍵控制和顯示處理的協調分析，利用判斷、循環等數據結構，確定算法，簡化步驟，最終繪制程序流程圖

4系統的制作和綜合調試

4.1硬件調試

設計出原理圖之后需要對硬件電路進行焊接。采用洞洞板進行器件的安裝，按照電路圖進行固定，用焊錫焊接，并檢查是否接觸良好。根據原理圖進行引腳之間的連接，當焊接好之后需要用萬用表進行檢查，看看是否具有短路或者虛焊的現象，檢查確定連接無誤之后再進行下步操作。

4.2軟件的調試

編寫各個子程序，程序的設計相對比較復雜，采用模塊化的設計方法，進行逐個調試。當所有模塊子程序設計完成，并調試正常運作之后進行系統程序的總體設計，最后合并各個程序。然后進行逐項功能的測試，確保系統預期功能的實現。

5結束語

此次設計通過對攀繩保護技術進行研究和改進，利用電子技術實現了對爬繩攀登運動的智能保護和輔助練。規避了現有攀繩運動中的不安全因素，解決了基層部隊組織攀繩運動練習時人力物力耗費大、輔助練習困難等問題。提高了攀登爬繩運動的實效性，推動了部隊攀爬類軍事項目的發展。

參考文獻

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