單片機在環球穿梭游樂設備電氣控制系統的設計與實現

摘 要：目前游樂設備正向大型化、高速化、自動化、玩法新穎的方向進展，電氣控制系統在游樂設備是一項重要的組成部分，可靠性對保證游樂設備運行的安全和使用壽命具有重要的作用和價值。利用單片機控制游樂設備具有成本低、可靠性好等優點。本文以“B型環球穿梭”游樂設備為例，介紹了單片機在游樂設備電氣控制系統的設計與實現。

關鍵詞：PIC單片機；游樂設備；環球小車；控制系統

游樂設備的安全性以及質量的可靠性對玩家的生命和健康具有重要的意義，在游樂設備中電氣控制系統是最為重要的一種控制系統，其運用的安全性和可靠性對游樂設備的質量的好壞具有決定性的作用。以往的游樂設備在都采用時間繼電器、中間繼電器控制，由于電氣元件工作時間長了會局部發熱，產生誤差，后來改用進口的可編程控制器控控制。可編程控制器一般由國外進口，價格較高，同時由于可編程控制器采用電池保持程序，程序有時會丟失，工作人員不得不重新編程，增加了工作量。使用單片機進行控制，成本低、程序不容易丟失。本文介紹了“B型環球穿梭”游樂設備電氣控制系統的設計與實現。

觀覽車類其中之一的“B型環球穿梭”游樂設備，以開始時，整臺車在軌道上作往復式運動，運行的高度逐漸增加，最后整臺車沿環形軌道在垂直平面內作特定旋轉運動，完成一個循環。經設計評審決定控制系統以PIC單片為核心。

1 控制系統構思與設計思想

本項目避開同行同類型設備用人工手動控制方式或用速度繼電器、延時繼電器等自動方式來實現設備運行，因為他們都存在可操作性難、可能誤動作、易打滑等，從而很可能造成燒毀電機、設備運行不連續等問題。

本項目采用以下控制形式來實現設備新型的、可行的、娛樂者參與的而增強趣味性的運行方式：

環球小車運行控制采用PIC單片機作為系統的控制中心，控制系統內建軟件集檢測、控制、智能化等功能，自動檢測電機順逆運轉結合控制系統外部由娛樂者自行控制小車的運行與否、運行高度；控制輸出電機順逆運轉軟件互鎖，硬件機械、電氣聯鎖；預設運行速度并自動檢測“到最大計程”方法等措施實現本項目獨特的運行。

環球小車運行過程可能由于軌道的不平整，造成車輛運行震動太強烈從而影響系統的穩定性，因而在試運行過程中必須密切注意抗震情況及做好防震措施。

環球小車運行電機由于其運行方式較獨特，電機頻繁順逆運轉，必須有防缺相措施；主要控制器件應選用質量可靠的品牌，容量有一定的余量。

總控制臺同樣采用PIC單片機作為另一系統的控制中心，大大簡化傳統的數字、模擬結構，智能自動定時、方便調節時間，預定娛樂開始、結束鈴聲，緊急停止按鈕等。

2 設備的動作過程

設備車輛的電機在一定的電氣程序控制之下有規律地正反轉，并且通過變速系統分別將動力傳遞到前后車輪上，從而驅動整臺車在垂直的圓環形軌道行駛。環球小車運行起來很具有刺激性，因而得名“B型環球穿梭”。

環球小車通過螺栓結構與動力臂牢固聯接，在電機的驅動下，可帶動力臂、配重臂等繞中心軸轉動，它主要由車底盤、小車靠背、傳動裝置、安全壓桿及座艙等組成。在站臺上環球小車的運行過程為：按下啟動按鈕，預備鈴響后開始計時（時間1，1.5，2，2.5分鐘可調），設備通電，電機運行，環球小車在軌道上越蕩越高，最后運轉幾周。環球小車從開始到轉圈的時間及轉動的圈數可從控制板上調整。

3 控制系統的設計

3.1 功能分析

綜上所述，控制系統必須完成下面的工作：

3.1.1 自動檢測環球小車上接近開的運行速度，并記憶速度是否是預設運行速度。

3.1.2 對設備通電，電機運行命令，控制環球小車的運行時間。

3.2 系統的硬件設計

整個硬件系統可以分為2部分。

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

3.2.2 環球小車控制部分：運行系統采用PIC16C54作CPU控制程序，采用整流橋整流后通過穩壓管輸出作為CPU及外為原件的直流12V、5V電源，運行速度采樣的PIC的IO口通過一塊光耦IC作為接近開關速度檢測輸入光電耦合，正轉控制由PIC的IO口輸出信號控制繼電器輸出控制正轉回路，反轉控制由PIC的IO口輸出信號控制繼電器輸出控制反轉回路，同時控制輸出電機順逆運轉軟件互鎖，還增加了硬件機械、電氣聯鎖，保證了正反轉運行的可靠平穩。

3.3 系統的軟件設計

軟件系統由兩大部分組成：控制主程序和環球小車附程序。

3.3.1 控制主程序。主程序完成整個控制系統的初始化，循環進行鍵盤掃描。當有鍵按下時，轉入鍵處理程序。若是啟動鍵則啟動系統運行，若是急停鍵則停止系統的運行。

3.3.2 環球小車程序。小車程序是完成小車控制系統的正反轉的重要程序。

當主控制回路接通，小車控制系統啟動。PIC16C54規劃RA口為1H，RB口為F8H，判斷預設檔位，來自哪一個拔碼開關，然后按預設置的相應全程值運行。

當小車啟動正轉時，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延時開始檢測開接近開關的反轉信號，然開CPU程序也同時計程、啟動反轉，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斷開并繼續計程，如果不是最在值檢測正轉接近開關開始計程。開始計程、啟動正轉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斷開并繼續計程，如果不是最大值檢測轉接近開關開始計程。正轉結速時計程不是最大值檢測反轉開關開啟計程啟動反轉。正轉結速時計程是最大值檢測反轉開關，是否最低檔時檢測反轉開關開啟計程啟動反轉。反轉結速時原理都一樣。環球小車從開始到轉圈的時間及轉動的圈數可從控制板上調整。

4 應用結果

為了提高系統的可靠性，還設計了專用電路控制板。使用PIC單片機控制游樂設備，在國內起步較晚，但單片機系統具有可靠性好、成本低、便于維護等特點。上述系統經過試運行，通過了游樂設備的設計審查、型式試驗證明安全可靠，完全可以替代進口的可編程控制器。

參考文獻

[1]麥克·普雷德科.PIC單片機便攜手冊（機械工業出版社）2005.3 ISBN 7-111-16166-1

[2]張明峰.PIC單片機入門與實戰（北京航空航天大學出版社）2004-9-18

[3]楊曉梅.PIC單片機應用（科學出版社有限責任公司）ISBN：9787030293381GB8408-2008，游樂設施安全規范[S].

作者簡價：胡衛軍（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、電子控制系統設計、機電類安全技術探討與應用、PIC單片機、PLC等編程設計。