防人身傷害溫室卷簾機智能控制器研制*

谷 彤， 王 颯， 佀東方， 郭 清

防人身傷害溫室卷簾機智能控制器研制*

谷 彤1， 王 颯1， 佀東方1， 郭 清2

(1.國網菏澤供電公司，山東 菏澤 274000；2.浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027 )

提出了一種防人身傷害溫室卷簾機智能控制器。采用單片機AT89S52作為控制主體，配置水平板靠近卷簾機卷軌邊緣，人員卷入卷軌后平板位置隨之變動。利用超聲波傳感器對平板進行實時定位，位置信息輸入單片機以判斷是否執行緊急制動。兼具每日按時收放簾功能、過溫監測功能以及全球移動通信系統(GSM)網絡短信通知功能。從硬件和軟件介紹了控制系統的組成結構，并制作樣機。實驗結果驗證了方案的有效性。

防人身傷害; 卷簾機; 單片機； 超聲波； 全球移動通信系統

0 引 言

溫室卷簾機作為冬季每日收攏與鋪放保溫材料的電動設施，已經得到了普遍應用[1,2]。由于卷簾機結構的固有缺陷以及人工操作的易疏漏性，人員卷入卷軌致傷致亡的事故常有發生[3]。目前防止卷簾機人身傷亡的理論主要有采用電量計量芯片采集電機運行參數、通過聲控開關拾取危險信號、利用傾角傳感器測量卷軸與水平面夾角等方案，上述方案存在動作時延長、可靠性差等缺陷。

本文研制了專門用于防止人身傷害的卷簾機智能控制系統，采用超聲定位技術，可靠性強，靈敏度高，且功能完善、簡單實用。基于該設計進行了軟硬件開發與樣機制作，實驗結果表明該方案有效可行。

1 系統結構

如圖1所示，控制器系統由控制器主體、超聲波定位機構、運動進程探測機構、溫度監測機構、短信通信設備五個部分組成。

圖1 系統組成示意圖

運動進程探測機構為安裝在溫室底端與頂端的接近開關，接近開關的探測目標是鑲嵌于保溫材料底部的鐵質物體，溫度監測機構為埋在電機線圈的溫度傳感器。

超聲波定位機構包括水平放置在卷軌邊緣的平板與平板正上方的超聲波傳感器。平板作為超聲波傳感器的被感應物，其與保溫材料在溫室坡面上收攏與鋪放的軌跡應盡量接近。

水平板下部安裝有垂直支撐架與斜支撐架。其中，斜支撐架采用可伸縮二連桿結構。正常狀態下，水平板重力作用使斜支撐架回縮為下部連桿長度。當有人員卷入卷軌時，被卷人員將會觸碰水平板，斜支撐架伸展，水平板逆時針旋轉一定角度。

2 控制系統設計

2.1 超聲波定位原理

超聲波測距具有檢測距離遠、精度高、環境適應性強的優點[4,5]。超聲波角度特性較寬，且接收電路包括電壓比較電路，當被測物與超聲波發射方向的垂直面之間的夾角增大到一定程度時，將發生多重反射，多重反射的測距結果大于實際值[6～8]。本設計利用超聲波測距結果受被測物放置角度影響這一特性對控制系統中的平板進行定位。

初始狀態下，平板正對超聲波傳感器放置，此時通過計算出的距離大小設定為距離閾值；當水平板右側受力向上傾斜時，由于平板直接返回至傳感器的回波部分減小以及多重反射的出現，超聲測距結果出現變大的趨勢，當平板傾斜夾角增加至一定程度時，測距結果將大于設定的距離閾值，此時的夾角大小設定為距離閾值對應的角度值。

由此可見，可以通過比較測距結果與距離閾值的大小來判斷平板傾斜角度是否超過角度閾值。

2.2 控制系統硬件設計

采用AT89S52作為中央處理器，控制系統硬件結構如圖2所示。其中，超聲波測距模塊提供回波信號；過溫監測模塊在測量溫度超過設定閾值時向單片機發出外部中斷請求；運動進程探測模塊在收放簾進程到達溫室頂端或者底端時向單片機輸入位置報告信號；異常狀態復歸模塊在人員卷入或者過溫等異常問題得到解決后，提供人工按鈕復歸信號；GSM通信模塊以向用戶手機發送短信的方式報告系統狀態的變化情況。

圖2 控制系統的硬件結構

系統硬件電路設計原理及特點如下：

1)電源模塊電路設計

本模塊設計輸出四路供電電源，如圖3所示。

圖3 電源模塊電路

第1路為+12 V電源，利用市電經220/15 V(30 W)雙輸出變壓器、全波整流電路、電容濾波電路、7812穩壓芯片獲得，為電感式接近開關供電。

第2路為+5 V電源，由第1路電源經7805穩壓芯片獲得，為除接近開關、繼電器線圈、通訊模塊之外的設備供電，以上設備工作電流均較小，不超過幾十毫安。

第3路為+5 V電源，由上述變壓器降壓、整流濾波后的信號經兩路并聯的7812，7805穩壓芯片獲得，專為GSM通信模塊供電，因為當GSM通信模塊處理的數據量較大時，要求供電電流達到1A以上，此電流與其余設備工作電流相比較大，為防止相互干擾分開供電。另外，考慮到7812，7805芯片實際工作中散熱性能較差,采用兩路并聯供電，并在7805側用二極管降壓。

第4路為+5 V電源，為市電經220/9 V(10 W)變壓器、橋式整流電路、電容濾波電路、7805穩壓芯片獲得，此路電源與前三路不共地，專為繼電器線圈供電設計，以減小電機回路對控制系統的干擾。

2)運動進程與電機控制電路設計

圖4為運動進程及電機控制模塊電路圖，采用三線制PNP電感式接近開關LJ30A3—15—Z1BY，其LJ30A3—15—Z1BY電源線、地線接+12 V供電電源，信號線接PC817光耦芯片，PC817將12 V電平轉換為5 V電平。當鐵質物體進入接近開關感應范圍(5 mm內)，接近開關信號線輸出高電平，由于光耦輸出側設有上拉電阻，單片機P1.0或者P1.1端口輸入變為低電平。

圖4 運動進程與電機控制模塊電路

商用卷簾機一般設有收簾、放簾及停止三個按鈕，收放簾是通過控制電機正反轉實現的。基于廣泛使用的互閉鎖電機正反轉接線方式，本設計配置三個繼電器用于電機控制，其中兩個繼電器分別使用一對常開觸點代替正轉、反轉按鈕，第三個繼電器使用一對常閉觸點代替停止按鈕。

由于互閉鎖電機正反轉接線方式具有自保持功能，觸點只需短時間閉合或斷開即可，本設計設為3 s。常見卷簾機電機功率為1.5～2.2 kW，額定電流為5 A左右，選用繼電器SRD—5VDC—SL—C，單片機發出的正轉、反轉、停止命令信號分別從P0.0,P0.1,P0.2端口輸出，經芯片PC817光耦隔離及三極管8050放大后輸入繼電器線圈。

3)過溫監測模塊電路設計

利用LM339電壓比較芯片搭建過溫監測電路如圖5所示。其中，R9為負溫度系數熱敏電阻NTC—MF52—103/3435，常溫時阻值為10 kΩ，隨溫度上升阻值減小。設定過溫閥值為80 ℃，對應的熱敏電阻值為1.672 5 kΩ。

調節可變電阻R7使R7與R6之和與過溫閾值對應的熱敏電阻值相等。LM339V+，V-端子接至芯片電源的電阻值相等，此電阻值應較大，以防止熱敏電阻自身發熱過大引起測量誤差，選用10 kΩ。溫度低于溫度閾值時，LM339輸出為高電平；當環境溫度高于溫度閾值時，LM339輸出為低電平。

圖5 LM339溫度比較電路

4)超聲定位模塊電路設計

采用HC—SR04超聲波模塊，單片機P1.7口為其提供不小于10 μs的高電平脈沖觸發信號，模塊輸出為高電平矩形波，高電平持續時間為超聲波渡越時間，使用單片機外部中斷口0接收此矩形波。

5)GSM網絡通信模塊電路設計

SIM900A通信模塊可利用GSM網絡向手機發送短信，GSM網絡與GPRS等網絡相比具有覆蓋面積廣、基本不受通信距離限制的優點[9，10]。

SIM900A使用AT指令集，串行口支持9 600 bps等多種波特率。單片機能夠通過串口異步通信方式向SIM900A發送以ASCⅡ碼形式存儲的AT指令。SIM900A每成功接收一條指令將執行相應功能并自動返回執行信息，之后繼續接收下一條指令，約定每條AT指令以十六進制1AH作為結束標志[11]。

6)異常狀態復歸電路設計

異常狀態復歸電路包括上拉電阻與開關按鈕。常態下，開關按鈕觸點斷開，上拉電阻將單片機P2.0，P2.1口輸入上拉為高電平；異常問題解決后，人工按下開關按鈕使其觸點閉合，P2.0，P2.1輸入變為低電平。

2.3 控制系統軟件設計

使用匯編語言進行了系統軟件設計。軟件設計以循環每日收放簾為主線，在電機運行期間執行超聲測距，人員卷入緊急制動、AT指令發送、延時等基礎功能采用子程序調用的方式實現，過溫制動處理編寫為中斷程序。圖6為主程序流程圖。

圖6 軟件流程圖

對于超聲測距部分，利用TMOD控制器中GATE位置1時，定時器由外部中斷口高電平與TR控制啟動的功能測量超聲回波電平的持續時間。這種測量方式不需設置回波等待時間，運行效率高。

對于過溫處理中斷程序，在返回語句RETI前設置指令 CLR IE1用于軟件去抖動。IE1為外部中斷1請求標志位，在轉向中斷程序時由硬件自動清零。由于被測溫度值處于過溫閾值附近時，LM339輸出將出現多次高電平與低電平之間的轉換，為了防止中斷跳出后被再次觸發，在中斷程序結尾處清中斷請求標志位。

考慮到GSM網絡的延時性，每發送一條AT指令后均執行延時子程序，以防止后續指令不能被正確執行。本設計設定延時為3 s。

3 實驗與分析

圖7為制作的樣機實物。其中，超聲波模塊電路板、GSM通信模塊電路板通過杜邦線與主控制板連接。

對控制器各項功能進行實驗測試的方法為：通過改變鐵塊、平板及加熱體的位置來模擬系統各種工作狀態；將繼電器對應觸點串入LED電路，通過觀察LED的亮滅來判斷系統是否按照設計方案控制電機運轉；同時，觀察手機短信能否正常接收。實驗結果表明樣機能夠可靠實現設計的所有功能。圖8為部分實驗過程。

圖7 控制器實物圖

圖8 實驗中的繼電器

實驗中使用的被測平板為0.5 m×0.35 m的硬紙板，軟件設置的距離閾值為2 m。改變平板與超聲波傳感器之間的距離，對系統設計的人員卷入啟動緊急制動功能進行多次模擬測試，不同距離條件下的實驗結果見表1。

由表1可以看出，在平板正對傳感器時不啟動緊急制動的前提下，當平板傾斜角度達到一定值時，控制器能夠可靠啟動緊急制動，滿足系統設計要求。同時，超聲波測距結果值偏大，這是由于經被測平板反射的回波未完全被接收換能器接收導致的。

表1 不同距離下的實驗結果

距離/m正對傳感器時是否啟動緊急制動啟動緊急制動時傾斜角度/(°)1．80否121．93否141．94是無2．00是無

4 結 論

本文從提高日光溫室卷簾機使用的智能化程度與安全性出發，設計了一種可防人身傷害的卷簾機智能控制器，從硬件與軟件兩方面詳細介紹了設計系統的組成，重點分析了利用超聲波技術進行人員卷入探測的工作原理，實驗結

果表明設計方案有效可行。

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Personal injury preventing intelligent controller for greenhouse rolling machine*)

GU Tong1, WANG Sa1, SI Dong-fang1, GUO Qing2)

(1.State Grid Heze Power Supply Company,Heze 274000,China;2.School of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

To avoid personal injury,a new intelligent controller for greenhouse rolling machine is developed.Using MCU chip AT89S52 as the kernel of the system,a flat plate is placed horizontally close to the edge of the rolling track whose position will be altered when human body get entangled in.Ultrasonic senor is adopted for real-time positioning of the flat plate,location information is collected by MCU to judge whether the emergency brake should be carried out.The controller also possesses the function of daily rolling,over-temperature monitoring and SMS notification through GSM network.The composition and structure of the control system is described from the viewpoint of hardware and software.Experimental results verify the effectiveness of the design.

personal injury preventing; rolling machine; MCU; ultrasonic; GSM

10.13873/J.1000—9787(2017)02—0110—04

2016—11—23

國家自然科學基金資助項目(51577169)

TP 277

A

1000—9787(2017)02—0110—04

谷 彤(1988-)，女，碩士，工程師，從事嵌入式系統設計工作。

郭 清(1979-)，男，通訊作者，博士，副教授，從事電力電子技術研究工作，E-mail:quoqing@zju.edu.cn。