同位升降控制系統設計與實現

趙 鵬， 荊紅莉

(榆林學院能源工程學院，陜西 榆林 719000)

同位升降控制系統設計與實現

趙 鵬， 荊紅莉

(榆林學院能源工程學院，陜西 榆林 719000)

針對兩個電動推桿難以精確同位控制的問題，以單片機為控制器，電動推桿為被控對象，結合電源電路、驅動電路、RS-232接口電路、超聲波測距模塊及紅外光電傳感器，提出了同位升降控制系統，實現了對兩個電動推桿的獨立有線測控裝置的一鍵式啟動控制。該系統在單桿推力為20 kg時，具備在高度為0～300 mm，速度為3～40 mm/s范圍內到達隨機設定的高度、速度的控制功能；具備在同一位置隨機設定高度的往返控制功能；具備在不同初始條件下的快速同位功能。該系統上位機界面利用VC++編寫，通過RS-232總線與單片機交互，實現對同位升降控制系統工作狀態的實時顯示和在線控制功能。采用主從機獨立控制系統使系統性能穩定，對農業機械、醫療、消防、家具、衛生潔具、休閑等多個領域的應用有一定的借鑒作用。

單片機； 主從機；光電傳感器； PLC; 控制系統； RS-232

0 引言

農業機械(如玉米剝皮機工作臺、車載式施肥機肥量控制系統、磨輥離合的電動磨粉機等)、醫療設備(如電動護理床、手術床，日常家用設備如按摩椅、電動展臺、電動天窗及人體工程家具等)都需要利用電動推桿作為被控對象，實現同位控制。電動推桿以電機為動力源，通過一對齒輪傳動變速，帶動一對絲桿、螺母轉動，將電機的旋轉運動轉化為直線運動。其具有良好的線性特性，內部含有行程保護裝置，能自動保護本機，安全性極高，在很多場合優于機械式、氣動式、液壓式執行機構。但市面上大多數同位升降控制系統智能化程度較低，系統功能單一，已成為制約后續產品發展的瓶頸。本設計將電動推桿的工作模式、速度等通過PC機與單片機實時顯示，并可以利用按鍵在線調節控制參數，對實物調試過程中存在的問題提出改進措施，使系統性能更加穩定。

1 方案對比與結構分析

1.1 方案對比

①基于PLC的控制系統穩定性好，無需設計驅動電路和RS-232接口電路。上位機顯示界面利用組態王設計更為專業，但識別超聲波測距模塊的信號較為復雜。下位機的顯示器需采用觸摸屏，且觸摸屏接口RS-232被上位機占用，對于高度的設定需采用位置開關檢測，控制系統體積大、成本高。

②利用單片機作為控制器，所需外圍電路雖要自行設計，但與超聲波測距模塊、紅外光電傳感器的電平標準一致，接口設計簡單。下位機采用圖形液晶顯示器顯示，控制系統體積小、成本低。

③對于系統速度與高度測量，一方面，利用霍爾傳感器采集電動推桿中電機轉速，根據絲桿間距與絲桿速度比計算出當前速度與高度；另一方面，利用超聲波測距模塊測量當前高度并計算實時速度。前者控制精度受到各方面的制約，誤差較大；后者采用直接測量的形式，控制簡單且精度高、對于不同類型的電動推桿通用性強[1-2]。

1.2 結構分析

本設計由主機和從機兩部分組成。主從機控制器均采用國產宏晶科技推出的STC89C52單片機。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

主機實現信號的采集、變換、處理、顯示及對被控對象的控制，從機根據紅外光電傳感器檢測主機的狀態，并設定程序作出相應動作。電源電路是系統正常運行的前提；鍵盤電路實現同位升降控制系統的一鍵式啟停、高度、速度的設置及模式切換功能；報警電路實現系統完成設定運行狀態后的提示；超聲波測距模塊用來進行伸縮高度的測量；LCD顯示電路顯示當前電動推桿的高度、運行速度及工作模式；RS-232接口電路通過RS-232總線，實現單片機與上位機的通信；由于單片機輸出電流較小，不足以驅動外圍設備，需經驅動電路連接至電動推桿。

主從機的硬件設計非常相似，可便于印刷電路板(printed circuit board,PCB)布局、布線和程序移植。

2 硬件設計

2.1 電源電路設計

本設計的電動推桿需要12 V直流電壓驅動，單片機及外圍設備的正常工作則需要5 V直流電源供給，將市電電壓經變壓、整流、濾波及穩壓環節轉換為所需的直流電壓。整流電路部分采用硅橋整流器KBU610，其平均整流輸出電流為6 A。

設u為整流輸出電壓,U2為變壓器變壓后的有效值，整流輸出電壓的平均值U為：

(1)

整流后的輸出u可利用傅氏級數分解為：

(2)

脈動系數S為基波峰值與平均值之比，則其表達式為：

(3)

由u的傅氏級數展開式可知，整流后的輸出為脈動直流電，通過濾波使其平滑。濾波電路采用LC-π型濾波，其綜合了電感濾波和電容濾波的優點，濾波效果較好。由于電感的直流電阻小、交流阻抗大，因此直流分量經過電感后基本無衰減，而交流分量經過jwL分壓后，降低了輸出電壓的脈動成分。穩壓則采用三端穩壓器實現。

2.2 控制電路設計

主機控制電路以STC89C52單片機為控制器，主要包括驅動電路、鍵盤電路、RS-232接口電路、超聲波測距模塊及LCD顯示電路等。

電動推桿的核心為永磁無刷直流電機，利用L298電機驅動芯片驅動，其工作電壓最高可達46 V，瞬間峰值電流可達3 A，持續工作電流為2 A，內含兩個H橋的全橋式驅動器。利用單片機定時器設置占空比改變電樞電壓，實現脈寬調制(pulse width modulation,PWM)調速。通過單片機接口的高低電平控制驅動芯片的輸出極性，實現對電動推桿的升降控制[3-4]；鍵盤電路的設計利用獨立鍵盤實現系統功能的設置；RS-232接口與單片機的電平標準不一致，前者為RS-232電平，后者為TTL電平，需要經過MAX232實現電平的轉換后，才能與上位機交互；超聲波測距模塊經單片機標度變換，實現對升降系統高度的實時測量；蜂鳴器電路實現系統完成相應設置任務后的提示；顯示電路利用圖形液晶LCD12864顯示，采用串行工作方式，節省了單片機的I/O資源。

從機電路的設計與主機相同，其區別在于從機無RS-232接口，需通過紅外光電傳感器檢測主機狀態，實現一鍵式啟動。紅外光電傳感器輸出的TTL電平，與單片機兼容，可直接相連。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

主程序是控制單片機系統按預定操作方式運轉的程序，它負責組織調用各子程序模塊。串口通信設置主要是對單片機中的SCON、SBUF特殊功能寄存器的設置；模式切換、高度及速度設置則通過鍵盤電路實現。主程序流程如圖2所示。

圖2 主程序流程圖

3.2 標度變換

為了將采集的數字量在LCD上顯示成帶有被測單位的具體數值，必須進行標度變換。在高度測量中，利用超聲波測距模塊的TRIG引腳，啟動測距模式，模塊自動發送八個40 kHz的方波，信號遇障礙返回，ECHO輸出高電平，其高電平持續時間則為超聲波發射到返回的時間。高度h的計算公式為：

h=(th×340)/2

(4)

式中：th為高電平時間；340為聲速，m/s;由于超聲波為往返傳輸，故除以2。

系統速度的設置采用PWM原理，利用單片機定時器T0，設定脈沖寬度為t、脈沖周期為T、占空比D=t/T[5]，則電動推桿的升降速度為：

Vd=Vmax×D

(5)

式中:Vmax為電動推桿的最大升降速度，由電動推桿廠商資料知當驅動電壓為12 V時，最大速度Vmax取40 mm/s[6]。

電動推桿的控制符合經典控制理論的基本特點。利用超聲波測距模塊測量當前速度，利用PID控制算法實現對其速度的穩定控制。PID控制結構如圖3所示。

圖3 PID控制結構圖

根據電動推桿的特性，得出電機轉速與電壓、絲桿位移的傳遞函數。利用單片機軟件結合PID算法，實現速度的穩定控制[7-8]。

4 系統調試及存在問題分析

4.1 系統調試

上位機界面利用VC++中的MSComm控件編寫，通過MSComm控件發送到下位機的數據必須是字符串類型，以9 600 bit/s與上位機通信。如果下位機有數據傳送到上位機，應用程序將觸發OnComm事件，對上傳的數據進行處理[9-10]。

當電動推桿工作在正常工作模式下，對設定高度與實際運行高度進行對比。對其中每組數據測量5次并取平均值，高度測量結果如表1所示。

表1 高度測量結果表

由表1可知，高度誤差范圍在±0.2 cm內。存在誤差的主要原因在于PID控制較為簡單，單片機無法處理浮點數據，故精度不高。

4.2 調試過程中的問題分析

4.2.1 驅動芯片L298上電后擊穿

電動推桿的升降速度與所加的電壓有關，電壓越高、速度越快。如果設計中利用開關電源，即應使額定電壓在L298的耐壓范圍內。由于開關電源上電瞬間電壓大于L298的耐壓值，導致L298被擊穿。利用本設計中的線性直流穩壓源，可以防止該類問題的出現。此外，對于不同廠商規格型號一致的驅動芯片，其耐壓值也不同，因此在采購中應優先考慮正規產品，同時使用散熱卡。

4.2.2 超聲波測距的精度及系統安裝

在一個標準大氣壓下，聲速隨溫度近似成正比變化。當溫度為15 ℃時，聲速約為340 m/s。每增加1 ℃，聲速增加0.607 m/s。夏季當溫度為35 ℃時，聲速為352 m/s；冬季當溫度為-20 ℃時，聲速為319 m/s。本設計選用聲速為340 m/s，測量誤差為±0.3 cm。由于超聲波有一定的散射角度，為了防止電動推桿桿體和底部對散射波的影響，超聲波測距模塊應安裝于電動推桿頂部(突出10 cm左右)，底部安裝擋板，防止散射波對高度測量的影響。

5 結束語

本設計為兩個獨立的同位升降控制系統，即系統之間無數據傳輸，為完成一鍵式啟動，從機采用紅外光電傳感器檢測主機的狀態。當主機啟動時，從機也隨之按設定的模式運行。若設計為一個控制系統，根據驅動器L298的特性，可直接擴展出另一路電動推桿的接口，而

且控制較為簡單，但電動推桿的功率會受影響。測距模塊中如果使用紅外測距傳感器，則無需考慮散射角度和溫度的影響，使整個系統外形更加美觀。

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Design and Realization of the Apposition Lift Control System

ZHAO Peng，JING Hongli

(School of Energy Engineering,Yulin University,Yulin 719000,China)

Aiming at the difficulty of precisely implementing appositive control for two electric putters,taking MCU as the controller and electric putter as the control target;combining with the power supply circuit,driving circuit,RS-232 interfacing circuit,ultrasonic ranging module,and infrared photoelectric sensor,etc.,the one-button startup control of the independent wired measuring and control device composing of two electric putters is realized. The system provides control functions,including reaching randomly setting height and speed within 0～300 mm height,and 3～40 mm/s at 20 kg single rod trust;the back and forth control at the same position of randomly setting height;and the rapid appositive function under different initial conditions. The interface of host computer is written by using VC++,interacting with MCU via RS-232 bus,to realize real time display and online control for operational states of appositive lifting control system. Adopting master/slave independent control system makes the systematic performance stable,it provides certain reference value for applications in agricultural machinery,medical treatment,fire protection,furniture,sanitary ware,and leisure areas.

Micro controller unit(MCU); Master-slave machine; Photoelectric sensor; Programmable logic controller; Control system; RS-232

陜西省教育廳專項科研計劃基金資助項目(15JK1864)

趙鵬(1982—)，男，碩士，講師,主要從事數據采集與處理方向的研究。E-mail:zhaopeng9500@126.com。

TH86;TP205

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703009

修改稿收到日期：2016-05-06