基于嵌入式系統的施工升降機自動控制系統設計研究

東華理工大學地球物理與測控技術學院 洪偉力 王金博

引言

在建設高層建筑或在進行大型的施工建設中，施工升降機是一種不可或缺的設備，它能夠實現施工人員以及施工物資的運送功能。在現階段的調查中能夠發現，施工升降機的自動化控制系統的設計并不先進，技術水平較低。這樣的情況增加了施工的安全隱患和工期的浪費。尤其是在施工升降機的運行中，施工單位并沒有對升降機的負荷進行嚴格的設定，導致危險系數增加。為了保證施工的安全，并實現人力資源和物質資源的合理運用，對嵌入式系統的施工升降機自動化控制系統進行優化設計是十分重要的。

1.嵌入式系統的施工升降機自動控制系統的整體設計

根據實際的施工需要，展開對嵌入式系統的施工升降機自動控制系統進行整體的設計工作。系統中應用的單元和器材包括：重量傳感器、光電編碼器、風速傳感器、無線收發模塊、外圍電路、中央處理器、存儲單元、Linux操作系統、設備驅動程序、應用程序、LCD顯示器、觸摸屏、警報輸出單元、控制量輸出單元、繼電器、交流接觸器以及電機。同時，也要配套架設樓層呼叫裝置。利用S3C2440處理器作為主控制器應用到嵌入式系統的施工升降機自動控制系統[1]。

嵌入式系統的施工升降機自動控制系統的主要運行流程為：利用系統中的重量傳感器，對進入升降機中的人或施工物資進行重量的檢測，保證升降機中的重量在合理范圍內。光電編碼器對施工升降機的位置進行檢測，結合風速傳感器對外界風速的測定，影響施工升降機的運行。無線收發模塊會對各個施工樓層傳來的施工升降機呼叫信息進行收集。這些數據及信息都會由主控制器進行處理和控制，保證一旦施工環境中的風速達到六級，就會立即停止施工升降機的工作，并切斷運行電源。在施工升降機中的重量達到規定負荷的90%時，會通過報警輸出單元發出警報，而在達到滿載或者超載的情況下，施工升降機的警報輸出單元會發出聲光結合的報警信號，并利用主控制器對施工升降機的運行進行停止。只有當施工升降機中的重量下降到設定范圍內時，主控制器才會恢復施工升降機的運行。

施工升降機的主控制器通過收集并判斷各個施工樓層發出的呼叫信號，并結合施工升降機中當前的負荷及運行狀態，對施工升降機的選層和停靠進行判斷。

2.系統中傳感器檢測單元的設計

傳感器檢測單元屬于嵌入式系統的施工升降機自動控制系統中的硬件部分，主要包括重量傳感器、光電編碼器和風速傳感器。在進行傳感器檢測單元的設計時，要明確該單元的主要作用是信息數據的采集和傳遞。重量傳感器會對施工升降機中當前的負荷進行感應和數據采集，光電編碼器對施工升降機當前所處的位置進行判斷、風速傳感器會對施工環境中的風速進行檢測，這些數據在采集完畢后都會提交到中央處理子系統中進行綜合的分析及判斷，完成施工升降機安全運行。

在施工升降機的傳感器檢測單元中，重量傳感器中的兩個拉板傳感器分別連接在施工升降機的吊籠掛軸以及驅動板掛軸上，這樣的方式能夠有效彌補傳統重量傳感器中對于受力方向的要求較高的漏洞，保證施工升降機中重力檢測模塊的安全、穩定運行。

光電編碼器主要是對輸至軸上的幾何位移量通過光電轉換變成脈沖或是數字量進行輸出。在嵌入式系統的施工升降機自動控制系統正式投入使用之前，要對主控制器中進行初始化操作，使主控制器對于光電編碼器輸出的各種脈沖或是數字量進行記錄，保證施工升降機實際運行的準確。

在系統中使用的風速傳感器，可以選擇使用三杯式的風速傳感器，通過三個風杯的旋轉速度進行數據的轉換與輸出，并將其連接于主控制器，完成風速數據的采集工作。基于S3C2440處理器的主控制器中能夠與A/D采集端口，實現風速傳感器輸出的電壓數據的采集。

3.系統中監控儀表單元的設計

在嵌入式系統的施工升降機自動控制系統中，監控儀表單元的硬件包括：中央處理器、AD采集模塊、電源模塊、存儲模塊、脈沖計數模塊、繼電器輸出模塊、TET液晶屏及觸摸屏、音頻輸出模塊、USB外部接口模塊等等。基于監控儀表單元的功效以及耗能的考量，可以選用S3C2440處理器，保證處理器內核運行的低消耗以及高性能。并且由于S3C2440處理器包含著400MHz的主頻以及多樣的硬件外設資源，使得系統中的監控儀表系統的功能更加完善。

嵌入式系統的施工升降機自動控制系統的監控儀表單元的硬件結構可以進行如下的設計：利用S3C2440微處理器、DDR內存、時鐘源、NAND FLASH組成監控儀表模塊的核心單元，并在核心單元兩側架設電源模塊、液晶屏接口、觸摸屏接口、脈沖計數輸入接口、RS232接口、USB接口、繼電器輸出接口、SD卡接口、GPIO接口、模擬量輸入接口。

4.系統中的軟件的設計

軟件的設計可以說是嵌入式系統的施工升降機自動控制系統設計的核心。在進行該系統的軟件設計中，要對所包含的通信模塊、實時監控模塊、參數設置模塊、控制輸出模塊進行設計。

首先，系統中的通信模塊可以應用NRF401芯片，實現信息數據收發模式之間的切換，對于施工樓層的呼叫數據也能進行無線的接收，能夠實現兩個吊籠內的主控制器之間的互聯，并能夠對數據進行校驗[2]。其次，系統中的實時監控模塊可以對于各個傳感器，例如重量傳感器、光電編碼器和風速傳感器等采集到的信息進行顯示與處理，并對各個施工樓層監測到的信息進行處理。第三，系統中參數設置模塊的主要作用是通過對施工升降機運行的各種參數信息進行設置，來實現參數控制和施工升降機的安全運行。

在施工升降機的設計和運行中，一般會選用雙籠式的結構。在這樣的情況下，必須通過系統軟件設計保證兩個吊籠之間的聯系，防止沖突的發生。這樣的系統軟件工作流程為：系統初始化后，對于系統進行自檢，判斷是否有超載現象發生，如果有則利用連接的警報輸出系統發出報警信息，同時返回上一階段的超載檢測。如果沒有超載，則開始判斷是否有樓層發出呼叫信號，如果有，則進行數據的接受并對樓層的呼叫進行列隊和顯示。如果沒有樓層的呼叫信號，則通過其他的呼叫信號獲取，對施工升降機的吊籠進行上下控制，同時進行平層控制。最后要判斷是否停止工作，如果有其他呼叫信號，則繼續工作并返回判斷超載的階段進行工作。

5.總結

綜上所述，目前在施工中運用施工升降機自動控制系統較少，施工升降機的自動化控制水平相對較低。通過利用NRF401芯片、S3C2440微處理器等對施工升降機的自動控制系統進行搭建，并對嵌入式系統的施工升降機自動控制系統進行整體設計、傳感器檢測單元的設計、監控儀表單元的設計以及系統軟件設計，能夠有效提升施工升降機的工作效率和安全性，實現了多吊籠的施工升降機協同運行。