攀繩的智能保護(hù)與輔助系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)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(xùn)練輔助裝置，當(dāng)操作人員正常攀爬時，步進(jìn)電機會勻速收繩;當(dāng)操作人員失誤下墜時，步進(jìn)電機會停止收繩。能夠有效對爬繩和攀登訓(xùn)練進(jìn)行保護(hù)和輔助。

關(guān)鍵詞 單片機 拉力 步進(jìn)電機 保護(hù)

中圖分類號：TN108.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

當(dāng)前，隨著爬繩運動人數(shù)的日益增多和愈漸重視，安全事故也日益頻發(fā)。通過對這些事故的發(fā)生原因進(jìn)行分析可以知道，這類事故存在共同性，主要是國內(nèi)外對爬繩攀登運動的安全保護(hù)技術(shù)發(fā)展較慢，投入較小;傳統(tǒng)保護(hù)方法對保護(hù)人員要求較高，依賴較大，而專業(yè)保護(hù)人員培訓(xùn)難度大，成本高;傳統(tǒng)的機械式保護(hù)設(shè)備故障率高，操作難度大，適用性低等原因。而隨著電子技術(shù)的發(fā)展，智能化設(shè)備應(yīng)用于軍事和生活越發(fā)普遍和廉價，國內(nèi)外也將攀登保護(hù)技術(shù)向著電子化、智能化發(fā)展。

1系統(tǒng)設(shè)計方案

攀繩智能保護(hù)與輔助系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能為：按下開始鍵計時器開始計時并執(zhí)行保護(hù)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(shù)值小于設(shè)定的具體數(shù)值，步進(jìn)電機以一個適當(dāng)速度轉(zhuǎn)動，卷收繩子;當(dāng)攀爬人員墜落，安全繩受力突然變大，當(dāng)超過所設(shè)的數(shù)值，步進(jìn)電機停止轉(zhuǎn)動并鎖死起到保護(hù)作用。為了便于訓(xùn)練，電機的轉(zhuǎn)速可以進(jìn)行高、中、低速調(diào)節(jié)，因人而異進(jìn)行作業(yè)，減少戰(zhàn)士的訓(xùn)練危險。

根據(jù)需要本次設(shè)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(zhuǎn)換模塊和獨立按鍵模塊組成的檢測控制部分;由電機驅(qū)動模塊、步進(jìn)電機以及液晶顯示模塊組成的驅(qū)動顯示部分。設(shè)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(tǒng)硬件的設(shè)計

2.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計

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

2.2步進(jìn)電機控制設(shè)計

系統(tǒng)中步進(jìn)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(jìn)電機驅(qū)動來實現(xiàn)對電機的控制。同時，良好的驅(qū)動不僅滿足輸出要求，還具有相應(yīng)的控制保護(hù)電路，對于系統(tǒng)整體設(shè)計的可靠性和安全性提供保障。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計目的，經(jīng)過論證研究，我們在這里采用ULN2003為步進(jìn)電機提供脈沖信號。

2.3 AD電路設(shè)計

在本設(shè)計中，A/D轉(zhuǎn)換器和外部拉力傳感器均由HX711芯片內(nèi)的穩(wěn)壓電路進(jìn)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(jìn)行分壓，此兩個端口進(jìn)行串口通訊，用來輸出輸入數(shù)據(jù)。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(yīng)時序?qū)⑵渥x出進(jìn)行下步操作。

2.4按鍵控制電路設(shè)計

獨立按鍵的應(yīng)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(shè)計中選擇接入P3.2～P3.7口，按鍵的另外一端接入系統(tǒng)的地，就可以完成電路的設(shè)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(rèn)狀態(tài)引腳的IO口是高電平的，當(dāng)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(jù)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(jìn)行操作。

2.5顯示電路設(shè)計

液晶顯示的第一個引腳接地，接入低電平，連接系統(tǒng)的GND;第二引腳是顯示屏電源，連接到系統(tǒng)的VCC引腳;液晶顯示的第三個引腳是液晶顯示系統(tǒng)的對比度調(diào)節(jié)引腳，主要用于調(diào)節(jié)顯示的清晰程度，可以根據(jù)系統(tǒng)的實際要求去具體調(diào)節(jié);液晶顯示的第四個引腳是顯示的信號引腳，可以設(shè)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(shù)據(jù)選擇引腳的方式進(jìn)行設(shè)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(shù)據(jù)傳輸引腳。將顯示屏引腳與單片機P0口分別連接，通過相應(yīng)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(tǒng)軟件的設(shè)計

主程序是整個系統(tǒng)軟件設(shè)計的核心，是計算程序的中心部分，本設(shè)計主程序有效的使各模塊共同協(xié)作，通過對拉力傳感器、步進(jìn)電機驅(qū)動、按鍵控制和顯示處理的協(xié)調(diào)分析，利用判斷、循環(huán)等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，確定算法，簡化步驟，最終繪制程序流程圖

4系統(tǒng)的制作和綜合調(diào)試

4.1硬件調(diào)試

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

4.2軟件的調(diào)試

編寫各個子程序，程序的設(shè)計相對比較復(fù)雜，采用模塊化的設(shè)計方法，進(jìn)行逐個調(diào)試。當(dāng)所有模塊子程序設(shè)計完成，并調(diào)試正常運作之后進(jìn)行系統(tǒng)程序的總體設(shè)計，最后合并各個程序。然后進(jìn)行逐項功能的測試，確保系統(tǒng)預(yù)期功能的實現(xiàn)。

5結(jié)束語

此次設(shè)計通過對攀繩保護(hù)技術(shù)進(jìn)行研究和改進(jìn)，利用電子技術(shù)實現(xiàn)了對爬繩攀登運動的智能保護(hù)和輔助練。規(guī)避了現(xiàn)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(xí)時人力物力耗費大、輔助練習(xí)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(fā)展。

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