一種升降高度可任意調節的智能路樁控制器設計

盧丹萍 丘天鵬

摘要：文章為解決現有路樁功能單一、使用不便的問題，設計了一種升降高度可任意調節的智能路樁控制器，由單片機、藍牙模塊、電機驅動電路、堵轉檢測電路組成，可通過手機APP操作控制路樁的上升和下降，實現任意高度調節。實踐表明，該系統操作穩定可靠，具有較高的推廣價值。

關鍵詞：智能路樁;藍牙;堵轉檢測

0 引言

當前我國城市化進程越來越快，在市政公共區域管理中路樁的應用越來越廣泛，比如城市道路限行、停車場管理、步行街等。現有的路樁多為固定高度路樁，也有可升降路樁，但是都有一些缺陷。如果路樁高度能自由調節會帶來很大的使用便利。

鑒于此，本文設計了一種基于藍牙通信的智能升降路樁，將路樁基部埋在路面之下，伸出路面的部分樁體用直流電機通過螺紋螺桿帶動其升降，用手機APP控制樁體停在最低點與最高點之間任意位置。

1 系統方案

系統方案如圖1所示，控制核心為單片機，通過藍牙或者WIFI與操作人員的手機連接，接收動作指令。單片機發送控制信號至驅動電路，電機會根據需要正轉或者反轉的指令帶動路樁升降，可控制伸出路面的樁體高度為任意數值。當上升到最高點或者下降到最低點時，會觸發上限位或者下限位傳感器，單片機據此信號停止電機轉動。電機在轉動過程中如果產生堵轉，檢測電路會反饋給單片機，單片機隨即發出停止指令，同時也會將故障信號發送給手機APP。為了提高系統安全性，操作人員利用手機APP連接控制板時，需要輸入密碼驗證碼等步驟，以此來提高可靠性，避免誤操作和盜用的情況發生[1]。

2 電路設計

由圖1可知，本控制系統由單片機、藍牙模塊、WIFI模塊、直流電機、電機驅動電路、堵轉檢測電路、上下限位開關、指示燈等組成。對各部分介紹如下。

2.1單片機

本系統選用STC8F2K08S2-TSSOP20，此芯片為2.0～5.5V寬電壓供電，8KbyteROM及2048ByteSRAM，還具有4KBtyeEEPROM，這些資源滿足系統的設計需要。芯片還包括2路獨立串口，可用于連接藍牙模塊的數據端口[2]。TSSOP20封裝也很小巧，有利于最大程度地縮小電路板尺寸。

2.2 電機

使用ASLONGA5882-45渦輪蝸桿減速直流減速電機，工作電壓范圍：12～24V，額定電流300mA，額定24V轉速為18rpm/min。此電機在較低電流的情況下，可提供140kg·cm的扭矩，可帶動路樁完成升降的動作。

2.3 電機驅動電路

電機驅動電路如圖2所示。電路MA、MB為單片機輸出的控制信號，當MA、MB輸出信號為“00”時，光耦U2、U3截止，三極管Q2、Q3截止，繼電器K1、K2線圈不得電觸點不動作，直流電機兩端連到+24V，此時電機不轉。當MA、MB輸出信號為“01”時，光耦U2截止U3導通，三極管Q2截止Q3導通，繼電器K1線圈不得電觸點不動作，K21線圈得電觸點動作，直流電機1腳連到+24V，電機2腳連經電阻R11之后倒地，此時電機正轉。以此類推當MA、MB輸出信號為“10”時電機反轉，當MA、MB輸出信號為“11”時電機停止。驅動信號與電機動作的關系如表1所示[3]。

電路中，D1、D2兩個二極管為肖特基二極管，起保護作用[4]。電阻R11為取樣電阻，當電機工作在額定電流300mA時，電阻兩端壓降為300mV，當檢測到此電壓高于某個數值時，說明電機發生堵轉。如圖2所示。

2.4 堵轉檢測

電機在工作過程中，由于限位失效、電機卡死、軌道故障等原因可能會造成電機堵轉。如果出現這種情況不停止工作，可能會造成電機損壞或者設備損壞，因此堵轉檢測是個非常重要的主動保護策略。堵轉檢測電路如圖3所示，由LM358和EL357N以及少量外圍元件構成。LM358組成一個比較電路取樣電阻（前述），R11的電壓信號接入LM358的3腳。電阻R12與R13分壓之后作為基準電壓接入LM358的2腳，基準電壓為0.6V。Int為輸入單片機中斷引腳的信號。當電機正常工作時，比較強同相輸入端電壓約為0.3V，此時比價器輸出為“0”，光耦導通，Int信號為“1”。當電機發生堵轉，R11兩端電壓升高，當高于0.6V時，比價器輸出為“1”，光耦截止，Int信號為“0”，此時觸發單片機中斷，單片機控制電機停止轉動，從而起到了保護的作用[5]。

電機在實際工作的過程中，也會產生各種干擾信號，輸入比較器的電壓不會很純凈，因此單片機程序還要結合數字濾波手段。

需要指出的是，這里只給出了一個路樁的電機驅動電路和堵轉檢測電路，此驅動電路和堵轉檢測電路和路樁一一配對。

2.5 藍牙模塊

藍牙選用HC-06藍牙串口通信模塊，是基于BluetoothSpecificationV2.0帶EDR藍牙協議的數傳模塊。無線工作頻段為2.4GHzISM，調制方式是GFSK。此模塊的最大發射功率數值為4dBm，接收靈敏度為-85dBm，利用PCB電路板上的天線，通信距離可達10m。自帶LED狀態指示燈，可直觀判斷藍牙的連接狀態。

主要參數如下：

工作電壓：3.0～3.6V，通信電平：3.3V，通訊接口：UART3.3VTTL電平，通訊電流：40mA，工作溫度：-25℃～75℃。

如圖4所示：模塊采用郵票孔封裝方式，模塊大小為（27×13×2）mm，自帶LED狀態指示燈，可直觀判斷藍牙的連接狀態。

單片機串口可通過AT指令對模塊進行各種設置。

“AT+BAUD1”指令，用于設置通信波特率，默認為9600bps，支持1200～1382400的波特率。成功之后返回“OK2400”。

“AT+NAMEname”指令，用于修改藍牙名稱，參數name為藍牙設定的新名字，將會在藍牙設備被搜索到的時候呈現，這個字符串不能太長，通常不應超過20個字符。設置成功之后返回“OKsetname”。

2.6 指示燈

指示燈的設置主要為了保證安全，在路樁升降過程以及路樁停留在較低位置時指示燈都應閃爍，提醒車輛和行人，避免事故發生。

3 程序設計

單片機程序主要完成系統初始化、串口數據接收、數據解析、電機控制等工作，程序流程如圖5所示。

單片機上電之后進行系統初始化，包括環境變量設置、寄存器賦初值、串口初始化、中斷初始化等，完成之后進入休眠狀態。

管理人員需要操作升降路樁時，首先要打開手機APP，用藍牙連接控制板。發出連接請求之后，板子串口會收到一幀數據。此時單片機被喚醒并處理數據請求，完成之后再次進入休眠。為保護系統被錯誤操作，登錄APP時必須進行身份和密碼驗證，成功之后才能對電機進行操作。登錄成功之后可控制電機上升下降及停止，電機每次動作的同時也會通過串口反饋一次當前的狀態數據，操作完成之后退出登錄單片機再次休眠。

堵轉保護程序在中斷程序里完成，此時單片機控制電機停止工作，并通過串口向APP發送報警信號。操作人員會根據現場情況做出相應處理。

4 手機端APP

手機端APP主要完成數據連接、用戶登錄、電機控制等操作。主要操作如圖6～10所示。用戶登錄界面如圖6所示，操作人員輸入正確的用戶名和密碼之后才能進入系統完成后續動作。賬戶和密碼由管理員提前分配，也可用超級用戶修改。登錄成功之后進入操作界面如圖7所示，顯示數據連接為藍牙連接，電機處于停止狀態，停止圖標以紅色突出顯示。如后頁圖8所示，當按下上升按鈕時，上升控制按鈕以紅色突出顯示，同時APP發送控制指令給單片機。單片機會控制電機上升并反饋狀態信息，此時升降臺狀態欄顯示“路樁當前處于上升狀態”。下降操作方法一樣，如后頁圖9所示。當下降過程電機堵轉保護停止時，停止按鈕突出顯示，同時路樁狀態欄顯示“注意，下降過程電機堵轉，電機已停止！”，提醒操作人員排除故障，如后頁圖10所示。

5 結語

實踐表明，本系統只需通過手機APP就能實現路樁任意高度的升降控制，靈活方便，安裝便捷穩定可靠，為市政工程管理帶來了很大的便利。本系統改進之后也可通過網絡介入后臺，可實現對城市所有路樁的網絡化統一管理，具有一定的推廣價值。

參考文獻：

[1]李勝嵐，李晶晶.基于Android平臺的移動校園App的設計與實現[J].計算機產品與流通，2019（1）：155-156.

[2]李虹靜，李升輝.基于STC8系列單片機的繼電器控制電路設計[J].科技與創新，2019（13）：37-38.

[3]林海濱，張 鎬.基于H橋控制直流電機驅動電路設計[J].家電科技，2018（5）：42-45.

[4]王 勤.幾種直流供電防反接保護電路的分析[J].電子技術與軟件工程，2018（15）：216.

[5]付光杰，喬永娜，王佳楠，等.流量控制閥堵轉保護裝置的設計[J].國外電子測量技術，2018，37（1）：102-105.