盧丹萍 丘天鵬
摘要:文章為解決現(xiàn)有路樁功能單一、使用不便的問題,設(shè)計(jì)了一種升降高度可任意調(diào)節(jié)的智能路樁控制器,由單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、堵轉(zhuǎn)檢測電路組成,可通過手機(jī)APP操作控制路樁的上升和下降,實(shí)現(xiàn)任意高度調(diào)節(jié)。實(shí)踐表明,該系統(tǒng)操作穩(wěn)定可靠,具有較高的推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞:智能路樁;藍(lán)牙;堵轉(zhuǎn)檢測
0 引言
當(dāng)前我國城市化進(jìn)程越來越快,在市政公共區(qū)域管理中路樁的應(yīng)用越來越廣泛,比如城市道路限行、停車場管理、步行街等?,F(xiàn)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(diào)節(jié)會(huì)帶來很大的使用便利。
鑒于此,本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)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(jī)通過螺紋螺桿帶動(dòng)其升降,用手機(jī)APP控制樁體停在最低點(diǎn)與最高點(diǎn)之間任意位置。
1 系統(tǒng)方案
系統(tǒng)方案如圖1所示,控制核心為單片機(jī),通過藍(lán)牙或者WIFI與操作人員的手機(jī)連接,接收動(dòng)作指令。單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)至驅(qū)動(dòng)電路,電機(jī)會(huì)根據(jù)需要正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)的指令帶動(dòng)路樁升降,可控制伸出路面的樁體高度為任意數(shù)值。當(dāng)上升到最高點(diǎn)或者下降到最低點(diǎn)時(shí),會(huì)觸發(fā)上限位或者下限位傳感器,單片機(jī)據(jù)此信號(hào)停止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中如果產(chǎn)生堵轉(zhuǎn),檢測電路會(huì)反饋給單片機(jī),單片機(jī)隨即發(fā)出停止指令,同時(shí)也會(huì)將故障信號(hào)發(fā)送給手機(jī)APP。為了提高系統(tǒng)安全性,操作人員利用手機(jī)APP連接控制板時(shí),需要輸入密碼驗(yàn)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(fā)生[1]。
2 電路設(shè)計(jì)
由圖1可知,本控制系統(tǒng)由單片機(jī)、藍(lán)牙模塊、WIFI模塊、直流電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、堵轉(zhuǎn)檢測電路、上下限位開關(guān)、指示燈等組成。對(duì)各部分介紹如下。
2.1單片機(jī)
本系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。芯片還包括2路獨(dú)立串口,可用于連接藍(lán)牙模塊的數(shù)據(jù)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(jī)
使用ASLONGA5882-45渦輪蝸桿減速直流減速電機(jī),工作電壓范圍:12~24V,額定電流300mA,額定24V轉(zhuǎn)速為18rpm/min。此電機(jī)在較低電流的情況下,可提供140kg·cm的扭矩,可帶動(dòng)路樁完成升降的動(dòng)作。
2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。電路MA、MB為單片機(jī)輸出的控制信號(hào),當(dāng)MA、MB輸出信號(hào)為“00”時(shí),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(diǎn)不動(dòng)作,直流電機(jī)兩端連到+24V,此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)MA、MB輸出信號(hào)為“01”時(shí),光耦U2截止U3導(dǎo)通,三極管Q2截止Q3導(dǎo)通,繼電器K1線圈不得電觸點(diǎn)不動(dòng)作,K21線圈得電觸點(diǎn)動(dòng)作,直流電機(jī)1腳連到+24V,電機(jī)2腳連經(jīng)電阻R11之后倒地,此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)。以此類推當(dāng)MA、MB輸出信號(hào)為“10”時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn),當(dāng)MA、MB輸出信號(hào)為“11”時(shí)電機(jī)停止。驅(qū)動(dòng)信號(hào)與電機(jī)動(dòng)作的關(guān)系如表1所示[3]。
電路中,D1、D2兩個(gè)二極管為肖特基二極管,起保護(hù)作用[4]。電阻R11為取樣電阻,當(dāng)電機(jī)工作在額定電流300mA時(shí),電阻兩端壓降為300mV,當(dāng)檢測到此電壓高于某個(gè)數(shù)值時(shí),說明電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。如圖2所示。
2.4 堵轉(zhuǎn)檢測
電機(jī)在工作過程中,由于限位失效、電機(jī)卡死、軌道故障等原因可能會(huì)造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)。如果出現(xiàn)這種情況不停止工作,可能會(huì)造成電機(jī)損壞或者設(shè)備損壞,因此堵轉(zhuǎn)檢測是個(gè)非常重要的主動(dòng)保護(hù)策略。堵轉(zhuǎn)檢測電路如圖3所示,由LM358和EL357N以及少量外圍元件構(gòu)成。LM358組成一個(gè)比較電路取樣電阻(前述),R11的電壓信號(hào)接入LM358的3腳。電阻R12與R13分壓之后作為基準(zhǔn)電壓接入LM358的2腳,基準(zhǔn)電壓為0.6V。Int為輸入單片機(jī)中斷引腳的信號(hào)。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí),比較強(qiáng)同相輸入端電壓約為0.3V,此時(shí)比價(jià)器輸出為“0”,光耦導(dǎo)通,Int信號(hào)為“1”。當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn),R11兩端電壓升高,當(dāng)高于0.6V時(shí),比價(jià)器輸出為“1”,光耦截止,Int信號(hào)為“0”,此時(shí)觸發(fā)單片機(jī)中斷,單片機(jī)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),從而起到了保護(hù)的作用[5]。
電機(jī)在實(shí)際工作的過程中,也會(huì)產(chǎn)生各種干擾信號(hào),輸入比較器的電壓不會(huì)很純凈,因此單片機(jī)程序還要結(jié)合數(shù)字濾波手段。
需要指出的是,這里只給出了一個(gè)路樁的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和堵轉(zhuǎn)檢測電路,此驅(qū)動(dòng)電路和堵轉(zhuǎn)檢測電路和路樁一一配對(duì)。
2.5 藍(lán)牙模塊
藍(lán)牙選用HC-06藍(lán)牙串口通信模塊,是基于BluetoothSpecificationV2.0帶EDR藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線工作頻段為2.4GHzISM,調(diào)制方式是GFSK。此模塊的最大發(fā)射功率數(shù)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(dá)10m。自帶LED狀態(tài)指示燈,可直觀判斷藍(lán)牙的連接狀態(tài)。
主要參數(shù)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(tài)指示燈,可直觀判斷藍(lán)牙的連接狀態(tài)。
單片機(jī)串口可通過AT指令對(duì)模塊進(jìn)行各種設(shè)置。
“AT+BAUD1”指令,用于設(shè)置通信波特率,默認(rèn)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(lán)牙名稱,參數(shù)name為藍(lán)牙設(shè)定的新名字,將會(huì)在藍(lán)牙設(shè)備被搜索到的時(shí)候呈現(xiàn),這個(gè)字符串不能太長,通常不應(yīng)超過20個(gè)字符。設(shè)置成功之后返回“OKsetname”。
2.6 指示燈
指示燈的設(shè)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(shí)指示燈都應(yīng)閃爍,提醒車輛和行人,避免事故發(fā)生。
3 程序設(shè)計(jì)
單片機(jī)程序主要完成系統(tǒng)初始化、串口數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、電機(jī)控制等工作,程序流程如圖5所示。
單片機(jī)上電之后進(jìn)行系統(tǒng)初始化,包括環(huán)境變量設(shè)置、寄存器賦初值、串口初始化、中斷初始化等,完成之后進(jìn)入休眠狀態(tài)。
管理人員需要操作升降路樁時(shí),首先要打開手機(jī)APP,用藍(lán)牙連接控制板。發(fā)出連接請(qǐng)求之后,板子串口會(huì)收到一幀數(shù)據(jù)。此時(shí)單片機(jī)被喚醒并處理數(shù)據(jù)請(qǐng)求,完成之后再次進(jìn)入休眠。為保護(hù)系統(tǒng)被錯(cuò)誤操作,登錄APP時(shí)必須進(jìn)行身份和密碼驗(yàn)證,成功之后才能對(duì)電機(jī)進(jìn)行操作。登錄成功之后可控制電機(jī)上升下降及停止,電機(jī)每次動(dòng)作的同時(shí)也會(huì)通過串口反饋一次當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù),操作完成之后退出登錄單片機(jī)再次休眠。
堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序在中斷程序里完成,此時(shí)單片機(jī)控制電機(jī)停止工作,并通過串口向APP發(fā)送報(bào)警信號(hào)。操作人員會(huì)根據(jù)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)處理。
4 手機(jī)端APP
手機(jī)端APP主要完成數(shù)據(jù)連接、用戶登錄、電機(jī)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(jìn)入系統(tǒng)完成后續(xù)動(dòng)作。賬戶和密碼由管理員提前分配,也可用超級(jí)用戶修改。登錄成功之后進(jìn)入操作界面如圖7所示,顯示數(shù)據(jù)連接為藍(lán)牙連接,電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài),停止圖標(biāo)以紅色突出顯示。如后頁圖8所示,當(dāng)按下上升按鈕時(shí),上升控制按鈕以紅色突出顯示,同時(shí)APP發(fā)送控制指令給單片機(jī)。單片機(jī)會(huì)控制電機(jī)上升并反饋狀態(tài)信息,此時(shí)升降臺(tái)狀態(tài)欄顯示“路樁當(dāng)前處于上升狀態(tài)”。下降操作方法一樣,如后頁圖9所示。當(dāng)下降過程電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)停止時(shí),停止按鈕突出顯示,同時(shí)路樁狀態(tài)欄顯示“注意,下降過程電機(jī)堵轉(zhuǎn),電機(jī)已停止!”,提醒操作人員排除故障,如后頁圖10所示。
5 結(jié)語
實(shí)踐表明,本系統(tǒng)只需通過手機(jī)APP就能實(shí)現(xiàn)路樁任意高度的升降控制,靈活方便,安裝便捷穩(wěn)定可靠,為市政工程管理帶來了很大的便利。本系統(tǒng)改進(jìn)之后也可通過網(wǎng)絡(luò)介入后臺(tái),可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市所有路樁的網(wǎng)絡(luò)化統(tǒng)一管理,具有一定的推廣價(jià)值。
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