一種升降高度可任意調(diào)節(jié)的智能路樁控制器設(shè)計(jì)

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，當(dāng)MA、MB輸出信號為“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輸出信號為“10”時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)MA、MB輸出信號為“11”時(shí)電機(jī)停止。驅(qū)動(dòng)信號與電機(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。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，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。

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。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。

參考文獻(xiàn)：

[1]李勝嵐，李晶晶.基于Android平臺(tái)的移動(dòng)校園App的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019（1）：155-156.

[2]李虹靜，李升輝.基于STC8系列單片機(jī)的繼電器控制電路設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新，2019（13）：37-38.

[3]林海濱，張 鎬.基于H橋控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].家電科技，2018（5）：42-45.

[4]王 勤.幾種直流供電防反接保護(hù)電路的分析[J].電子技術(shù)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(zhuǎn)保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)[J].國外電子測量技術(shù)，2018，37（1）：102-105.