基于AVR的自動(dòng)扶梯 (二)

第二部分 硬件部分

2.1 ATMEGA128開發(fā)板

ATMEGA128開發(fā)板采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是CPU，RAM，ROM和專門設(shè)計(jì)的輸入輸出接口電路等組成。ATMEGA128開發(fā)板則采用循環(huán)掃描工作方式，用戶程序按先后順序存放，CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回第一條。如此周而復(fù)始不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。

2.1.1 ATMEGA128開發(fā)板控制系統(tǒng)流程

ATMEGA128開發(fā)板的運(yùn)行、停止、檢修、狀態(tài)顯示、故障判斷及報(bào)警等功能是通過采集光電探測(cè)傳感器等裝置送來的各種輸入信號(hào)經(jīng)過ATMEGA128開發(fā)板內(nèi)部邏輯處理，通過輸出指令控制變頻器、接觸器等裝置來實(shí)現(xiàn)?？刂屏鞒虉D如圖2-1所示。

在程序設(shè)計(jì)時(shí)，本系統(tǒng)采用模塊化的編程思想，將各個(gè)功能模塊單獨(dú)編制子程序進(jìn)行調(diào)用。在控制程序中，需要ATmega128單片機(jī)處理的最主要的邏輯信號(hào)是安全回路檢測(cè)信號(hào)，該信號(hào)用了判斷扶梯安全回路是否存在故障已及故障存在的位置，因而是自動(dòng)扶梯安全運(yùn)行的重要保證。需要ATmega128單片機(jī)進(jìn)行處理的還有扶梯運(yùn)行模式、狀態(tài)、檢修等信號(hào)。所有這些控制信號(hào)的給出，都是ATmega128單片機(jī)根據(jù)各個(gè)輸入信號(hào)通過復(fù)雜的控制程序來實(shí)現(xiàn)，這些程序之間必須協(xié)調(diào)一致、判斷合理才能完成自動(dòng)扶梯的整體控制。

ATmega128單片機(jī)的程序?yàn)檠h(huán)掃描工作方式、首先ATmega128單片機(jī)初始化檢查，內(nèi)部寄存器復(fù)位與置位，接著檢測(cè)扶梯的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行模式，然后再將扶梯的各項(xiàng)安全信號(hào)狀態(tài)放入狀態(tài)寄存器，通過狀態(tài)字確認(rèn)扶梯是否處于正常，如正常則輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)變頻器等設(shè)備工作，使扶梯進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行。

2.2 EVK1100開發(fā)板

為了使扶梯運(yùn)行更安全，我們將控制扶梯運(yùn)行部分與監(jiān)控扶梯安全的部分分開。控制扶梯使用ATMEL的ATmega128芯片，監(jiān)控扶梯安全使用的是ATEML的EVK1100開發(fā)板。這樣當(dāng)控制運(yùn)行的部分突然出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控中心可以通過安全監(jiān)控電路使扶梯停止運(yùn)行。EVK1100開發(fā)板使用的是UC3A0512芯片。UC3A 系列擁有512K 字節(jié)的閃存，并擁有一個(gè)內(nèi)置10/100以太網(wǎng)媒體接入控制器 (MAC)、10/100-Mbps IEEE(R) 802.3 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) MAC 可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)能通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議堆棧進(jìn)行通訊的聯(lián)網(wǎng)的植入式系統(tǒng)。

2.3 變頻器(FR-A700)

變頻器是把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備。變頻器主要由五部分組成:整流回路、逆變器、控制電路、制動(dòng)組件和保護(hù)回路.變頻調(diào)速控制方式一般大體可分為兩種，開環(huán)控制和閉環(huán)控制，后者需要電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速反饋。普通的電壓/頻率(V/F)控制屬于開環(huán)方式，閉環(huán)控制方式包括轉(zhuǎn)差頻率控制、矢量控制等方式。

根據(jù)系統(tǒng)需要，本系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的FR-740變頻器，該變頻器可方便設(shè)定啟動(dòng)額度頻率、運(yùn)行頻率、加速時(shí)間、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，可滿足系統(tǒng)所需的各種功能要求。其實(shí)物如圖2-3。

2.3.1 ATMEGA128開發(fā)板與變頻器的連接圖

變頻器與ATMEGA128開發(fā)板的輸出端口連接如圖所示，當(dāng)光電檢測(cè)裝置檢測(cè)到乘客信號(hào)時(shí)，Y0輸出，變頻器的RH端子有輸入信號(hào)，變頻器根據(jù)預(yù)先設(shè)置的頻率和加速時(shí)間控制扶梯電機(jī)緩慢加速啟動(dòng)，當(dāng)在設(shè)置的時(shí)間段T2內(nèi)檢測(cè)不到新的乘客時(shí)。Y1輸出，變頻器的RM端子有輸入信號(hào)，變頻器按照預(yù)先設(shè)置的較低的頻率輸出，控制扶梯以節(jié)能方式運(yùn)作。通過給變頻器的RH，RM，RL的三個(gè)端子進(jìn)行不同輸入組合，可設(shè)置不同的運(yùn)行頻率輸出。當(dāng)在設(shè)置的時(shí)間T3段內(nèi)檢測(cè)不到新的乘客時(shí)，Y2輸出，變頻器的停止信號(hào)控制端子MRS有輸入信號(hào)，變頻器停止輸出，扶梯停止運(yùn)作。變頻器的SD端與ATMEGA128開發(fā)板的COM端相連接。連接如圖2-4所示。

2.3.2 ATMEGA128開發(fā)板與變頻器連接應(yīng)注意的問題

數(shù)據(jù)處理需要時(shí)間，存在一定的時(shí)間延遲，故在較精確的控制時(shí)應(yīng)予以考慮。因?yàn)樽冾l器在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，為保證ATMEGA128開發(fā)板不因?yàn)樽冾l器主電路斷路器及開關(guān)器件等產(chǎn)生的噪聲而出現(xiàn)故障，將變頻器與ATMEGA128開發(fā)板相連接時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

1)對(duì)ATMEGA128開發(fā)板本身應(yīng)按規(guī)定的接線標(biāo)準(zhǔn)和接地條件進(jìn)行接地，而且應(yīng)注意避免和變頻器使用共同的接地線，且在接地時(shí)使二者盡可能分開。

2)當(dāng)電源條件不太好時(shí)，應(yīng)在ATMEGA128開發(fā)板的電源模塊及輸入/輸出模塊的電源線上接入噪聲濾波器和降低噪聲用的變壓器等，另外，若有必要，在變頻器的接線端也應(yīng)采取相應(yīng)的措施。

3)當(dāng)把變頻器和ATMEGA128開發(fā)板安裝于同一操作柜中時(shí)，應(yīng)盡可能使與變頻器有關(guān)的電線和與ATMEGA128開發(fā)板有關(guān)的電線分開。

4)通過使用屏蔽線和雙絞線達(dá)到提高噪聲干擾的水平。對(duì)于變頻器而言，主回路端子PE的正確接地是提高變頻器抑制噪聲能力和減小變頻器干擾的重要手段，因此在實(shí)際應(yīng)用中一定要非常重視。

在變頻器等電力電子設(shè)備中，為了提高裝置的抗干擾和防雷擊能力，在電源輸入側(cè)均有電容或者壓敏電阻組成的電源濾波和壓敏電阻、放電管組成的防雷擊電路，有些變頻器可以直接選用外接模塊單元。

在我國(guó)，大多數(shù)工廠采用三相四線制，有些用戶因沒有地線，干脆不接，或者為了簡(jiǎn)單將PE接至零線。在這種情況下，由于防浪涌電路中的電容及壓敏電阻漏電流IC和IR較大，一般為幾十至幾百毫安，在接地情況不夠良好的情況下，R0較大，零線與地之間的電壓達(dá)到幾十伏，甚至上百伏，既不符合消防安全規(guī)范，也對(duì)系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生重大影響，因此在條件允許的情況下應(yīng)盡量采用專用接地線，避免與其他設(shè)備公用接地。變頻器接地導(dǎo)線的截面積一般應(yīng)不小于2.5mm2，長(zhǎng)度控制在20m以內(nèi)。建議變頻器的接地與其它動(dòng)力設(shè)備接地點(diǎn)分開，不能共地。

2.4 旋轉(zhuǎn)編碼器(E6A2-CW5C)

旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(幾十個(gè)到幾千個(gè)都有)，和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。

工作原理：由一個(gè)中心有軸的光電碼盤，其上有環(huán)形通、暗的刻線，有光電發(fā)射和接收器件讀取，獲得四組正弦信號(hào)組合成A、B、C、D，每個(gè)正弦相差90度相位差(相對(duì)于一個(gè)周波為360度)，將C、D信號(hào)反向，疊加在A、B兩相上，可增強(qiáng)穩(wěn)定信號(hào);另每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)Z相脈沖以代表零位參考位。由于A、B兩相相差90度，可通過比較A相在前還是B相在前，以判別編碼器的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，通過零位脈沖，可獲得編碼器的零位參考位。

編碼器有5條引線，其中3條是脈沖輸出線，1條是COM端線，1條是電源線。編碼器的電源可以是外接電源，也可直接使用ATMEGA128開發(fā)板的DC24V電源。電源“-”端要與編碼器的COM端連接，“+ ”與編碼器的電源端連接。編碼器的COM端與ATMEGA128開發(fā)板輸入COM端連接，A、B相脈沖輸出線直接與ATMEGA128開發(fā)板的輸入端連接(A相與X0相連，B相與X1相連)，連接時(shí)要注意ATMEGA128開發(fā)板輸入的響應(yīng)時(shí)間。有的旋轉(zhuǎn)編碼器還有一條屏蔽線，使用時(shí)要將屏蔽線接地。2.5 語音芯片(ISD 1720)

在本系統(tǒng)中采用ISD 1720型號(hào)的語音芯片，來構(gòu)成語音報(bào)警系統(tǒng)，人數(shù)過多時(shí)，發(fā)出警報(bào)，提醒乘客，達(dá)到語音報(bào)警的安全控制。

1、功能概述

ISD1700系列錄放芯片是一種高集成度，高性能的芯片。它可以多段錄音，采樣率可在4K至12K間調(diào)節(jié)，供電范圍可以在2.4V至5.5V之間。ISD1700系列錄放芯片可工作于獨(dú)立按鍵模式和SPI控制模式。芯片內(nèi)有存儲(chǔ)管理系統(tǒng)來管理多段語音，這樣在獨(dú)立按鍵模式下也能進(jìn)行多段語音錄放。此芯片內(nèi)有振蕩器，可通過外部電阻來調(diào)節(jié)其振蕩頻率;還有帶自動(dòng)增益控制(AGC)的話筒運(yùn)放，模擬線路輸入，抗鋸齒濾波器，多級(jí)存儲(chǔ)陣列，平滑濾波器，音量控制，直接驅(qū)動(dòng)喇叭的PWM輸出與接外部功放的電流/電壓輸出。

2.6 光電開關(guān)(GY50-W3-3E1)

光電開關(guān)(光電傳感器)是光電接近開關(guān)的簡(jiǎn)稱，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無的。物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測(cè)。光電開關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強(qiáng)弱或有無對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。

關(guān)電開關(guān)的特點(diǎn)：

(1)、檢測(cè)距離長(zhǎng)。

(2)、響應(yīng)速度快。

(3)、分辨能力高。

(4)、容易取得規(guī)則的檢測(cè)區(qū)。

(5)、不受磁場(chǎng)和震動(dòng)的影響。

(6)、利用光的特性檢測(cè)。

對(duì)于本系統(tǒng)的檢測(cè)要求，及以上對(duì)關(guān)電開關(guān)的功能分析，我們選用GY50-W3-3E1型號(hào)的光電開關(guān)用來做光電檢測(cè)，來滿足扶梯系統(tǒng)的檢測(cè)要求。

2.7 鑰匙開關(guān)

鑰匙開關(guān)分為三位鑰匙開關(guān)和兩位鑰匙開關(guān)，適用于交流50HZ(或60HZ)，電壓380V以下，及直流電壓220V以下的電磁啟動(dòng)器、接觸器、繼電器及其它電器線路中作遙遠(yuǎn)控制和安全控制之用，其中帶燈式按鈕(LED)發(fā)光)還適用于需要燈光信號(hào)指示的場(chǎng)合。本系統(tǒng)選用3種狀態(tài)的鑰匙開關(guān)，用于切換扶梯的上下行運(yùn)行，可防止非工作人員接觸，造成不必要的故障及事故。

其實(shí)物如圖2-9所示

第三部分 系統(tǒng)通信

3.1 計(jì)算機(jī)(PC)與EVK1100開發(fā)板之間的通信

UC3A 系列擁有512K字節(jié)的閃存，并擁有一個(gè)內(nèi)置10/100以太網(wǎng)媒體接入控制器(MAC)、10/100-Mbps IEEE(R) 802.3 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng) MAC 可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)能通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議堆棧進(jìn)行通訊的聯(lián)網(wǎng)的植入式系統(tǒng)。本項(xiàng)目使用了EVK1100開發(fā)板上的以太網(wǎng)模塊。

第四部分 結(jié)束語

4.1 此設(shè)計(jì)系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的功能

節(jié)能方面：

1、分時(shí)運(yùn)行：當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到有人時(shí)扶梯自動(dòng)調(diào)頻并加速，無人時(shí)則減速至停止。

安全方面：

1、局域網(wǎng)安全監(jiān)控：通過攝像頭可觀測(cè)都整個(gè)扶梯的運(yùn)行情況，扶梯不正常運(yùn)行時(shí)監(jiān)控中心可通過網(wǎng)頁操作，發(fā)送指令給EVK1100，EVK1100發(fā)出信號(hào)是扶梯停止運(yùn)行。

2、速度監(jiān)控：編碼器檢測(cè)扶梯的運(yùn)行速度，并在速度與設(shè)定的速度相比過快或過慢時(shí)發(fā)出提示。

3、語音報(bào)警：電機(jī)溫度過高時(shí)會(huì)向乘客發(fā)出提示。

4、液晶：顯示扶梯運(yùn)行速度，溫度，扶梯上的人數(shù)，當(dāng)前時(shí)間，故障報(bào)警信息 。

5、線圈保護(hù)：KM1常閉和KM2線圈串聯(lián)，KM2常閉和KM1線圈串聯(lián)，保證KM1線圈和K M2線圈不能同時(shí)的電。

6、鑰匙開關(guān)：正，反，?？刂?，防止非工作人員接觸扶梯開關(guān)。

7、急停按鈕：變頻器或檢測(cè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，可通過此按鈕讓扶梯停止運(yùn)行。

自動(dòng)扶梯控制設(shè)計(jì)方式多樣，各有千秋。通過以上介紹和分析，不難得出這樣的結(jié)論采用旁路變頻控制的自動(dòng)扶梯的設(shè)計(jì)，除了運(yùn)行可靠、穩(wěn)定性高和安全性能增強(qiáng)外，同時(shí)還大大的減少了能源的浪費(fèi)，這自動(dòng)扶梯控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上都有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的同時(shí)還節(jié)約了能源。本設(shè)計(jì)利用ATMEGA128開發(fā)板和三菱FR-A740型變頻器控制，運(yùn)行可靠，性能優(yōu)良，檢修方便。

在傳統(tǒng)的扶梯中，不管人流量多少或者有無乘客，扶梯都以額定的速度運(yùn)行，造成很大的能量損耗，不間斷的運(yùn)行也使得扶梯各部分的機(jī)械磨損嚴(yán)重，縮短了扶梯的使用壽命。對(duì)傳統(tǒng)扶梯的控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造后，具有調(diào)速性能好、節(jié)能效果顯著、運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今社會(huì)節(jié)能降耗、提高效率的有效手段。同時(shí)由于變頻器在啟動(dòng)時(shí)電流是從零開始緩慢增加的，所以采用變頻器技術(shù)后，還可以降低扶梯在啟動(dòng)時(shí)的沖擊電壓對(duì)電網(wǎng)的影響。