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【摘要】本文介绍了一种基于单片机控制的缓降器硬件机构及控制系统。该系统以单片机机为系统的控制核心，结合光电式传感器技术实现了下降速度的测量，从而实现了缓降器的自给供电并能平稳运行。实验证明该缓降器设计满足了应用的需要。
【关键词】缓降器；单片机；自给供电；光电传感器
1.引言
现代生活使人们的生活高层化，高层建筑为人们提供方便快捷的同时也给人们的安全带来隐患。缓降器可以将处于高层建筑物上的受困人员快速解救下来。但是，现有技术中的缓降器，有的结构比较复杂，使用中需要电源。当事故发生时，高层建筑通常都会断电，使用电源的缓降器无法运行；结构复杂的缓降器，长期放置，非常容易出现故障。还有的缓降器使用操作复杂，对于非专业人员，往往不便使用。发生险情时，尤其是老人或小孩，容易惊慌，复杂的操作会减慢脱险速度，如果操作失误，反而会发生新的险情。
2.系统主要硬件
本文设计的缓降器，系统结构简单，安装方便，防止断电造成意外，装置具备自身发电、储能作为能源，做到了真正意义低碳，并能够适应出险时顺利脱险。它包括：一个带滑动支架的框架机构，一个线绳卷筒、一台发电机、一台减速电机、一台复位电动机、一个线绳卷筒减速机构、一个载人装置和一个控制装置。如图1所示。他们之间通过一条柔软的钢丝绳连接，为了增加钢丝绳与发电机的摩擦力，可以将钢丝绳在发电机的转动轴上多绕几周。当有重物（或者是人）放（站）在载物盘（人）上，载物盘受到重力加速度的作用，越来越快的下降，发电机转动轴也随之转动并产生更多的电能；电能经过充电器给蓄电池充电；蓄电池经过电源管理模块再为控制器、传感器、减速电机、复位电机等设备提供电源。由于重力加速度产生的电能很大（实验数据见表1说明）。根据能量守恒公式得出重物做功为W1=F*s=G*h，得到的电能为W2=U*I*t；相对来说机械效率为η=W2/W1*100%；η越大说明自己供电的风险越高，反之，自己供电安全系数越大，η很小。而控制器、传感器使用低功耗元件，电流都是毫安级，几乎可以忽略。减速电机只有下降速度超限时才发挥作用，所以说用电时间、用电量都可以满足要求。
3.系统控制原理
3.1 控制原理
控制原理如图2所示，当有重物（或者是人）放（站）在载物盘（人）上，载物盘受到重力加速度作用，越来越快的下降，发电机转动轴也随之转动并产生电能；电能通过充电器给蓄电池充电；蓄电池经过电源管理模块再为控制器、传感器、减速电机复位电机提供电源。当载物盘下降速度超过设定上限时，发电机上的转动轴也快速旋转，转动轴外有一圈均匀的分割的小叶片，在小叶片的外侧装有对射的光电式传感器，转动轴旋转越快，对射式的光电传感器被遮挡的频率越高，产生的脉冲越多；因此测出载物盘与脉冲成正比，可以根据测得脉冲数控制减速电机的正反、快慢。减速电机的正反、快慢又影响到丝杠、摩擦片与摩擦盘之间的位置关系，从而可以控制缓降器的下降速度。因为发生危险时，缓降器将发生多次作用，当缓降器下到最低部，就要考虑载物盘的复位问题，如何识别缓降器已经到底部，缓降器载物盘上没有人了，当缓降器到底部时，发电机的转动轴不再转动，此时增设几秒钟的延时，作为下来时间就可以了。复位电机是空载，转速可以恒速控制，而且要快。以避免缓降器在非正式使用时，载人装置不会意外降下。该限位卡具有一定的强度，当意外地有小孩拉动或坐上载人装置时，该限位卡可以卡住载人装置不使其下降。当要使用时，载人装置上乘坐人的重量超过限位卡的极限强度，被拉断，则载人装置即可下降。
3.2 单片机的选用
单片机模块在控制系统处于核心的位置，从硬件设计的角度来说，首先要保证其供电稳定，其次要对其部分功能模块如PWM通道，定时器通道的进行编程，写入驱动程序，使其工作。MC9S12系列单片机是以速度更快的CPU12内核为核心的单片机系列，总线速度为8MHZ，MC9S12 DG128开发板实际上是单片机构成的最小系统。板上有构成最小系统需要的复位电路、晶体振荡器及时钟电路，驱动电路，+5V电源插座。单片机的所有I/O端口都通过2个64芯的欧式插头引出。由于直流电机的转速和缓降器的下降时刻变化、存在传感器测量滞后、灰分测量值存在检测滞后等原因，在实际的起降操作不能简单的按照传统的PID控制[1，2]，采用模糊控制效果更加理想，本文提供的单片机完全满足缓降器控制系统的要求。
3.3 传感器工作原理
发光二极管在使用约15mA发射电流、没有强烈外部光线干扰时，探测距离达到20mm，由于传感器与转轮距离很近，大约只有5mm，所以这样的探测距离完全可以满足需要。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了图3的电路形式。图3中LM324为四个运算放大器所组成的IC芯片，将LM324连接成为一个电压比较器，其反相输入端由电位器分压后接入，同相输入端接收三极管的集电极，这样设计的电路非常的直观，且输出端为数字信号“0”或者“1”，可直接与单片机的I/O端口相连。
3.4 电源模块
单片机、传感器及其信号采集电路需要+5V电源，采用低压降电源管理芯片LM2576产生，LM2576，价格低廉，电路成熟，但是考虑到驱动电机启动瞬间会引起电压瞬间下降的现象，所以电源管理系统中采用了低压降的电压调节器LM2576来产生5V电压。如图4所示。
4.软件设计
本文设计的缓降器，通过放绳索下降而驱动发电机运转发电，再通过发出的电能驱动减速电动机带动线绳卷筒转动，减速机构阻止放绳索下降的速度，使得缓降器能够基本上匀速地下降，既快捷、又安全，老人、孩子使用也很方便。软件流程如图5所示。
5.实验测试
实验实物如图6所示。为了验证缓降器的有效性，对实物进行安装与调试，为了计算方便，对在重量和高度专门设计，载重量为5.0Kg、10.0Kg，高度3.0m、6.0m，测控数据为选择关键的参数：发电机电压、电流，载物盘的下降时间。发电机电压、电流是考量其产生电量的参数，它关系到自供电的成败。下降时间是测量下降速度的参数。需要说明的是有无控制器作用载物盘的下降速度方式是不一样的，有控制器作用载物盘做的是匀速运动，无控制器作用载物盘做的是匀加速运动。通过表1的相关数据能说明这一点。匀速运动0.5～0.6m/s；变化幅度10～20%匀加速运动1.1～2.6m/s2，变化幅度最大150%。
表1数据除重量、高度外其它为3次的平均值。实验环境为普通实验室环境。
6.结束语
本文提供的缓降器具有如下优点：结构简单、部件衔接紧凑，便于安装；质量可靠；考虑到了能源环保、防止意外等情况的发生。为了克服这些问题在装置设计上具有自身发电、储能等功能，做到了真正意义低碳，并能够适应出险时可能断电的情况。因此，它特别适合于高层建筑，尤其高校的居住公寓、办公楼，用于应备突发事件。通过实验，达到了预期效果。
参考文献
[1]赵英宝，黄丽敏.智能便携式CO2生命探测仪的设计[J].传感器与微系统，2012（2）：106-108.
[2]刘鑫，葛宝明.基于单片机的双步进电机协调运动控制器设计[J].电器应用，2007（4）：25-28.
作者简介：高润泉，男，硕士，北京联合大学副教授，研究方向：计算机应用。
【关键词】缓降器；单片机；自给供电；光电传感器
1.引言
现代生活使人们的生活高层化，高层建筑为人们提供方便快捷的同时也给人们的安全带来隐患。缓降器可以将处于高层建筑物上的受困人员快速解救下来。但是，现有技术中的缓降器，有的结构比较复杂，使用中需要电源。当事故发生时，高层建筑通常都会断电，使用电源的缓降器无法运行；结构复杂的缓降器，长期放置，非常容易出现故障。还有的缓降器使用操作复杂，对于非专业人员，往往不便使用。发生险情时，尤其是老人或小孩，容易惊慌，复杂的操作会减慢脱险速度，如果操作失误，反而会发生新的险情。
2.系统主要硬件
本文设计的缓降器，系统结构简单，安装方便，防止断电造成意外，装置具备自身发电、储能作为能源，做到了真正意义低碳，并能够适应出险时顺利脱险。它包括：一个带滑动支架的框架机构，一个线绳卷筒、一台发电机、一台减速电机、一台复位电动机、一个线绳卷筒减速机构、一个载人装置和一个控制装置。如图1所示。他们之间通过一条柔软的钢丝绳连接，为了增加钢丝绳与发电机的摩擦力，可以将钢丝绳在发电机的转动轴上多绕几周。当有重物（或者是人）放（站）在载物盘（人）上，载物盘受到重力加速度的作用，越来越快的下降，发电机转动轴也随之转动并产生更多的电能；电能经过充电器给蓄电池充电；蓄电池经过电源管理模块再为控制器、传感器、减速电机、复位电机等设备提供电源。由于重力加速度产生的电能很大（实验数据见表1说明）。根据能量守恒公式得出重物做功为W1=F*s=G*h，得到的电能为W2=U*I*t；相对来说机械效率为η=W2/W1*100%；η越大说明自己供电的风险越高，反之，自己供电安全系数越大，η很小。而控制器、传感器使用低功耗元件，电流都是毫安级，几乎可以忽略。减速电机只有下降速度超限时才发挥作用，所以说用电时间、用电量都可以满足要求。
3.系统控制原理
3.1 控制原理
控制原理如图2所示，当有重物（或者是人）放（站）在载物盘（人）上，载物盘受到重力加速度作用，越来越快的下降，发电机转动轴也随之转动并产生电能；电能通过充电器给蓄电池充电；蓄电池经过电源管理模块再为控制器、传感器、减速电机复位电机提供电源。当载物盘下降速度超过设定上限时，发电机上的转动轴也快速旋转，转动轴外有一圈均匀的分割的小叶片，在小叶片的外侧装有对射的光电式传感器，转动轴旋转越快，对射式的光电传感器被遮挡的频率越高，产生的脉冲越多；因此测出载物盘与脉冲成正比，可以根据测得脉冲数控制减速电机的正反、快慢。减速电机的正反、快慢又影响到丝杠、摩擦片与摩擦盘之间的位置关系，从而可以控制缓降器的下降速度。因为发生危险时，缓降器将发生多次作用，当缓降器下到最低部，就要考虑载物盘的复位问题，如何识别缓降器已经到底部，缓降器载物盘上没有人了，当缓降器到底部时，发电机的转动轴不再转动，此时增设几秒钟的延时，作为下来时间就可以了。复位电机是空载，转速可以恒速控制，而且要快。以避免缓降器在非正式使用时，载人装置不会意外降下。该限位卡具有一定的强度，当意外地有小孩拉动或坐上载人装置时，该限位卡可以卡住载人装置不使其下降。当要使用时，载人装置上乘坐人的重量超过限位卡的极限强度，被拉断，则载人装置即可下降。
3.2 单片机的选用
单片机模块在控制系统处于核心的位置，从硬件设计的角度来说，首先要保证其供电稳定，其次要对其部分功能模块如PWM通道，定时器通道的进行编程，写入驱动程序，使其工作。MC9S12系列单片机是以速度更快的CPU12内核为核心的单片机系列，总线速度为8MHZ，MC9S12 DG128开发板实际上是单片机构成的最小系统。板上有构成最小系统需要的复位电路、晶体振荡器及时钟电路，驱动电路，+5V电源插座。单片机的所有I/O端口都通过2个64芯的欧式插头引出。由于直流电机的转速和缓降器的下降时刻变化、存在传感器测量滞后、灰分测量值存在检测滞后等原因，在实际的起降操作不能简单的按照传统的PID控制[1，2]，采用模糊控制效果更加理想，本文提供的单片机完全满足缓降器控制系统的要求。
3.3 传感器工作原理
发光二极管在使用约15mA发射电流、没有强烈外部光线干扰时，探测距离达到20mm，由于传感器与转轮距离很近，大约只有5mm，所以这样的探测距离完全可以满足需要。红外传感器的电路有多种形式，在这里为了安装调试方便，我们采用了图3的电路形式。图3中LM324为四个运算放大器所组成的IC芯片，将LM324连接成为一个电压比较器，其反相输入端由电位器分压后接入，同相输入端接收三极管的集电极，这样设计的电路非常的直观，且输出端为数字信号“0”或者“1”，可直接与单片机的I/O端口相连。
3.4 电源模块
单片机、传感器及其信号采集电路需要+5V电源，采用低压降电源管理芯片LM2576产生，LM2576，价格低廉，电路成熟，但是考虑到驱动电机启动瞬间会引起电压瞬间下降的现象，所以电源管理系统中采用了低压降的电压调节器LM2576来产生5V电压。如图4所示。
4.软件设计
本文设计的缓降器，通过放绳索下降而驱动发电机运转发电，再通过发出的电能驱动减速电动机带动线绳卷筒转动，减速机构阻止放绳索下降的速度，使得缓降器能够基本上匀速地下降，既快捷、又安全，老人、孩子使用也很方便。软件流程如图5所示。
5.实验测试
实验实物如图6所示。为了验证缓降器的有效性，对实物进行安装与调试，为了计算方便，对在重量和高度专门设计，载重量为5.0Kg、10.0Kg，高度3.0m、6.0m，测控数据为选择关键的参数：发电机电压、电流，载物盘的下降时间。发电机电压、电流是考量其产生电量的参数，它关系到自供电的成败。下降时间是测量下降速度的参数。需要说明的是有无控制器作用载物盘的下降速度方式是不一样的，有控制器作用载物盘做的是匀速运动，无控制器作用载物盘做的是匀加速运动。通过表1的相关数据能说明这一点。匀速运动0.5～0.6m/s；变化幅度10～20%匀加速运动1.1～2.6m/s2，变化幅度最大150%。
表1数据除重量、高度外其它为3次的平均值。实验环境为普通实验室环境。
6.结束语
本文提供的缓降器具有如下优点：结构简单、部件衔接紧凑，便于安装；质量可靠；考虑到了能源环保、防止意外等情况的发生。为了克服这些问题在装置设计上具有自身发电、储能等功能，做到了真正意义低碳，并能够适应出险时可能断电的情况。因此，它特别适合于高层建筑，尤其高校的居住公寓、办公楼，用于应备突发事件。通过实验，达到了预期效果。
参考文献
[1]赵英宝，黄丽敏.智能便携式CO2生命探测仪的设计[J].传感器与微系统，2012（2）：106-108.
[2]刘鑫，葛宝明.基于单片机的双步进电机协调运动控制器设计[J].电器应用，2007（4）：25-28.
作者简介：高润泉，男，硕士，北京联合大学副教授，研究方向：计算机应用。