基于AVR的自動(dòng)扶梯
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第一部分 總體概述
1.1 研究背景
自動(dòng)扶梯廣泛應(yīng)用于大型商場(chǎng)、超市、機(jī)場(chǎng)、地鐵、賓館等場(chǎng)合，大多數(shù)扶梯在客流量大的時(shí)候，工作于額定的運(yùn)行狀態(tài)，在沒有乘客時(shí)仍以額定速度運(yùn)行，具有耗能大、機(jī)械磨損嚴(yán)重、使用壽命低、運(yùn)行不夠安全等缺點(diǎn)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了利用ATmega128開發(fā)板和EVK1100與變頻控制相結(jié)合的節(jié)能及安全監(jiān)控系統(tǒng)以改善扶梯以往的缺點(diǎn)，我們期望通過本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與實(shí)施，來掌握利用ATMEL UC3A0512和ATmega128芯片完成項(xiàng)目，使ATMEL芯片在中國應(yīng)用得更加廣泛。
1.2 自動(dòng)扶梯使用現(xiàn)狀分析
隨著自動(dòng)扶梯的擁有量不斷的上升和前段時(shí)間各地頻發(fā)的自動(dòng)扶梯運(yùn)行事故，扶梯節(jié)能降耗和安全運(yùn)行的研究已引起社會(huì)各界的關(guān)注，研究扶梯的節(jié)能降耗方法和加強(qiáng)扶梯的安全性能已經(jīng)是大勢(shì)所趨。
1.3 節(jié)能原理及運(yùn)行監(jiān)控分析
節(jié)能原理：大多數(shù)自動(dòng)扶梯驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心是一個(gè)交流(AC)感應(yīng)電機(jī)。盡管交流感應(yīng)電機(jī)是可靠的動(dòng)力源，許多終端用戶卻不知交流電機(jī)在載荷較輕時(shí)，其效率很低。 由于大多數(shù)交流電機(jī)固有的設(shè)計(jì)，交流電機(jī)20% ～40%做的是無用功，這部分能量常常以熱量的形式白白被浪費(fèi)掉，在談節(jié)能方式之前，首先對(duì)自動(dòng)扶梯的電機(jī)能耗進(jìn)行分析。
圖1-1 電機(jī)的功率流向圖
從圖1-1中可以看出，電動(dòng)機(jī)在正常運(yùn)行狀態(tài)下的功率損耗主要有3個(gè)部分:即定子銅耗定子鐵耗和轉(zhuǎn)子銅耗。由于轉(zhuǎn)子中的電流頻率很低， 因此轉(zhuǎn)子的鐵耗較小，可以忽略不計(jì)，另外，機(jī)械損耗和附加損耗也是較小的將可其忽略。而定子銅耗和轉(zhuǎn)子銅耗分別與定子和轉(zhuǎn)子中的電流的平方成正比，因此，減小電流將顯著降低這兩種損耗。至于定子中的鐵耗，包括磁滯損耗和渦流損耗， 兩者都近似地與電源頻率成正比， 與鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比由此可見，減小頻率和降低鐵芯磁通密度將會(huì)顯著降低定子鐵耗。
根據(jù)電機(jī)學(xué)原理可知：
輸入功率=定子銅耗+鐵耗+轉(zhuǎn)子銅耗+機(jī)械損耗+附加損耗+輸出功率= (定子銅耗+轉(zhuǎn)子銅耗) + (鐵耗+機(jī)械損耗+附加損耗) +輸出功率=可變損耗+損耗+輸出=損耗+輸出功率從以上分析可知，要想使自動(dòng)扶梯電機(jī)節(jié)能，就必須從減少電機(jī)損耗和減少輸出功率兩方面進(jìn)行。
1)減少損耗：減少損耗也就是提高電機(jī)的工作效率。通常電機(jī)的工作效率在75% ～80%額定負(fù)載時(shí)效率最高。 在輕載時(shí)可調(diào)整輸入電壓來減少損耗，當(dāng)可變損耗等于不變損耗時(shí)，異步電機(jī)的效率達(dá)到最大值。
2)減少輸出功率：電機(jī)的輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比，采用變頻調(diào)速可線性減少自動(dòng)扶梯的輸出功率，而達(dá)到節(jié)能的目的。微機(jī)變頻調(diào)速是通過調(diào)節(jié)電源的頻率來改變異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在自動(dòng)扶梯無人空載時(shí)可降低扶梯的轉(zhuǎn)速(如20%或50%額定轉(zhuǎn)速) ，進(jìn)行節(jié)能，在扶梯檢測(cè)到需要載人時(shí)再事前恢復(fù)到正常速度， 變頻器在輕載時(shí)，可自行調(diào)整輸入電壓來降低損耗。
根據(jù)異步電機(jī)的等效電路可以計(jì)算電機(jī)的各種運(yùn)行性能，也可以通過空載試驗(yàn)和短路試驗(yàn)做出異步電機(jī)的“圓圖”，進(jìn)而得到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩M2、效率η、轉(zhuǎn)差率s、定子電流I1、功率因數(shù)cosθ等參數(shù)與電機(jī)輸出功率P2 的關(guān)系曲線，典型異步電機(jī)的運(yùn)行性能，如圖所示。
圖1-2 運(yùn)行特性曲線
由圖1-2可見，異步電機(jī)在輕載或空載時(shí)的效率是很低的，理由是電機(jī)的激磁電流即電機(jī)的空載電流較大，電機(jī)的定子銅耗，特別是定子鐵耗在輕載時(shí)并不比額定載荷時(shí)降低多少，因?yàn)榭蛰d電流較大，導(dǎo)致電機(jī)在輕載時(shí)功率因數(shù)很低。異步電機(jī)的這一運(yùn)行特性，正是能在自動(dòng)扶梯上實(shí)現(xiàn)降壓節(jié)能的基礎(chǔ)。
運(yùn)行監(jiān)控原理：自動(dòng)扶梯發(fā)生事故的主要原因有：扶梯逆轉(zhuǎn)、扶梯電機(jī)過熱引起火災(zāi)、扶梯上人數(shù)過多引發(fā)扶梯事故。本項(xiàng)目通過局域網(wǎng)通信將自動(dòng)扶梯的運(yùn)行情況通過局域網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，監(jiān)控中心人員在扶梯不正常運(yùn)行時(shí)在監(jiān)控中心可通過局域網(wǎng)控制自動(dòng)扶梯的運(yùn)行，從而在第一時(shí)間解決危險(xiǎn)。
1.4 系統(tǒng)控制分析
1.4.1 系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行方案
當(dāng)有乘客進(jìn)入扶梯入口處時(shí)，光電感應(yīng)裝置檢測(cè)到有效信號(hào)，此信號(hào)被送入ATmega128，經(jīng)過處理輸出一個(gè)控制信號(hào)，經(jīng)過繼電器模塊使變頻器按照設(shè)定的加速度進(jìn)行無極變速，達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的速度開始正常運(yùn)行。同時(shí)定時(shí)器T1清零并開始計(jì)時(shí)，當(dāng)T1在小于系統(tǒng)設(shè)置的T2時(shí)間段內(nèi)，光電感應(yīng)裝置檢測(cè)到一個(gè)新的乘客進(jìn)入，則T1又清零并重新開始計(jì)時(shí)，如果T1一直運(yùn)行到大于T2的時(shí)間段后，表明在設(shè)置的T2時(shí)間內(nèi)沒有新的乘客進(jìn)入，此時(shí)扶梯通過變頻器切換到低頻運(yùn)行，開始進(jìn)入低速節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)。此后若T1在小于系統(tǒng)設(shè)置的T3時(shí)間段內(nèi)，光電感應(yīng)裝置檢測(cè)到新的乘客進(jìn)入，則T1再度清零并計(jì)時(shí)，同時(shí)變頻器從低速節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)開始緩慢加速到額定速度運(yùn)行，若T1的值大于T3，則表明扶梯在節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)下經(jīng)過等待后還無乘客進(jìn)入，此時(shí)扶梯就從低速節(jié)能運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)橥Ｖ?，從而達(dá)到最大節(jié)能。
安全方面：系統(tǒng)通過攝像頭和溫度傳感器、人數(shù)計(jì)數(shù)傳感器監(jiān)檢測(cè)，將扶梯現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況和具體數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控中心的PC機(jī)，監(jiān)控人員在監(jiān)控室可以通過局域網(wǎng)觀察扶梯運(yùn)行數(shù)據(jù)，當(dāng)扶梯運(yùn)行數(shù)據(jù)超出了設(shè)定值時(shí)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，并在顯示屏上顯示故障。中心人員可通過局域網(wǎng)在網(wǎng)頁上觀察扶梯運(yùn)行情況，從而在第一時(shí)間通過在局域網(wǎng)網(wǎng)頁上的操作對(duì)扶梯進(jìn)行控制。另外扶梯上安裝了急停按鈕，當(dāng)發(fā)生是事故時(shí)扶梯乘客可按下急停按鈕，使扶梯停止運(yùn)行。
圖1-3 系統(tǒng)時(shí)序圖
1.4.2 自動(dòng)運(yùn)行的要求
當(dāng)運(yùn)行方向設(shè)定后，打開電源，扶梯處于停止?fàn)顟B(tài)。
當(dāng)安裝在扶梯入口的光電檢測(cè)裝置檢測(cè)到有乘客正向進(jìn)入扶梯入口時(shí)，扶梯開始緩慢加速至額定速度運(yùn)行，進(jìn)入高速運(yùn)行狀態(tài)。
在預(yù)先設(shè)定的高速運(yùn)行等待時(shí)間內(nèi)，沒人乘梯時(shí)，扶梯開始減速為低速運(yùn)行，進(jìn)入低速運(yùn)行等待狀態(tài)。
扶梯在預(yù)先設(shè)定的低速運(yùn)行等待時(shí)間內(nèi)時(shí)，若又有人進(jìn)入扶梯，此時(shí)扶梯緩慢加速至額定速度運(yùn)行狀態(tài)；若沒人乘梯，則扶梯自動(dòng)停止運(yùn)行，進(jìn)入停止待機(jī)狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。
在扶梯運(yùn)行過程中，扶梯非正常減速或非正常加速時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)并停止運(yùn)行。
當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到扶梯電機(jī)溫度過高時(shí)，會(huì)發(fā)出語音警報(bào)“扶梯非正常運(yùn)行，現(xiàn)暫停使用”。
當(dāng)扶梯上檢測(cè)到的人數(shù)高于設(shè)定的人數(shù)時(shí)扶梯會(huì)液晶屏上會(huì)顯示“扶梯已達(dá)額定人數(shù)，請(qǐng)乘客稍后使用”。等乘客走出扶梯是出口處的光電傳感器會(huì)使顯示屏上的人數(shù)減一，提示自動(dòng)解除。
1.4.3 電氣控制要求
扶梯啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn) ，無抖動(dòng)。
無人乘梯時(shí)，扶梯自動(dòng)平穩(wěn)過渡到節(jié)能狀態(tài)。
1.4.4 檢測(cè)裝置滿足的要求
安裝在扶梯入口處的乘客檢測(cè)裝置檢測(cè)是否有人乘梯。但是為了確保乘客的安全， 按照《自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道的制造與安裝安全規(guī)范》的要求自啟動(dòng)的扶梯，應(yīng)在該使用者走到梳齒相交線之前啟動(dòng)運(yùn)行， 故乘客檢測(cè)裝置應(yīng)滿足以下要求。
（1）光束， 應(yīng)設(shè)置在梳齒相交線之前至少1.3m外。
（2）觸點(diǎn)踏墊， 其外緣應(yīng)設(shè)置在梳齒相交線之前至少1.8m處， 沿運(yùn)行方向的觸點(diǎn)踏墊長度至少為0.85m處。
在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可選擇安裝在扶手進(jìn)出口處的光電漫發(fā)射裝置來實(shí)現(xiàn)改要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)選擇光電漫反射裝置， 能夠確保每一個(gè)從不同方向走過來的乘客都能被有效的探測(cè)到， 從而實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)的功能。
圖1-4 自動(dòng)扶梯運(yùn)行模式流程圖
1.5 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的功能
節(jié)能方面：通過增加變頻器來控制扶梯運(yùn)行的速度，當(dāng)梯上有乘客時(shí)，扶梯以高速運(yùn)行（例如額定速度），提高客流量，當(dāng)乘客檢測(cè)裝置在一段時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到乘客通過時(shí)，扶梯開始減速轉(zhuǎn)為低速運(yùn)行（例如0.2m/s，參數(shù)可設(shè)置），此時(shí)一直處于待機(jī)運(yùn)行中，即為非自啟動(dòng)節(jié)能。
（1）運(yùn)行狀態(tài)描述
變頻控制，無人時(shí)低速，有人時(shí)高速。高速運(yùn)行時(shí)間記為T1，可通過ATmaga128開發(fā)板程序進(jìn)行設(shè)置，具體時(shí)間根據(jù)梯的提升高度和速度而定。
（2）運(yùn)行步驟
當(dāng)扶梯上電停止等待，有方向（比如上行）開始運(yùn)行時(shí)，此時(shí)扶梯以低速開始節(jié)能運(yùn)行進(jìn)入待機(jī)等待。下方光電傳感器檢測(cè)是否有人通過，當(dāng)有人通過時(shí)，控制器內(nèi)部的定時(shí)器（記為T）清零，此時(shí)扶梯開始緩慢加速至額定速度運(yùn)行。額定運(yùn)行時(shí)定時(shí)器（記為T）開始計(jì)時(shí).當(dāng)有一段時(shí)間沒人乘梯即T≥T1時(shí)，扶梯又開始減速進(jìn)入低速運(yùn)行待機(jī)等待狀態(tài)，如此循環(huán)往復(fù)運(yùn)行。
安全監(jiān)控方面：局域網(wǎng)安全監(jiān)控主要使用了EVK1100開發(fā)板，用于局域網(wǎng)通信，通過網(wǎng)線可與上位機(jī)完成數(shù)據(jù)交換。通過攝像頭監(jiān)控中心的人員可以看到扶梯的運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)扶梯有危險(xiǎn)時(shí)監(jiān)控中心的人員可以通過局域網(wǎng)網(wǎng)頁上的STOP按鈕讓扶梯停止運(yùn)行。當(dāng)故障確定解除后工作人員可以通過RUN按鈕讓扶梯重新工作。
另外，當(dāng)扶梯的電機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行導(dǎo)致溫度高于100℃時(shí)，溫度傳感器會(huì)發(fā)出警報(bào)（模擬時(shí)設(shè)定40℃）。當(dāng)扶梯運(yùn)行速度過快和過慢時(shí)，單片機(jī)通過讀取速度傳感器反饋的速度判斷險(xiǎn)情從而報(bào)警。當(dāng)扶梯上人數(shù)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的最高人數(shù)時(shí)會(huì)提醒乘客稍后再使用，當(dāng)出口處的光電傳感器檢測(cè)到有人出扶梯時(shí)，人數(shù)會(huì)自動(dòng)減一，提示會(huì)自動(dòng)解除。
1.6 系統(tǒng)總體分析
1.6.1 系統(tǒng)框圖
自動(dòng)扶梯變頻控制系統(tǒng)是在原工頻控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加裝光電探測(cè)傳感器、變頻器、攝像頭、溫度傳感器、ATMEGA128開發(fā)板、ATmega128以及其他必要的輔助元件，進(jìn)行變頻運(yùn)行及安全監(jiān)控。
ATmega128開發(fā)板是控制系統(tǒng)的核心，它的作用是對(duì)各種輸入信號(hào)如乘客光電檢測(cè)，控制扶梯節(jié)能運(yùn)行，并對(duì)扶梯運(yùn)行情況進(jìn)行檢測(cè)與顯示。EVK1100進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，控制危險(xiǎn)情況下時(shí)扶梯的停止并發(fā)出警報(bào)等。變頻器的作用是根據(jù)ATmega128的輸入控制信號(hào)改變扶梯驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源頻率，使扶梯能夠以一定的加速度進(jìn)行軟啟動(dòng)或進(jìn)入低速節(jié)能狀態(tài)運(yùn)行。故障顯示裝置的作用是對(duì)各種故障現(xiàn)象進(jìn)行顯示。
圖1-6 系統(tǒng)框圖
該控制系統(tǒng)主要由紅外探測(cè)傳感器、變頻器、ATmega128開發(fā)板、EVK1100開發(fā)板和其他必要輔助元件等組成。安裝在入梯口的光電探測(cè)傳感器，隨時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)扶梯的載客情況；ATmega128開發(fā)板是控制系統(tǒng)的核心，它接收光電探測(cè)傳感器、溫度傳感器、速度傳感器等裝置送來的各種輸入信號(hào)，并對(duì)接收的輸入信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行、停止、故障判斷及記錄、狀態(tài)顯示等功能；變頻器主要是根據(jù)ATmega128開發(fā)板的輸出控制信號(hào)改變電源頻率，自動(dòng)調(diào)節(jié)扶梯的運(yùn)行速度，保證啟動(dòng)運(yùn)行平穩(wěn)。
1.6.2 系統(tǒng)主電路分析
由于自動(dòng)扶梯使用場(chǎng)合的特殊性，相當(dāng)一部分扶梯的空載時(shí)間往往大于載客時(shí)間，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性，降低成本，本設(shè)計(jì)采用旁路變頻控制。即在原來工頻空載系統(tǒng)的基礎(chǔ)上（即保留主電機(jī)原工頻空載系統(tǒng)）加裝光電感應(yīng)開關(guān)、變頻器和ATmega128芯片等裝置。其主電路圖如圖1-7所示。
圖1-7 旁路變頻控制系統(tǒng)主電路
變頻器的R、S、T端子與市網(wǎng)的三相電源通過保護(hù)開關(guān)相連，U、V、W與扶梯的電機(jī)電源端通過交流接觸器KM1相連接，扶梯的上行和下行方向通過切換KM3與KM4主觸點(diǎn)分別導(dǎo)通來控制。為了嚴(yán)格防止扶梯由于程序故障導(dǎo)致逆行，KM3（上行）和KM4（下行）導(dǎo)通與否不通過程序控制，而是由工作人員手動(dòng)控制，同時(shí)為了防止工作人員誤操作，可設(shè)置二次確認(rèn)的方式以保證絕對(duì)安全，即必須依次按下兩個(gè)按鈕才可確保扶梯改變運(yùn)行方向。檢修模式下，扶梯由變頻器供電，以設(shè)定的低速運(yùn)行。FR為市網(wǎng)供電工作時(shí)扶梯電機(jī)過載保護(hù)裝置熱繼電器，M為扶梯三相驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
旁路變頻控制的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了無人乘梯時(shí)低速運(yùn)行或停止，達(dá)到節(jié)能、降低噪聲、減少機(jī)械磨損的目的。由于采用了變頻控制，使系統(tǒng)的啟動(dòng)平穩(wěn)，降低了對(duì)電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊。
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)。控制流程圖如圖2-1所示。
圖2-1 ATmega128單片機(jī)系統(tǒng)控制流程圖
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。
ATMEGA128擴(kuò)展電路
圖2-2 ATMEGA128開發(fā)板輸入輸出接線圖
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?？刂品鎏菔褂肁TMEL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)。
圖2-3 EVK1100開發(fā)板
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。
圖2-3 FR-A700
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。
圖2-4 ATMEGA128開發(fā)板與變頻器的連線
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，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。
本系統(tǒng)采用E6A2-CW5C型的編碼器，其實(shí)物如圖2-5所示
圖2-5 E6A2-CW5C
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。
其實(shí)物如圖2-7所示
圖2-7 ISD 1720
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。
（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。
其實(shí)物如圖2-8所示。
圖2-8 GY50-W3-3E1
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
圖2-9 鑰匙開關(guān)
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，一下是使用方法。
將網(wǎng)絡(luò)改成局域網(wǎng)。
將EVK1100與電腦連接。
進(jìn)入控制網(wǎng)頁。
操作網(wǎng)頁參數(shù)。
通過操作網(wǎng)頁頁面可以對(duì)自動(dòng)扶梯進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，大大增強(qiáng)扶梯的安全性能。
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，停控制，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。
評(píng)論