智能便捷式起吊机设计

刘福道

（鞍山师范学院 物理科学与技术学院，辽宁 鞍山 114007）

智能便捷式起吊机设计

刘福道

（鞍山师范学院 物理科学与技术学院，辽宁 鞍山 114007）

本文介绍了基于单片机的智能便捷式起吊机的研究，具体包括智能起吊机的工作过程和工作效益，装置设计基本原理，单片机工作的基本方式，以及外围主要电路的设计要点，整个系统利用模块化进行设计，操作简单。通过软硬件的结合探索了单片机在实际应用中的作用。

智能控制；便捷；起吊机设计

1 引言

房屋装修都需要搬运建筑材料，若使用大型的起吊装置往往成本昂贵，人力搬运工钱较高，而且楼道的高度、宽窄和搬运物体的体积，都给搬运带来了很大的困难。针对这些问题，本文设计了一款智能起吊机，通过小型电机和简单支架设备可以起吊沙子、水泥、石膏和一些体积不大、重量相对较轻的装修材料，本装置还采用了单片机的记忆功能控制电机的下行，提高了工作效率。智能便捷式起吊机作为一种能有效提高房屋装修进展的装置，在市场上经济效益很广，实际使用价值较高，而且成本低，便于安装。

2 智能起吊机简介

2.1 装置图的设计

通过市场调查，设计除要考虑装置美观度、所用材料、受力情况等，为使装置在整体上达到稳定，还要考虑装置的失效性[1]。本装置采用了三管一线，有两根管子是竖直的，中间可以升降，防止室内高度不同，影响装置的稳定性[2]。当管子的顶端碰到房顶时，固定好管子，以防管子往下滑。还有一管是横向的，在管里安装上滑轮，当物体运上来时，可以横向拽物体，通过滑轮运进屋里，避免了人伸出窗外拉物体，排除了安全隐患。还有一根斜拉线，通过它来减轻物体对横向管的作用力。此装置的设计解决了实际的载重问题，节省了室内空间。此装置比起直接固定在墙体上的产品更易拆卸与搬运。见图1。

图1 装置实物图

2.2 智能起吊机工作过程

起吊机操作至少需要两个人配合，其过程是：户外上料员上料，室内人员起吊并且看管货物上行状态，当货物达到规定的高度时，人在室内横拉物体，通过横放置的管运到室内，卸货的人员关闭电机，将货物卸下。起吊机上升与下降过程采用匀速电机进行运转。上升的时候由于人为的原因导致起吊机载重会发生变化，上升时间就会不同，所以要智能控制货物的上行过程难以实现。下行过程中，吊篮空载，下行时间相对稳定。当第一次进行下降时，启动装置，然后进行计时，利用单片机的记忆功能保存计数。以后下降时，启动自动下降按键，当吊篮到达地面之后电机刚好就会停止，节省了人照看吊篮下降的时间。当变换楼层时，高度会发生变化，下降的时间也会发生变化，我们对整个过程清零，然后重新进行上面的操作。

3 设计基本原理

3.1 系统方案

智能便捷式起吊机系统方框图如图2，系统由单片机控制器、按键控制电路、液晶显示电路、晶振电路、复位电路、继电器控制电路、电源电路七部分组成。

单片机为整个系统的核心[3]，负责整个起吊机的运行，通过按键控制电路的输入，电机工作，相应的指示电路反馈电机的工作情况，液晶显示工作的时间。

图2 智能便捷式起吊机的系统方框图

3.2 原理设计

S1、S2、S3为按键控制电路，K1、K2为继电器控制指示电路与继电器控制电机工作电路，LCD1602为液晶显示。电路详细的分析见主要电路的设计。

图3 电路设计原理图

图3为智能起吊机的主控电路图，根据需求分析，设计出原理图，参考ALTIUM DESIGNER原理图与PCB设计书中制作原理图的过程[4]，画出完整的原理图。

图4 proteus仿真电路图

当按下上升按键时，电机正转，相应的指示灯亮；当抬起上升按键，电机停止转动，相应的指示灯灭；第一次按下下降按钮，单片机计时并保存，电机反转，相应的指示灯亮；当吊篮到达地面，抬起下降计时按键，电机停止工作，指示灯灭；此后下降时，按下自动下降按钮，当吊篮到达地面时，电机自动停止，指示灯熄灭。根据仿真结果来看，理论与实际的结果达成一致。说明电路的设计与驱动的完成没有出现错误。

4 主要电路设计

4.1 单片机选型

AVR系列的单片机丢弃了计算机复杂的指令，通过计算机哈佛结构使运算速度提高，当然这种高速度是靠高可靠性来保障的。AVR单片机的I/O口驱动能力强，可以减少外围电路的设计，可以省去功率驱动器件，为电路的设计带来了很大的方便。通用型号的AVR供货较为稳定，有些样品供货存在问题，通常要使用内部的上拉电阻，悬空将造成干扰。PIC系列的单片机注重从实际出发，I/O口少，存储空间不大，价格便宜，一般在小型场合使用较多，PIC引脚可以接到220V交流电源上，可直接与大功率的器件相连，无需隔离，但是在操作上具有危险性[5]。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，与MCS-51单片机完全兼容，功能特别强大，随着时代的发展，AT89C51已停止生产，完全由AT89SX代替。代表性的产品有AT89S51和AT89S52。AT89S52单片机片内有8KB flash存储器，256B的RAM,6个中断源，3个定时器/计数器；AT89S51单片机内有4KB flash存储器，128B的RAM,5个中断源，2个定时/计数器。AT89系列单片机相对PIC单片机引脚多，不会直接在引脚上接220v交流电，避免失电后带来的危险,从制作的安全性方面来说，我们应该优先考虑AT89系列的单片机。AT89系列的单片机相对AVR单片机来说，抗干扰能力强，供货稳定。AT89S52相对AT89S51单片机存储空间大，抗干扰能力强。AT89S52相对于AT89C51来说，多了1个定时器，ARM多了128B,ROM了多4K,AT89C51工作频率最大为24M,而AT89S52工作频率最大能够达到33M。通过对各种单片机的比较，最终我们选用AT89S52单片机。

4.2 电源电路

在电子电路中，需要对交流电压进行处理，如图5。第一步，采用降压变压器对交流电网电压降压。第二步，为了得到小功率的直流电压，将得到的交流电压需要转换为直流电压，单相半波整流电路虽然简单，但是单相半波整流电路效率太低，在这里选择单相全波整流。假设变压器副边电压U2，通过单相全波整流的电压约为0.9U2。第三步，整流过后的电压仍然有交流成分，需要滤去交流成分，选择最简单的电容处理。第四步，对电压进行稳压处理[6]。稳压管7805的标准输出电压U0为5V，考虑输入与输出间电压差带来的功率损耗，根据经验，一般选取稳压管输入U1=( ) 2～3 U0，所以U1的取值范围在10V到15V之间。我们取12V，那么变压器的有效值为U2。则电网电压有10%的波动，即变压比单片机所能承受的最大电流IO不能大于71 mA,在单相桥式整流电路中，每只二极管只在变压器的半个周期通过电流，所以平均电流只有负载电阻上电流的一半，即滤波电容的选取,为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，电容容量满足

图5 电源电路图

4.3 电磁继电器控制电路

电磁继电器是一种电子控制器件，用弱电控制强电，电路中起自动调节安全保护的作用。常开触点就是在线圈通电时处于闭合状态，在线圈断电时处于断开状态。常闭触点则与之相反。单片机是一个弱电器件[7]，不能控制电磁继电器，因为单片机自身所能承受的电压是5伏。况且继电器对于单片机来说也是一个大功率器件，电磁继电器还要驱动控制负载，所以这里对电压进行放大，我们选用三极管。继电器线圈两端电压很大，为了防止线圈失电，在线圈两端并联一个大功率二极管释放电压。

5 总结

本设计通过单片机计时功能实现起吊机智能下降。通过简化结构设计，方便安装与拆卸，节省空间、便于操作，还避免高空作业，解决安全隐患。通过单片机控制继电器控制电机，实现了弱电控制强电。产品设计最大限度降低了设备成本，便于推广和使用。

[1]杨瑞刚，徐格宁，范小宁．桥式起重机结构可靠性失效准则与剩余寿命评估准则[J]．中国安全科学学报，2 0 0 9(10)：9 5-10 0．

[2]吴明桦．家庭房屋装修浅谈[J]网络财富，2 0 0 9(0 8)：2 0 8-2 0 9．

[3]彭伟．单片机C语言程序设计实训10 0例[M]．北京：电子工业出版社，2 0 12．

[4]黄智伟，黄国玉．A LT IU MD ESIG NER原理图与PC B设计[M].北京：人民邮电出版社．2 0 16．

[5]张毅刚．单片机原理及应用[M]．北京：高等教育出版社，2 0 14．

[6]童诗白．模拟电子技术基础[M]．北京：高等教育出版社，2 0 0 6：512-56 2．

[7]郭天祥．新概念51单片机C语言教程[M]．北京：电子工业出版社，2 0 0 9．

Design on Intelligent Portable Lifting Machine

Liu Fudao
(Anshan Normal University,Anshan 114007,Liaoning)

This paper researches on the intelligent portable lifting machine based on microcontroller,including the working process,working efficiency,the basic principle of device design,the basic work mode of SCM,as well as the main points in the design of peripheral circuit.The whole system uses the modular design.The operation is simple.The application of SCM is explored through the combination of hardware and software.

intelligent control;convenient;lifting machine design

TP232 文献识别码：B

1008-6609(2016)11-0029-03

刘福道（19 9 3－），男，甘肃兰州人，本科，研究方向：电子信息科学与技术。

2 0 16年辽宁省大学生创新创业训练计划项目：智能便捷式起吊机，项目编号：U PR P2 0 140 40 3。