基于嵌入式系统的施工升降机自动控制系统设计研究

东华理工大学地球物理与测控技术学院 洪伟力 王金博

引言

在建设高层建筑或在进行大型的施工建设中，施工升降机是一种不可或缺的设备，它能够实现施工人员以及施工物资的运送功能。在现阶段的调查中能够发现，施工升降机的自动化控制系统的设计并不先进，技术水平较低。这样的情况增加了施工的安全隐患和工期的浪费。尤其是在施工升降机的运行中，施工单位并没有对升降机的负荷进行严格的设定，导致危险系数增加。为了保证施工的安全，并实现人力资源和物质资源的合理运用，对嵌入式系统的施工升降机自动化控制系统进行优化设计是十分重要的。

1.嵌入式系统的施工升降机自动控制系统的整体设计

根据实际的施工需要，展开对嵌入式系统的施工升降机自动控制系统进行整体的设计工作。系统中应用的单元和器材包括：重量传感器、光电编码器、风速传感器、无线收发模块、外围电路、中央处理器、存储单元、Linux操作系统、设备驱动程序、应用程序、LCD显示器、触摸屏、警报输出单元、控制量输出单元、继电器、交流接触器以及电机。同时，也要配套架设楼层呼叫装置。利用S3C2440处理器作为主控制器应用到嵌入式系统的施工升降机自动控制系统[1]。

嵌入式系统的施工升降机自动控制系统的主要运行流程为：利用系统中的重量传感器，对进入升降机中的人或施工物资进行重量的检测，保证升降机中的重量在合理范围内。光电编码器对施工升降机的位置进行检测，结合风速传感器对外界风速的测定，影响施工升降机的运行。无线收发模块会对各个施工楼层传来的施工升降机呼叫信息进行收集。这些数据及信息都会由主控制器进行处理和控制，保证一旦施工环境中的风速达到六级，就会立即停止施工升降机的工作，并切断运行电源。在施工升降机中的重量达到规定负荷的90%时，会通过报警输出单元发出警报，而在达到满载或者超载的情况下，施工升降机的警报输出单元会发出声光结合的报警信号，并利用主控制器对施工升降机的运行进行停止。只有当施工升降机中的重量下降到设定范围内时，主控制器才会恢复施工升降机的运行。

施工升降机的主控制器通过收集并判断各个施工楼层发出的呼叫信号，并结合施工升降机中当前的负荷及运行状态，对施工升降机的选层和停靠进行判断。

2.系统中传感器检测单元的设计

传感器检测单元属于嵌入式系统的施工升降机自动控制系统中的硬件部分，主要包括重量传感器、光电编码器和风速传感器。在进行传感器检测单元的设计时，要明确该单元的主要作用是信息数据的采集和传递。重量传感器会对施工升降机中当前的负荷进行感应和数据采集，光电编码器对施工升降机当前所处的位置进行判断、风速传感器会对施工环境中的风速进行检测，这些数据在采集完毕后都会提交到中央处理子系统中进行综合的分析及判断，完成施工升降机安全运行。

在施工升降机的传感器检测单元中，重量传感器中的两个拉板传感器分别连接在施工升降机的吊笼挂轴以及驱动板挂轴上，这样的方式能够有效弥补传统重量传感器中对于受力方向的要求较高的漏洞，保证施工升降机中重力检测模块的安全、稳定运行。

光电编码器主要是对输至轴上的几何位移量通过光电转换变成脉冲或是数字量进行输出。在嵌入式系统的施工升降机自动控制系统正式投入使用之前，要对主控制器中进行初始化操作，使主控制器对于光电编码器输出的各种脉冲或是数字量进行记录，保证施工升降机实际运行的准确。

在系统中使用的风速传感器，可以选择使用三杯式的风速传感器，通过三个风杯的旋转速度进行数据的转换与输出，并将其连接于主控制器，完成风速数据的采集工作。基于S3C2440处理器的主控制器中能够与A/D采集端口，实现风速传感器输出的电压数据的采集。

3.系统中监控仪表单元的设计

在嵌入式系统的施工升降机自动控制系统中，监控仪表单元的硬件包括：中央处理器、AD采集模块、电源模块、存储模块、脉冲计数模块、继电器输出模块、TET液晶屏及触摸屏、音频输出模块、USB外部接口模块等等。基于监控仪表单元的功效以及耗能的考量，可以选用S3C2440处理器，保证处理器内核运行的低消耗以及高性能。并且由于S3C2440处理器包含着400MHz的主频以及多样的硬件外设资源，使得系统中的监控仪表系统的功能更加完善。

嵌入式系统的施工升降机自动控制系统的监控仪表单元的硬件结构可以进行如下的设计：利用S3C2440微处理器、DDR内存、时钟源、NAND FLASH组成监控仪表模块的核心单元，并在核心单元两侧架设电源模块、液晶屏接口、触摸屏接口、脉冲计数输入接口、RS232接口、USB接口、继电器输出接口、SD卡接口、GPIO接口、模拟量输入接口。

4.系统中的软件的设计

软件的设计可以说是嵌入式系统的施工升降机自动控制系统设计的核心。在进行该系统的软件设计中，要对所包含的通信模块、实时监控模块、参数设置模块、控制输出模块进行设计。

首先，系统中的通信模块可以应用NRF401芯片，实现信息数据收发模式之间的切换，对于施工楼层的呼叫数据也能进行无线的接收，能够实现两个吊笼内的主控制器之间的互联，并能够对数据进行校验[2]。其次，系统中的实时监控模块可以对于各个传感器，例如重量传感器、光电编码器和风速传感器等采集到的信息进行显示与处理，并对各个施工楼层监测到的信息进行处理。第三，系统中参数设置模块的主要作用是通过对施工升降机运行的各种参数信息进行设置，来实现参数控制和施工升降机的安全运行。

在施工升降机的设计和运行中，一般会选用双笼式的结构。在这样的情况下，必须通过系统软件设计保证两个吊笼之间的联系，防止冲突的发生。这样的系统软件工作流程为：系统初始化后，对于系统进行自检，判断是否有超载现象发生，如果有则利用连接的警报输出系统发出报警信息，同时返回上一阶段的超载检测。如果没有超载，则开始判断是否有楼层发出呼叫信号，如果有，则进行数据的接受并对楼层的呼叫进行列队和显示。如果没有楼层的呼叫信号，则通过其他的呼叫信号获取，对施工升降机的吊笼进行上下控制，同时进行平层控制。最后要判断是否停止工作，如果有其他呼叫信号，则继续工作并返回判断超载的阶段进行工作。

5.总结

综上所述，目前在施工中运用施工升降机自动控制系统较少，施工升降机的自动化控制水平相对较低。通过利用NRF401芯片、S3C2440微处理器等对施工升降机的自动控制系统进行搭建，并对嵌入式系统的施工升降机自动控制系统进行整体设计、传感器检测单元的设计、监控仪表单元的设计以及系统软件设计，能够有效提升施工升降机的工作效率和安全性，实现了多吊笼的施工升降机协同运行。