一種自動控制升降橫臂的風(fēng)桿裝置設(shè)計

摘"要：本文設(shè)計了一種利用步進(jìn)電機(jī)技術(shù)的自動控制升降橫臂的風(fēng)桿裝置。該裝置設(shè)計采用單片機(jī)作為核心處理器，根據(jù)風(fēng)桿的高度與電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈的周長計算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)，按照步進(jìn)電機(jī)每步的角度進(jìn)行控制即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動后的自動停止。步進(jìn)電機(jī)提供橫臂升降的動力，同時添加手動模式，當(dāng)電機(jī)故障導(dǎo)致風(fēng)桿無法上升或下降時，可利用人力操作手動讓風(fēng)桿完成升降。本文所述裝置安全系數(shù)高，便于現(xiàn)場使用，降低操作風(fēng)險，避免多人協(xié)作以及人工攀爬方式，可以提高自動氣象站完成風(fēng)向風(fēng)速傳感器換檢以及維修效率，對基層氣象保障能力的提升具有重要意義。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)技術(shù)；單片機(jī)；自動控制技術(shù)

中圖分類號：P414.6""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

風(fēng)向風(fēng)速是地面觀測中必不可少的觀測要素，所有的國家級自動氣象站和大部分省級區(qū)域自動氣象站都開展風(fēng)向風(fēng)速的測量［1］。目前，吉林省氣象部門使用風(fēng)桿或風(fēng)塔搭載風(fēng)向風(fēng)速傳感器的方式，氣象自動觀測站現(xiàn)用的風(fēng)桿或風(fēng)塔高10米，上接接閃器，總高共計11.5米左右［2］，在設(shè)備日常維護(hù)或定期檢修時，需要多人協(xié)作才能將風(fēng)桿放倒，風(fēng)塔需要采用人工攀爬的方式，這就對工作人員及觀測場尺寸有較高的要求。為此有必要探索一種利用自動控制升降橫臂的風(fēng)桿裝置，利于風(fēng)向風(fēng)速傳感器的日常維護(hù)，便于現(xiàn)場使用，降低操作風(fēng)險。

1"系統(tǒng)總體設(shè)計方案

自動控制升降橫臂的風(fēng)桿裝置作為機(jī)電一體化設(shè)備，采用模塊化設(shè)計方案。以單片機(jī)為主控芯片，配有自動控制單元、升降牽引單元、磁吸固定單元等部分。通過單元間的協(xié)同配合，實(shí)現(xiàn)控制搭載風(fēng)向風(fēng)速傳感器橫臂的自動升降，同時添加手動模式，當(dāng)電機(jī)故障導(dǎo)致風(fēng)桿無法上升或下降時，可利用人力操作手動讓風(fēng)桿完成升降［3］。

2nbsp;硬件設(shè)計

升降風(fēng)桿的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。自動控制升降橫臂的風(fēng)桿裝置包括主體桿架（1）、電源模塊（2）、自動控制單元（3）、手動操作桿（4）、升降牽引單元（5）、磁吸固定單元（6）。

如圖2所示，本設(shè)計中的主體桿架（1）包括桿架體（11）、固定橫臂（12）、接閃器（13）、下引線（14）、接地體（15）。接閃器（13）、下引線（14）、接地體（15）組成防雷系統(tǒng)，避免傳感器遭直擊雷；電源模塊（2）分別為電機(jī)、磁吸固定單元和單片機(jī)供電；自動控制單元（3）包括單片機(jī)、電機(jī)、卷軸、電機(jī)開關(guān)、鏈條、撥片。電機(jī)與卷軸之間用鏈條相連，且?guī)в袚芷b置，剝離撥片即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)與卷軸脫離。手動操作桿（4）與卷軸相連接，剝離撥片后可人工搖動控制移動橫臂升降。

如圖3所示，升降牽引單元（5）包括移動橫臂（51）、傳感器底座（52）、滑輪（53）、數(shù)據(jù)線（54）、鋼絲（55）。傳感器底座（52）焊接在移動橫臂（51）上；數(shù)據(jù)線（54）與傳感器底座（52）固定相連，用于風(fēng)向風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)傳輸。

如圖4所示，磁吸固定單元（6）包括上磁鐵（61）、下磁鐵（62）、磁吸開關(guān)（63）。上磁鐵（61）與固定橫臂（12）固連，下磁鐵（62）與移動橫臂（51）固連。靜止?fàn)顟B(tài)時，上磁鐵（61）與下磁鐵（62）相吸引，以固定移動橫臂（51）防止擺動與脫落。磁吸開關(guān)（63）通過自動控制單元（3）控制下磁鐵（62）的通電狀態(tài)，進(jìn)而控制上磁鐵（61）和下磁鐵（62）的吸放，進(jìn)而控制移動橫臂（51）在豎直方向的升降［4］。

當(dāng)操作者按下電機(jī)開關(guān)時，電機(jī)通電，觸發(fā)單片機(jī)接收到下降信號，下降信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)動收線，釋放移動橫臂，啟動電機(jī)，電機(jī)同時驅(qū)動牽引兩排滑輪和卷軸的傳動，使鋼絲及數(shù)據(jù)線收緊，帶動移動橫臂下降，收緊至底部或故障報警時自動停止。當(dāng)操作完成后，關(guān)閉電機(jī)開關(guān)，觸發(fā)單片機(jī)接收到上升信號，步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動放線，等待移動橫臂上升至原位。當(dāng)操作者按下磁吸開關(guān)時，觸發(fā)單片機(jī)斷開下磁鐵的通電狀態(tài)，關(guān)閉即恢復(fù)通電。

3"軟件設(shè)計

本設(shè)計以單片機(jī)為核心控制各個模塊的啟動和停止，采用大功率MOS驅(qū)動電機(jī)，同時單片機(jī)通過串口接收控制信號，包括轉(zhuǎn)速大小、步數(shù)、開機(jī)停機(jī)信號、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信。

3.1"開發(fā)環(huán)境

可采用現(xiàn)在最流行的單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境Keil"uVision3，把源程序編輯、編譯、調(diào)試、下載、運(yùn)行等操作全部集中在一個環(huán)境下進(jìn)行，包括設(shè)定電機(jī)的預(yù)置步數(shù)、運(yùn)行方式、轉(zhuǎn)速等［56］。可根據(jù)風(fēng)桿的高度與電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈的周長計算步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動圈數(shù)，單片機(jī)按照步進(jìn)電機(jī)每步的角度進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動后的自動停止。

3.2"控制電機(jī)的思路

利用封裝函數(shù)控制單個電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，并且能夠配速，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與脈沖數(shù)成正比。因此，控制脈沖數(shù)和脈沖頻率就可以精確調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系如下：

W=f×60360°T×x

式中，W：轉(zhuǎn)速；f：頻率；x：驅(qū)動器細(xì)分倍數(shù)；T：電機(jī)步距角。

3.3"程序設(shè)計

對STM32F103C8T6單片機(jī)驅(qū)動通用42步進(jìn)電機(jī)（步距角1.8°，相數(shù)為2，轉(zhuǎn)子齒數(shù)50，雙拍制）的程序進(jìn)行設(shè)計和調(diào)試。以下展示部分程序：

4"實(shí)驗(yàn)結(jié)果

但由于時間與經(jīng)費(fèi)的原因，實(shí)物尚未開始制作，未來將進(jìn)一步實(shí)施。

結(jié)語

本文利用步進(jìn)電機(jī)設(shè)計一種自動控制升降橫臂的風(fēng)桿裝置，用軟件達(dá)到了對步進(jìn)電機(jī)的精確控制。裝置設(shè)計全面便捷，安全系數(shù)高，便于現(xiàn)場使用，降低操作風(fēng)險，可以提高自動氣象站完成風(fēng)向風(fēng)速傳感器換檢以及維修效率，對基層氣象保障能力的提升具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］劉昕，邊澤強(qiáng)，李松奎.自動氣象站風(fēng)向風(fēng)速儀現(xiàn)場校準(zhǔn)方法研究［J］.計量與測試技術(shù)，2015，42（08）：78+10.

［2］趙宇亮.一種自動升降風(fēng)桿：CN2104"65726U［P］.20200505.

［3］劉樹峰，蘇軼，張寧，等.移動氣象臺的常見問題分析［J］.山東氣象，2010，30（04）：4648.

［4］黃輝，李清雙.一種磁吸升降組件：CN212534326U［P］.20210212.

［5］衡蜓.基于C8051F040單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計［D］.太原：太原科技大學(xué)，2011.

［6］劉春桐，何禎鑫，黃先祥，等.基于C8051F120單片機(jī)的混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2013（03）：7275.

作者簡介：趙丹陽（1996—"），女，漢族，吉林長春人，碩士研究生，助理工程師，研究方向：儀器計量檢定。