一種升降桌電路控制系統的製作方法

2023-12-04 12:09:51 2

本發明涉及一種控制系統，具體是一種升降桌電路控制系統。
背景技術：
：在人類的發展過程中，從爬行進化為直立行走，而對全球家居的發展歷史數據進行統計發現，坐具的發明是為了減輕人類在行走之後緩解所產生的疲勞，坐著辦公也就隨著流傳了下來，而這種方式的弊端也漸漸的展現了出來，由於長時間的久坐桌子前辦公，不僅僅不能夠提高工作效率，反正會大大減少，人們便開始嘗試使用的新的工作方式代替單一的坐在桌子面前辦公，升降桌的誕生也由此而來，無論是長時間坐著辦公還是站著辦公，都對人體會產生一種疲勞，採用坐站交替的方式進行辦公是當下一種流行的鍵盤辦公方式，也只有坐站交替使用桌子，才是最健康的工作方式，也是最科學的工作方式。隨著智慧型手機的普及，手機APP的發展也十分迅速，使用APP控制桌子的升降也是智能家居的一種全新交互方式。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種升降桌電路控制系統，以解決上述
背景技術：
中提出的問題。為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種升降桌電路控制系統，包括微控制器、電源、編碼器、按鍵、顯示模塊、電流檢測模塊和電機，所述微控制器分別連接電源、編碼器、按鍵、顯示模塊、電流檢測模塊和電機。作為本發明進一步的方案：所述微控制器採用STM32F101C6T6。作為本發明進一步的方案：所述微控制器首先採集編碼器以及電流檢測模塊的數據，然後對編碼器的數據進行分析，得到相應的脈衝數，然後通過PID算法對脈衝數進行處理，最後得到相應的PWM輸出脈衝控制電機；對電流檢測模塊傳遞的電流數據進行分析，經過處理得到有無電機、過載以及遇阻功能判斷。作為本發明進一步的方案：所述電機為直流有刷電機。作為本發明再進一步的方案：所述電流檢測模塊是在電機端對地加一個電阻，得到電阻端的電壓，然後將這路信號通過運放放大，然後結合運發的放大倍數和電阻阻值計算出對應的電流，再對電流做出相應的判斷，得到電機的工作狀態。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明使用微控制器對數據進行讀取、處理以及控制，通過讀取編碼器反饋回來的數值，進行PID算法控制電機的輸出佔空比，從而實現電機同步上升和下降，通過讀取電機的電流值大小，判斷出是否有電機以及是否過載等，可用通過安卓手機APP或者顯示板進行高度顯示或者按鍵輸入。附圖說明圖1為升降桌電路控制系統的結構示意圖；圖2為升降桌電路控制系統中獨立按鍵電路圖；圖3為升降桌電路控制系統中矩陣鍵盤電路圖；圖4為升降桌電路控制系統中電機驅動電路原理圖；圖5為升降桌電路控制系統中主程序流程框圖；圖6為升降桌電路控制系統中電機控制子流程圖；圖7為升降桌電路控制系統中PID算法控制子流程圖；圖8為升降桌電路控制系統中報警子程序流程圖；圖9為升降桌電路控制系統中ADC處理算法流程圖；圖10為升降桌電路控制系統中WIFI控制器程序。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。請參閱圖1～10，本發明實施例中，一種升降桌電路控制系統，包括微控制器、電源、編碼器、按鍵、顯示模塊、電流檢測模塊和電機，所述微控制器分別連接電源、編碼器、按鍵、顯示模塊、電流檢測模塊和電機；所述微控制器採用STM32F101C6T6；所述微控制器首先採集編碼器以及電流檢測模塊的數據，然後對編碼器的數據進行分析，得到相應的脈衝數，然後通過PID算法對脈衝數進行處理，最後得到相應的PWM輸出脈衝控制電機；對電流檢測模塊傳遞的電流數據進行分析，經過處理得到有無電機、過載以及遇阻功能判斷；所述電機為直流有刷電機；所述電流檢測模塊是在電機端對地加一個電阻，得到電阻端的電壓，然後將這路信號通過運放放大，然後結合運發的放大倍數和電阻阻值計算出對應的電流，再對電流做出相應的判斷，得到電機的工作狀態。本發明的工作原理是：鍵盤以按鍵的形式來來設置控制功能或者是數據，是人機互動的一種最基本的途徑之一。其實按鍵的本質就是一個開關量，在程序中通過判斷引腳的狀態從而得知按鍵是否被按下，本次產品共有7個按鍵，分別是向上運行、向下運行、設置鍵以及位置標定1234。而常見的按鍵電路無非就是2種，獨立按鍵以及矩陣按鍵。其中獨立按鍵相對較簡單，所以經常用到開關量較少的場合，矩陣鍵盤則是用在如數字鍵輸入等數據較多。功能相對較複雜的場合，生活中最常見的矩陣鍵盤就是電腦的鍵盤。獨立按鍵是將按鍵直接和IO口相連，然後另一端連接到地，將IO口配置為上拉模式或者是在外部加一個上拉電阻，這樣的話，在按鍵沒有按下的時候,該IO口就是高電平，如果將按鍵按下的話就是低電平，這樣的話就實現了檢測按鍵是否被按鍵，然後通過程序處理，對按鍵進行消抖處理便可以實現按鍵的檢測，具體如圖2所示。以4*4的矩陣鍵盤為例，其一共需要8個IO口，構成一個16個按鍵的鍵盤，相對獨立按鍵節約了8個IO口，其中8個IO口可以分為4個行線和4個列線，在行線和列線的每個交叉點上放置一個按鍵，這樣就構成一個4*4的矩陣鍵盤，具體如圖3所示。其工作原理是首先將行線其中的一位拉高，這樣的話，如果對應的列線4個按鍵沒有按下的話，其應該都為高電平，如果有按鍵被按下的話，那麼對應的那一位IO口則應該為低電平，這樣反覆4次，則可以檢測16個按鍵到底有沒有被按下。按鍵可以和IO口直接相連接，也可以通過按鍵讀取晶片，如ZLG7289、TM1638等，通過IIC通信協議進行通信，佔用IO口較少，並且也比較方便，減少CPU的使用資源，該類晶片大多都是可以接矩陣鍵盤，完全可以滿足項目需求，當有按鍵按下的時候，晶片會將其內部寄存器相應位置改變，通過IIC總線讀取對應寄存器的值便可以得到按鍵的狀態，然後做出相應的處理。使用TM1638作為顯示模塊的數碼管刷新晶片和按鍵掃描晶片，微控制器通過IIC協議與TM1638通信，微控制器發送數據到TM1638，TM1638就會將數據顯示在數碼管上面，當有按鍵按下的時候，TM1638會發送數據大到微控制器，微控制器得到數據在做出相應處理。這樣做不僅僅使用2個IO口實現了控制3個數碼管和7個按鍵，並且也大大節約了微控制器刷新數碼管和讀取按鍵值的時間。本發明還同WIFI模塊與安卓APP通信。由於電機是24V直流電機，而我們的產品是用在家庭或者辦公場所，所以需要一個電源將市電變為24V電，由於需要通過PWM調速，所以需要將電壓提高一些，這樣才能保證電機工作在最高性能，而我們主控板的供電電壓是5V和3.3V，所以同時電源也需要轉變為5V和3.3V，同時由於電機的電流較大，每個電機工作電流可以達到近3A，固也需要大功率、高效率的電源。常見的開關電源轉換有半橋和全橋，其中半橋的功率沒有全橋大，但是其效率要比全橋高，且成本也較低，固本次設計使用半橋拓撲結構。本設計選用基本型晶片STM32F101C6T6作為微處理器。通過一個P溝道的MOS管與兩個繼電器實現PWM脈寬調製電路，由ULN2003L型達林頓管對電機實現驅動能力，通過使用TM1638晶片與七個按鍵和三位數碼管構成一個人機互動電路，通過運算放大電路對電流實施檢測，本產品還設計有穩壓電路、過溫檢測電路、系統供電及下載電路、存儲電路、濾波電路等。轉速的運算表達式為：。運用PWM脈寬調製，這與佔空比有很大的關係。標準方波佔空比為0.5，佔空比在直流電機調速方面有著很大的作用，佔空比是高電平在一個周期佔用時間的比率。在脈衝的作用下，電機的通電時間導致了電機的轉速，電機供電的連接方法能夠控制電機的正轉與反轉。定義電機一直導通時的轉速為Vmax，佔空比為，因此電機的平均速度為：Vd=Vmax·D(3-1)式中，Vd為電機平均速度，Vmax為電機的最大速度，Vd=Vmax·D為佔空比。Vd與佔空比D並不是完全線性關係，當系統允許時，可以將其近似地看成線性關係。因此也就可以看成電機電樞電壓Ua與佔空比D成正比，改變佔空比的大小即可控制電機的速度。由以上敘述可知：電機的轉速與電機電樞電壓成比例，而電機電樞電壓與控制波形的佔空比成正比，因此電機的速度與佔空比成比例，佔空比越大，電機轉得越快，當佔空比＝1時，電機轉速最大。PWM碼是一種脈寬調製碼，它的組成為9MS高電平和4MS低電平引導脈衝，16位系統識別碼，8位數據正碼和8位數據反碼。我們要解的就數據碼。一個PWM碼的0是由一個0.58ms的低電平和一個0.58ms的高電平87組成，1是由一個0.58ms的低電平地和一個1.58ms的高電平組成。解碼原理是這樣的。首先通過延時來丟開引導碼，然後通過解碼丟掉16位系統識別碼，最後解系統正碼和反碼。解開後將正碼取反看是否與反碼相同，如果相同，即解開保存其值。解碼0或1是這樣的。在低電平的時候等待，直到為高了後，用一個0.882ms的延時去量，量完後，如果為低了,證明前面是一個0.58ms低電平和一個0.58ms高電平地組成，即保存一個0，如果為高，則證明是由一個0.58ms低電平地和一個1.58ms高電平組成，即保存一個1。為1則再調一個延時，讓它延到低電平。等待到高電平後重複上述過程解碼。本產品的PWM波產生方式為控制繼電器的通斷時間來實現電機的正轉反轉以及PWM脈寬調製，其原理圖如圖4所示。下面以PWM_1電路進行介紹：通過對P溝道MOS管的PWM輸入可調製出電機所需轉速佔空比。當2003_OUT1端輸入高電平時，繼電器K1工作，這時Header6中2腳為高電平，此時，如果2003_OUT2端輸入低電平致使繼電器K2不工作，那麼Header6中1腳為低電平。該電路中，R2為採樣電阻，Header6中LEG1_1與LEG1_2為編碼器埠。PWM_2與PWM_3的設計與PWM_1電路一樣。本發明的軟體部分主要是為了解決3個問題：（1）是用兩個桌腿或者三個桌腿的時候，可以保持同步的上升，因為使用的是直流有刷電機，所以需要通過程序去控制電機的轉速，使其三個桌腿的轉速相同。（2）保護功能，即是當有桌腿被拔出、上面重物太大、突然來一個重物等情況，對桌子進行保護，方式攜翻。（3）顯示當前位置以及按鍵控制上下和位置標定，通過程序讀取編碼器的位置信息，然後通過計算得到桌腿的高度，最後顯示在數碼管上面，同時讀取按鍵數值，在程序中做出相應的處理。主程序首先檢測計算位置值，然後顯示在數碼管上面，之後讀取按鍵值，如果有按鍵按下則控制電機行走，執行相應的程序，同時開啟保護檢測功能，檢測到之後就進行報警，並且進入復位狀態，用戶檢查錯誤，並且修正之後一直按著下鍵，直到完成復位之後，可以繼續使用，具體流程如圖5所示。由於是直流有刷電機，在相同電壓的情況下，不同的負載，會出現不同的轉速，所以，讓兩邊負載不一樣的情況下，就會出現一邊高，一邊低的情況，這樣會直接攜翻桌面，所以需要通過程序算法控制，使其可以實現在不同負載的情況下，轉速相同，在電機控制領域，PID算法是比較常用的一種算法，由於本系統的相應速度不需要很快，所以使用基本的PD算法就可以，每100ms檢測一次兩個編碼器的脈衝數差，得到兩個腿的相差高度，然後將高度通過PD算法得到對應的PWM波，在通過定時器輸出相應佔空比波形，使每條腿都可以以同樣的速度上升。具體程序流程圖如圖6所示。PID算法是控制領域很常用的一種算法，其可以實現控制速度的恆定，主要是通過反饋去調節PWM波的佔空比，從而實現控制電機速度的控制。P值得是比例，I是積分，D是微分，先設定一個值，比如我們的系統中，兩個兩個腿之間的誤差就是我們的設定值，通過編碼器反饋的脈衝得到差值，然後通過PD計算，得到需要增加或者減少的PWM值，需要對這個值進行一個限制，太大或者太小會使PWM值突然增加很多，桌面也會隨之晃動，，所以每次調節不能太多，如果達到滿偏則每次加最大值，得到最終的PWM值後，通過定時器輸出。具體軟體流程圖如圖7所示。本產品主要應用在辦公領域，如果上升或者下降過程中，遇到突發情況，比如電機線鬆動，掉落，如果在不知情的情況下，還繼續上升或者下降的話，很容易出現桌子壞掉的情況，所以加入一定的保護功能是很有必要的，對不同客戶的需求，本產品共有2個版本，2條桌腿和3條桌腿，程序為了兼容，所以都以3條桌腿為準，屏蔽掉第三條桌腿的程序即為2條桌腿的程序，其具體報警代碼和功能如下表所示：報警代碼含義ER0過溫報警ER1無電機1ER2無電機2ER3無電機3ER4過載1ER5過載2ER6過載3其都是通過檢測電流值，如果電流值過低則說明是沒有電機，如果電流值過高的話，則說明是過載，溫度是通過電阻分壓，得到PT100的電阻值，然後的得到對應的溫度值，不過由於電流採樣之後，經過運放，會產生一些誤差，所以需要通過算法去消除這些誤差。另外除了這7個保護之外還有遇阻功能，這個功能和過載功能類似，不過判斷電壓值的小比過載低一些。首先判斷電機是否在動作，如果是在動作的話，則多次讀取ADC值，經過算法處理ADC值，然後和最低值做對比是否有電機，然後和中間值對比，達到中間值且沒有達到最大值，則說明是遇阻，如果達到最大值，則說明過載，遇阻無需報警，其他功能都需要報警，並且執行復位操作。具體實現流程圖如圖8所示。電流值的穩定性直接影響到了報警系統的誤判性，如果電流值出現了不穩定，那麼，就有可能出現誤報警的情況，這樣，會給用戶的體驗帶來不佳，所以對電流值的處理也是很關鍵的一部，本產品中的電流處理方法主要採用了一階滯後濾波算法，其主要工作原理是選取0-1之間的一個數字，然後使其上一次的結果乘以這個數字，在加上1減去這個數字在乘以這一次採集到的數據，進行一個處理，可以對周期性的幹擾波進行一個抑制的作用，經過實驗，得到，去0.3的效果比較明顯，其具體軟體實現如圖9所示。當檢測到無電機或者過載時，需要用戶檢測問題，處理之後，桌面會出現不平行的情況，就需要復位，將桌面再次平行，復位就是使兩個桌腿都走到最下面，然後反彈一小段，復位完成，如果在復位過程中，問題沒有解決的話，電機會直接停止運行，直到用戶排除問題，才能繼續進行復位。鍵盤和顯示也是本次程序設計的重頭戲，其中，按鍵不僅僅可以控制桌子的上升、下降，還可以記錄4個位置、強制復位、釐米英寸轉換功能，其具體功能如下表所示。按鍵值功能KEY1上升KEY2下降KEY3設置KEY4位置記錄1KEY5位置記錄2KEY6位置記錄3KEY7位置記錄4KEY3+KEY1釐米英寸切換KEY3+KEY2強制復位設置鍵按下5秒內，按下位置記錄任意一個按鍵，則記錄當前位置，如果不按下設置鍵，只按下位置記錄按鍵，則是桌子走到記錄的位置。如果長按KEY3+KEY1超過5秒以上，則執行釐米英寸切換功能，如果長按KEY3+KEY2超過5秒以上，則執行強制復位功能，即不管在上面情況下，都會進入復位狀態，這個功能是用來使用過程中，桌面不平行的情況下，使其復位，使桌面平行使用。顯示功能可以顯示出桌子實際的高度，通過3個數碼管顯示，如果高度低於100cm，則可以精確到毫米，如過高於100，則只顯示到釐米。如果按下KEY3鍵5秒以內，則會顯示S-，在5秒內，有位置標記按鍵被按下，則顯示相應的記錄位置，如：KEY5被按下，則顯示S-1，5秒後，無按鍵按下，則顯示會當前位置，如果出現報警，則顯示報警代碼，如無電機會出現ER1，在復位狀態會顯示RES，顯示界面會在不同時候顯示不同的東西，去提醒用戶桌子的工作狀態。本產品的一大特點就是不僅僅可以使用手控器控制桌子的升降，並且可以使用安卓手機客戶端去控制桌子的升降，其工作方式和手控器類似，採用WIFI和安卓手機進行通信，具體程序流程圖如圖10所示。對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化囊括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但並非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp