一种升降高度可任意调节的智能路桩控制器设计

卢丹萍 丘天鹏

摘要：文章为解决现有路桩功能单一、使用不便的问题，设计了一种升降高度可任意调节的智能路桩控制器，由单片机、蓝牙模块、电机驱动电路、堵转检测电路组成，可通过手机APP操作控制路桩的上升和下降，实现任意高度调节。实践表明，该系统操作稳定可靠，具有较高的推广价值。

关键词：智能路桩;蓝牙;堵转检测

0 引言

当前我国城市化进程越来越快，在市政公共区域管理中路桩的应用越来越广泛，比如城市道路限行、停车场管理、步行街等。现有的路桩多为固定高度路桩，也有可升降路桩，但是都有一些缺陷。如果路桩高度能自由调节会带来很大的使用便利。

鉴于此，本文设计了一种基于蓝牙通信的智能升降路桩，将路桩基部埋在路面之下，伸出路面的部分桩体用直流电机通过螺纹螺杆带动其升降，用手机APP控制桩体停在最低点与最高点之间任意位置。

1 系统方案

系统方案如图1所示，控制核心为单片机，通过蓝牙或者WIFI与操作人员的手机连接，接收动作指令。单片机发送控制信号至驱动电路，电机会根据需要正转或者反转的指令带动路桩升降，可控制伸出路面的桩体高度为任意数值。当上升到最高点或者下降到最低点时，会触发上限位或者下限位传感器，单片机据此信號停止电机转动。电机在转动过程中如果产生堵转，检测电路会反馈给单片机，单片机随即发出停止指令，同时也会将故障信号发送给手机APP。为了提高系统安全性，操作人员利用手机APP连接控制板时，需要输入密码验证码等步骤，以此来提高可靠性，避免误操作和盗用的情况发生[1]。

2 电路设计

由图1可知，本控制系统由单片机、蓝牙模块、WIFI模块、直流电机、电机驱动电路、堵转检测电路、上下限位开关、指示灯等组成。对各部分介绍如下。

2.1单片机

本系统选用STC8F2K08S2-TSSOP20，此芯片为2.0～5.5V宽电压供电，8KbyteROM及2048ByteSRAM，还具有4KBtyeEEPROM，这些资源满足系统的设计需要。芯片还包括2路独立串口，可用于连接蓝牙模块的数据端口[2]。TSSOP20封装也很小巧，有利于最大程度地缩小电路板尺寸。

2.2 电机

使用ASLONGA5882-45涡轮蜗杆减速直流减速电机，工作电压范围：12～24V，额定电流300mA，额定24V转速为18rpm/min。此电机在较低电流的情况下，可提供140kg·cm的扭矩，可带动路桩完成升降的动作。

2.3 电机驱动电路

电机驱动电路如图2所示。电路MA、MB为单片机输出的控制信号，当MA、MB输出信号为“00”时，光耦U2、U3截止，三极管Q2、Q3截止，继电器K1、K2线圈不得电触点不动作，直流电机两端连到+24V，此时电机不转。当MA、MB输出信号为“01”时，光耦U2截止U3导通，三极管Q2截止Q3导通，继电器K1线圈不得电触点不动作，K21线圈得电触点动作，直流电机1脚连到+24V，电机2脚连经电阻R11之后倒地，此时电机正转。以此类推当MA、MB输出信号为“10”时电机反转，当MA、MB输出信号为“11”时电机停止。驱动信号与电机动作的关系如表1所示[3]。

电路中，D1、D2两个二极管为肖特基二极管，起保护作用[4]。电阻R11为取样电阻，当电机工作在额定电流300mA时，电阻两端压降为300mV，当检测到此电压高于某个数值时，说明电机发生堵转。如图2所示。

2.4 堵转检测

电机在工作过程中，由于限位失效、电机卡死、轨道故障等原因可能会造成电机堵转。如果出现这种情况不停止工作，可能会造成电机损坏或者设备损坏，因此堵转检测是个非常重要的主动保护策略。堵转检测电路如图3所示，由LM358和EL357N以及少量外围元件构成。LM358组成一个比较电路取样电阻（前述），R11的电压信号接入LM358的3脚。电阻R12与R13分压之后作为基准电压接入LM358的2脚，基准电压为0.6V。Int为输入单片机中断引脚的信号。当电机正常工作时，比较强同相输入端电压约为0.3V，此时比价器输出为“0”，光耦导通，Int信号为“1”。当电机发生堵转，R11两端电压升高，当高于0.6V时，比价器输出为“1”，光耦截止，Int信号为“0”，此时触发单片机中断，单片机控制电机停止转动，从而起到了保护的作用[5]。

电机在实际工作的过程中，也会产生各种干扰信号，输入比较器的电压不会很纯净，因此单片机程序还要结合数字滤波手段。

需要指出的是，这里只给出了一个路桩的电机驱动电路和堵转检测电路，此驱动电路和堵转检测电路和路桩一一配对。

2.5 蓝牙模块

蓝牙选用HC-06蓝牙串口通信模块，是基于BluetoothSpecificationV2.0带EDR蓝牙协议的数传模块。无线工作频段为2.4GHzISM，调制方式是GFSK。此模块的最大发射功率数值为4dBm，接收灵敏度为-85dBm，利用PCB电路板上的天线，通信距离可达10m。自带LED状态指示灯，可直观判断蓝牙的连接状态。

主要参数如下：

工作电压：3.0～3.6V，通信电平：3.3V，通讯接口：UART3.3VTTL电平，通讯电流：40mA，工作温度：-25℃～75℃。

如图4所示：模块采用邮票孔封装方式，模块大小为（27×13×2）mm，自带LED状态指示灯，可直观判断蓝牙的连接状态。

单片机串口可通过AT指令对模块进行各种设置。

“AT+BAUD1”指令，用于设置通信波特率，默认为9600bps，支持1200～1382400的波特率。成功之后返回“OK2400”。

“AT+NAMEname”指令，用于修改蓝牙名称，参数name为蓝牙设定的新名字，将会在蓝牙设备被搜索到的时候呈现，这个字符串不能太长，通常不应超过20个字符。设置成功之后返回“OKsetname”。

2.6 指示灯

指示灯的设置主要为了保证安全，在路桩升降过程以及路桩停留在较低位置时指示灯都应闪烁，提醒车辆和行人，避免事故发生。

3 程序设计

单片机程序主要完成系统初始化、串口数据接收、数据解析、电机控制等工作，程序流程如图5所示。

单片机上电之后进行系统初始化，包括环境变量设置、寄存器赋初值、串口初始化、中断初始化等，完成之后进入休眠状态。

管理人员需要操作升降路桩时，首先要打开手机APP，用蓝牙连接控制板。发出连接请求之后，板子串口会收到一帧数据。此时单片机被唤醒并处理数据请求，完成之后再次进入休眠。为保护系统被错误操作，登录APP时必须进行身份和密码验证，成功之后才能对电机进行操作。登录成功之后可控制电机上升下降及停止，电机每次动作的同时也会通过串口反馈一次当前的状态数据，操作完成之后退出登录单片机再次休眠。

堵转保护程序在中断程序里完成，此时单片机控制电机停止工作，并通过串口向APP发送报警信号。操作人员会根据现场情况做出相应处理。

4 手机端APP

手机端APP主要完成数据连接、用户登录、电机控制等操作。主要操作如图6～10所示。用户登录界面如图6所示，操作人员输入正确的用户名和密码之后才能进入系统完成后续动作。账户和密码由管理员提前分配，也可用超级用户修改。登录成功之后进入操作界面如图7所示，显示数据连接为蓝牙连接，电机处于停止状态，停止图标以红色突出显示。如后页图8所示，当按下上升按钮时，上升控制按钮以红色突出显示，同时APP发送控制指令给单片机。单片机会控制电机上升并反馈状态信息，此时升降台状态栏显示“路桩当前处于上升状态”。下降操作方法一样，如后页图9所示。当下降过程电机堵转保护停止时，停止按钮突出显示，同时路桩状态栏显示“注意，下降过程电机堵转，电机已停止！”，提醒操作人员排除故障，如后页图10所示。

5 结语

实践表明，本系统只需通过手机APP就能实现路桩任意高度的升降控制，灵活方便，安装便捷稳定可靠，为市政工程管理带来了很大的便利。本系统改进之后也可通过网络介入后台，可实现对城市所有路桩的网络化统一管理，具有一定的推广价值。

参考文献：

[1]李胜岚，李晶晶.基于Android平臺的移动校园App的设计与实现[J].计算机产品与流通，2019（1）：155-156.

[2]李虹静，李升辉.基于STC8系列单片机的继电器控制电路设计[J].科技与创新，2019（13）：37-38.

[3]林海滨，张 镐.基于H桥控制直流电机驱动电路设计[J].家电科技，2018（5）：42-45.

[4]王 勤.几种直流供电防反接保护电路的分析[J].电子技术与软件工程，2018（15）：216.

[5]付光杰，乔永娜，王佳楠，等.流量控制阀堵转保护装置的设计[J].国外电子测量技术，2018，37（1）：102-105.