攀绳的智能保护与辅助系统的设计

保松韧 吴洪锐 王毅 付宇贤

摘 要 为了提高基层官兵攀登运动的安全性，系统以STC89C52单片机为控制核心，包含拉力检测模块、LCD液晶显示模块、按键模块等，提出了一款军用的爬绳攀登训练辅助装置，当操作人员正常攀爬时，步进电机会匀速收绳;当操作人员失误下坠时，步进电机会停止收绳。能够有效对爬绳和攀登训练进行保护和辅助。

关键词 单片机 拉力 步进电机 保护

中图分类号：TN108.3文献标识码：A

0引言

当前，随着爬绳运动人数的日益增多和愈渐重视，安全事故也日益频发。通过对这些事故的发生原因进行分析可以知道，这类事故存在共同性，主要是国内外对爬绳攀登运动的安全保护技术发展较慢，投入较小;传统保护方法对保护人员要求较高，依赖较大，而专业保护人员培训难度大，成本高;传统的机械式保护设备故障率高，操作难度大，适用性低等原因。而随着电子技术的发展，智能化设备应用于军事和生活越发普遍和廉价，国内外也将攀登保护技术向着电子化、智能化发展。

1系统设计方案

攀绳智能保护与辅助系统主要实现的功能为：按下开始键计时器开始计时并执行保护程序，按下终止键后停止计时并通过显示屏显示成绩。绳子间有拉力传感器，能够测量安全绳所受拉力。计时器按下后，拉力传感器数值小于设定的具体数值，步进电机以一个适当速度转动，卷收绳子;当攀爬人员坠落，安全绳受力突然变大，当超过所设的数值，步进电机停止转动并锁死起到保护作用。为了便于训练，电机的转速可以进行高、中、低速调节，因人而异进行作业，减少战士的训练危险。

根据需要本次设计主要分为三个部分：以单片机为核心的主体控制单元;由拉力传感器、A/D转换模块和独立按键模块组成的检测控制部分;由电机驱动模块、步进电机以及液晶显示模块组成的驱动显示部分。设计重点是拉力传感器的检测电路和电机的控制电路。

2系统硬件的设计

2.1单片机最小系统设计

单片机的最小系统是指利用最少的元件组成的可以稳定工作的系统，是单片机运用的基础。它主要包括电源部分、晶振部分、复位电路部分。

2.2步进电机控制设计

系统中步进电机功率要求较大，需要单片机配合其他输出放大电路或是专门的步进电机驱动来实现对电机的控制。同时，良好的驱动不仅满足输出要求，还具有相应的控制保护电路，对于系统整体设计的可靠性和安全性提供保障。根据本系统的设计目的，经过论证研究，我们在这里采用ULN2003为步进电机提供脉冲信号。

2.3 AD电路设计

在本设计中，A/D转换器和外部拉力传感器均由HX711芯片内的稳压电路进行供电。单片机P2.0和P2.1口分别接DOUT和PD_SCK口，并连入两个4.7K的电阻进行分压，此两个端口进行串口通讯，用来输出输入数据。选择通道A，则A+口与A-口分别连接拉力传感器信号输出端。此时A信道可将输增益128倍，即将5mv的电压放大为128倍，而后单片机按相应时序将其读出进行下步操作。

2.4按键控制电路设计

独立按键的应用相对来说也是比较简单的，按键的一端与单片机的任意一个IO口连接，本设计中选择接入P3.2～P3.7口，按键的另外一端接入系统的地，就可以完成电路的设计。主要的原理就是采用单片机的IO口来检测按键引起的单片机的引脚的高低电平的变化。单片机默认状态引脚的IO口是高电平的，当按键按下单片机的引脚就检测到了低电平，单片机可以根据这个信号来识别是否有按键动作，间接的就检测到是否有人进行操作。

2.5显示电路设计

液晶显示的第一个引脚接地，接入低电平，连接系统的GND;第二引脚是显示屏电源，连接到系统的VCC引脚;液晶显示的第三个引脚是液晶显示系统的对比度调节引脚，主要用于调节显示的清晰程度，可以根据系统的实际要求去具体调节;液晶显示的第四个引脚是显示的信号引脚，可以设置成写信号和读信号，此引脚在接地的时候可以选择液晶的寄存器;液晶的第五引脚是作为数据选择引脚的方式进行设置的;液晶显示的第六个引脚是选择液晶是否使能;液晶显示的第七个引脚到第十四个引脚是数据传输引脚。将显示屏引脚与单片机P0口分别连接，通过相应程序，单片机输出不同电平信号，显示屏显示不同字符。

3系统软件的设计

主程序是整个系统软件设计的核心，是计算程序的中心部分，本设计主程序有效的使各模块共同协作，通过对拉力传感器、步进电机驱动、按键控制和显示处理的协调分析，利用判断、循环等数据结构，确定算法，简化步骤，最终绘制程序流程图

4系统的制作和综合调试

4.1硬件调试

设计出原理图之后需要对硬件电路进行焊接。采用洞洞板进行器件的安装，按照电路图进行固定，用焊锡焊接，并检查是否接触良好。根据原理图进行引脚之间的连接，当焊接好之后需要用万用表进行检查，看看是否具有短路或者虚焊的现象，检查确定连接无误之后再进行下步操作。

4.2软件的调试

编写各个子程序，程序的设计相对比较复杂，采用模块化的设计方法，进行逐个调试。当所有模块子程序设计完成，并调试正常运作之后进行系统程序的总体设计，最后合并各个程序。然后进行逐项功能的测试，确保系统预期功能的实现。

5结束语

此次设计通过对攀绳保护技术进行研究和改进，利用电子技术实现了对爬绳攀登运动的智能保护和辅助练。规避了现有攀绳运动中的不安全因素，解决了基层部队组织攀绳运动练习时人力物力耗费大、辅助练习困难等问题。提高了攀登爬绳运动的实效性，推动了部队攀爬类军事项目的发展。

參考文献

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[2] 刘磊.基于A/D芯片HX711的自制桥式传感器[J].数字技术与应用， 2018，334（04）：99-101.

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