CN106308036A - 一种升降桌电路控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升降桌电路控制系统，包括微控制器、电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机，所述微控制器分别连接电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机。本发明使用微控制器对数据进行读取、处理以及控制，通过读取编码器反馈回来的数值，进行PID算法控制电机的输出占空比，从而实现电机同步上升和下降，通过读取电机的电流值大小，判断出是否有电机以及是否过载等，可用通过安卓手机APP或者显示板进行高度显示或者按键输入。

Description

一种升降桌电路控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体是一种升降桌电路控制系统。

背景技术

在人类的发展过程中，从爬行进化为直立行走，而对全球家居的发展历史数据进行统计发现，坐具的发明是为了减轻人类在行走之后缓解所产生的疲劳，坐着办公也就随着流传了下来，而这种方式的弊端也渐渐的展现了出来，由于长时间的久坐桌子前办公，不仅仅不能够提高工作效率，反正会大大减少，人们便开始尝试使用的新的工作方式代替单一的坐在桌子面前办公，升降桌的诞生也由此而来，无论是长时间坐着办公还是站着办公，都对人体会产生一种疲劳，采用坐站交替的方式进行办公是当下一种流行的键盘办公方式，也只有坐站交替使用桌子，才是最健康的工作方式，也是最科学的工作方式。随着智能手机的普及，手机APP的发展也十分迅速，使用APP控制桌子的升降也是智能家居的一种全新交互方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种升降桌电路控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种升降桌电路控制系统，包括微控制器、电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机，所述微控制器分别连接电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机。

作为本发明进一步的方案：所述微控制器采用STM32F101C6T6。

作为本发明进一步的方案：所述微控制器首先采集编码器以及电流检测模块的数据，然后对编码器的数据进行分析，得到相应的脉冲数，然后通过PID算法对脉冲数进行处理，最后得到相应的PWM输出脉冲控制电机；对电流检测模块传递的电流数据进行分析，经过处理得到有无电机、过载以及遇阻功能判断。

作为本发明进一步的方案：所述电机为直流有刷电机。

作为本发明再进一步的方案：所述电流检测模块是在电机端对地加一个电阻，得到电阻端的电压，然后将这路信号通过运放放大，然后结合运发的放大倍数和电阻阻值计算出对应的电流，再对电流做出相应的判断，得到电机的工作状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明使用微控制器对数据进行读取、处理以及控制，通过读取编码器反馈回来的数值，进行PID算法控制电机的输出占空比，从而实现电机同步上升和下降，通过读取电机的电流值大小，判断出是否有电机以及是否过载等，可用通过安卓手机APP或者显示板进行高度显示或者按键输入。

附图说明

图1为升降桌电路控制系统的结构示意图；

图2为升降桌电路控制系统中 独立按键电路图；

图3为升降桌电路控制系统中矩阵键盘电路图；

图4为升降桌电路控制系统中电机驱动电路原理图；

图5为升降桌电路控制系统中主程序流程框图；

图6为升降桌电路控制系统中电机控制子流程图；

图7为升降桌电路控制系统中 PID算法控制子流程图；

图8为升降桌电路控制系统中报警子程序流程图；

图9为升降桌电路控制系统中ADC处理算法流程图；

图10为升降桌电路控制系统中WIFI控制器程序。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～10，本发明实施例中，一种升降桌电路控制系统，包括微控制器、电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机，所述微控制器分别连接电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机；所述微控制器采用STM32F101C6T6；所述微控制器首先采集编码器以及电流检测模块的数据，然后对编码器的数据进行分析，得到相应的脉冲数，然后通过PID算法对脉冲数进行处理，最后得到相应的PWM输出脉冲控制电机；对电流检测模块传递的电流数据进行分析，经过处理得到有无电机、过载以及遇阻功能判断；所述电机为直流有刷电机；所述电流检测模块是在电机端对地加一个电阻，得到电阻端的电压，然后将这路信号通过运放放大，然后结合运发的放大倍数和电阻阻值计算出对应的电流，再对电流做出相应的判断，得到电机的工作状态。

本发明的工作原理是：键盘以按键的形式来来设置控制功能或者是数据，是人机交互的一种最基本的途径之一。其实按键的本质就是一个开关量，在程序中通过判断引脚的状态从而得知按键是否被按下，本次产品共有7个按键，分别是向上运行、向下运行、设置键以及位置标定1234。而常见的按键电路无非就是2种，独立按键以及矩阵按键。其中独立按键相对较简单，所以经常用到开关量较少的场合，矩阵键盘则是用在如数字键输入等数据较多。功能相对较复杂的场合，生活中最常见的矩阵键盘就是电脑的键盘。

独立按键是将按键直接和IO口相连，然后另一端连接到地，将IO口配置为上拉模式或者是在外部加一个上拉电阻，这样的话，在按键没有按下的时候,该IO口就是高电平，如果将按键按下的话就是低电平，这样的话就实现了检测按键是否被按键，然后通过程序处理，对按键进行消抖处理便可以实现按键的检测，具体如图2所示。

以4*4的矩阵键盘为例，其一共需要8个IO口，构成一个16个按键的键盘，相对独立按键节约了8个IO口，其中8个IO口可以分为4个行线和4个列线，在行线和列线的每个交叉点上放置一个按键，这样就构成一个4*4的矩阵键盘，具体如图3所示。其工作原理是首先将行线其中的一位拉高，这样的话，如果对应的列线4个按键没有按下的话，其应该都为高电平，如果有按键被按下的话，那么对应的那一位IO口则应该为低电平，这样反复4次，则可以检测16个按键到底有没有被按下。

按键可以和IO口直接相连接，也可以通过按键读取芯片，如ZLG7289、TM1638等，通过IIC通信协议进行通信，占用IO口较少，并且也比较方便，减少CPU的使用资源，该类芯片大多都是可以接矩阵键盘，完全可以满足项目需求，当有按键按下的时候，芯片会将其内部寄存器相应位置改变，通过IIC总线读取对应寄存器的值便可以得到按键的状态，然后做出相应的处理。

使用TM1638作为显示模块的数码管刷新芯片和按键扫描芯片，微控制器通过IIC协议与TM1638通信，微控制器发送数据到TM1638，TM1638就会将数据显示在数码管上面，当有按键按下的时候，TM1638会发送数据大到微控制器，微控制器得到数据在做出相应处理。这样做不仅仅使用2个IO口实现了控制3个数码管和7个按键，并且也大大节约了微控制器刷新数码管和读取按键值的时间。

本发明还同WIFI模块与安卓APP通信。

由于电机是24V直流电机，而我们的产品是用在家庭或者办公场所，所以需要一个电源将市电变为24V电，由于需要通过PWM调速，所以需要将电压提高一些，这样才能保证电机工作在最高性能，而我们主控板的供电电压是5V和3.3V，所以同时电源也需要转变为5V和3.3V，同时由于电机的电流较大，每个电机工作电流可以达到近3A，固也需要大功率、高效率的电源。常见的开关电源转换有半桥和全桥，其中半桥的功率没有全桥大，但是其效率要比全桥高，且成本也较低，固本次设计使用半桥拓扑结构。

本设计选用基本型芯片STM32F101C6T6作为微处理器。通过一个P沟道的MOS管与两个继电器实现PWM脉宽调制电路，由ULN2003L型达林顿管对电机实现驱动能力，通过使用TM1638芯片与七个按键和三位数码管构成一个人机交互电路，通过运算放大电路对电流实施检测，本产品还设计有稳压电路、过温检测电路、系统供电及下载电路、存储电路、滤波电路等。

转速的运算表达式为： 。运用PWM脉宽调制，这与占空比有很大的关系。标准方波占空比为0.5，占空比在直流电机调速方面有着很大的作用，占空比是高电平在一个周期占用时间的比率。在脉冲的作用下，电机的通电时间导致了电机的转速，电机供电的连接方法能够控制电机的正转与反转。定义电机一直导通时的转速为Vmax，占空比为，因此电机的平均速度为：

Vd=Vmax·D (3-1)

式中，Vd为电机平均速度，Vmax为电机的最大速度，Vd=Vmax·D为占空比。Vd与占空比D并不是完全线性关系，当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。

由以上叙述可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比＝1时，电机转速最大。

PWM码是一种脉宽调制码，它的组成为9MS高电平和4MS低电平引导脉冲，16位系统识别码，8位数据正码和8位数据反码。我们要解的就数据码。一个PWM码的0是由一个0.58ms的低电平和一个0.58ms的高电平87组成，1是由一个0.58ms的低电平地和一个1.58ms的高电平组成。解码原理是这样的。首先通过延时来丢开引导码，然后通过解码丢掉16位系统识别码，最后解系统正码和反码。解开后将正码取反看是否与反码相同，如果相同，即解开保存其值。解码0或1是这样的。在低电平的时候等待，直到为高了后，用一个0.882ms的延时去量，量完后，如果为低了,证明前面是一个0.58ms低电平和一个0.58ms高电平地组成，即保存一个0，如果为高，则证明是由一个0.58ms低电平地和一个1.58ms高电平组成，即保存一个1。为1则再调一个延时，让它延到低电平。等待到高电平后重复上述过程解码。

本产品的PWM波产生方式为控制继电器的通断时间来实现电机的正转反转以及PWM脉宽调制，其原理图如图4所示。下面以PWM_1电路进行介绍：

通过对P沟道MOS管的PWM输入可调制出电机所需转速占空比。当2003_OUT1端输入高电平时，继电器K1工作，这时Header6中2脚为高电平，此时，如果2003_OUT2端输入低电平致使继电器K2不工作，那么Header6中1脚为低电平。该电路中，R2为采样电阻，Header6中LEG1_1与LEG1_2为编码器端口。PWM_2与PWM_3的设计与PWM_1电路一样。

本发明的软件部分主要是为了解决3个问题：

（1）是用两个桌腿或者三个桌腿的时候，可以保持同步的上升，因为使用的是直流有刷电机，所以需要通过程序去控制电机的转速，使其三个桌腿的转速相同。

（2）保护功能，即是当有桌腿被拔出、上面重物太大、突然来一个重物等情况，对桌子进行保护，方式携翻。

（3）显示当前位置以及按键控制上下和位置标定，通过程序读取编码器的位置信息，然后通过计算得到桌腿的高度，最后显示在数码管上面，同时读取按键数值，在程序中做出相应的处理。

主程序首先检测计算位置值，然后显示在数码管上面，之后读取按键值，如果有按键按下则控制电机行走，执行相应的程序，同时开启保护检测功能，检测到之后就进行报警，并且进入复位状态，用户检查错误，并且修正之后一直按着下键，直到完成复位之后，可以继续使用，具体流程如图5所示。

由于是直流有刷电机，在相同电压的情况下，不同的负载，会出现不同的转速，所以，让两边负载不一样的情况下，就会出现一边高，一边低的情况，这样会直接携翻桌面，所以需要通过程序算法控制，使其可以实现在不同负载的情况下，转速相同，在电机控制领域，PID算法是比较常用的一种算法，由于本系统的相应速度不需要很快，所以使用基本的PD算法就可以，每100ms检测一次两个编码器的脉冲数差，得到两个腿的相差高度，然后将高度通过PD算法得到对应的PWM波，在通过定时器输出相应占空比波形，使每条腿都可以以同样的速度上升。具体程序流程图如图6所示。

PID算法是控制领域很常用的一种算法，其可以实现控制速度的恒定，主要是通过反馈去调节PWM波的占空比，从而实现控制电机速度的控制。P值得是比例，I是积分，D是微分，先设定一个值，比如我们的系统中，两个两个腿之间的误差就是我们的设定值，通过编码器反馈的脉冲得到差值，然后通过PD计算，得到需要增加或者减少的PWM值，需要对这个值进行一个限制，太大或者太小会使PWM值突然增加很多，桌面也会随之晃动，，所以每次调节不能太多，如果达到满偏则每次加最大值，得到最终的PWM值后，通过定时器输出。具体软件流程图如图7所示。

本产品主要应用在办公领域，如果上升或者下降过程中，遇到突发情况，比如电机 线松动，掉落，如果在不知情的情况下，还继续上升或者下降的话，很容易出现桌子坏掉的 情况，所以加入一定的保护功能是很有必要的，对不同客户的需求，本产品共有2个版本，2 条桌腿和3条桌腿，程序为了兼容，所以都以3条桌腿为准，屏蔽掉第三条桌腿的程序即为2 条桌腿的程序，其具体报警代码和功能如下表所示：

报警代码	含义
		ER0	过温报警
ER1	无电机1
		ER2	无电机2
ER3	无电机3
		ER4	过载1
ER5	过载2
		ER6	过载3

其都是通过检测电流值，如果电流值过低则说明是没有电机，如果电流值过高的话，则说明是过载，温度是通过电阻分压，得到PT100的电阻值，然后的得到对应的温度值，不过由于电流采样之后，经过运放，会产生一些误差，所以需要通过算法去消除这些误差。另外除了这7个保护之外还有遇阻功能，这个功能和过载功能类似，不过判断电压值的小比过载低一些。

首先判断电机是否在动作，如果是在动作的话，则多次读取ADC值，经过算法处理ADC值，然后和最低值做对比是否有电机，然后和中间值对比，达到中间值且没有达到最大值，则说明是遇阻，如果达到最大值，则说明过载，遇阻无需报警，其他功能都需要报警，并且执行复位操作。具体实现流程图如图8所示。

电流值的稳定性直接影响到了报警系统的误判性，如果电流值出现了不稳定，那么，就有可能出现误报警的情况，这样，会给用户的体验带来不佳，所以对电流值的处理也是很关键的一部，本产品中的电流处理方法主要采用了一阶滞后滤波算法，其主要工作原理是选取0-1之间的一个数字，然后使其上一次的结果乘以这个数字，在加上1减去这个数字在乘以这一次采集到的数据，进行一个处理，可以对周期性的干扰波进行一个抑制的作用，经过实验，得到，去0.3的效果比较明显，其具体软件实现如图9所示。

当检测到无电机或者过载时，需要用户检测问题，处理之后，桌面会出现不平行的情况，就需要复位，将桌面再次平行，复位就是使两个桌腿都走到最下面，然后反弹一小段，复位完成，如果在复位过程中，问题没有解决的话，电机会直接停止运行，直到用户排除问题，才能继续进行复位。

键盘和显示也是本次程序设计的重头戏，其中，按键不仅仅可以控制桌子的上升、 下降，还可以记录4个位置、强制复位、厘米英寸转换功能，其具体功能如下表所示。

按键值	功能
		KEY1	上升
KEY2	下降
		KEY3	设置
KEY4	位置记录1
		KEY5	位置记录2
KEY6	位置记录3
		KEY7	位置记录4
KEY3+KEY1	厘米英寸切换
		KEY3+KEY2	强制复位

设置键按下5秒内，按下位置记录任意一个按键，则记录当前位置，如果不按下设置键，只按下位置记录按键，则是桌子走到记录的位置。如果长按KEY3+KEY1超过5秒以上，则执行厘米英寸切换功能，如果长按KEY3+KEY2超过5秒以上，则执行强制复位功能，即不管在上面情况下，都会进入复位状态，这个功能是用来使用过程中，桌面不平行的情况下，使其复位，使桌面平行使用。

显示功能可以显示出桌子实际的高度，通过3个数码管显示，如果高度低于100cm，则可以精确到毫米，如过高于100，则只显示到厘米。如果按下KEY3键5秒以内，则会显示S-，在5秒内，有位置标记按键被按下，则显示相应的记录位置，如：KEY5被按下，则显示S-1，5秒后，无按键按下，则显示会当前位置，如果出现报警，则显示报警代码，如无电机会出现ER1，在复位状态会显示RES，显示界面会在不同时候显示不同的东西，去提醒用户桌子的工作状态。

本产品的一大特点就是不仅仅可以使用手控器控制桌子的升降，并且可以使用安卓手机客户端去控制桌子的升降，其工作方式和手控器类似，采用WIFI和安卓手机进行通信，具体程序流程图如图10所示。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种升降桌电路控制系统，包括微控制器、电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机，其特征在于，所述微控制器分别连接电源、编码器、按键、显示模块、电流检测模块和电机。

2.根据权利要求1所述的升降桌电路控制系统，其特征在于，所述微控制器采用STM32F101C6T6。

3.根据权利要求1所述的升降桌电路控制系统，其特征在于，所述微控制器首先采集编码器以及电流检测模块的数据，然后对编码器的数据进行分析，得到相应的脉冲数，然后通过PID算法对脉冲数进行处理，最后得到相应的PWM输出脉冲控制电机；对电流检测模块传递的电流数据进行分析，经过处理得到有无电机、过载以及遇阻功能判断。

4.根据权利要求3所述的升降桌电路控制系统，其特征在于，所述电机为直流有刷电机。

5.根据权利要求1所述的升降桌电路控制系统，其特征在于，所述电流检测模块是在电机端对地加一个电阻，得到电阻端的电压，然后将这路信号通过运放放大，然后结合运发的放大倍数和电阻阻值计算出对应的电流，再对电流做出相应的判断，得到电机的工作状态。