高層建筑遇險(xiǎn)無(wú)動(dòng)力循環(huán)鏈梯逃生裝置，對(duì)居住于高層建筑的人們遇火逃生十分必要。無(wú)動(dòng)力消防鏈梯是一種典型的變負(fù)載非線性系統(tǒng)，隨著負(fù)載的增加，發(fā)電機(jī)繞組中的電流增加，磁場(chǎng)增強(qiáng)，轉(zhuǎn)速加快，鏈梯的下降速度也增大。系統(tǒng)要求不論負(fù)載如何變化，鏈梯穩(wěn)定下降的速度必須保持在0.4 m/s~0.5 m/s，為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器，根據(jù)鏈梯的實(shí)際響應(yīng)在控制過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整、修改和完善控制規(guī)則與參數(shù)，從而使系統(tǒng)的控制性能不斷完善，達(dá)到最佳的控制效果。
1 系統(tǒng)的主要硬件電路設(shè)計(jì)
　控制系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、控制器和執(zhí)行器三大部分組成。傳感器作為輸入部分，用于測(cè)量發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；控制器的作用是接收傳感器的輸入信號(hào)，并按設(shè)定的程序進(jìn)行計(jì)算處理，輸出結(jié)果；執(zhí)行器則根據(jù)控制單元輸出的信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使之按要求變化。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器不斷采集發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)入單片機(jī)中進(jìn)行Fuzzy－PID算法處理。單片機(jī)把采集到的速度偏差e和偏差變化值ec經(jīng)模糊算法處理（查表），在線調(diào)整KP、KI、KD，最后通過(guò)PID算式計(jì)算控制輸出量u。輸出量u控制晶閘管的通斷來(lái)控制負(fù)載電阻的大小。
　本控制系統(tǒng)以ATMEL89C52單片機(jī)為核心。AT89C52屬于MCS-51單片機(jī)的改進(jìn)型,是一種高性能的CMOS8位微控制器。由于其內(nèi)置8 KB的Flash存儲(chǔ)器，大大簡(jiǎn)化了單片機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1]。
1.1 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路
　傳感器輸出比較微弱的脈沖信號(hào)，需要轉(zhuǎn)換為幅值為＋5 V的單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)，用LM311比較器實(shí)現(xiàn)。實(shí)際電路如圖2所示。R2、R3用于調(diào)整比較器的基準(zhǔn)電壓，設(shè)定為0.25 V。當(dāng)傳感器的輸出電壓高于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出為+5 V的高電平，反之則輸出為0 V的低電平。比較器上拉電阻的大小會(huì)影響輸出幅度，由500 Ω改為15 kΩ后，輸出幅值增大。經(jīng)過(guò)該電路輸出穩(wěn)定、規(guī)則的波形。

1.2 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路
    在單片機(jī)系統(tǒng)中，每一路電阻對(duì)應(yīng)一個(gè)接口，當(dāng)人員發(fā)生變化時(shí)，只要根據(jù)控制量使相應(yīng)的端口輸出高電平，晶閘管導(dǎo)通，就可以改變負(fù)載電阻調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
    由于單片機(jī)輸出的信號(hào)不足以觸發(fā)晶閘管，故須將觸發(fā)功率放大。從單片機(jī)的端口輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖要經(jīng)過(guò)光電隔離器和三極管。光電隔離器用來(lái)提高系統(tǒng)抗干擾能力，三極管用來(lái)增大驅(qū)動(dòng)電流。此電路由緩沖器、光電隔離器、變壓器等部件組成，如圖3所示。

　當(dāng)單片機(jī)AT89C52端口無(wú)脈沖信號(hào)時(shí)，光電隔離器TIL117截止，變壓器無(wú)脈沖輸出，當(dāng)單片機(jī)端口有脈沖信號(hào)時(shí)，光電隔離器TIL117導(dǎo)通，從而使相應(yīng)的三極管BG導(dǎo)通，這樣觸發(fā)脈沖經(jīng)脈沖變壓器T輸出，促使晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通。
1.3 看門狗硬件電路
　鏈梯系統(tǒng)中為了保證單片機(jī)可靠穩(wěn)定運(yùn)行,需要“看門狗”監(jiān)視器[2]。由于該控制系統(tǒng)采用的AT89C52自身沒有看門狗功能，一旦系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)受到突發(fā)干擾使程序跑飛，單片機(jī)沒有自我保護(hù)能力，不能使系統(tǒng)重新工作。為此，本系統(tǒng)采用了MAX706和AT89C52構(gòu)成的“看門狗”硬件電路，如圖4所示。MAX706是一種性能優(yōu)良的低功耗CMOS監(jiān)控電路芯片，其內(nèi)部電路由上電復(fù)位、可重復(fù)觸發(fā)“看門狗”定時(shí)器及電壓比較器等組成[3]。

　CPU正常工作時(shí)，該電路對(duì)其不加干預(yù)，當(dāng)CPU工作失常一段時(shí)間后，看門狗電路動(dòng)作，使系統(tǒng)復(fù)位重新工作。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　整個(gè)速度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主程序設(shè)計(jì)和各種功能的子程序設(shè)計(jì)。其中主程序主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的上電初始化，以及功能化寄存器和端口寄存器的狀態(tài)設(shè)置。下面分別給出主程序和幾個(gè)主要處理子程序流程圖。
2.1 主程序
　主程序即管理級(jí)程序，主要完成系統(tǒng)的初始化，并等待中斷信號(hào)。其流程圖如圖5所示。

2.2 測(cè)速子程序
　本系統(tǒng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量采用M/T法[4] 實(shí)現(xiàn)，定時(shí)器T0對(duì)外部脈沖計(jì)數(shù)，記取傳感器輸出脈沖個(gè)數(shù)m1，定時(shí)器T1對(duì)內(nèi)部脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，記取時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)m2，定時(shí)器T2確定采樣周期T,定時(shí)器定時(shí)開始時(shí)刻總是與傳感器的第1個(gè)脈沖前沿保持一致,在T時(shí)間內(nèi)得到脈沖數(shù)m1。同時(shí)，另一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)T結(jié)束，只停止對(duì)外部脈沖計(jì)數(shù)，而在定時(shí)結(jié)束后傳感器輸出第一個(gè)脈沖前沿時(shí)，才停止對(duì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的計(jì)數(shù)，并得到m2,其持續(xù)時(shí)間Td=T+ΔT,轉(zhuǎn)速

2.3 模糊PID控制程序
    為了減少在線計(jì)算的復(fù)雜性，盡可能地提高算法的實(shí)現(xiàn)速度，本系統(tǒng)采用查表的方法實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的模糊實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。控制程序流程圖如圖7所示。

    本系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流，也即改變負(fù)載電阻來(lái)控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制鏈梯的下降速度，這是本文的一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)。系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心,進(jìn)行了鏈梯降速控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)。硬件部分主要是轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路的設(shè)計(jì)。另外為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)了看門狗電路。軟件部分主要是主程序與部分子程序的設(shè)計(jì)。此外采用了模糊PID控制算法，在保留常規(guī)PID控制算法優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，當(dāng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)還具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和良好的抗干擾性能,使鏈梯穩(wěn)定下降的速度始終保持在0.4 m/s 0.5 m/s。
參考文獻(xiàn)
[1] 余永權(quán).ATMEL89系列單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.
[2] 李維國(guó)，俞曉紅.一種新的單片機(jī)“看門狗”電路軟件設(shè)計(jì)方法[J].國(guó)外電子元器件，2000(10).
[3]  MAXIM. Product Selector Guide.2000.
[4]  李永東.交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.