1.引言

現代生活使人們的生活高層化，高層建筑為人們提供方便快捷的同時也給人們的安全帶來隱患.緩降器可以將處于高層建筑物上的受困人員快速解救下來.但是，現有技術中的緩降器，有的結構比較復雜，使用中需要電源.

當事故發生時，高層建筑通常都會斷電，使用電源的緩降器無法運行；結構復雜的緩降器，長期放置，非常容易出現故障.還有的緩降器使用操作復雜，對于非專業人員，往往不便使用.發生險情時，尤其是老人或小孩，容易驚慌，復雜的操作會減慢脫險速度，如果操作失誤，反而會發生新的險情.

2.系統主要硬件

本文設計的緩降器，系統結構簡單，安裝方便，防止斷電造成意外，裝置具備自身發電.儲能作為能源，做到了真正意義低碳，并能夠適應出險時順利脫險.它包括：一個帶滑動支架的框架機構，一個線繩卷筒.一臺發電機.一臺減速電機.一臺復位電動機.一個線繩卷筒減速機構.一個載人裝置和一個控制裝置.如圖1所示.他們之間通過一條柔軟的鋼絲繩連接，為了增加鋼絲繩與發電機的摩擦力，可以將鋼絲繩在發電機的轉動軸上多繞幾周.當有重物（或者是人）放（站）在載物盤（人）上，載物盤受到重力加速度的作用，越來越快的下降，發電機轉動軸也隨之轉動并產生更多的電能；電能經過充電器給蓄電池充電；蓄電池經過電源管理模塊再為控制器.傳感器.減速電機.復位電機等設備提供電源.由于重力加速度產生的電能很大（實驗數據見表1說明）.根據能量守恒公式得出重物做功為W1=F*s=G*h,得到的電能為W2=U*I*t;相對來說機械效率為η=W2/W1*100%;η越大說明自己供電的風險越高，反之，自己供電安全系數越大，η很小.而控制器.傳感器使用低功耗元件，電流都是毫安級，幾乎可以忽略.減速電機只有下降速度超限時才發揮作用，所以說用電時間.用電量都可以滿足要求.

3.系統控制原理

3.1 控制原理

控制原理如圖2所示，當有重物（或者是人）放（站）在載物盤（人）上，載物盤受到重力加速度作用，越來越快的下降，發電機轉動軸也隨之轉動并產生電能；電能通過充電器給蓄電池充電；蓄電池經過電源管理模塊再為控制器.傳感器.減速電機復位電機提供電源.當載物盤下降速度超過設定上限時，發電機上的轉動軸也快速旋轉，轉動軸外有一圈均勻的分割的小葉片，在小葉片的外側裝有對射的光電式傳感器，轉動軸旋轉越快，對射式的光電傳感器被遮擋的頻率越高，產生的脈沖越多；因此測出載物盤與脈沖成正比，可以根據測得脈沖數控制減速電機的正反.快慢.減速電機的正反.快慢又影響到絲杠.摩擦片與摩擦盤之間的位置關系，從而可以控制緩降器的下降速度.因為發生危險時，緩降器將發生多次作用，當緩降器下到最低部，就要考慮載物盤的復位問題，如何識別緩降器已經到底部，緩降器載物盤上沒有人了，當緩降器到底部時，發電機的轉動軸不再轉動，此時增設幾秒鐘的延時，作為下來時間就可以了.復位電機是空載，轉速可以恒速控制，而且要快.以避免緩降器在非正式使用時，載人裝置不會意外降下.該限位卡具有一定的強度，當意外地有小孩拉動或坐上載人裝置時，該限位卡可以卡住載人裝置不使其下降.當要使用時，載人裝置上乘坐人的重量超過限位卡的極限強度，被拉斷，則載人裝置即可下降.

3.2 單片機的選用

單片機模塊在控制系統處于核心的位置，從硬件設計的角度來說，首先要保證其供電穩定，其次要對其部分功能模塊如PWM通道，定時器通道的進行編程，寫入驅動程序，使其工作.MC9S12系列單片機是以速度更快的CPU12內核為核心的單片機系列，總線速度為8MHZ,MC9S12 DG128開發板實際上是單片機構成的最小系統.板上有構成最小系統需要的復位電路.晶體振蕩器及時鐘電路，驅動電路，+5V電源插座.單片機的所有I/O端口都通過2個64芯的歐式插頭引出.由于直流電機的轉速和緩 降器的下降時刻變化.存在傳感器測量滯后.灰分測量值存在檢測滯后等原因，在實際的起降操作不能簡單的按照傳統的PID控制，采用模糊控制效果更加理想，本文提供的單片機完全滿足緩降器控制系統的要求.

3.3 傳感器工作原理

發光二極管在使用約15mA發射電流.沒有強烈外部光線干擾時，探測距離達到20mm,由于傳感器與轉輪距離很近，大約只有5mm,所以這樣的探測距離完全可以滿足需要.紅外傳感器的電路有多種形式，在這里為了安裝調試方便，我們采用了圖3的電路形式.圖3中LM324為四個運算放大器所組成的IC芯片，將LM324連接成為一個電壓比較器，其反相輸入端由電位器分壓后接入，同相輸入端接收三極管的集電極，這樣設計的電路非常的直觀，且輸出端為數字信號“0”或者“1”,可直接與單片機的I/O端口相連.

3.4 電源模塊

單片機.傳感器及其信號采集電路需要+5V電源，采用低壓降電源管理芯片LM2576產生，LM2576,價格低廉，電路成熟，但是考慮到驅動電機啟動瞬間會引起電壓瞬間下降的現象，所以電源管理系統中采用了低壓降的電壓調節器LM2576來產生5V電壓.如圖4所示.

4.軟件設計

本文設計的緩降器，通過放繩索下降而驅動發電機運轉發電，再通過發出的電能驅動減速電動機帶動線繩卷筒轉動，減速機構阻止放繩索下降的速度，使得緩降器能夠基本上勻速地下降，既快捷.又安全，老人.孩子使用也很方便.軟件流程如圖5所示.

5.實驗測試

實驗實物如圖6所示.為了驗證緩降器的有效性，對實物進行安裝與調試，為了計算方便，對在重量和高度專門設計，載重量為5.0Kg.10.0Kg,高度3.0m.6.0m,測控數據為選擇關鍵的參數：發電機電壓.電流，載物盤的下降時間.發電機電壓.電流是考量其產生電量的參數，它關系到自供電的成敗.下降時間是測量下降速度的參數.需要說明的是有無控制器作用載物盤的下降速度方式是不一樣的，有控制器作用載物盤做的是勻速運動，無控制器作用載物盤做的是勻加速運動.通過表1的相關數據能說明這一點.勻速運動0.5~0.6m/s;變化幅度10~20%勻加速運動1.1~2.6m/s2,變化幅度最大150%.

表1數據除重量.高度外其它為3次的平均值.實驗環境為普通實驗室環境.

6.結束語

本文提供的緩降器具有如下優點：結構簡單.部件銜接緊湊，便于安裝；質量可靠；考慮到了能源環保.防止意外等情況的發生.為了克服這些問題在裝置設計上具有自身發電.儲能等功能，做到了真正意義低碳，并能夠適應出險時可能斷電的情況.因此，它特別適合于高層建筑，尤其高校的居住公寓.辦公樓，用于應備突發事件.通過實驗，達到了預期效果.