施越超

摘要：為了減少在電梯發(fā)生故障電梯防護(hù)措施不能積極響應(yīng)時(shí)對(duì)人造成的傷害，在此設(shè)計(jì)了一種防墜梯液壓系統(tǒng)的驗(yàn)證方法，該方法利用了紅外測(cè)距傳感器模塊和加速度傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以STC12C5A60S2-351單片機(jī)為控制核心，對(duì)采集到的距離和加速度反饋給單片機(jī)，同時(shí)通過控制L9110S電機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，通過電機(jī)控制液壓系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)轎廂的監(jiān)測(cè)和制動(dòng)。

Abstract： In order to reduce the damage caused by the elevator protection measures which cannot respond positively to the elevator， a verification method of the anti-falling hydraulic system is designed. The method utilizes the infrared distance sensor module and the acceleration sensor module monitoring the status of the elevator and STC12C5A60S2-351 microcontroller as the control core， collecting distance and acceleration while controlling the L9110S motor module to achieve the negative and the positive rotation of the DC motor. The motor control hydraulic system achieves the elevator monitoring and braking.

關(guān)鍵詞：電梯；防墜系統(tǒng)；STC12C5A60S2-351單片機(jī)；紅外測(cè)距傳感器；加速度傳感器

Key words： elevator；system of anti-falling；STC12C5A60S2-351 single-chip；infrared ranging sensor；acceleration sensor

中圖分類號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）16-0097-03

0 引言

現(xiàn)代化進(jìn)程加快，越來越多的改成建筑拔地而起，電梯成了人們主要的上樓代步工具，電梯安全就尤為重要，我們應(yīng)該重視電梯安全來有效保障我們的生命財(cái)產(chǎn)安全。目前我們的電梯上配備的保護(hù)裝置有限速系統(tǒng)、行程極限系統(tǒng)、緩沖器系統(tǒng)、制動(dòng)器系統(tǒng)[1]。中北大學(xué)利用安全氣囊作為電梯的保護(hù)裝置，防止肉體直接與轎廂碰撞[2]。利用紅外溫度傳感器監(jiān)測(cè)電梯運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、方便、無接觸的測(cè)量[3]。嘉興市特種設(shè)備檢測(cè)院提出一種利用光電編碼器測(cè)量電梯的速度，利用電磁伸縮桿制成限速器[4]，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作速度穩(wěn)定。上海交通大學(xué)提出了電梯被動(dòng)安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[5]，利用有限元方法得到了電梯和成員的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢測(cè)所提出了新型防墜落裝置，通過緩沖器的能量轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娞葜苿?dòng)的能量[6]，具有節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。這些裝置在現(xiàn)有的電梯裝置中都進(jìn)行了技術(shù)革新，能更好地在電梯發(fā)生故障時(shí)檢測(cè)并及時(shí)做出制動(dòng)反應(yīng)。但是，以上方法的檢測(cè)技術(shù)是單一的，冗余量不足，容易造成災(zāi)難性后果。文章是通過加速度傳感器和紅外測(cè)距傳感器，計(jì)算和測(cè)量出電梯的加速度和速度，通過兩個(gè)指標(biāo)監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)生故障時(shí)通過電機(jī)控制液壓系統(tǒng)使電梯制動(dòng)，有效保障乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，系統(tǒng)以STC12C5A60S2-351

單片機(jī)作為控制器，紅外測(cè)距傳感器和加速傳感器將測(cè)得數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)中，紅外測(cè)距傳感器測(cè)量電梯的速度，通過單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后，根據(jù)時(shí)間差算出電梯此時(shí)的速度，加速度傳感器可以測(cè)量電梯此時(shí)的重力加速度，單片機(jī)判斷轎廂加速度和速度是否超過預(yù)設(shè)值，假設(shè)超過預(yù)設(shè)值，單片機(jī)會(huì)通過L9110電機(jī)模塊來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而控制液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)達(dá)到制動(dòng)效果。

1.1 STC12C5A60S2-351單片機(jī)

STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。其工作電壓為工作電壓5.5-3.5V，STC12C5A60S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250kHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，上電復(fù)位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不須作為A/D使用的口可繼續(xù)作為IO口使用。因?yàn)槠鋬?nèi)部具有AD轉(zhuǎn)換可以滿足系統(tǒng)的需求，直接代替AD轉(zhuǎn)換元件，紅外測(cè)距傳感器可直接連入單片機(jī)，在單片機(jī)上進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

1.2 加速度傳感器

MPU-6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計(jì)以及一個(gè)可擴(kuò)展的數(shù)字運(yùn)動(dòng)處理器DMP。MPU-60X0對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別用了三個(gè)16位的ADC，將其測(cè)量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運(yùn)動(dòng)，傳感器的測(cè)量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測(cè)范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計(jì)可測(cè)范圍為±2，±4，±8，±16g。MPU-6050可支持的電源為3.3V±5%。加速度傳感器測(cè)量轎廂的垂直加速度，如圖2所示，加速度傳感器MPU-6050的SCL和SDA分別與單片機(jī)STC12C5A60S2的P2.0和P2.1口相連，分別為IIC串行時(shí)鐘和IIC串行數(shù)據(jù)。IIC總線可靠的雙向二線制串行數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)總線，該總線使各電路分割成各種功能的模塊，并進(jìn)行軟件化設(shè)計(jì)，各個(gè)功能模塊電路內(nèi)都有集成一個(gè)IIC總線接口電路，因此都可以掛接在總線上，很好地解決了眾多功能IC與CPU之間的輸入輸出接口，使其連接方式變得十分簡單。

1.3 紅外測(cè)距傳感器

夏普GP2Y0A21型距離測(cè)量傳感器是基于PSD的微距傳感器，其有效的測(cè)量距離在10-80cm，輸出的信號(hào)為模擬電壓，反應(yīng)時(shí)間約為5ms，并且對(duì)背景光及溫度的適應(yīng)性強(qiáng)。工作電壓在4.5-5.5V。將紅外測(cè)距傳感器置于轎廂下部，通過測(cè)量轎廂底部到地面的距離。如圖3所示，輸出信號(hào)端與單片機(jī)P1.0相連，因?yàn)檩敵龅氖悄M電壓，所以需要通過單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換，得到此時(shí)轎廂距離地面的距離，記錄兩次位置的距離，用他們的差值除以兩次的反應(yīng)時(shí)間，可以將轎廂的實(shí)時(shí)速度測(cè)算出來。

1.4 電機(jī)模塊

如圖4所示，L9110直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，模塊供電電壓：2.5-12V，電機(jī)工作電壓2.5-12V之間，最大工作電流0.8A。電機(jī)模塊與單片機(jī)相連，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)制動(dòng)轎廂，當(dāng)故障排除后，按下按鈕，電機(jī)反轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)動(dòng)作，釋放轎廂。

1.5 軟件設(shè)計(jì)

控制面板由單片機(jī)、LCD顯示器、加速度傳感器模塊、紅外測(cè)距傳感器模塊等構(gòu)成。如圖5所示，電梯正常運(yùn)行時(shí)，加速度傳感器和紅外測(cè)距傳感器通過兩個(gè)模塊給單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)首先對(duì)紅外測(cè)距儀傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)v=（x2-x1）/t就可以算出電梯的瞬時(shí)速度，單片機(jī)將加速度和速度的值傳送至LCD顯示屏，便于掌握電梯隨時(shí)的運(yùn)行情況。同時(shí)，故障預(yù)設(shè)值的已經(jīng)輸入單片機(jī)中，加速度a1和速度v1，當(dāng)a>a1或v>v1時(shí)，判斷電梯故障，然后將信號(hào)傳入電機(jī)模塊中，電機(jī)反應(yīng)，液壓系統(tǒng)制動(dòng)電梯。電梯的制動(dòng)是通過增加摩擦力的一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，a=（mg-f）/m，v=v0+at在摩擦力的作用下加速度減小的同時(shí)，轎廂的速度也會(huì)降低直至停止。

2 驗(yàn)證

該防墜梯液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法通過STC12C5A60S2-351單片機(jī)為控制主體，外圍有LCD顯示、加速度傳感器、紅外測(cè)距傳感器等模塊，能夠順利地完成電梯制動(dòng)工作。如圖6所示，被測(cè)電梯的速度和加速度經(jīng)過單片機(jī)處理后，在LCD1602液晶屏上顯示，當(dāng)被測(cè)電梯的速度和加速度超過設(shè)定范圍后，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)論

本文提供的防墜梯液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證方法可以有效地在電梯出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)將電梯制動(dòng)，同時(shí)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法具有簡單的結(jié)構(gòu)，沒有繁瑣的內(nèi)部構(gòu)造，更好地保證了系統(tǒng)的安全性，損壞率也會(huì)大大降低，易于維護(hù)保養(yǎng)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法利用紅外測(cè)距傳感器測(cè)量距離為10-80cm精度較高，響應(yīng)時(shí)間5ms反應(yīng)較快，外形設(shè)計(jì)緊湊易于安裝，便于操作等特點(diǎn)準(zhǔn)確測(cè)出轎廂距電梯底部的距離。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法利用加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大±16g、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小等特點(diǎn)精確測(cè)出轎廂的實(shí)時(shí)加速度。通過監(jiān)測(cè)轎廂的速度和加速度，兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)監(jiān)測(cè)電梯的運(yùn)行狀態(tài)，確保電梯處于正常工作狀態(tài)。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法獨(dú)立于整個(gè)電梯，由專門的蓄電池供電，不會(huì)因?yàn)殡娞莨收隙鴮?dǎo)致系統(tǒng)無法工作，液壓系統(tǒng)是一個(gè)循序漸進(jìn)的減速，避免了在發(fā)生事故時(shí)電梯急停給乘客帶來的二次傷害。

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