遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用探討

姚長鴻　夏鐘興

摘要：近年來電梯事故頻發(fā)，電梯的安全性日益受到社會的關注。本文基于紅外傳感的敏感性，以電梯的安全性為切入點，從遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用原理，遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用的優(yōu)點，及系統(tǒng)設計、信號采集模塊設計，特點之處是以紅外為技術，將溫度的突變嵌入安全管理，給電梯的安全管理注入的新的觀點。

Abstract： The accidents of elevator are frequent in recent years， the safety of the elevator accepts more and more social attention. Based on the infrared sensor sensitivity， this paper takes the safety of the elevator as the breakthrough point to expound the application principles of infrared temperature sensor in the elevator safety system， the advantages of the application of infrared temperature sensor in the elevator safety system， the system design and signal acquisition module design. The characteristics are injecting the new ideas of safety management of the lift by embedding temperature mutations in safety management based on infrared technology.

關鍵詞：電梯安全設計；紅外線設計運用：安全系統(tǒng)設計探討

Key words： the elevator safety design；design and application of infrared ray；security system design

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）07-0131-03

0 引言

基于紅外測溫原理，數(shù)字溫度計主要由單片機CPU、數(shù)字紅外傳感器、顯示屏和其他外圍電路、及部分模擬電路組成。單片機CPU通過由于連接到總線的器件（PMOS、NMOS、CMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，其由電源VCC的相關決定，每個時鐘脈沖都是一個數(shù)據(jù)位得出的?？偩€讀取MLX90615采集的紅外輻射信號，將其轉換為對應的被測物體溫度值并顯示在液晶屏上。實驗結果表示，紅外溫度測試計分辨率在0.01～0.03℃之間，準確度達到了0.1℃，實現(xiàn)了溫度的快速、準確、方便、無接觸的測量。本文介紹了一種基于I2C總線支持任何IC生產(chǎn)過程（NMOS CMOS、雙極性）。兩線——串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時鐘 （SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息的數(shù)字紅外傳感器MLX90615的紅外溫度設計。

1 遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用的基本原理

電梯抱閘系統(tǒng)是電梯安全行駛與停車的重要部件，與主軸旋轉最接近。當電梯轎廂處于靜止且馬達處于失電狀態(tài)下防止電梯再移動的機電裝置。在某些控制形式中，它會在馬達斷電時剎住電梯。它的控制方式一般是得電時抱閘松開，失電時抱閘抱緊或者是低速抱閘。部件有抱閘靴-抱閘的運動部分，表面為摩擦面。當抱閘鼓推動它時，會將處在平層狀態(tài)下的電梯剎住。在某些控制形式中，它會在馬達斷電時剎住電梯。

當電梯抱閘系統(tǒng)出現(xiàn)異常，抱閘靴與旋轉部件出現(xiàn)長時間摩擦其深部平均溫度發(fā)生變化，溫度也會迅速發(fā)生變化，并且抱閘系統(tǒng)區(qū)域，受外界因素影響小，因此電梯抱閘系統(tǒng)的溫度變化可以反映電梯的停車剎車系統(tǒng)的安全性。遠紅外溫度傳感器通過紅外輻射來測量抱閘靴的溫度極值，判斷電梯是否異常，確認是否斷開安全回路。

筆者在配合全市電梯安全大整治工作中，對抽查的100多部電梯中20部電梯進行跟蹤測試，在電梯的曳引力不足發(fā)生摩擦和抱閘系統(tǒng)故障都會伴有溫度的變化其曳引鋼絲繩與輪及抱閘靴與輪輻射能量密度與溫度的關系基本符合斯蒂芬-波爾茲曼輻射定律：

j*=εδΤ^4（1）

其中輻射度j*具有功率密度的量綱（能量/（時間·距離2）），國際單位制標準單位為焦耳/（秒·平方米），即瓦特/平方米。絕對溫度T 的標準單位是開爾文，δ為黑體的輻射系數(shù)；若為絕對黑體，則 ε=1。

比例系數(shù) σ 稱為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)或斯特藩常量。由于它可以通過其他常數(shù)推算出來，所以它不是一個基本物理常數(shù)，該常數(shù)的值約為：

5.670 400（40）×10^-8 W·m^-2·K^-4

j*=εδΤ^4該公式說明輻射功率和物體的溫度是正比的關系，物體的溫度越高，輻射功率越大，反之，輻射功率則越小，在已知兩者的輻射率的基礎上，只需知道一個數(shù)值，代用到上述公式中就可以得出另一個數(shù)值，所以，遠紅外溫度傳感器在應用紅外傳感器吸收紅外輻射的原理可以測量曳引鋼絲繩與輪及抱閘靴與輪輻射溫度變化。紅外傳感器采用串聯(lián)的熱電偶，冷接頭放置在厚的芯片襯底上，熱接頭放置在薄膜上，薄膜吸收紅外輻射，從而產(chǎn)生微弱電信號。根據(jù)式（1）的原理，紅外傳感器的輸出信號為：

Vir（Ta，To）=M（T4o-T4a）（2）

其中，M為總體的敏感度，和傳感器的結構設計有關；To為目標物體的熱力學溫度，單位為K，由紅外溫度傳感器測出；Ta為環(huán)境的熱力學溫度，單位為K，需要附加的傳感器測量目標物體的環(huán)境溫度。

2 遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用的優(yōu)點

傳統(tǒng)數(shù)字溫度計、機械溫度測量和水銀溫度計進行接觸式測量，具有性能穩(wěn)定但存在測量時間長、反應慢，與測量部位誤差大等缺點。遠紅外溫度傳感器是通過紅外傳感器采集被測部位的紅外輻射并轉化為數(shù)字信號，單片機CPU單元將數(shù)字信號轉換為溫度值并與電梯安全回路和顯示回路相通。給傳統(tǒng)電梯加裝上新的安全系統(tǒng)，不失為經(jīng)濟轉型中對傳統(tǒng)電梯的技術革新，改造升級，具有高精度、速度快、操作簡便、安全舒適等優(yōu)點。更符合現(xiàn)代社會對安全的心理需求。

3 系統(tǒng)設計

遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的作用依據(jù)紅外輻射原理進行溫度測量。主要由單片機CPU、數(shù)字紅外傳感器、顯示屏和其他外圍電路、及部分模擬電路組成。其設計圖如圖1所示。當系統(tǒng)處于工作時，數(shù)字紅外傳感器將采集到的紅外輻射轉換成數(shù)字信號。單片機CPU將采集的數(shù)字信號經(jīng)過運算后，顯示出溫度值，并給控制室發(fā)出警示蜂鳴器鳴叫，同時達到預設極值將信號反饋給安全回路，斷開電梯。

4 信號采集部分

傳感器部分采用數(shù)字紅外傳感器MLX90615，其組成部分主要包括具有強大功能的DSP單元、16位模數(shù)轉換器、放大電路、紅外熱電堆傳感器等，其結構原理如圖2所示。紅外熱電堆傳感器負責收集紅外輻射，并將其轉化為電信號，放大電路負責將處理后的電信號放大同時傳送給模數(shù)轉換器，模數(shù)轉換器負責將接收到的數(shù)字信號經(jīng)濾波器低通濾波器調理后送入數(shù)字信號處理器，數(shù)字信號處理器對數(shù)字信號運算處理后輸出測量結果并保存在MLX90615內部RAM中，可以通過SMBus或PWM方式供單片機CPU 單元讀取。

MLX90615 具有寬溫度范圍/ SMBus 兼容的數(shù)字接口/發(fā)射率可調節(jié)/高分辨率/高精度等優(yōu)點，而可作為遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用的MLX90615ESG-DAA在自然溫度下的精確度達到了±0.1 ℃。MLX90615在很多領域都得到了廣泛應用，比如多重溫度區(qū)域控制、高精度非接觸溫度測量等。

5 微處理單片機CPU

微處理單片機CPU采用基于ARM Cortex-M3的32 位微控制器EFM32G842F64。該控制器具有寬溫度范圍/低功耗/高速可靠等優(yōu)點，廣泛應用于電機控制、手持設備等場合。EFM32G842F64具有64KB的片內Flash程序存儲器、3個通用定時器等外設資源和USART、I2C、SPI、多通用I/O引腳、雙12位A/D轉換器等通信接口，能夠滿足遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用要求。該設計中微控制器EFM32G842F64主要完成判斷按鍵輸入、紅外傳感器信號的采集與處理、驅動顯示和報警等功能。

6 顯示和其他外圍設計

該設計顯示部分采用基于LCD1602的液晶芯片通用設計，如圖3所示。在圖中的DB0～DB7與CPU單片機連接，用于顯示用戶用電信息；P25、P26、P27分別控制LCD1602的寄存器選擇輸入端RS、讀寫控制輸入端R/W、使能信號輸入端E；通過調節(jié)R58電阻值的大小來控制液晶顯示的對比度。

①LCD液晶顯示器的功耗極低，具有體積小/功耗低/易匹配處理器等/對比度可調等優(yōu)點，第1腳：接地電源是VSS；第2腳：VDD接5V正電源；第3腳：VL為液晶顯示器對比度調整端，其對比度接地時最高是，接正電源時最弱，同時為了避免操作過程中出現(xiàn)”鬼影”，還應該采取必要的應對措施合理調整對比度；第4腳：RS為寄存器選擇，指令寄存器適合低電平，數(shù)據(jù)寄存器適合高電平；第5腳：R/W為讀寫信號線，實施寫操作說明其處于低電平，實施讀操作說明其處于高電平，若RS和R/W同時為低電平，可以寫入指令或顯示地址，若R/W為高電平/RS為低電平，可以讀忙信號，反之若R/W為低電平/RS為高電平，可以寫入數(shù)據(jù)；第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，液晶模塊執(zhí)行命令；第7-14腳：D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線；第15腳：背光源正極；第16腳：背光源負極。

②其他外圍輔助電路主要包括控制按鍵、報警電路、低功耗蜂鳴電路等部分。控制按鈕主要產(chǎn)生開/合的信號，使EFM32G842F64執(zhí)行紅外溫度檢測功能。低功耗蜂鳴電路提示用戶紅外溫度檢測結束。

③軟件設計：軟件設計采用模塊化程序設計，主要包括液晶顯示模塊、紅外溫度檢測模塊、按鍵檢測模塊、初始化模塊等，其程序流程如圖4所示。初始化模塊主要負責一些初始化設置，比如I2C、定時器、中斷、通用I/O、復位等，按鍵檢測模塊主要負責檢測是否按下按鍵，進而造成外部中斷同時實施紅外溫度檢測功能。紅外溫度檢測模塊主要是按照I2C總線方式對數(shù)字紅外傳感器MLX90615進行讀取操作， 并按預定的公式將數(shù)字信號轉換成抱閘靴或曳引鋼絲繩與輪接觸部位的腔溫度值。液晶顯示模塊主要是驅動液晶顯示器，將抱閘靴或曳引鋼絲繩與輪接觸部位溫度值顯示在液晶屏上，方便觀察數(shù)據(jù)。當溫度達到極限值時時，報警功能發(fā)出警示。

7 紅外溫度檢測模塊

紅外測溫模塊的程序流程如圖4所示，其步驟主要包括讀取從地址、建立通訊協(xié)議、設置發(fā)射率、讀取被測物體數(shù)據(jù)、溫度模數(shù)轉換等，在紅外溫度檢測模塊中，EFM32G842F64對數(shù)字紅外傳感器MLX90615進行讀寫操作，首先從器件MLX90615讀取子地址。MLX90615中發(fā)射率出廠設置為1，而抱閘靴一般石綿材質發(fā)射率為0.96左右，曳引鋼絲繩0.57左右，面對這種形勢，必須將MLX90615的發(fā)射率重新設置，由于被測物體的溫度值的地址存放在MLX90615的RAM單元07h內，因此，依照I2C總線時序讀取多字節(jié)數(shù)據(jù)，并結合To=RAM（07h）0.02-273.15公式，可得出MLX90615中的攝氏溫度，精確度很高。

8 結束語

由于突發(fā)性的轎廂異常運行抱閘靴或曳引鋼絲繩的摩擦，傳統(tǒng)的安全控制方式已經(jīng)不能完全解決電梯運行中的危險因素。此款設計遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應用采用低功耗的ARM處理器和高精度的數(shù)字紅外傳感器，簡化了硬件和軟件設計任務。提高了電梯運行中的安全系數(shù)，事故率降低50%，在未來高速電梯、防爆電梯等方面具有廣泛的應用前景。

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