基于壓力傳感器的電梯節(jié)能檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)與仿真

李杰++劉鋮浩++張晏熙++和昊婷

摘要：隨著近年來(lái)時(shí)代的發(fā)展，高層逐漸增加，為了滿(mǎn)足人員和貨物的組織上下，電梯也越來(lái)越廣泛的被運(yùn)用到生活中，但是電梯經(jīng)常會(huì)發(fā)生空運(yùn)行或者所停樓層外并沒(méi)有人的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會(huì)大大增加電梯的耗能情況，我們決定通過(guò)電梯與外部壓力傳感器的結(jié)合來(lái)規(guī)避這些問(wèn)題，使得電梯有了自己的“眼睛”和“大腦”，智能的判斷，從而提高電梯使用壽命，降低電梯耗能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的最終目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器；電梯節(jié)能；電梯設(shè)計(jì)；電梯仿真

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，社會(huì)進(jìn)步和生產(chǎn)力發(fā)展，電梯在現(xiàn)代生活中被廣泛應(yīng)用，電梯的生產(chǎn)量年均漲幅超過(guò)20%，如今，電梯已成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠?，中?guó)電梯的保有量已突破300萬(wàn)臺(tái)。在對(duì)酒店，寫(xiě)字樓等的用電情況調(diào)查中，電梯的用電量?jī)H次于空調(diào)用電量，遠(yuǎn)高于照明，供水等的用電量據(jù)?！峨娞莨?jié)能監(jiān)測(cè)》顯示，北京在2015年電梯耗電量約為26.3億度電，約為7.89億噸煤，至少會(huì)排放21億噸的二氧化碳。

但是，如今的電梯行業(yè)已經(jīng)到了轉(zhuǎn)型期，急需給電梯技術(shù)革新。

中國(guó)電梯協(xié)會(huì)提供的信息顯示，當(dāng)前我國(guó)的電梯產(chǎn)量和電梯保有量已成世界第一。社會(huì)對(duì)電梯的使用關(guān)注度也在不斷提升，電梯巨大的能耗已經(jīng)引起社會(huì)和政府部門(mén)的密切關(guān)注，節(jié)能降耗成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，在資源環(huán)境問(wèn)題的日益突出的現(xiàn)實(shí)情況下，節(jié)能顯得尤為必要，所以電梯在節(jié)能降耗方面的技術(shù)應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新、提升?？蛻?hù)在選擇電梯的時(shí)候，不僅考慮電梯的安全性和舒適性，而且逐漸關(guān)注所選電梯的能耗情況。

一、壓力傳感器

隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，壓力參數(shù)的檢測(cè)、報(bào)警與控制，已深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。自動(dòng)化程度越高，需要檢測(cè)的壓力就越多，在各種工業(yè)過(guò)程控制中，壓力是生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)正常運(yùn)行，必須對(duì)壓力進(jìn)行檢測(cè)和控制。

壓力測(cè)量系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)字存儲(chǔ)、溫度補(bǔ)償處理、數(shù)字通信等功能，能夠精確的測(cè)出壓力。設(shè)計(jì)中的硬件電路主要分為五個(gè)部分：一是輸入部分主要 是將被測(cè)壓力物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，主要是利用惠斯登電橋的工作原理采集壓力信號(hào)。二是A/D轉(zhuǎn)換部分主要是利用外圍AD7190轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。三是MSP430F5310微處理器部分的電路，包括時(shí)序控制和運(yùn)算。四是下位機(jī)通訊部分，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)字通訊。五是電源管理部分，主要實(shí)現(xiàn)±5V模擬電源電壓和±3.3V 數(shù)字電源電壓的輸出。軟件包括兩個(gè)部分：一是采用C語(yǔ)言的模塊化設(shè)計(jì)方式，完成任務(wù)的激活、查詢(xún)、執(zhí)行，觸發(fā)中斷和數(shù)據(jù)通訊等工作。二是用VB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示和保存等功能。

的基于壓力傳感的電梯節(jié)能檢測(cè)模塊主要是通過(guò)對(duì)電梯外人員質(zhì)量信息的采集進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而控制信息判斷機(jī)制中單片機(jī)的運(yùn)行進(jìn)而達(dá)到防止電梯“空運(yùn)行”造成高能耗的目的。通過(guò)查找文獻(xiàn)資料，我們了解到壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大 50～100 倍。有時(shí)壓阻式壓力傳感器的輸出不需要放大器就可直接進(jìn)行測(cè)量。所以，我們小組決定使用此種壓力傳感器進(jìn)行課題研究。

二、電梯節(jié)能

電梯每停一次，減速、開(kāi)門(mén)、關(guān)門(mén)、加速一般需要7秒鐘；對(duì)于運(yùn)行速度2M/S的電梯，7秒鐘可以運(yùn)行將近5層樓；不必要的減速、加速不僅大大增加了能耗，而且機(jī)械磨損也比正常運(yùn)行要大很多，同時(shí)，頻繁開(kāi)關(guān)門(mén)也使門(mén)的磨損大大增加。因此，電梯節(jié)能增效、減少磨損最有效的辦法就是減少電梯不必要的停層。

同樣，有這樣的一組計(jì)算。一部載重750千克的電梯每小時(shí)的耗電量在15-22度，相當(dāng)于每5分鐘就用掉一度電，按照每度電0.52元計(jì)算，每部電梯每天在20層的建筑中連續(xù)不停運(yùn)行10個(gè)小時(shí)，要消耗大約150-220度電，相當(dāng)于一個(gè)月一部普通電梯用電3萬(wàn)余元，一年36萬(wàn)余元。如果可以每天減少1～2個(gè)小時(shí)的使用量，一年可節(jié)省近10萬(wàn)元。

據(jù)了解，福州市的電梯保有量已達(dá)到12000多部，電梯的電機(jī)功率從11KW-30KW不等。這些電梯一半時(shí)間電機(jī)處于拖動(dòng)用電狀態(tài)，另一半屬于發(fā)電狀態(tài)，每臺(tái)電梯每天用電量從50度-150度不等。以每臺(tái)電梯平均每小時(shí)用電量為8度，每天開(kāi)10個(gè)小時(shí)來(lái)計(jì)算，福州電梯一天要用電96萬(wàn)度，一年要用掉3.5億度電，幾乎是福州市十天的發(fā)電量。

其實(shí)，只要每天減少不必要的乘坐，或者一天減少一小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，一年將可以節(jié)約3500萬(wàn)度電。如果按每千瓦時(shí)0.5元的電價(jià)計(jì)費(fèi)，就是1750萬(wàn)元人民幣。

三、電梯的設(shè)計(jì)

（一）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)制

通過(guò)在電梯門(mén)前的等候區(qū)的地板下安裝壓力傳感器，以此來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有人等候電梯

（二）信息判斷機(jī)制

通過(guò)信息中心的分析判斷，并通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)的運(yùn)行，以此來(lái)控制電梯是否停止開(kāi)門(mén)?，F(xiàn)通過(guò)三層雙電梯模型模擬來(lái)說(shuō)明情況判斷：

1.當(dāng)兩臺(tái)電梯同時(shí)停在三層時(shí)，模擬有人按下了二樓向下的按鈕（在電梯外放砝碼即可），此時(shí)二樓外的壓力傳感器和三樓電梯內(nèi)的壓力傳感器會(huì)測(cè)出總的質(zhì)量（m總），若m總max則下來(lái)兩臺(tái)電梯。

2.當(dāng)兩臺(tái)電梯都在三樓下行過(guò)程中，此時(shí)模擬有人按下二樓下行的兩個(gè)按鈕（向電梯外放砝碼），壓力傳感先會(huì)測(cè)試最近的電梯與二樓外面的總質(zhì)量（m總），若m總max，并且稍遠(yuǎn)的電梯沒(méi)有超載，則兩臺(tái)電梯都在二樓停下。

3.當(dāng)兩臺(tái)電梯運(yùn)行方向相反時(shí)，優(yōu)先和電梯外的人所要去的方向一致的電梯進(jìn)行判斷，若m總

（三）實(shí)時(shí)控制機(jī)制

通過(guò)判斷以上情況，之后單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)行，來(lái)實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

四、電梯仿真及測(cè)試運(yùn)行

（一）運(yùn)用步進(jìn)電機(jī)搭建簡(jiǎn)易的電梯模型

采用二相四線電機(jī)進(jìn)行電梯模擬，采用角鋼搭建出簡(jiǎn)易的三層電梯模型。

原理：通過(guò)stm32單片機(jī)的程序控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間，編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)我們的要求。

（二）壓力傳感器的信息采集

將壓力傳感器與單片機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)收集的重力數(shù)據(jù)進(jìn)行收集與處理。

i. 原理：

編寫(xiě)單片機(jī)的代碼，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行分析，判斷出為哪一種情況，最后輸出正確的指令。將輸出指令與步進(jìn)電機(jī)結(jié)合，使得步進(jìn)電機(jī)能夠按照要求進(jìn)行運(yùn)作。

步進(jìn)電機(jī)控制器與單片機(jī)連接如下圖

參考文獻(xiàn)

[1]《電梯制造與安裝安全規(guī)范》GB10058-2009附錄

[2]《基于單片機(jī)的數(shù)字式壓力測(cè)量?jī)x的研究》——作者：王妮（2013）