基于單片機(jī)的電梯監(jiān)測仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓋曉東 李溪水 秦文 黃啟斌 盧俊文

摘要：針對現(xiàn)有電梯控制系統(tǒng)中電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測難的問題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的電梯運(yùn)行監(jiān)測仿真系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、工作原理及其核心模塊設(shè)計(jì)思路。為驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，在電梯多種應(yīng)用場景下，就轎廂負(fù)載、速度及制動(dòng)距離等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)實(shí)驗(yàn)分析。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路簡單、擴(kuò)展性高，可為現(xiàn)有電梯控制相關(guān)研究提供理論和實(shí)踐支撐。

關(guān)鍵詞：電梯控制;單片機(jī);制動(dòng)距離

中圖分類號(hào)：TP311? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）20-0252-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

電梯作為人們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡囊环N設(shè)備，其運(yùn)行健康狀態(tài)關(guān)乎人們生命財(cái)產(chǎn)安全?，F(xiàn)有電梯系統(tǒng)一般具備多種電梯應(yīng)急響應(yīng)及保護(hù)模塊，其中電梯制動(dòng)器是保證電梯正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要部件之一。電梯制動(dòng)器的主要功能是使運(yùn)行中的電梯進(jìn)入減速或制停狀態(tài)，尤其是當(dāng)電梯初始速度不為零時(shí)，電梯制動(dòng)器更應(yīng)準(zhǔn)確控制其減速度，以保證制動(dòng)過程中乘客的安全性和舒適性。因此，研究電梯制動(dòng)器的制動(dòng)力與電梯速度、制動(dòng)距離的關(guān)系顯得十分重要[1]。

為解決以上問題，近年來，研究者們不斷探索制動(dòng)器的物理模型[1-3]。例如，葉穆[1]依據(jù)電梯工作原理，構(gòu)建了制動(dòng)器的旋轉(zhuǎn)-直線物理模型，并在此模型基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了制動(dòng)力矩的數(shù)學(xué)方程。陳傳斌[2]根據(jù)電梯制動(dòng)器結(jié)構(gòu)及其制動(dòng)原理，對電梯制動(dòng)力進(jìn)行了詳細(xì)理論分析與計(jì)算，并就一些常見種類客梯舉例分析，計(jì)算其在不同負(fù)載下制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間的大致數(shù)值范圍。趙波等[3]則針對盤式制動(dòng)器制動(dòng)效能進(jìn)行分析，解釋了不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度環(huán)境下，制動(dòng)盤與摩擦襯塊上的應(yīng)力分布規(guī)律。

然而，由于電梯制動(dòng)過程的復(fù)雜性，單純利用物理建模方法很難計(jì)算出準(zhǔn)確結(jié)果。為此，必須結(jié)合電梯工作原理及其各部件的運(yùn)行參數(shù)、外界噪聲因素（如摩擦力、電機(jī)輪盤阻力等）進(jìn)行綜合判斷。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們嘗試以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決電梯運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控和遠(yuǎn)程報(bào)警功能。例如，劉松國等[4]提出一種基于單片機(jī)的電梯運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用傳感器獲取電梯多種運(yùn)行參數(shù)，并借助RS485和以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。周俊[5]從終端監(jiān)測報(bào)警、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)管理等多個(gè)角度出發(fā)檢測電梯的健康狀態(tài)。但以上方法均只針對電梯轎廂運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)測，而未能有效監(jiān)控電梯控制系統(tǒng)（如減速器、制動(dòng)器等），很難發(fā)現(xiàn)電梯潛在的運(yùn)動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

本文將從電梯控制系統(tǒng)和末端減速系統(tǒng)兩個(gè)方面，就電梯實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。其中對前者的監(jiān)控旨在記錄制動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，而對后者的監(jiān)控則用于收集轎廂的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。為驗(yàn)證本文方法有效性，以單片機(jī)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了一套電梯監(jiān)測仿真系統(tǒng)。 采用高精度力拒傳感器、光電傳感器對電梯制動(dòng)器和轎廂的運(yùn)行速度、制動(dòng)距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。該系統(tǒng)可為現(xiàn)有電梯控制技術(shù)的研究提供理論和實(shí)踐支撐。

1系統(tǒng)硬件框圖及運(yùn)行示意圖

本文系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。從圖中可看出，該系統(tǒng)主要包括壓力傳感器、信號(hào)變送器、光電傳感器、無線傳輸模塊等組成。其中，單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，其主要負(fù)責(zé)開關(guān)控制、傳感器數(shù)據(jù)讀取、分析、轉(zhuǎn)發(fā)、顯示等功能;壓力傳感器主要用于檢測制動(dòng)盤的壓力，并輸出4-20mA電流信號(hào);信號(hào)變送器則將壓力傳感器電流信號(hào)經(jīng)放大和調(diào)制后轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的0-5V電壓;光電傳感器采集制動(dòng)轉(zhuǎn)盤和光柵尺所產(chǎn)生脈沖，以便單片機(jī)計(jì)算電梯轎廂速度及制動(dòng)距離;由于現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景中，轎廂與制動(dòng)器分別處于不同的樓梯位置，為能夠全面監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊將轎廂運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)發(fā)送至控制中心（PC或移動(dòng)終端），若轎廂運(yùn)行速度與制動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速不符時(shí)可發(fā)出緊急報(bào)警。

圖2展示了本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。該圖清晰展示了系統(tǒng)各組成部分硬件安裝示意圖。結(jié)合該示意圖，本系統(tǒng)運(yùn)行流程為：首先，系統(tǒng)上電并重置所有模塊運(yùn)行狀態(tài)，將轎廂移動(dòng)到指定位;然后，松開轎廂的支撐物，使得轎廂處于自由落體狀態(tài)。轎廂在運(yùn)行過程中通過傳送帶驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn);制動(dòng)器啟動(dòng)，使轉(zhuǎn)盤減速或停止，并進(jìn)一步使得轎廂停止下滑。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本小節(jié)將詳細(xì)討論系統(tǒng)各主要子系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

2.1測速子系統(tǒng)

2.2制動(dòng)器壓力測量子系統(tǒng)

在該子系統(tǒng)中，主要包括壓力數(shù)據(jù)的采集和處理兩部分。其中，數(shù)據(jù)的采集過程主要是將外界傳感器的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為MCU電信號(hào)，而數(shù)據(jù)處理則是對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期處理，以提高測量準(zhǔn)確度。

在壓力傳感器方面，本文采用大洋DYMH-02膜盒式荷重傳感器（0-5kg），該傳感器采用外殼與膜片一體化結(jié)構(gòu)，具有性能穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)。由于壓力信號(hào)所轉(zhuǎn)換的電信號(hào)較為微弱，為防止傳輸過程中的過度衰減對系統(tǒng)測量精度造成影響，該傳感器采用4mA-20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流傳輸。然而，MCU外圍引腳一般采用直流電壓信號(hào)形式，因此需要借助變送器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為MCU可接受的直流電壓信號(hào)。本文采用大洋DY510作為變送器。

同時(shí)，為提高傳感器測量準(zhǔn)確度，首先對傳感器進(jìn)行多點(diǎn)壓力校準(zhǔn)。本文分別以1g，2g，5g，10g，20g，50g，100g，200g，500g，1kg，2kg，5kg等多種量程砝碼對壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。在校準(zhǔn)過程中，根據(jù)輸入不同砝碼，分別記錄其對應(yīng)輸出的電壓信號(hào)V。本文系統(tǒng)采用10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集變送器輸出電壓信號(hào)，即采樣精度為5V/1024。由于信號(hào)采集過程中會(huì)受到外界噪聲信號(hào)、傳感器自身精度等因素影響，采樣結(jié)果會(huì)存在誤差。為此，本文利用最小二乘法對采集結(jié)果線性擬合，得到壓力傳感器電壓值與壓力值的線性擬合模型。圖5展示了本文輸出的擬合模型。從圖中可以看出，當(dāng)采用少量小量程壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，測試結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。但隨著壓力數(shù)據(jù)數(shù)值的增大和數(shù)據(jù)的增多，數(shù)據(jù)與模擬的擬合度越發(fā)逼近。

2.3數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將轎廂的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)上傳至控制中心?？紤]到電梯的實(shí)際應(yīng)用場景中一般均有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的支持，本文采用ESP8266無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)，該模塊支持TCP和UDP兩種傳輸方式。為滿足系統(tǒng)對于傳輸實(shí)時(shí)性的要求，采用UDP方式發(fā)送數(shù)據(jù)包。UDP是面向簡單的、事務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，具有資源消耗少、傳輸速度快的特點(diǎn)。但由于UDP是不可靠數(shù)據(jù)傳輸，其在傳輸過程中可能出現(xiàn)丟包現(xiàn)象。為便于控制中心檢驗(yàn)所接收數(shù)據(jù)包的有效性，本文在UDP上層設(shè)計(jì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議如表1：

根據(jù)以往研究表明，以額定載重質(zhì)量1000kg，轎廂自重1500kg的電梯制動(dòng)時(shí)間一般為0.306～1.675[8]。為確保網(wǎng)絡(luò)傳輸及時(shí)性，系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集周期設(shè)定為10ms。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

驗(yàn)證所實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有效性，本文就系統(tǒng)負(fù)載（轎廂重量+載重-對重質(zhì)量）、制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)力的相關(guān)性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1制動(dòng)力與電梯運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系

表2為系統(tǒng)負(fù)載固定為700g時(shí)，制動(dòng)力與制動(dòng)距離、轎廂最大速度等參數(shù)的關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)中轎廂初始速度為0，當(dāng)開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，對輪盤施以不同壓力，并使轎廂在重力作用下自由下落。需要注意的是，由于電機(jī)轉(zhuǎn)盤自身阻力、滑輪與繩索摩擦力等原因，轎廂加速度會(huì)小于重力加速度。從表中可以看出，隨著制動(dòng)力不斷增大，轎廂加速度極速減小。另外，雖然加速度與最大速度、運(yùn)行時(shí)間呈現(xiàn)較為明顯的線性關(guān)系，但由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的噪聲（如人工測量偏差、摩擦力等）影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定誤差。

3.2負(fù)載與電梯其他運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系

表3展示了無制動(dòng)力時(shí)轎廂與電梯其他運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系。本小節(jié)實(shí)驗(yàn)設(shè)置方法與4.1小節(jié)一致。從表中可看出，隨著負(fù)載的不斷增加，電梯加速度也呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，與重力加速度越發(fā)逼近。其原因可能是隨著負(fù)載的增大，摩擦力、電機(jī)自身重力帶來的干擾將被弱化，進(jìn)而更有助于得到準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。需要注意的是，由于本小節(jié)中各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的制動(dòng)距離不同，導(dǎo)致系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)間與最大速度也不盡相同。

3.3不同初始速度下電梯運(yùn)行參數(shù)情況

為研究電梯初始速度對其運(yùn)行參數(shù)的影響，本小節(jié)將電梯置于不同初始速度下，并記錄了其制動(dòng)力、加速度等參數(shù)。表4展示了本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯鲋苿?dòng)力大小與加速度有著密切的聯(lián)系，體現(xiàn)在制動(dòng)力越大，其所產(chǎn)生加速度則越?。ɑ蛘叻聪蚣铀俣仍酱螅?， 如表中制動(dòng)力為0.388N對應(yīng)加速度為1.004，而0.487N對應(yīng)加速度為-1.308。同時(shí)，可觀察出初始速度與制動(dòng)力有著密切聯(lián)系，具體地，當(dāng)初始速度越大時(shí)，所需制動(dòng)力則越大。如表中初始速度為0.491m/s時(shí)，制動(dòng)力為0.787N。

4總結(jié)

本文針對電梯運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測提出一種多傳感器融合的設(shè)計(jì)方法及其單片機(jī)仿真方案。所提出系統(tǒng)能夠利用高精度光電傳感器和壓力傳感器獲取電梯制動(dòng)器、轎廂的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)。為驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，在單片機(jī)基礎(chǔ)上構(gòu)建了一套電梯運(yùn)行仿真系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出設(shè)計(jì)方案是可行的，可為現(xiàn)有電梯控制相關(guān)研究提供理論和實(shí)踐支撐。

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