施越超

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

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；紅外測距傳感器；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：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）16-0097-03

0 引言

現(xiàn)代化進程加快，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產(chǎn)安全。目前我們的電梯上配備的保護裝置有限速系統(tǒng)、行程極限系統(tǒng)、緩沖器系統(tǒng)、制動器系統(tǒng)[1]。中北大學利用安全氣囊作為電梯的保護裝置，防止肉體直接與轎廂碰撞[2]。利用紅外溫度傳感器監(jiān)測電梯運行狀態(tài)，實現(xiàn)了快速、準確、方便、無接觸的測量[3]。嘉興市特種設(shè)備檢測院提出一種利用光電編碼器測量電梯的速度，利用電磁伸縮桿制成限速器[4]，機械結(jié)構(gòu)簡單，動作速度穩(wěn)定。上海交通大學提出了電梯被動安全系統(tǒng)的設(shè)計方法[5]，利用有限元方法得到了電梯和成員的動態(tài)響應(yīng)。錦州市特種設(shè)備監(jiān)督檢測所提出了新型防墜落裝置，通過緩沖器的能量轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娞葜苿拥哪芰縖6]，具有節(jié)能環(huán)保的特點。這些裝置在現(xiàn)有的電梯裝置中都進行了技術(shù)革新，能更好地在電梯發(fā)生故障時檢測并及時做出制動反應(yīng)。但是，以上方法的檢測技術(shù)是單一的，冗余量不足，容易造成災難性后果。文章是通過加速度傳感器和紅外測距傳感器，計算和測量出電梯的加速度和速度，通過兩個指標監(jiān)測電梯的運行狀態(tài)，在發(fā)生故障時通過電機控制液壓系統(tǒng)使電梯制動，有效保障乘客的生命財產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計

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

單片機作為控制器，紅外測距傳感器和加速傳感器將測得數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機中，紅外測距傳感器測量電梯的速度，通過單片機進行AD轉(zhuǎn)換后，根據(jù)時間差算出電梯此時的速度，加速度傳感器可以測量電梯此時的重力加速度，單片機判斷轎廂加速度和速度是否超過預設(shè)值，假設(shè)超過預設(shè)值，單片機會通過L9110電機模塊來控制電機的正反轉(zhuǎn)，從而控制液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)達到制動效果。

1.1 STC12C5A60S2-351單片機

STC12C5A60S2是STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，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，針對電機控制，強干擾場合。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，速度可達到250kHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，上電復位后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。因為其內(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，紅外測距傳感器可直接連入單片機，在單片機上進行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加速度計以及一個可擴展的數(shù)字運動處理器DMP。MPU-60X0對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉(zhuǎn)化為可輸出的數(shù)字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±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STC12C5A60S2的P2.0和P2.1口相連，分別為IIC串行時鐘和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，并進行軟件化設(shè)計，各個功能模塊電路內(nèi)都有集成一個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 紅外測距傳感器

夏普GP2Y0A21型距離測量傳感器是基于PSD的微距傳感器，其有效的測量距離在10-80cm，輸出的信號為模擬電壓，反應(yīng)時間約為5ms，并且對背景光及溫度的適應(yīng)性強。工作電壓在4.5-5.5V。將紅外測距傳感器置于轎廂下部，通過測量轎廂底部到地面的距離。如圖3所示，輸出信號端與單片機P1.0相連，因為輸出的是模擬電壓，所以需要通過單片機的AD轉(zhuǎn)換，得到此時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)時間，可以將轎廂的實時速度測算出來。

1.4 電機模塊

如圖4所示，L9110直流步進電機驅(qū)動板，模塊供電電壓：2.5-12V，電機工作電壓2.5-12V之間，最大工作電流0.8A。電機模塊與單片機相連，當發(fā)生故障時，電機開始正轉(zhuǎn)制動轎廂，當故障排除后，按下按鈕，電機反轉(zhuǎn)，液壓系統(tǒng)動作，釋放轎廂。

1.5 軟件設(shè)計

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

2 驗證

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

3 結(jié)論

本文提供的防墜梯液壓系統(tǒng)設(shè)計的驗證方法可以有效地在電梯出現(xiàn)故障時及時將電梯制動，同時本系統(tǒng)設(shè)計方法具有簡單的結(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，損壞率也會大大降低，易于維護保養(yǎng)。

本系統(tǒng)設(shè)計方法利用紅外測距傳感器測量距離為10-80cm精度較高，響應(yīng)時間5ms反應(yīng)較快，外形設(shè)計緊湊易于安裝，便于操作等特點準確測出轎廂距電梯底部的距離。本系統(tǒng)設(shè)計方法利用加速度傳感器具有動態(tài)范圍大±16g、堅固耐用、受外界干擾小等特點精確測出轎廂的實時加速度。通過監(jiān)測轎廂的速度和加速度，兩個指標同時監(jiān)測電梯的運行狀態(tài)，確保電梯處于正常工作狀態(tài)。

本系統(tǒng)設(shè)計方法獨立于整個電梯，由專門的蓄電池供電，不會因為電梯故障而導致系統(tǒng)無法工作，液壓系統(tǒng)是一個循序漸進的減速，避免了在發(fā)生事故時電梯急停給乘客帶來的二次傷害。

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