轎式電梯專用按鈕的設計

吉澤歡，藺超文，黃傳輝

（徐州工程學院 江蘇 徐州 221008）

傳統的轎式電梯按鈕只有普通開關的作用，當乘客按下按鈕時，控制器檢測這一事件從而執行相應的操作，然而如果按鈕發生故障，但是電梯控制器卻檢測不到故障的發生，那么電梯運行將出現問題，影響乘客的正常使用[1]。

本文正是為了解決上述問題而設計了一種專門用于轎式電梯的按鈕改進裝置，這一裝置和現有電梯按鈕相組合，不僅具有傳統開關的作用，而且還可以檢測按鈕是否出現故障，這樣間接提高了電梯運行的可靠性[2]。

1 系統原理

本設計是對現有轎式電梯按鈕進行改進，使按鈕工作更加可靠。當乘客按下電梯按鈕時，金屬彈片發生變形，固定在彈片上的電阻應變片也相應發生形變從而電阻值發生變化，再通過硬件電路將其變形量轉換為數字量然后通過同步串行總線傳輸給電梯控制器。對按鈕背光燈的狀態采集是由光電二極管實現的，耦合電路再將背光燈的狀態轉換為電平的高低傳輸給電梯控制器。這樣電梯控制器就可以實時地獲取按鈕和背光燈的狀態，再和自身的輸出作比較，如果一致則電梯按鈕正常，否則按鈕出現故障，這樣的閉環控制使按鈕的可靠性大為增加，其整體組成框圖如圖1所示。

圖1 整體組成框圖Fig.1 The overall composition diagram

2 機械結構的設計

本設計中的按鈕裝置的機械結構采用了層疊的方式，最下面為底板，用于將按鈕固定在平面上；在底板上面覆蓋了一層金屬用于按鈕按下時電路的導通；在金屬層上面有一凸起狀金屬彈片，當乘客按下按鈕時此金屬彈片下凹與底板上的金屬接觸連通電路；在金屬彈片的上下表面都分別粘貼了兩個電阻應變片，當按鈕被按下時，應變片會變形使其自身電阻值發生變化，用來檢測是否按鈕是否被按下；在金屬彈片上面覆蓋了一層薄膜，在薄膜上面印刷了樓層序號用于向乘客顯示。其具體機械結構如圖2所示。

3 硬件電路設計

3.1 按壓力檢測電路

圖2 機械結構圖Fig.2 The mechanical structure

電阻應變片是基于應變電阻效應將金屬彈片的壓力通過彈性形變轉換為電阻變化，當應變片被壓縮時其電阻值變小，當被拉伸時其電阻值變大[3]，基于這一原理可以將應變片用于測量按鈕中金屬彈片的變形量從而判斷按鈕是否被乘客按下。

為了更加準確地測量金屬彈片的變形量從而確定按鈕按下的程度，本設計采用了全對稱雙差動電橋電路來測量金屬彈片的變形量，其測量電路如圖 3 所示，R1、R2、R3、R4均為應變片電阻，其安裝位置圖如圖4所示，R1和R2是大小相等并且方向相反變化的兩個應變片，R3和R4也是大小相等并且方向相反變化的兩個應變片，此外還滿足R1和R4，R2和R3的變化大小相等、方向相同。初始狀態有R1=R2=R3=R4=R，金屬彈片被按下時應變片發生變形有 R1=R1+ΔR1，R2=R2+ΔR2，R3=R3+ΔR3，R4=R4+ΔR4，并且 ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，則有US=εUS， 其中，電壓輸出靈敏度為KUS=US，非線性度為δf=0?？梢娪眠@種電路測量金屬彈片的變形非常精確，檢測靈敏度高，非線性度為零。

圖3 測量電路Fig.3 Measurement circuit

圖4 應變片安裝位置圖Fig.4 Strain gage installation location map

全對稱雙差動電橋輸出的模擬信號非常微弱，不能直接接到A/D轉換器，必須經過放大、調理才能進行A/D轉換，本設計采用的方法是先用儀表放大器AD620對其進行放大，再通過電壓跟隨器LM324提高其輸出參考電壓，減小零點附近干擾信號的影響[4]。然后再將信號輸入A/D轉換器PCF8591將其轉換為數字信號后通過IIC總線將其傳送給電梯控制器，其放大電路原理圖如圖5所示，UO接電橋的輸出端，AIN為放大電路的輸出端接A/D轉換器的輸入端。圖6為A/D轉換電路的電路圖，AIN為模擬輸入端，最多可以有4路輸入，轉換結束后的數字量通過IIC總線被傳送給電梯控制器，SDA為IIC總線的數據端，SCL為時鐘端。

圖5 放大電路Fig.5 Amplifying circuit

圖6 A/D轉換電路Fig.6 The A/D conversion circuit

3.2 背光燈控制電路

本裝置預留一個接口用來接收電梯控制器對按鈕背光燈的控制信號，該信號端口與本裝置中的LED燈連接，其電路原理圖如圖7所示，LED端由電梯控制器控制，為高電平時LED燈D1發光，為低電平時D1不發光。

圖7 LED燈控制電路圖Fig.7 LED lamp control circuit diagram

這樣的設計使得本裝置可以適用于所有電梯，只需要電梯控制器提供一個控制LED背光燈的接口即可[5]。

3.3 按鈕背光燈檢測電路

本設計采用光電二極管對按鈕背光燈進行檢測，光電二極管利用PN結的光敏特性將接收到的光的變化轉換為電流的變化，在反向電壓作用下工作時，如果無光照則反向電流很小，如果有光照，則有光電流，且光照越強光電流也越大。因此可以通過光電二極管的這一特性來檢測按鈕背光燈的狀態進而判斷按鈕是否出現故障，其電路原理圖如圖8所示，D1為光電二極管用來采集背光燈的狀態，當背光燈亮時耦合電路導通，輸出端OUT為高電平，不亮時耦合電路截止，輸出端OUT為低電平。OUT端與電梯控制器相連傳送按鈕背光燈的狀態信息[6]。

4 接口設計

本設計所描述的裝置具體通用性，其與外部接口采用插針方式，使用時只需將本裝置的插針插入插孔即可。

圖8 耦合電路原理圖Fig.8 Coupling circuit principle diagram

5 結 論

本裝置由電阻應變片、光電二極管、LED燈、電源電路等組成，適用于現有的各種轎式電梯，其工作實時性強、穩定可靠、便于拓展，提高了轎式電梯按鈕可靠性，間接地提高了轎式電梯運行的安全性，應用前景非常廣泛。

[1]沈萍．基于人性化理念的電梯系統設計[D]．天津：天津大學，2010．

[2]朱子焜，李軍．一種按鈕可靠性測試裝置的設計[J]．工礦自動化，2011，5（5）：106-108．ZHU Zi-kun，LI Jun.Design of aeliability testing equipmentof button[J].Industry and Mine Automation，2011，5（5）:106-108.

[3]童敏明，唐守鋒，董海波．傳感器原理與應用技術[M]．北京：清華大學出版社，2012．

[4]包新華．提高運算放大器的零點穩定性方法[J]．科技創新導報，2010，4（a）：76-78．BAO Xin-hua.Improve the zero stability method for operational amplifier[J].Science and Technology Innovation Herald，2010，4（a）:76-78.

[5]王光峰．白光LED驅動電路的研究及其電路的設計[D]．浙江：浙江大學，2005．

[6]陳磊，張凱，楊義軍．單片機控制數字光強檢測計的設計[D]．揚州：揚州大學，2009．