基于壓力傳感器的電梯節能檢測模塊設計與仿真

李杰++劉鋮浩++張晏熙++和昊婷

摘要：隨著近年來時代的發展，高層逐漸增加，為了滿足人員和貨物的組織上下，電梯也越來越廣泛的被運用到生活中，但是電梯經常會發生空運行或者所停樓層外并沒有人的現象，這些現象會大大增加電梯的耗能情況，我們決定通過電梯與外部壓力傳感器的結合來規避這些問題，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，實現節能的最終目標。

關鍵詞：壓力傳感器；電梯節能；電梯設計；電梯仿真

隨著國民經濟的迅速增長，城市建設規模不斷擴大，社會進步和生產力發展，電梯在現代生活中被廣泛應用，電梯的生產量年均漲幅超過20%，如今，電梯已成為我們日常生活中必不可少的一部分，中國電梯的保有量已突破300萬臺。在對酒店，寫字樓等的用電情況調查中，電梯的用電量僅次于空調用電量，遠高于照明，供水等的用電量據?！峨娞莨澞鼙O測》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，至少會排放21億噸的二氧化碳。

但是，如今的電梯行業已經到了轉型期，急需給電梯技術革新。

中國電梯協會提供的信息顯示，當前我國的電梯產量和電梯保有量已成世界第一。社會對電梯的使用關注度也在不斷提升，電梯巨大的能耗已經引起社會和政府部門的密切關注，節能降耗成為社會關注的熱點，在資源環境問題的日益突出的現實情況下，節能顯得尤為必要，所以電梯在節能降耗方面的技術應用也在不斷創新、提升?？蛻粼谶x擇電梯的時候，不僅考慮電梯的安全性和舒適性，而且逐漸關注所選電梯的能耗情況。

一、壓力傳感器

隨著微電子技術和信息技術的發展，壓力參數的檢測、報警與控制，已深入到國民經濟和人們生活的各個領域。自動化程度越高，需要檢測的壓力就越多，在各種工業過程控制中，壓力是生產中的重要參數之一，為了保證生產正常運行，必須對壓力進行檢測和控制。

壓力測量系統具有數據采集、數字存儲、溫度補償處理、數字通信等功能，能夠精確的測出壓力。設計中的硬件電路主要分為五個部分：一是輸入部分主要 是將被測壓力物理量轉換成電信號，主要是利用惠斯登電橋的工作原理采集壓力信號。二是A/D轉換部分主要是利用外圍AD7190轉換器進行數據的轉換。三是MSP430F5310微處理器部分的電路，包括時序控制和運算。四是下位機通訊部分，實現與PC機的數字通訊。五是電源管理部分，主要實現±5V模擬電源電壓和±3.3V 數字電源電壓的輸出。軟件包括兩個部分：一是采用C語言的模塊化設計方式，完成任務的激活、查詢、執行，觸發中斷和數據通訊等工作。二是用VB語言實現了上位機數據顯示和保存等功能。

的基于壓力傳感的電梯節能檢測模塊主要是通過對電梯外人員質量信息的采集進行實時監測，從而控制信息判斷機制中單片機的運行進而達到防止電梯“空運行”造成高能耗的目的。通過查找文獻資料，我們了解到壓阻式壓力傳感器的靈敏系數比金屬應變式壓力傳感器的靈敏度系數要大 50～100 倍。有時壓阻式壓力傳感器的輸出不需要放大器就可直接進行測量。所以，我們小組決定使用此種壓力傳感器進行課題研究。

二、電梯節能

電梯每停一次，減速、開門、關門、加速一般需要7秒鐘；對于運行速度2M/S的電梯，7秒鐘可以運行將近5層樓；不必要的減速、加速不僅大大增加了能耗，而且機械磨損也比正常運行要大很多，同時，頻繁開關門也使門的磨損大大增加。因此，電梯節能增效、減少磨損最有效的辦法就是減少電梯不必要的停層。

同樣，有這樣的一組計算。一部載重750千克的電梯每小時的耗電量在15-22度，相當于每5分鐘就用掉一度電，按照每度電0.52元計算，每部電梯每天在20層的建筑中連續不停運行10個小時，要消耗大約150-220度電，相當于一個月一部普通電梯用電3萬余元，一年36萬余元。如果可以每天減少1～2個小時的使用量，一年可節省近10萬元。

據了解，福州市的電梯保有量已達到12000多部，電梯的電機功率從11KW-30KW不等。這些電梯一半時間電機處于拖動用電狀態，另一半屬于發電狀態，每臺電梯每天用電量從50度-150度不等。以每臺電梯平均每小時用電量為8度，每天開10個小時來計算，福州電梯一天要用電96萬度，一年要用掉3.5億度電，幾乎是福州市十天的發電量。

其實，只要每天減少不必要的乘坐，或者一天減少一小時的運行時間，一年將可以節約3500萬度電。如果按每千瓦時0.5元的電價計費，就是1750萬元人民幣。

三、電梯的設計

（一）實時監測機制

通過在電梯門前的等候區的地板下安裝壓力傳感器，以此來實時監測是否有人等候電梯

（二）信息判斷機制

通過信息中心的分析判斷，并通過單片機控制電機的運行，以此來控制電梯是否停止開門。現通過三層雙電梯模型模擬來說明情況判斷：

1.當兩臺電梯同時停在三層時，模擬有人按下了二樓向下的按鈕（在電梯外放砝碼即可），此時二樓外的壓力傳感器和三樓電梯內的壓力傳感器會測出總的質量（m總），若m總max則下來兩臺電梯。

2.當兩臺電梯都在三樓下行過程中，此時模擬有人按下二樓下行的兩個按鈕（向電梯外放砝碼），壓力傳感先會測試最近的電梯與二樓外面的總質量（m總），若m總max，并且稍遠的電梯沒有超載，則兩臺電梯都在二樓停下。

3.當兩臺電梯運行方向相反時，優先和電梯外的人所要去的方向一致的電梯進行判斷，若m總

（三）實時控制機制

通過判斷以上情況，之后單片機控制電機運行，來實現最終目標的實現。

四、電梯仿真及測試運行

（一）運用步進電機搭建簡易的電梯模型

采用二相四線電機進行電梯模擬，采用角鋼搭建出簡易的三層電梯模型。

原理：通過stm32單片機的程序控制步進電機的轉動時間，編寫代碼實現我們的要求。

（二）壓力傳感器的信息采集

將壓力傳感器與單片機相連接，實現對收集的重力數據進行收集與處理。

i. 原理：

編寫單片機的代碼，能夠將數據進行處理，并進行分析，判斷出為哪一種情況，最后輸出正確的指令。將輸出指令與步進電機結合，使得步進電機能夠按照要求進行運作。

步進電機控制器與單片機連接如下圖

參考文獻

[1]《電梯制造與安裝安全規范》GB10058-2009附錄

[2]《基于單片機的數字式壓力測量儀的研究》——作者：王妮（2013）