基于單片機的電梯監測仿真系統設計

蓋曉東 李溪水 秦文 黃啟斌 盧俊文

摘要：針對現有電梯控制系統中電梯運行狀態監測難的問題，設計了基于單片機的電梯運行監測仿真系統，詳細闡述了系統的硬件架構、工作原理及其核心模塊設計思路。為驗證系統有效性，在電梯多種應用場景下，就轎廂負載、速度及制動距離等參數進行詳細實驗分析。該系統設計思路簡單、擴展性高，可為現有電梯控制相關研究提供理論和實踐支撐。

關鍵詞：電梯控制;單片機;制動距離

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0252-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

電梯作為人們日常生活不可或缺的一種設備，其運行健康狀態關乎人們生命財產安全。現有電梯系統一般具備多種電梯應急響應及保護模塊，其中電梯制動器是保證電梯正常運轉的重要部件之一。電梯制動器的主要功能是使運行中的電梯進入減速或制停狀態，尤其是當電梯初始速度不為零時，電梯制動器更應準確控制其減速度，以保證制動過程中乘客的安全性和舒適性。因此，研究電梯制動器的制動力與電梯速度、制動距離的關系顯得十分重要[1]。

為解決以上問題，近年來，研究者們不斷探索制動器的物理模型[1-3]。例如，葉穆[1]依據電梯工作原理，構建了制動器的旋轉-直線物理模型，并在此模型基礎上設計了制動力矩的數學方程。陳傳斌[2]根據電梯制動器結構及其制動原理，對電梯制動力進行了詳細理論分析與計算，并就一些常見種類客梯舉例分析，計算其在不同負載下制動距離和制動時間的大致數值范圍。趙波等[3]則針對盤式制動器制動效能進行分析，解釋了不同運轉速度環境下，制動盤與摩擦襯塊上的應力分布規律。

然而，由于電梯制動過程的復雜性，單純利用物理建模方法很難計算出準確結果。為此，必須結合電梯工作原理及其各部件的運行參數、外界噪聲因素（如摩擦力、電機輪盤阻力等）進行綜合判斷。隨著計算機技術和網絡技術的快速發展，學者們嘗試以物聯網技術解決電梯運行狀態的在線監控和遠程報警功能。例如，劉松國等[4]提出一種基于單片機的電梯運行狀態在線監測系統，該系統能夠利用傳感器獲取電梯多種運行參數，并借助RS485和以太網將數據發送至遠程服務器。周俊[5]從終端監測報警、數據傳輸和數據管理等多個角度出發檢測電梯的健康狀態。但以上方法均只針對電梯轎廂運行速度進行監測，而未能有效監控電梯控制系統（如減速器、制動器等），很難發現電梯潛在的運動風險。

本文將從電梯控制系統和末端減速系統兩個方面，就電梯實時運行狀態進行監測。其中對前者的監控旨在記錄制動器的運行狀態，而對后者的監控則用于收集轎廂的實時運行數據。為驗證本文方法有效性，以單片機為基礎，實現了一套電梯監測仿真系統。 采用高精度力拒傳感器、光電傳感器對電梯制動器和轎廂的運行速度、制動距離進行實時監測。該系統可為現有電梯控制技術的研究提供理論和實踐支撐。

1系統硬件框圖及運行示意圖

本文系統硬件框圖如圖1所示。從圖中可看出，該系統主要包括壓力傳感器、信號變送器、光電傳感器、無線傳輸模塊等組成。其中，單片機是整個系統的核心模塊，其主要負責開關控制、傳感器數據讀取、分析、轉發、顯示等功能;壓力傳感器主要用于檢測制動盤的壓力，并輸出4-20mA電流信號;信號變送器則將壓力傳感器電流信號經放大和調制后轉換為單片機可識別的0-5V電壓;光電傳感器采集制動轉盤和光柵尺所產生脈沖，以便單片機計算電梯轎廂速度及制動距離;由于現實應用場景中，轎廂與制動器分別處于不同的樓梯位置，為能夠全面監測系統運行狀態，通過網絡傳輸模塊將轎廂運行參數實時發送至控制中心（PC或移動終端），若轎廂運行速度與制動轉盤轉速不符時可發出緊急報警。

圖2展示了本文所設計系統運行示意圖。該圖清晰展示了系統各組成部分硬件安裝示意圖。結合該示意圖，本系統運行流程為：首先，系統上電并重置所有模塊運行狀態，將轎廂移動到指定位;然后，松開轎廂的支撐物，使得轎廂處于自由落體狀態。轎廂在運行過程中通過傳送帶驅動轉盤旋轉;制動器啟動，使轉盤減速或停止，并進一步使得轎廂停止下滑。

2系統實現

本小節將詳細討論系統各主要子系統及其實現細節。

2.1測速子系統

2.2制動器壓力測量子系統

在該子系統中，主要包括壓力數據的采集和處理兩部分。其中，數據的采集過程主要是將外界傳感器的壓力信號轉換為MCU電信號，而數據處理則是對采集到的數據進行后期處理，以提高測量準確度。

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構，具有性能穩定、可靠的特點。由于壓力信號所轉換的電信號較為微弱，為防止傳輸過程中的過度衰減對系統測量精度造成影響，該傳感器采用4mA-20mA的標準電流傳輸。然而，MCU外圍引腳一般采用直流電壓信號形式，因此需要借助變送器將電流信號轉換為MCU可接受的直流電壓信號。本文采用大洋DY510作為變送器。

同時，為提高傳感器測量準確度，首先對傳感器進行多點壓力校準。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行校準。在校準過程中，根據輸入不同砝碼，分別記錄其對應輸出的電壓信號V。本文系統采用10位模數轉換器采集變送器輸出電壓信號，即采樣精度為5V/1024。由于信號采集過程中會受到外界噪聲信號、傳感器自身精度等因素影響，采樣結果會存在誤差。為此，本文利用最小二乘法對采集結果線性擬合，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，當采用少量小量程壓力數據進行擬合時，測試結果出現較大偏差。但隨著壓力數據數值的增大和數據的增多，數據與模擬的擬合度越發逼近。

2.3數據傳輸子系統

數據傳輸子系統主要負責將轎廂的實時運行狀態上傳至控制中心。考慮到電梯的實際應用場景中一般均有網絡設備的支持，本文采用ESP8266無線傳輸模塊實現數據傳輸子系統，該模塊支持TCP和UDP兩種傳輸方式。為滿足系統對于傳輸實時性的要求，采用UDP方式發送數據包。UDP是面向簡單的、事務的數據傳輸協議，具有資源消耗少、傳輸速度快的特點。但由于UDP是不可靠數據傳輸，其在傳輸過程中可能出現丟包現象。為便于控制中心檢驗所接收數據包的有效性，本文在UDP上層設計應用層數據包傳輸協議如表1：

根據以往研究表明，以額定載重質量1000kg，轎廂自重1500kg的電梯制動時間一般為0.306～1.675[8]。為確保網絡傳輸及時性，系統數據采集周期設定為10ms。

3實驗結果及分析

驗證所實現系統有效性，本文就系統負載（轎廂重量+載重-對重質量）、制動距離、制動時間、制動力的相關性進行實驗驗證分析。

3.1制動力與電梯運行參數的關系

表2為系統負載固定為700g時，制動力與制動距離、轎廂最大速度等參數的關系。本實驗中轎廂初始速度為0，當開始實驗時，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，由于電機轉盤自身阻力、滑輪與繩索摩擦力等原因，轎廂加速度會小于重力加速度。從表中可以看出，隨著制動力不斷增大，轎廂加速度極速減小。另外，雖然加速度與最大速度、運行時間呈現較為明顯的線性關系，但由于實驗環境中的噪聲（如人工測量偏差、摩擦力等）影響，實驗結果存在一定誤差。

3.2負載與電梯其他運行參數的關系

表3展示了無制動力時轎廂與電梯其他運行參數的關系。本小節實驗設置方法與4.1小節一致。從表中可看出，隨著負載的不斷增加，電梯加速度也呈現逐漸增大趨勢，與重力加速度越發逼近。其原因可能是隨著負載的增大，摩擦力、電機自身重力帶來的干擾將被弱化，進而更有助于得到準確的實驗結果。需要注意的是，由于本小節中各實驗項目的制動距離不同，導致系統制動時間與最大速度也不盡相同。

3.3不同初始速度下電梯運行參數情況

為研究電梯初始速度對其運行參數的影響，本小節將電梯置于不同初始速度下，并記錄了其制動力、加速度等參數。表4展示了本次實驗結果。可以看出制動力大小與加速度有著密切的聯系，體現在制動力越大，其所產生加速度則越小（或者反向加速度越大）， 如表中制動力為0.388N對應加速度為1.004，而0.487N對應加速度為-1.308。同時，可觀察出初始速度與制動力有著密切聯系，具體地，當初始速度越大時，所需制動力則越大。如表中初始速度為0.491m/s時，制動力為0.787N。

4總結

本文針對電梯運行參數監測提出一種多傳感器融合的設計方法及其單片機仿真方案。所提出系統能夠利用高精度光電傳感器和壓力傳感器獲取電梯制動器、轎廂的實時運行參數。為驗證系統的有效性，在單片機基礎上構建了一套電梯運行仿真系統。實驗結果表明，本文所提出設計方案是可行的，可為現有電梯控制相關研究提供理論和實踐支撐。

參考文獻：

[1] 葉穆. 上上下下的安全衛士——電梯制動系統專題：電梯制動器的制動減速度和制停距離分析[J]. 中國電梯， 2007：15-17.

[2] 陳傳斌. 電梯制動器的結構和制動力的理論分析與計算[J]. 中國特種設備安全， 2007， （12）：47-50.

[3] 趙波， 范平清. 盤式制動器的制動效能和接觸應力分析[J]. 機械設計與制造， 2011， （9）：134-136.

[4] 劉松國， 韓樹新， 李偉忠等. 電梯運行狀態監測與故障遠程報警系統研究[J]. 自動化與儀表， 2011， （10）：42-46.

[5] 周俊. 電梯遠程安全監測故障報警系統的設計[D]. 浙江工業大學， 2013.

[6] 崔實， 盛文利. AT89C2051單片機在高精度測速中應用[J]. 電子測量技術， 1999， （2）：28-30.

[7] 鄭發泰. 基于光柵編碼器高精度測速系統的研究[J]. 湖南工業職業技術學院學報， 2008， 8（3）：5-6.

[8] 梁敏健， 湯景升. 自動扶梯附加制動器原理及檢驗要點[J]. 中國特種設備安全， 2015， 5（10）：41-44.

【通聯編輯：梁書】