远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用探讨

姚长鸿　夏钟兴

摘要：近年来电梯事故频发，电梯的安全性日益受到社会的关注。本文基于红外传感的敏感性，以电梯的安全性为切入点，从远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用原理，远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用的优点，及系统设计、信号采集模块设计，特点之处是以红外为技术，将温度的突变嵌入安全管理，给电梯的安全管理注入的新的观点。

Abstract： The accidents of elevator are frequent in recent years， the safety of the elevator accepts more and more social attention. Based on the infrared sensor sensitivity， this paper takes the safety of the elevator as the breakthrough point to expound the application principles of infrared temperature sensor in the elevator safety system， the advantages of the application of infrared temperature sensor in the elevator safety system， the system design and signal acquisition module design. The characteristics are injecting the new ideas of safety management of the lift by embedding temperature mutations in safety management based on infrared technology.

关键词：电梯安全设计；红外线设计运用：安全系统设计探讨

Key words： the elevator safety design；design and application of infrared ray；security system design

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）07-0131-03

0 引言

基于红外测温原理，数字温度计主要由单片机CPU、数字红外传感器、显示屏和其他外围电路、及部分模拟电路组成。单片机CPU通过由于连接到总线的器件（PMOS、NMOS、CMOS、双极性），逻辑0（低）和逻辑1（高）的电平不是固定的，其由电源VCC的相关决定，每个时钟脉冲都是一个数据位得出的。总线读取MLX90615采集的红外辐射信号，将其转换为对应的被测物体温度值并显示在液晶屏上。实验结果表示，红外温度测试计分辨率在0.01～0.03℃之间，准确度达到了0.1℃，实现了温度的快速、准确、方便、无接触的测量。本文介绍了一种基于I2C总线支持任何IC生产过程（NMOS CMOS、双极性）。两线——串行数据（SDA）和串行时钟 （SCL）线在连接到总线的器件间传递信息的数字红外传感器MLX90615的红外温度设计。

1 远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用的基本原理

电梯抱闸系统是电梯安全行驶与停车的重要部件，与主轴旋转最接近。当电梯轿厢处于静止且马达处于失电状态下防止电梯再移動的机电装置。在某些控制形式中，它会在马达断电时刹住电梯。它的控制方式一般是得电时抱闸松开，失电时抱闸抱紧或者是低速抱闸。部件有抱闸靴-抱闸的运动部分，表面为摩擦面。当抱闸鼓推动它时，会将处在平层状态下的电梯刹住。在某些控制形式中，它会在马达断电时刹住电梯。

当电梯抱闸系统出现异常，抱闸靴与旋转部件出现长时间摩擦其深部平均温度发生变化，温度也会迅速发生变化，并且抱闸系统区域，受外界因素影响小，因此电梯抱闸系统的温度变化可以反映电梯的停车刹车系统的安全性。远红外温度传感器通过红外辐射来测量抱闸靴的温度极值，判断电梯是否异常，确认是否断开安全回路。

笔者在配合全市电梯安全大整治工作中，对抽查的100多部电梯中20部电梯进行跟踪测试，在电梯的曳引力不足发生摩擦和抱闸系统故障都会伴有温度的变化其曳引钢丝绳与轮及抱闸靴与轮辐射能量密度与温度的关系基本符合斯蒂芬-波尔兹曼辐射定律：

j*=εδΤ^4（1）

其中辐射度j*具有功率密度的量纲（能量/（时间·距离2）），国际单位制标准单位为焦耳/（秒·平方米），即瓦特/平方米。绝对温度T 的标准单位是开尔文，δ为黑体的辐射系数；若为绝对黑体，则 ε=1。

比例系数 σ 称为斯特藩-玻尔兹曼常数或斯特藩常量。由于它可以通过其他常数推算出来，所以它不是一个基本物理常数，该常数的值约为：

5.670 400（40）×10^-8 W·m^-2·K^-4

j*=εδΤ^4该公式说明辐射功率和物体的温度是正比的关系，物体的温度越高，辐射功率越大，反之，辐射功率则越小，在已知两者的辐射率的基础上，只需知道一个数值，代用到上述公式中就可以得出另一个数值，所以，远红外温度传感器在应用红外传感器吸收红外辐射的原理可以测量曳引钢丝绳与轮及抱闸靴与轮辐射温度变化。红外传感器采用串联的热电偶，冷接头放置在厚的芯片衬底上，热接头放置在薄膜上，薄膜吸收红外辐射，从而产生微弱电信号。根据式（1）的原理，红外传感器的输出信号为：

Vir（Ta，To）=M（T4o-T4a）（2）

其中，M为总体的敏感度，和传感器的结构设计有关；To为目标物体的热力学温度，单位为K，由红外温度传感器测出；Ta为环境的热力学温度，单位为K，需要附加的传感器测量目标物体的环境温度。

2 远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用的优点

传统数字温度计、机械温度测量和水银温度计进行接触式测量，具有性能稳定但存在测量时间长、反应慢，与测量部位误差大等缺点。远红外温度传感器是通过红外传感器采集被测部位的红外辐射并转化为数字信号，单片机CPU单元将数字信号转换为温度值并与电梯安全回路和显示回路相通。给传统电梯加装上新的安全系统，不失为经济转型中对传统电梯的技术革新，改造升级，具有高精度、速度快、操作简便、安全舒适等优点。更符合现代社会对安全的心理需求。

3 系统设计

远红外温度传感器在电梯安全系统中的作用依据红外辐射原理进行温度测量。主要由单片机CPU、数字红外传感器、显示屏和其他外围电路、及部分模拟电路组成。其设计图如图1所示。当系统处于工作时，数字红外传感器将采集到的红外辐射转换成数字信号。单片机CPU将采集的数字信号经过运算后，显示出温度值，并给控制室发出警示蜂鸣器鸣叫，同时达到预设极值将信号反馈给安全回路，断开电梯。

4 信号采集部分

传感器部分采用数字红外传感器MLX90615，其组成部分主要包括具有强大功能的DSP单元、16位模数转换器、放大电路、红外热电堆传感器等，其结构原理如图2所示。红外热电堆传感器负责收集红外辐射，并将其转化为电信号，放大电路负责将处理后的电信号放大同时传送给模数转换器，模数转换器负责将接收到的数字信号经滤波器低通滤波器调理后送入数字信号处理器，数字信号处理器对数字信号运算处理后输出测量结果并保存在MLX90615内部RAM中，可以通过SMBus或PWM方式供单片机CPU 单元读取。

MLX90615 具有寬温度范围/ SMBus 兼容的数字接口/发射率可调节/高分辨率/高精度等优点，而可作为远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用的MLX90615ESG-DAA在自然温度下的精确度达到了±0.1 ℃。MLX90615在很多领域都得到了广泛应用，比如多重温度区域控制、高精度非接触温度测量等。

5 微处理单片机CPU

微处理单片机CPU采用基于ARM Cortex-M3的32 位微控制器EFM32G842F64。该控制器具有宽温度范围/低功耗/高速可靠等优点，广泛应用于电机控制、手持设备等场合。EFM32G842F64具有64KB的片内Flash程序存储器、3个通用定时器等外设资源和USART、I2C、SPI、多通用I/O引脚、双12位A/D转换器等通信接口，能够满足远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用要求。该设计中微控制器EFM32G842F64主要完成判断按键输入、红外传感器信号的采集与处理、驱动显示和报警等功能。

6 显示和其他外围设计

该设计显示部分采用基于LCD1602的液晶芯片通用设计，如图3所示。在图中的DB0～DB7与CPU单片机连接，用于显示用户用电信息；P25、P26、P27分别控制LCD1602的寄存器选择输入端RS、读写控制输入端R/W、使能信号输入端E；通过调节R58电阻值的大小来控制液晶显示的对比度。

①LCD液晶显示器的功耗极低，具有体积小/功耗低/易匹配处理器等/对比度可调等优点，第1脚：接地电源是VSS；第2脚：VDD接5V正电源；第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，其对比度接地时最高是，接正电源时最弱，同时为了避免操作过程中出现”鬼影”，还应该采取必要的应对措施合理调整对比度；第4脚：RS为寄存器选择，指令寄存器适合低电平，数据寄存器适合高电平；第5脚：R/W为读写信号线，实施写操作说明其处于低电平，实施读操作说明其处于高电平，若RS和R/W同时为低电平，可以写入指令或显示地址，若R/W为高电平/RS为低电平，可以读忙信号，反之若R/W为低电平/RS为高电平，可以写入数据；第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令；第7-14脚：D0-D7为8位双向数据线；第15脚：背光源正极；第16脚：背光源负极。

②其他外围辅助电路主要包括控制按键、报警电路、低功耗蜂鸣电路等部分。控制按钮主要产生开/合的信号，使EFM32G842F64执行红外温度检测功能。低功耗蜂鸣电路提示用户红外温度检测结束。

③软件设计：软件设计采用模块化程序设计，主要包括液晶显示模块、红外温度检测模块、按键检测模块、初始化模块等，其程序流程如图4所示。初始化模块主要负责一些初始化设置，比如I2C、定时器、中断、通用I/O、复位等，按键检测模块主要负责检测是否按下按键，进而造成外部中断同时实施红外温度检测功能。红外温度检测模块主要是按照I2C总线方式对数字红外传感器MLX90615进行读取操作， 并按预定的公式将数字信号转换成抱闸靴或曳引钢丝绳与轮接触部位的腔温度值。液晶显示模块主要是驱动液晶显示器，将抱闸靴或曳引钢丝绳与轮接触部位温度值显示在液晶屏上，方便观察数据。当温度达到极限值时时，报警功能发出警示。

7 红外温度检测模块

红外测温模块的程序流程如图4所示，其步骤主要包括读取从地址、建立通讯协议、设置发射率、读取被测物体数据、温度模数转换等，在红外温度检测模块中，EFM32G842F64对数字红外传感器MLX90615进行读写操作，首先从器件MLX90615读取子地址。MLX90615中发射率出厂设置为1，而抱闸靴一般石绵材质发射率为0.96左右，曳引钢丝绳0.57左右，面对这种形势，必须将MLX90615的发射率重新设置，由于被测物体的温度值的地址存放在MLX90615的RAM单元07h内，因此，依照I2C总线时序读取多字节数据，并结合To=RAM（07h）0.02-273.15公式，可得出MLX90615中的摄氏温度，精确度很高。

8 结束语

由于突发性的轿厢异常运行抱闸靴或曳引钢丝绳的摩擦，传统的安全控制方式已经不能完全解决电梯运行中的危险因素。此款设计远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用采用低功耗的ARM处理器和高精度的数字红外传感器，简化了硬件和软件设计任务。提高了电梯运行中的安全系数，事故率降低50%，在未来高速电梯、防爆电梯等方面具有广泛的应用前景。

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