基于压力传感器的电梯节能检测模块设计与仿真
2018-01-20李杰刘铖浩张晏熙和昊婷
李杰++刘铖浩++张晏熙++和昊婷
摘要：随着近年来时代的发展，高层逐渐增加，为了满足人员和货物的组织上下，电梯也越来越广泛的被运用到生活中，但是电梯经常会发生空运行或者所停楼层外并没有人的现象，这些现象会大大增加电梯的耗能情况，我们决定通过电梯与外部压力传感器的结合来规避这些问题，使得电梯有了自己的“眼睛”和“大脑”，智能的判断，从而提高电梯使用寿命，降低电梯耗能，实现节能的最终目标。
关键词：压力传感器；电梯节能；电梯设计；电梯仿真
随着国民经济的迅速增长，城市建设规模不断扩大，社会进步和生产力发展，电梯在现代生活中被广泛应用，电梯的生产量年均涨幅超过20%，如今，电梯已成为我们日常生活中必不可少的一部分，中国电梯的保有量已突破300万台。在对酒店，写字楼等的用电情况调查中，电梯的用电量仅次于空调用电量，远高于照明，供水等的用电量据。《电梯节能监测》显示，北京在2015年电梯耗电量约为26.3亿度电，约为7.89亿吨煤，至少会排放21亿吨的二氧化碳。
但是，如今的电梯行业已经到了转型期，急需给电梯技术革新。
中国电梯协会提供的信息显示，当前我国的电梯产量和电梯保有量已成世界第一。社会对电梯的使用关注度也在不断提升，电梯巨大的能耗已经引起社会和政府部门的密切关注，节能降耗成为社会关注的热点，在资源环境问题的日益突出的现实情况下，节能显得尤为必要，所以电梯在节能降耗方面的技术应用也在不断创新、提升。客户在选择电梯的时候，不仅考虑电梯的安全性和舒适性，而且逐渐关注所选电梯的能耗情况。
一、压力传感器
随着微电子技术和信息技术的发展，压力参数的检测、报警与控制，已深入到国民经济和人们生活的各个领域。自动化程度越高，需要检测的压力就越多，在各种工业过程控制中，压力是生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行检测和控制。
压力测量系统具有数据采集、数字存储、温度补偿处理、数字通信等功能，能够精确的测出压力。设计中的硬件电路主要分为五个部分：一是输入部分主要 是将被测压力物理量转换成电信号，主要是利用惠斯登电桥的工作原理采集压力信号。二是A/D转换部分主要是利用外围AD7190转换器进行数据的转换。三是MSP430F5310微处理器部分的电路，包括时序控制和运算。四是下位机通讯部分，实现与PC机的数字通讯。五是电源管理部分，主要实现±5V模拟电源电压和±3.3V 数字电源电压的输出。软件包括两个部分：一是采用C语言的模块化设计方式，完成任务的激活、查询、执行，触发中断和数据通讯等工作。二是用VB语言实现了上位机数据显示和保存等功能。
的基于压力传感的电梯节能检测模块主要是通过对电梯外人员质量信息的采集进行实时监测，从而控制信息判断机制中单片机的运行进而达到防止电梯“空运行”造成高能耗的目的。通过查找文献资料，我们了解到压阻式压力传感器的灵敏系数比金属应变式压力传感器的灵敏度系数要大 50～100 倍。有时压阻式压力传感器的输出不需要放大器就可直接进行测量。所以，我们小组决定使用此种压力传感器进行课题研究。
二、电梯节能
电梯每停一次，减速、开门、关门、加速一般需要7秒钟；对于运行速度2M/S的电梯，7秒钟可以运行将近5层楼；不必要的减速、加速不仅大大增加了能耗，而且机械磨损也比正常运行要大很多，同时，频繁开关门也使门的磨损大大增加。因此，电梯节能增效、减少磨损最有效的办法就是减少电梯不必要的停层。
同样，有这样的一组计算。一部载重750千克的电梯每小时的耗电量在15-22度，相当于每5分钟就用掉一度电，按照每度电0.52元计算，每部电梯每天在20层的建筑中连续不停运行10个小时，要消耗大约150-220度电，相当于一个月一部普通电梯用电3万余元，一年36万余元。如果可以每天减少1～2個小时的使用量，一年可节省近10万元。
据了解，福州市的电梯保有量已达到12000多部，电梯的电机功率从11KW-30KW不等。这些电梯一半时间电机处于拖动用电状态，另一半属于发电状态，每台电梯每天用电量从50度-150度不等。以每台电梯平均每小时用电量为8度，每天开10个小时来计算，福州电梯一天要用电96万度，一年要用掉3.5亿度电，几乎是福州市十天的发电量。
其实，只要每天减少不必要的乘坐，或者一天减少一小时的运行时间，一年将可以节约3500万度电。如果按每千瓦时0.5元的电价计费，就是1750万元人民币。
三、电梯的设计
（一）实时监测机制
通过在电梯门前的等候区的地板下安装压力传感器，以此来实时监测是否有人等候电梯
（二）信息判断机制
通过信息中心的分析判断，并通过单片机控制电机的运行，以此来控制电梯是否停止开门。现通过三层双电梯模型模拟来说明情况判断：
1.当两台电梯同时停在三层时，模拟有人按下了二楼向下的按钮（在电梯外放砝码即可），此时二楼外的压力传感器和三楼电梯内的压力传感器会测出总的质量（m总），若m总
2.当两台电梯都在三楼下行过程中，此时模拟有人按下二楼下行的两个按钮（向电梯外放砝码），压力传感先会测试最近的电梯与二楼外面的总质量（m总），若m总
3.当两台电梯运行方向相反时，优先和电梯外的人所要去的方向一致的电梯进行判断，若m总 （三）实时控制机制 通过判断以上情况，之后单片机控制电机运行，来实现最终目标的实现。 四、电梯仿真及测试运行 （一）运用步进电机搭建简易的电梯模型 采用二相四线电机进行电梯模拟，采用角钢搭建出简易的三层电梯模型。 原理：通过stm32单片机的程序控制步进电机的转动时间，编写代码实现我们的要求。 （二）压力传感器的信息采集 将压力传感器与单片机相连接，实现对收集的重力数据进行收集与处理。 i. 原理： 编写单片机的代码，能够将数据进行处理，并进行分析，判断出为哪一种情况，最后输出正确的指令。将输出指令与步进电机结合，使得步进电机能够按照要求进行运作。 步进电机控制器与单片机连接如下图 参考文献 [1]《电梯制造与安装安全规范》GB10058-2009附录 [2]《基于单片机的数字式压力测量仪的研究》——作者：王妮（2013）
