基于单片机的电梯轿厢与井道壁间距检测系统设计

2018-06-01高洪峰李志恒蔡超志王宏伟

机械设计与制造工程 2018年5期

高洪峰，李志恒，蔡超志，王宏伟

(1.河北省特种设备监督检验院邯郸分院，河北邯郸 056004)(2.河北工程大学机械与装备工程学院，河北邯郸 056038)

电梯是现代社会人们生活中不可缺少的一种提升、运输设备，在高层住宅、大型商场、写字楼等场合发挥着巨大的作用。国家质量监督检验检疫局TSGT 7001—2009《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》中规定：“轿厢与面对轿厢入口的井道壁的间距不大于0.15m”。电梯轿厢与井道壁的间距超过规定值会导致人员被挤压、剪切，甚至不慎跌入井道的安全事故发生，是导致电梯安全事故的一个重要原因。因此，对电梯轿厢与井道壁之间的间距检测方法进行研究，开发一种能够实现电梯轿厢与井道壁间距的快速、准确、自动检测系统，对保证电梯的安全运行具有十分重要的意义。

目前电梯轿厢与井道壁间距检测的方法主要是人工检测，检测需要两人合作完成，一人站在轿厢顶控制电梯在每层打开轿厢门，另一人在轿厢用尺子去测量轿厢与井道壁的间距。这种检测方法不仅效率低、精度差、操作性差，而且影响人员安全。近年来，随着技术的进步，出现了一些能够实现轿厢与井道壁间距的自动检测装置[1-3],但是自动化程度不高，能够在实际中应用的不多。针对现有技术存在的不足，本文设计了一种基于超声波原理和单片机技术的电梯轿厢与井道壁间距检测系统，实现电梯轿厢与井道壁间距的自动检测，提高了检测效率，改善了检测条件，降低了电梯乘坐人员不慎跌入井道以及人员被挤压、剪切的风险，保证了电梯的安全稳定运行。

1 检测系统总体方案设计

1.1 电梯轿厢与井道壁间距检测原理

由于超声波技术非常成熟，在测距、避障、机器人定位等方面得到了广泛的应用，因此本文采用超声波技术实现电梯轿厢与井道壁之间的间距测量。图1为电梯轿厢与井道壁间距检测原理示意图。

图1 电梯轿厢与井道壁间距检测原理示意图

由图可知，间距检测的基本原理为：将带有超声波测距模块的检测仪放置在电梯轿厢顶部，使超声波测距模块面对井道壁，触发超声波测距模块的发射器，发出超声波，超声波遇到井道壁会反射沿原路返回，超声波模块的接收器接收返回的超声波。由于超声波在空气中的传播速度是已知的，因此只需得到超声波模块发射超声波到接收反射波的时间，就可以通过计算得到电梯轿厢与井道壁之间的间距。间距的计算公式为

(1)

式中：d为电梯轿厢与井道壁的间距；v为超声波在空气中传播的速度，取340m/s；t为超声波模块发射超声波到接收反射波的时间。

1.2 检测系统组成与工作原理

基于单片机的电梯轿厢与井道壁间距检测系统的原理图如图2所示。由图可知，检测系统由单片机、超声波测距模块、电源模块、无线通信模块、实时显示模块、声光报警模块、复位电路组成。为了保证测量值的准确性，系统采用3路超声波测距模块进行测距，将3个模块测量的平均值作为最终的间距值。该系统中单片机是整个检测系统的核心，用于处理3路超声波测距模块测量的距离数据。无线通信模块为蓝牙模块，用来将测量结果传给终端，供检测人员处理。声光报警模块在单片机控制下，实现超限值报警功能。实时显示模块在单片机的控制下，实现对检测间距值的实时显示。电源模块为整个检测系统供电，用于保证检测系统的正常工作。

图2 电梯轿厢与井道壁间距检测系统方案

2 检测系统硬件设计

2.1 单片机

系统采用STC89C52单片机作为主控芯片，它是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB的Flash、512B的RAM、3个16位定时器/计数器、4个外部中断等资源。它在经典的MCS-51内核上做了很多的改进，成为众多嵌入式控制应用系统有效的解决方案。

2.2 超声波测距模块

为了保证检测系统测距快速且准确，本系统采用HC-SR04超声波测距模块测量电梯轿厢与井道壁之间的间距[4]。该模块的测距量程为2cm～450cm，精度可达0.3cm，测量周期可达60ms，满足电梯轿厢与井道壁距离检测快速和准确的要求(实际的测距范围为0～30cm，精度1.0cm)。

HC-SR04超声波测距模块如图3所示，其工作原理为：给Trig口至少10μs的高电平信号，触发测距，模块自动发送8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回，如果有信号返回，通过ECHO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测量距离=(高电平时间×声速)/2。

图3 HC-SR04超声波测距模块

2.3 无线通信模块

系统采用HC-08蓝牙串口通信模块实现无线通讯[5]，将检测到的间距信号传输到处理终端进行存储和处理。HC-08蓝牙串口通信模块的无线工作频段为2.4GHz ISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4dBm，接收灵敏度-93dBm，空旷环境下和iphone4s可以实现80m超远距离通信。

2.4 显示与报警模块

为了能够较为清楚地显示测得的电梯轿厢与井道壁的间距，本系统采用12864B液晶显示模块实现间距的显示。

为了提示检测人员哪些位置的间距值超过规定的范围，系统增加了间距超限声光报警电路。该系统的声光报警电路由蜂鸣器实现声音报警，由发光二极管实现光报警。根据国家质量监督检验检疫局对电梯检测的规定，当测量的电梯轿厢与面对轿厢入口的井道壁之间的距离大于15cm时，单片机控制蜂鸣器和发光二极管实现间距超限声光报警。

2.5 整体电路

根据上述对检测系统各模块的选型，设计得到检测系统整体电路如图4所示。

3 检测系统软件设计

系统软件采用C语言实现，编程时采用模块化编程思想，将系统功能划分成各个不同的功能模块，然后分别编程从而实现系统的总体功能。根据模块化编程思想，将程序分为主程序、初始化子程序、间距检测与处理子程序、间距显示子程序、间距无线传输子程序、报警子程序等。这里主要介绍主程序和间距检测与处理子程序的设计。

3.1 主程序设计

主程序的主要功能是安排整个检测系统的工作流程，按照工作流程调用相关的功能子程序，从而实现电梯轿厢与井道壁间距的检测、显示、报警和数据传输等功能。系统主程序流程图如图5所示，由图可知，整个检测系统的工作流程为：系统开始运行后，首先执行初始化子程序，为系统的工作做准备，然后3路超声波测距模块对间距进行检测并对间距值进行数字滤波，完成数字滤波后，将3路超声波测距模块得到的间距值进行平均处理得到最终的间距值，接着将得到的间距值进行显示和传输，在此期间，如果间距值超限，则进行报警处理，否则继续检测，如此循环直到遇到检测结束信号，结束检测。

图4 系统整体电路

图5 主程序流程图

3.2 间距检测与处理子程序

间距检测与处理子程序的作用是通过单片机的端口给超声波测距模块的Trig口10μs的高电平信号，从而触发超声波模块开始测距，其中10μs高电平信号由单片机的定时器1定时产生；与此同时通过单片机的定时器2检测超声波测距模块的ECHO口返回的高电平持续时间，即超声波从发射到返回的时间，然后通过计算得到距离值。在完成距离值的计算后，对获得的距离值进行数字滤波和平均处理，得到最终的距离值并将结果输出进行后续处理。间距检测与处理子程序流程图如图6所示。

图6 间距检测与处理子程序流程图

3.3 间距值数据处理

为了保证电梯轿厢与井道壁之间间距测量结果的准确性，在系统软件设计中对由超声波测距模块检测到的间距值进行了数据处理。

由于电梯井道中环境恶劣，设计的间距检测系统在测试过程中会受到干扰，因此需要对每路超声波测距模块测量的间距值进行数字滤波处理，滤掉干扰信号，从而得到准确的间距值。本文考虑到在测距过程中主要受到的干扰为随机干扰和脉冲干扰，因此采用防脉冲干扰平均值滤波对测量信号进行滤波处理。

该滤波法是一种复合数字滤波方法，它兼顾了中值滤波和算术平均值滤波的优点，无论对变化缓慢的信号还是快速的信号都能获得较好的滤波效果。该方法先对N个数据进行比较，去掉其中的最大值和最小值，然后对剩余的(N-2)个数据进行平均，其计算式为：

(2)

式中：Y为滤波后的数据；X(K)为滤波前的数据；N≥3，本文滤波时N取4。

为了消除电梯井壁表面粗糙度对检测结果精度的影响，在对每路超声波测距模块测量的数据进行滤波后，将3路超声波测距模块得到的间距值进行算术平均，作为最终的间距值。

4 现场测试

为了验证设计的电梯轿厢与井道壁间距检测系统的有效性，开发了检测系统的实验系统，进行了实际测试。开发的检测系统的实验系统组成如图7所示。

实际测试时，将实验板放置在电梯轿厢顶部，将超声波测距模块放置于电梯轿厢与井道壁相对一侧的边缘。为了排除误差，保证间距检测的准确性，并排放置了3路超声波测距模块，并将3路模块测量的平均值作为最终的间距值。由于测试系统置于电梯轿厢顶部，在电梯由下到上(或由上到下)的一次运行过程中就可以实时测得整个井道壁与电梯轿厢的间距，从而能够实现间距的快速测量。实际测试结果表明，设计的检测系统间距检测范围为2cm～450cm，检测精度可达0.3cm，检测速度可达10次/s，能够实现电梯轿厢与井道壁间距的快速、准确测量，基本满足使用要求。