基于单片机的电梯监测仿真系统设计
2019-09-19盖晓东李溪水秦文黄启斌卢俊文
盖晓东 李溪水 秦文 黄启斌 卢俊文
摘要：针对现有电梯控制系统中电梯运行状态监测难的问题，设计了基于单片机的电梯运行监测仿真系统，详细阐述了系统的硬件架构、工作原理及其核心模块设计思路。为验证系统有效性，在电梯多种应用场景下，就轿厢负载、速度及制动距离等参数进行详细实验分析。该系统设计思路简单、扩展性高，可为现有电梯控制相关研究提供理论和实践支撑。
关键词：电梯控制;单片机;制动距离
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2019）20-0252-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
电梯作为人们日常生活不可或缺的一种设备，其运行健康状态关乎人们生命财产安全。现有电梯系统一般具备多种电梯应急响应及保护模块，其中电梯制动器是保证电梯正常运转的重要部件之一。电梯制动器的主要功能是使运行中的电梯进入减速或制停状态，尤其是当电梯初始速度不为零时，电梯制动器更应准确控制其减速度，以保证制动过程中乘客的安全性和舒适性。因此，研究电梯制动器的制动力与电梯速度、制动距离的关系显得十分重要[1]。
为解决以上问题，近年来，研究者们不断探索制动器的物理模型[1-3]。例如，叶穆[1]依据电梯工作原理，构建了制动器的旋转-直线物理模型，并在此模型基础上设计了制动力矩的数学方程。陈传斌[2]根据电梯制动器结构及其制动原理，对电梯制动力进行了详细理论分析与计算，并就一些常见种类客梯举例分析，计算其在不同负载下制动距离和制动时间的大致数值范围。赵波等[3]则针对盘式制动器制动效能进行分析，解释了不同运转速度环境下，制动盘与摩擦衬块上的应力分布规律。
然而，由于电梯制动过程的复杂性，单纯利用物理建模方法很难计算出准确结果。为此，必须结合电梯工作原理及其各部件的运行参数、外界噪声因素（如摩擦力、电机轮盘阻力等）进行综合判断。随着计算机技术和网络技术的快速发展，学者们尝试以物联网技术解决电梯运行状态的在线监控和远程报警功能。例如，刘松国等[4]提出一种基于单片机的电梯运行状态在线监测系统，该系统能够利用传感器获取电梯多种运行参数，并借助RS485和以太网将数据发送至远程服务器。周俊[5]从终端监测报警、数据传输和数据管理等多个角度出发检测电梯的健康状态。但以上方法均只针对电梯轿厢运行速度进行监测，而未能有效监控电梯控制系统（如减速器、制动器等），很难发现电梯潜在的运动风险。
本文将从电梯控制系统和末端减速系统两个方面，就电梯实时运行状态进行监测。其中对前者的监控旨在记录制动器的运行状态，而对后者的监控则用于收集轿厢的实时运行数据。为验证本文方法有效性，以单片机为基础，实现了一套电梯监测仿真系统。 采用高精度力拒传感器、光电传感器对电梯制动器和轿厢的运行速度、制动距离进行实时监测。该系统可为现有电梯控制技术的研究提供理论和实践支撑。
1系统硬件框图及运行示意图
本文系统硬件框图如图1所示。从图中可看出，该系统主要包括压力传感器、信号变送器、光电传感器、无线传输模块等组成。其中，单片机是整个系统的核心模块，其主要负责开关控制、传感器数据读取、分析、转发、显示等功能;压力传感器主要用于检测制动盘的压力，并输出4-20mA电流信号;信号变送器则将压力传感器电流信号经放大和调制后转换为单片机可识别的0-5V电压;光电传感器采集制动转盘和光栅尺所产生脉冲，以便单片机计算电梯轿厢速度及制动距离;由于现实应用场景中，轿厢与制动器分别处于不同的楼梯位置，为能够全面监测系统运行状态，通过网络传输模块将轿厢运行参数实时发送至控制中心（PC或移动终端），若轿厢运行速度与制动转盘转速不符时可发出紧急报警。
图2展示了本文所设计系统运行示意图。该图清晰展示了系统各组成部分硬件安装示意图。结合该示意图，本系统运行流程为：首先，系统上电并重置所有模块运行状态，将轿厢移动到指定位;然后，松开轿厢的支撑物，使得轿厢处于自由落体状态。轿厢在运行过程中通过传送带驱动转盘旋转;制动器启动，使转盘减速或停止，并进一步使得轿厢停止下滑。
2系统实现
本小节将详细讨论系统各主要子系统及其实现细节。
2.1测速子系统
2.2制动器压力测量子系统
在该子系统中，主要包括压力数据的采集和处理两部分。其中，数据的采集过程主要是将外界传感器的压力信号转换为MCU电信号，而数据处理则是对采集到的数据进行后期处理，以提高测量准确度。
在压力传感器方面，本文采用大洋DYMH-02膜盒式荷重传感器（0-5kg），该传感器采用外壳与膜片一体化结构，具有性能稳定、可靠的特点。由于压力信号所转换的电信号较为微弱，为防止传输过程中的过度衰减对系统测量精度造成影响，该传感器采用4mA-20mA的标准电流传输。然而，MCU外围引脚一般采用直流电压信号形式，因此需要借助变送器将电流信号转换为MCU可接受的直流电压信号。本文采用大洋DY510作为变送器。
同时，为提高传感器测量准确度，首先对传感器进行多点压力校准。本文分别以1g，2g，5g，10g，20g，50g，100g，200g，500g，1kg，2kg，5kg等多种量程砝码对压力传感器进行校准。在校准过程中，根据输入不同砝码，分别记录其对应输出的电压信号V。本文系统采用10位模数转换器采集变送器输出电压信号，即采样精度为5V/1024。由于信號采集过程中会受到外界噪声信号、传感器自身精度等因素影响，采样结果会存在误差。为此，本文利用最小二乘法对采集结果线性拟合，得到压力传感器电压值与压力值的线性拟合模型。图5展示了本文输出的拟合模型。从图中可以看出，当采用少量小量程压力数据进行拟合时，测试结果出现较大偏差。但随着压力数据数值的增大和数据的增多，数据与模拟的拟合度越发逼近。
2.3数据传输子系统
数据传输子系统主要负责将轿厢的实时运行状态上传至控制中心。考虑到电梯的实际应用场景中一般均有网络设备的支持，本文采用ESP8266无线传输模块实现数据传输子系统，该模块支持TCP和UDP两种传输方式。为满足系统对于传输实时性的要求，采用UDP方式发送数据包。UDP是面向简单的、事务的数据传输协议，具有资源消耗少、传输速度快的特点。但由于UDP是不可靠数据传输，其在传输过程中可能出现丢包现象。为便于控制中心检验所接收数据包的有效性，本文在UDP上层设计应用层数据包传输协议如表1：
根据以往研究表明，以额定载重质量1000kg，轿厢自重1500kg的电梯制动时间一般为0.306～1.675[8]。为确保网络传输及时性，系统数据采集周期设定为10ms。
3实验结果及分析
验证所实现系统有效性，本文就系统负载（轿厢重量+载重-对重质量）、制动距离、制动时间、制动力的相关性进行实验验证分析。
3.1制动力与电梯运行参数的关系
表2为系统负载固定为700g时，制动力与制动距离、轿厢最大速度等参数的关系。本实验中轿厢初始速度为0，当开始实验时，对轮盘施以不同压力，并使轿厢在重力作用下自由下落。需要注意的是，由于电机转盘自身阻力、滑轮与绳索摩擦力等原因，轿厢加速度会小于重力加速度。从表中可以看出，随着制动力不断增大，轿厢加速度极速减小。另外，虽然加速度与最大速度、运行时间呈现较为明显的线性关系，但由于实验环境中的噪声（如人工测量偏差、摩擦力等）影响，实验结果存在一定误差。
3.2负载与电梯其他运行参数的关系
表3展示了无制动力时轿厢与电梯其他运行参数的关系。本小节实验设置方法与4.1小节一致。从表中可看出，随着负载的不断增加，电梯加速度也呈现逐渐增大趋势，与重力加速度越发逼近。其原因可能是随着负载的增大，摩擦力、电机自身重力带来的干扰将被弱化，进而更有助于得到准确的实验结果。需要注意的是，由于本小节中各实验项目的制动距离不同，导致系统制动时间与最大速度也不尽相同。
3.3不同初始速度下电梯运行参数情况
为研究电梯初始速度对其运行参数的影响，本小节将电梯置于不同初始速度下，并记录了其制动力、加速度等参数。表4展示了本次实验结果。可以看出制动力大小与加速度有着密切的联系，体现在制动力越大，其所产生加速度则越小（或者反向加速度越大）， 如表中制动力为0.388N对应加速度为1.004
4总结
本文针对电梯运行参数监测提出一种多传感器融合的设计方法及其单片机仿真方案。所提出系统能够利用高精度光电传感器和压力传感器获取电梯制动器、轿厢的实时运行参数。为验证系统的有效性，在单片机基础上构建了一套电梯运行仿真系统。实验结果表明，本文所提出设计方案是可行的，可为现有电梯控制相关研究提供理论和实践支撑。
参考文献：
[1] 叶穆. 上上下下的安全卫士——电梯制动系统专题：电梯制动器的制动减速度和制停距离分析[J]. 中国电梯， 2007：15-17.
[2] 陈传斌. 电梯制动器的结构和制动力的理论分析与计算[J]. 中国特种设备安全， 2007， （12）：47-50.
[3] 赵波， 范平清. 盘式制动器的制动效能和接触应力分析[J]. 机械设计与制造， 2011， （9）：134-136.
[4] 刘松国， 韩树新， 李伟忠等. 电梯运行状态监测与故障远程报警系统研究[J]. 自动化与仪表， 2011， （10）：42-46.
[5] 周俊. 电梯远程安全监测故障报警系统的设计[D]. 浙江工业大学， 2013.
[6] 崔实， 盛文利. AT89C2051单片机在高精度测速中应用[J]. 电子测量技术， 1999， （2）：28-30.
[7] 郑發泰. 基于光栅编码器高精度测速系统的研究[J]. 湖南工业职业技术学院学报， 2008， 8（3）：5-6.
[8] 梁敏健， 汤景升. 自动扶梯附加制动器原理及检验要点[J]. 中国特种设备安全， 2015， 5（10）：41-44.
【通联编辑：梁书】
