基于STM32 电梯限速器速度测量与显示系统设计

2023-11-10周叶平兰清生汪有韬李婷婷毛锦荣

电子设计工程 2023年21期

周叶平，兰清生，汪有韬，李婷婷，毛锦荣

（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院，江西南昌 330052）

电梯限速器是电梯一个非常重要的安全部件，是避免电梯轿厢（或者对重）超速运行的重要安全保障装置，也称为断绳保护和超速保护装置[1]。近年来，由电梯检验规则《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》（TSG T7001-2009）增加“检验人员现场观察确认电梯限速器校验的过程”的要求，可见国家相关职能部门对电梯限速器校验工作的重视程度[2-4]。然而，当前使用的限速器校验仪器设备的显示装置均采用LED 显示屏或者TFT 彩屏，均不同程度上存在发热量大，导致系统测试准确度降低，同时存在可视角度小，导致现场电梯限速器校验过程中现场读数不方便的问题。针对显示装置发热量影响校验准确度的问题，设计了一种使用OLED 屏的电梯限速器校验系统，限速器校验仪器设备的核心是对限速器速度的测量与显示，限速器速度的测量主要包括速度采集、信号处理和速度显示三方面。文中采用霍尔接近开关作为限速器转速的采集传感器，以STM32 作为控制核心进行数据处理，以OLED 屏作为显示装置，实现了限速器校验过程中速度的采集、处理、显示的功能[5-8]。

1 系统结构设计

电梯限速器速度测量与显示系统由STM32F 103C8T6、HG-HL12 霍尔接近开关、0561OLED屏、电源模块等组成[9]。系统结构框图如图1 所示。

图1 系统结构框图

2 硬件设计

2.1 STM32单片机最小系统设计

主控制芯片采用STM32F103C8T6 单片机，主要实现定时器计时、定时器触发、片外上升沿脉冲信号捕获，I2C 总线数据传输、OLED 屏显示功能。STM32F103C8T6芯片是一款在CorTex-M内核的基础上扩张了高性能外设的STM32F103 系列芯片。为了提高整个系统的研发效率，缩短研发周期，借助ST 公司推出的官方固件库函数进行系统开发。LQFP48 封装形式的STM32F103 C8T6 单片机工作主频最高为72 MHz，内置64 kB Flash 和20 kB RAM，包含3 个通用定时器、1个高级定时器、2 个12 位的ADC、3 个异步通信串行口USART、2 个同步通信串行口SPI、2 个I2C 接口、37 个GPPIO 端口[10-12]。使用STM32F103C8T6 单片机的PA1（TIM2_CH2）引脚进行脉冲信号的采集，引脚I2C1_SCL（PB6）、I2C1_SDA（PB7）组合的I2C 接口与OLED 显示屏进行通信。STM32 单片机最小系统电路设计如图2 所示。

图2 STM32单片机最小系统电路图

2.2 限速器速度采集模块设计

速度采集电路采用霍尔接近开关（型号为HGHL12)作为传感器，其输入电压范围为10～30 V，输出级为一个集电极开路NPN 管。霍尔接近开关采用12 V 电压供电。霍尔接近开关在没有磁钢靠近时，传感器输出+12 V，有磁钢靠近时，传感器输出0 V，磁钢吸附于限速器节圆位置处，磁钢随着限速器的旋转按照一定的频率靠近霍尔接近开关，霍尔接近开关持续输出脉冲方波[13]。为匹配单片机STM32TTL 电平及定时器上述沿捕获的设计，设计了2 个电阻及非门实现信号的分压与反转。实现信号电平匹配的电路图如图3 所示。

图3 霍尔接近开关速度采集电路

2.3 OLED显示电路设计

OLED 由于体积小、超薄、工作温度范围宽、功耗低等优点，得到了广泛推广使用，文中采用的OLED屏型号为OLED0561，分辨率为128×64，尺寸为1.3英寸，驱动IC 为SH1106，通信方式为I2C。根据数据手册显示，OLED 的第10、11、12 分别对应着BS0、BS1、BS2。为将通信方式设置为I2C 工作模式，须将BS0、BS1、BS2 分别设置为0、1、0。由于OLED 只作为显示模块，将OLED 的15（D/C#）和16（R/W#）引脚接地，直接硬件上设置为低电平，只执行写命令指令，参照SH1106 数据手册，结合实际使用需求设计的OLED 屏接口电路如图4 所示[14]。

图4 OLED屏幕显示电路

3 电梯限速器速度测量与显示系统软件设计

为缩短开发项目的周期，系统软件采用Keil4 进行开发，充分利用ST 公司推出的官方固件库函数提高系统软件开发效率。设计的系统软件包括I/O 口初始化函数、时钟初始化函数、I2C 初始化函数函数、I2C 发送一个字节函数、I2C 发送数据串函数、OLED屏开显示初始化函数等模块。系统在硬件初始化（I/O 口初始化函数、时钟初始化函数、I2C 初始化函数函数）后等待限速器转动中断响应，如果没有中断发生，系统处于等待状态，OLED 屏显示速度为00.00 m/s。直到有限速器转动即磁钢有靠近霍尔接近开关的响应发生，则响应中断函数，将中断函数中计算得到的速度值发送至OLED 屏显示。软件程序图如图5 所示。

图5 软件程序图

3.1 限速器速度采集软件设计

以三菱电梯限速器为例，ZDGZ-200 或者DG-640 两种型号限速器能够覆盖匹配额定速度0.5～4.0 m/s 的电梯，节圆直径D为240 mm 或者320 mm，通过式（1）计算可得频率为0.66～3.99 Hz。

由于被测信号频率低，为提高脉冲周期计算的精度，采用计时法进行信号测量脉冲周期，通过换算可得线速度值[15]。

计时法测量原理图如图6 所示，图中TC1是标准信号周期，TX1是被测信号周期，N1是被测信号周期内标准信号的计数值；在被测信号周期TX1内对内部时钟信号进行计数，如果TX1内得到的计数值为N1，则被测信号周期为TX1=N1×TC1，限速器速度为

图6 计时法测量原理

使用STM32 通用定时器的捕获功能将上升沿触发时刻的计数器计数值锁存在“捕获/比较寄存器”，每次捕获都触发中断，并在中断服务程序中逐一读取“捕获/比较寄存器”中锁存的时刻[16-17]。定时器中断服务函数软件流程图如图7 所示。

图7 中断服务函数软件流程图

3.2 OLED显示模块

OLED 完成正确的上电之后，需对SH1106 进行相应的初始化方可使其正常运行。根据数据手册中指令集及OLED 屏的初始化流程，将OLED 屏初始值都编写到void OLED_DISPLAY_ON(void)函数中，通过I2C 发送数据串函数的方式实现OLED 屏初始值设置。英文与数字采用8×16 的ASCII 码；中文字的显示采用字模提取软件生成16×16 的ASCII 码，将生成的16×16 ASCII 码放入数据表，在显示函数中通过参数调用数据表，实现英文、数字与汉字的显示。

3.3 显示效果

SH1106 芯片内部为OLED 集成了丰富的指令集，可以在OLED实现数据显示的同时，设置显示时钟频率、显示对比度、显示亮度功能等。由于芯片大小限制，为获得较好的显示效果，只设置显示2行14列中文字、数字与字母，OLED 屏显示效果如图8 所示。

图8 OLED显示效果图

3.4 电梯限速器校验准确度对比测试

为验证采用OLED 屏的限速器校验系统在长时间使用后，OLED 屏的发热比TFT 屏对校验系统准确度影响小，采用同一校验系统（仅TFT 屏不同）与文中设计的OLED 屏限速器校验装置对同一限速器（额定速度1.5 m/s）进行校验对比，同时采用瑞典SKF多功能测量转速计（TKRT10）作为校验准确度基准，冷开机后校验3 次（取平均值）、连续运行6 小时后再次校验3 次（取平均值），校验结果记录如表1 所示。