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摘要：

為了減少在電梯發生故障電梯防護措施不能積極響應時對人造成的傷害，在此設計了一種防墜梯液壓系統的驗證方法，該方法利用了紅外測距傳感器模塊和加速度傳感器模塊實現對電梯狀態的監測，以STC12C5A60S2-351單片機為控制核心，對采集到的距離和加速度反饋給單片機，同時通過控制L9110S電機模塊實現直流電機的正反轉，通過電機控制液壓系統，從而實現對轎廂的監測和制動。

關鍵詞：

電梯；防墜系統；STC12C5A60S2-351單片機；紅外測距傳感器；加速度傳感器 

0引言

現代化進程加快，越來越多的改成建筑拔地而起，電梯成了人們主要的上樓代步工具，電梯安全就尤為重要，我們應該重視電梯安全來有效保障我們的生命財產安全。目前我們的電梯上配備的保護裝置有限速系統、行程極限系統、緩沖器系統、制動器系統[1]。中北大學利用安全氣囊作為電梯的保護裝置，防止肉體直接與轎廂碰撞[2]。利用紅外溫度傳感器監測電梯運行狀態，實現了快速、準確、方便、無接觸的測量[3]。嘉興市特種設備檢測院提出一種利用光電編碼器測量電梯的速度，利用電磁伸縮桿制成限速器[4]，機械結構簡單，動作速度穩定。上海交通大學提出了電梯被動安全系統的設計方法[5]，利用有限元方法得到了電梯和成員的動態響應。錦州市特種設備監督檢測所提出了新型防墜落裝置，通過緩沖器的能量轉換變為電梯制動的能量[6]，具有節能環保的特點。這些裝置在現有的電梯裝置中都進行了技術革新，能更好地在電梯發生故障時檢測并及時做出制動反應。但是，以上方法的檢測技術是單一的，冗余量不足，容易造成災難性后果。文章是通過加速度傳感器和紅外測距傳感器，計算和測量出電梯的加速度和速度，通過兩個指標監測電梯的運行狀態，在發生故障時通過電機控制液壓系統使電梯制動，有效保障乘客的生命財產安全。

1系統設計

系統的總體框圖如圖1所示，系統以STC12C5A60S2-351單片機作為控制器，紅外測距傳感器和加速傳感器將測得數據發送到單片機中，紅外測距傳感器測量電梯的速度，通過單片機進行AD轉換后，根據時間差算出電梯此時的速度，加速度傳感器可以測量電梯此時的重力加速度，單片機判斷轎廂加速度和速度是否超過預設值，假設超過預設值，單片機會通過L9110電機模塊來控制電機的正反轉，從而控制液壓系統轉達到制動效果。

1.1STC12C5A60S2-351單片機

STC12C5A60S2是STC生產的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場合。其工作電壓為工作電壓5.5-3.5V，STC12C5A60S2系列帶A/D轉換的單片機的A/D轉換口在P1口，有8路10位高速A/D轉換器，速度可達到250kHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，上電復位后P1口為弱上拉型I/O口，用戶可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉換，不須作為A/D使用的口可繼續作為IO口使用。因為其內部具有AD轉換可以滿足系統的需求，直接代替AD轉換元件，紅外測距傳感器可直接連入單片機，在單片機上進行AD轉換。

1.2加速度傳感器

MPU-6050集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計以及一個可擴展的數字運動處理器DMP。MPU-60X0對陀螺儀和加速度計分別用了三個16位的ADC，將其測量的模擬量轉化為可輸出的數字量。為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器的測量范圍都是用戶可控的，陀螺儀可測范圍為±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度計可測范圍為±2，±4，±8，±16g。MPU-6050可支持的電源為3.3V±5%。加速度傳感器測量轎廂的垂直加速度，如圖2所示，加速度傳感器MPU-6050的SCL和SDA分別與單片機STC12C5A60S2的P2.0和P2.1口相連，分別為IIC串行時鐘和IIC串行數據。IIC總線可靠的雙向二線制串行數據傳輸結構總線，該總線使各電路分割成各種功能的模塊，并進行軟件化設計，各個功能模塊電路內都有集成一個IIC總線接口電路，因此都可以掛接在總線上，很好地解決了眾多功能IC與CPU之間的輸入輸出接口，使其連接方式變得十分簡單。

1.3紅外測距傳感器

夏普GP2Y0A21型距離測量傳感器是基于PSD的微距傳感器，其有效的測量距離在10-80cm，輸出的信號為模擬電壓，反應時間約為5ms，并且對背景光及溫度的適應性強。工作電壓在4.5-5.5V。將紅外測距傳感器置于轎廂下部，通過測量轎廂底部到地面的距離。如圖3所示，輸出信號端與單片機P1.0相連，因為輸出的是模擬電壓，所以需要通過單片機的AD轉換，得到此時轎廂距離地面的距離，記錄兩次位置的距離，用他們的差值除以兩次的反應時間，可以將轎廂的實時速度測算出來。

1.4電機模塊

如圖4所示，L9110直流步進電機驅動板，模塊供電電壓：2.5-12V，電機工作電壓2.5-12V之間，最大工作電流0.8A。電機模塊與單片機相連，當發生故障時，電機開始正轉制動轎廂，當故障排除后，按下按鈕，電機反轉，液壓系統動作，釋放轎廂。

1.5軟件設計

控制面板由單片機、LCD顯示器、加速度傳感器模塊、紅外測距傳感器模塊等構成。如圖5所示，電梯正常運行時，加速度傳感器和紅外測距傳感器通過兩個模塊給單片機傳輸數據，單片機首先對紅外測距儀傳感器傳來的數據進行處理，首先進行AD轉換，然后根據v=（x2-x1）/t就可以算出電梯的瞬時速度，單片機將加速度和速度的值傳送至LCD顯示屏，便于掌握電梯隨時的運行情況。同時，故障預設值的已經輸入單片機中，加速度a1和速度v1，當a>a1或v>v1時，判斷電梯故障，然后將信號傳入電機模塊中，電機反應，液壓系統制動電梯。電梯的制動是通過增加摩擦力的一個循序漸進的過程，a=（mg-f）/m，v=v0+at在摩擦力的作用下加速度減小的同時，轎廂的速度也會降低直至停止。

2驗證

該防墜梯液壓系統設計方法通過STC12C5A60S2-351單片機為控制主體，外圍有LCD顯示、加速度傳感器、紅外測距傳感器等模塊，能夠順利地完成電梯制動工作。如圖6所示，被測電梯的速度和加速度經過單片機處理后，在LCD1602液晶屏上顯示，當被測電梯的速度和加速度超過設定范圍后，電機開始轉動。

3結論

本文提供的防墜梯液壓系統設計的驗證方法可以有效地在電梯出現故障時及時將電梯制動，同時本系統設計方法具有簡單的結構，沒有繁瑣的內部構造，更好地保證了系統的安全性，損壞率也會大大降低，易于維護保養。本系統設計方法利用紅外測距傳感器測量距離為10-80cm精度較高，響應時間5ms反應較快，外形設計緊湊易于安裝，便于操作等特點準確測出轎廂距電梯底部的距離。本系統設計方法利用加速度傳感器具有動態范圍大±16g、堅固耐用、受外界干擾小等特點精確測出轎廂的實時加速度。通過監測轎廂的速度和加速度，兩個指標同時監測電梯的運行狀態，確保電梯處于正常工作狀態。本系統設計方法獨立于整個電梯，由專門的蓄電池供電，不會因為電梯故障而導致系統無法工作，液壓系統是一個循序漸進的減速，避免了在發生事故時電梯急停給乘客帶來的二次傷害。

參考文獻：

[1]張躍靈.電梯安全保障系統設計思路[J].職大學報，2010（4）：96-97.

[2]郭進，吳其洲，任雁，等.一種基于安全氣囊的電梯安全系統設計[J].通訊技術，2013：53-59.

[3]姚長鴻，夏鐘興.遠紅外溫度傳感器在電梯安全系統中的應用探討[J].價值工程，2016（7）：131-133.

[4]龐濤，過鵬程，陳建偉.一種新型的電梯限速器[J].學術交流，2011（11）：28-30.

[5]申杰，金先龍.電梯被動安全系統的設計方法[J].上海交通大學學報，2005（7）：1128-1131.

[6]劉大衛，王維臣，孔英姿，等.新型電梯防墜落裝置的研究[J].中國新技術新產品，2015（2）：191-192.

作者:施越超 王西超 吳銀銀 郭磊 單位:上海電機學院