姚長(zhǎng)鴻　夏鐘興

摘要：近年來(lái)電梯事故頻發(fā)，電梯的安全性日益受到社會(huì)的關(guān)注。本文基于紅外傳感的敏感性，以電梯的安全性為切入點(diǎn)，從遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用原理，遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)，特點(diǎn)之處是以紅外為技術(shù)，將溫度的突變嵌入安全管理，給電梯的安全管理注入的新的觀點(diǎn)。

Abstract： The accidents of elevator are frequent in recent years， the safety of the elevator accepts more and more social attention. Based on the infrared sensor sensitivity， this paper takes the safety of the elevator as the breakthrough point to expound the application principles of infrared temperature sensor in the elevator safety system， the advantages of the application of infrared temperature sensor in the elevator safety system， the system design and signal acquisition module design. The characteristics are injecting the new ideas of safety management of the lift by embedding temperature mutations in safety management based on infrared technology.

關(guān)鍵詞：電梯安全設(shè)計(jì)；紅外線設(shè)計(jì)運(yùn)用：安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

Key words： the elevator safety design；design and application of infrared ray；security system design

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）07-0131-03

0 引言

基于紅外測(cè)溫原理，數(shù)字溫度計(jì)主要由單片機(jī)CPU、數(shù)字紅外傳感器、顯示屏和其他外圍電路、及部分模擬電路組成。單片機(jī)CPU通過(guò)由于連接到總線的器件（PMOS、NMOS、CMOS、雙極性），邏輯0（低）和邏輯1（高）的電平不是固定的，其由電源VCC的相關(guān)決定，每個(gè)時(shí)鐘脈沖都是一個(gè)數(shù)據(jù)位得出的。總線讀取MLX90615采集的紅外輻射信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的被測(cè)物體溫度值并顯示在液晶屏上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，紅外溫度測(cè)試計(jì)分辨率在0.01～0.03℃之間，準(zhǔn)確度達(dá)到了0.1℃，實(shí)現(xiàn)了溫度的快速、準(zhǔn)確、方便、無(wú)接觸的測(cè)量。本文介紹了一種基于I2C總線支持任何IC生產(chǎn)過(guò)程（NMOS CMOS、雙極性）。兩線——串行數(shù)據(jù)（SDA）和串行時(shí)鐘 （SCL）線在連接到總線的器件間傳遞信息的數(shù)字紅外傳感器MLX90615的紅外溫度設(shè)計(jì)。

1 遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的基本原理

電梯抱閘系統(tǒng)是電梯安全行駛與停車的重要部件，與主軸旋轉(zhuǎn)最接近。當(dāng)電梯轎廂處于靜止且馬達(dá)處于失電狀態(tài)下防止電梯再移動(dòng)的機(jī)電裝置。在某些控制形式中，它會(huì)在馬達(dá)斷電時(shí)剎住電梯。它的控制方式一般是得電時(shí)抱閘松開(kāi)，失電時(shí)抱閘抱緊或者是低速抱閘。部件有抱閘靴-抱閘的運(yùn)動(dòng)部分，表面為摩擦面。當(dāng)抱閘鼓推動(dòng)它時(shí)，會(huì)將處在平層狀態(tài)下的電梯剎住。在某些控制形式中，它會(huì)在馬達(dá)斷電時(shí)剎住電梯。

當(dāng)電梯抱閘系統(tǒng)出現(xiàn)異常，抱閘靴與旋轉(zhuǎn)部件出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間摩擦其深部平均溫度發(fā)生變化，溫度也會(huì)迅速發(fā)生變化，并且抱閘系統(tǒng)區(qū)域，受外界因素影響小，因此電梯抱閘系統(tǒng)的溫度變化可以反映電梯的停車剎車系統(tǒng)的安全性。遠(yuǎn)紅外溫度傳感器通過(guò)紅外輻射來(lái)測(cè)量抱閘靴的溫度極值，判斷電梯是否異常，確認(rèn)是否斷開(kāi)安全回路。

筆者在配合全市電梯安全大整治工作中，對(duì)抽查的100多部電梯中20部電梯進(jìn)行跟蹤測(cè)試，在電梯的曳引力不足發(fā)生摩擦和抱閘系統(tǒng)故障都會(huì)伴有溫度的變化其曳引鋼絲繩與輪及抱閘靴與輪輻射能量密度與溫度的關(guān)系基本符合斯蒂芬-波爾茲曼輻射定律：

j*=εδΤ^4（1）

其中輻射度j*具有功率密度的量綱（能量/（時(shí)間·距離2）），國(guó)際單位制標(biāo)準(zhǔn)單位為焦耳/（秒·平方米），即瓦特/平方米。絕對(duì)溫度T 的標(biāo)準(zhǔn)單位是開(kāi)爾文，δ為黑體的輻射系數(shù)；若為絕對(duì)黑體，則 ε=1。

比例系數(shù) σ 稱為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)或斯特藩常量。由于它可以通過(guò)其他常數(shù)推算出來(lái)，所以它不是一個(gè)基本物理常數(shù)，該常數(shù)的值約為：

5.670 400（40）×10^-8 W·m^-2·K^-4

j*=εδΤ^4該公式說(shuō)明輻射功率和物體的溫度是正比的關(guān)系，物體的溫度越高，輻射功率越大，反之，輻射功率則越小，在已知兩者的輻射率的基礎(chǔ)上，只需知道一個(gè)數(shù)值，代用到上述公式中就可以得出另一個(gè)數(shù)值，所以，遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在應(yīng)用紅外傳感器吸收紅外輻射的原理可以測(cè)量曳引鋼絲繩與輪及抱閘靴與輪輻射溫度變化。紅外傳感器采用串聯(lián)的熱電偶，冷接頭放置在厚的芯片襯底上，熱接頭放置在薄膜上，薄膜吸收紅外輻射，從而產(chǎn)生微弱電信號(hào)。根據(jù)式（1）的原理，紅外傳感器的輸出信號(hào)為：

Vir（Ta，To）=M（T4o-T4a）（2）

其中，M為總體的敏感度，和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有關(guān)；To為目標(biāo)物體的熱力學(xué)溫度，單位為K，由紅外溫度傳感器測(cè)出；Ta為環(huán)境的熱力學(xué)溫度，單位為K，需要附加的傳感器測(cè)量目標(biāo)物體的環(huán)境溫度。

2 遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)數(shù)字溫度計(jì)、機(jī)械溫度測(cè)量和水銀溫度計(jì)進(jìn)行接觸式測(cè)量，具有性能穩(wěn)定但存在測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)慢，與測(cè)量部位誤差大等缺點(diǎn)。遠(yuǎn)紅外溫度傳感器是通過(guò)紅外傳感器采集被測(cè)部位的紅外輻射并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)CPU單元將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為溫度值并與電梯安全回路和顯示回路相通。給傳統(tǒng)電梯加裝上新的安全系統(tǒng)，不失為經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型中對(duì)傳統(tǒng)電梯的技術(shù)革新，改造升級(jí)，具有高精度、速度快、操作簡(jiǎn)便、安全舒適等優(yōu)點(diǎn)。更符合現(xiàn)代社會(huì)對(duì)安全的心理需求。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的作用依據(jù)紅外輻射原理進(jìn)行溫度測(cè)量。主要由單片機(jī)CPU、數(shù)字紅外傳感器、顯示屏和其他外圍電路、及部分模擬電路組成。其設(shè)計(jì)圖如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)處于工作時(shí)，數(shù)字紅外傳感器將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。單片機(jī)CPU將采集的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，顯示出溫度值，并給控制室發(fā)出警示蜂鳴器鳴叫，同時(shí)達(dá)到預(yù)設(shè)極值將信號(hào)反饋給安全回路，斷開(kāi)電梯。

4 信號(hào)采集部分

傳感器部分采用數(shù)字紅外傳感器MLX90615，其組成部分主要包括具有強(qiáng)大功能的DSP單元、16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、放大電路、紅外熱電堆傳感器等，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。紅外熱電堆傳感器負(fù)責(zé)收集紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，放大電路負(fù)責(zé)將處理后的電信號(hào)放大同時(shí)傳送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將接收到的數(shù)字信號(hào)經(jīng)濾波器低通濾波器調(diào)理后送入數(shù)字信號(hào)處理器，數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)運(yùn)算處理后輸出測(cè)量結(jié)果并保存在MLX90615內(nèi)部RAM中，可以通過(guò)SMBus或PWM方式供單片機(jī)CPU 單元讀取。

MLX90615 具有寬溫度范圍/ SMBus 兼容的數(shù)字接口/發(fā)射率可調(diào)節(jié)/高分辨率/高精度等優(yōu)點(diǎn)，而可作為遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用的MLX90615ESG-DAA在自然溫度下的精確度達(dá)到了±0.1 ℃。MLX90615在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，比如多重溫度區(qū)域控制、高精度非接觸溫度測(cè)量等。

5 微處理單片機(jī)CPU

微處理單片機(jī)CPU采用基于ARM Cortex-M3的32 位微控制器EFM32G842F64。該控制器具有寬溫度范圍/低功耗/高速可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制、手持設(shè)備等場(chǎng)合。EFM32G842F64具有64KB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、3個(gè)通用定時(shí)器等外設(shè)資源和USART、I2C、SPI、多通用I/O引腳、雙12位A/D轉(zhuǎn)換器等通信接口，能夠滿足遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用要求。該設(shè)計(jì)中微控制器EFM32G842F64主要完成判斷按鍵輸入、紅外傳感器信號(hào)的采集與處理、驅(qū)動(dòng)顯示和報(bào)警等功能。

6 顯示和其他外圍設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)顯示部分采用基于LCD1602的液晶芯片通用設(shè)計(jì)，如圖3所示。在圖中的DB0～DB7與CPU單片機(jī)連接，用于顯示用戶用電信息；P25、P26、P27分別控制LCD1602的寄存器選擇輸入端RS、讀寫控制輸入端R/W、使能信號(hào)輸入端E；通過(guò)調(diào)節(jié)R58電阻值的大小來(lái)控制液晶顯示的對(duì)比度。

①LCD液晶顯示器的功耗極低，具有體積小/功耗低/易匹配處理器等/對(duì)比度可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，第1腳：接地電源是VSS；第2腳：VDD接5V正電源；第3腳：VL為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，其對(duì)比度接地時(shí)最高是，接正電源時(shí)最弱，同時(shí)為了避免操作過(guò)程中出現(xiàn)”鬼影”，還應(yīng)該采取必要的應(yīng)對(duì)措施合理調(diào)整對(duì)比度；第4腳：RS為寄存器選擇，指令寄存器適合低電平，數(shù)據(jù)寄存器適合高電平；第5腳：R/W為讀寫信號(hào)線，實(shí)施寫操作說(shuō)明其處于低電平，實(shí)施讀操作說(shuō)明其處于高電平，若RS和R/W同時(shí)為低電平，可以寫入指令或顯示地址，若R/W為高電平/RS為低電平，可以讀忙信號(hào)，反之若R/W為低電平/RS為高電平，可以寫入數(shù)據(jù)；第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令；第7-14腳：D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線；第15腳：背光源正極；第16腳：背光源負(fù)極。

②其他外圍輔助電路主要包括控制按鍵、報(bào)警電路、低功耗蜂鳴電路等部分?？刂瓢粹o主要產(chǎn)生開(kāi)/合的信號(hào)，使EFM32G842F64執(zhí)行紅外溫度檢測(cè)功能。低功耗蜂鳴電路提示用戶紅外溫度檢測(cè)結(jié)束。

③軟件設(shè)計(jì)：軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序設(shè)計(jì)，主要包括液晶顯示模塊、紅外溫度檢測(cè)模塊、按鍵檢測(cè)模塊、初始化模塊等，其程序流程如圖4所示。初始化模塊主要負(fù)責(zé)一些初始化設(shè)置，比如I2C、定時(shí)器、中斷、通用I/O、復(fù)位等，按鍵檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)檢測(cè)是否按下按鍵，進(jìn)而造成外部中斷同時(shí)實(shí)施紅外溫度檢測(cè)功能。紅外溫度檢測(cè)模塊主要是按照I2C總線方式對(duì)數(shù)字紅外傳感器MLX90615進(jìn)行讀取操作， 并按預(yù)定的公式將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成抱閘靴或曳引鋼絲繩與輪接觸部位的腔溫度值。液晶顯示模塊主要是驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，將抱閘靴或曳引鋼絲繩與輪接觸部位溫度值顯示在液晶屏上，方便觀察數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度達(dá)到極限值時(shí)時(shí)，報(bào)警功能發(fā)出警示。

7 紅外溫度檢測(cè)模塊

紅外測(cè)溫模塊的程序流程如圖4所示，其步驟主要包括讀取從地址、建立通訊協(xié)議、設(shè)置發(fā)射率、讀取被測(cè)物體數(shù)據(jù)、溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換等，在紅外溫度檢測(cè)模塊中，EFM32G842F64對(duì)數(shù)字紅外傳感器MLX90615進(jìn)行讀寫操作，首先從器件MLX90615讀取子地址。MLX90615中發(fā)射率出廠設(shè)置為1，而抱閘靴一般石綿材質(zhì)發(fā)射率為0.96左右，曳引鋼絲繩0.57左右，面對(duì)這種形勢(shì)，必須將MLX90615的發(fā)射率重新設(shè)置，由于被測(cè)物體的溫度值的地址存放在MLX90615的RAM單元07h內(nèi)，因此，依照I2C總線時(shí)序讀取多字節(jié)數(shù)據(jù)，并結(jié)合To=RAM（07h）0.02-273.15公式，可得出MLX90615中的攝氏溫度，精確度很高。

8 結(jié)束語(yǔ)

由于突發(fā)性的轎廂異常運(yùn)行抱閘靴或曳引鋼絲繩的摩擦，傳統(tǒng)的安全控制方式已經(jīng)不能完全解決電梯運(yùn)行中的危險(xiǎn)因素。此款設(shè)計(jì)遠(yuǎn)紅外溫度傳感器在電梯安全系統(tǒng)中的應(yīng)用采用低功耗的ARM處理器和高精度的數(shù)字紅外傳感器，簡(jiǎn)化了硬件和軟件設(shè)計(jì)任務(wù)。提高了電梯運(yùn)行中的安全系數(shù)，事故率降低50%，在未來(lái)高速電梯、防爆電梯等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2008.

[2]劉鳳軍.醫(yī)用檢驗(yàn)儀器原理、構(gòu)造與維修[M].中國(guó)醫(yī)藥科技出版社，2002.

[3]南光群，皮大能.JHD161ALCD顯示器與PIC16F877單片機(jī)的連接[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2004-11-25.

[4]Vidakovic B，Lozoya CB.On time-dependent wavelet denoising. IEEE Transactions on Signal Processing，1998.

[5]王佳.基于MLX90615和STM32的多點(diǎn)紅外溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013-07-15.