高洪峰，李志恒，蔡超志，王宏偉

(1.河北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)院邯鄲分院，河北 邯鄲 056004)(2.河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038)

電梯是現(xiàn)代社會人們生活中不可缺少的一種提升、運(yùn)輸設(shè)備，在高層住宅、大型商場、寫字樓等場合發(fā)揮著巨大的作用。國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局TSGT 7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——曳引與強(qiáng)制驅(qū)動電梯》中規(guī)定：“轎廂與面對轎廂入口的井道壁的間距不大于0.15m”。電梯轎廂與井道壁的間距超過規(guī)定值會導(dǎo)致人員被擠壓、剪切，甚至不慎跌入井道的安全事故發(fā)生，是導(dǎo)致電梯安全事故的一個(gè)重要原因。因此，對電梯轎廂與井道壁之間的間距檢測方法進(jìn)行研究，開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)電梯轎廂與井道壁間距的快速、準(zhǔn)確、自動檢測系統(tǒng)，對保證電梯的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

目前電梯轎廂與井道壁間距檢測的方法主要是人工檢測，檢測需要兩人合作完成，一人站在轎廂頂控制電梯在每層打開轎廂門，另一人在轎廂用尺子去測量轎廂與井道壁的間距。這種檢測方法不僅效率低、精度差、操作性差，而且影響人員安全。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了一些能夠?qū)崿F(xiàn)轎廂與井道壁間距的自動檢測裝置[1-3],但是自動化程度不高，能夠在實(shí)際中應(yīng)用的不多。針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于超聲波原理和單片機(jī)技術(shù)的電梯轎廂與井道壁間距檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電梯轎廂與井道壁間距的自動檢測，提高了檢測效率，改善了檢測條件，降低了電梯乘坐人員不慎跌入井道以及人員被擠壓、剪切的風(fēng)險(xiǎn)，保證了電梯的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 電梯轎廂與井道壁間距檢測原理

由于超聲波技術(shù)非常成熟，在測距、避障、機(jī)器人定位等方面得到了廣泛的應(yīng)用，因此本文采用超聲波技術(shù)實(shí)現(xiàn)電梯轎廂與井道壁之間的間距測量。圖1為電梯轎廂與井道壁間距檢測原理示意圖。

圖1 電梯轎廂與井道壁間距檢測原理示意圖

由圖可知，間距檢測的基本原理為：將帶有超聲波測距模塊的檢測儀放置在電梯轎廂頂部，使超聲波測距模塊面對井道壁，觸發(fā)超聲波測距模塊的發(fā)射器，發(fā)出超聲波，超聲波遇到井道壁會反射沿原路返回，超聲波模塊的接收器接收返回的超聲波。由于超聲波在空氣中的傳播速度是已知的，因此只需得到超聲波模塊發(fā)射超聲波到接收反射波的時(shí)間，就可以通過計(jì)算得到電梯轎廂與井道壁之間的間距。間距的計(jì)算公式為

(1)

式中：d為電梯轎廂與井道壁的間距；v為超聲波在空氣中傳播的速度，取340m/s；t為超聲波模塊發(fā)射超聲波到接收反射波的時(shí)間。

1.2 檢測系統(tǒng)組成與工作原理

基于單片機(jī)的電梯轎廂與井道壁間距檢測系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。由圖可知，檢測系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波測距模塊、電源模塊、無線通信模塊、實(shí)時(shí)顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、復(fù)位電路組成。為了保證測量值的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)采用3路超聲波測距模塊進(jìn)行測距，將3個(gè)模塊測量的平均值作為最終的間距值。該系統(tǒng)中單片機(jī)是整個(gè)檢測系統(tǒng)的核心，用于處理3路超聲波測距模塊測量的距離數(shù)據(jù)。無線通信模塊為藍(lán)牙模塊，用來將測量結(jié)果傳給終端，供檢測人員處理。聲光報(bào)警模塊在單片機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)超限值報(bào)警功能。實(shí)時(shí)顯示模塊在單片機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)對檢測間距值的實(shí)時(shí)顯示。電源模塊為整個(gè)檢測系統(tǒng)供電，用于保證檢測系統(tǒng)的正常工作。

圖2 電梯轎廂與井道壁間距檢測系統(tǒng)方案

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，它是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB的Flash、512B的RAM、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)外部中斷等資源。它在經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核上做了很多的改進(jìn)，成為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)有效的解決方案。

2.2 超聲波測距模塊

為了保證檢測系統(tǒng)測距快速且準(zhǔn)確，本系統(tǒng)采用HC-SR04超聲波測距模塊測量電梯轎廂與井道壁之間的間距[4]。該模塊的測距量程為2cm～450cm，精度可達(dá)0.3cm，測量周期可達(dá)60ms，滿足電梯轎廂與井道壁距離檢測快速和準(zhǔn)確的要求(實(shí)際的測距范圍為0～30cm，精度1.0cm)。

HC-SR04超聲波測距模塊如圖3所示，其工作原理為：給Trig口至少10μs的高電平信號，觸發(fā)測距，模塊自動發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，并自動檢測是否有信號返回，如果有信號返回，通過ECHO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測量距離=(高電平時(shí)間×聲速)/2。

圖3 HC-SR04超聲波測距模塊

2.3 無線通信模塊

系統(tǒng)采用HC-08藍(lán)牙串口通信模塊實(shí)現(xiàn)無線通訊[5]，將檢測到的間距信號傳輸?shù)教幚斫K端進(jìn)行存儲和處理。HC-08藍(lán)牙串口通信模塊的無線工作頻段為2.4GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4dBm，接收靈敏度-93dBm，空曠環(huán)境下和iphone4s可以實(shí)現(xiàn)80m超遠(yuǎn)距離通信。

2.4 顯示與報(bào)警模塊

為了能夠較為清楚地顯示測得的電梯轎廂與井道壁的間距，本系統(tǒng)采用12864B液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)間距的顯示。

為了提示檢測人員哪些位置的間距值超過規(guī)定的范圍，系統(tǒng)增加了間距超限聲光報(bào)警電路。該系統(tǒng)的聲光報(bào)警電路由蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲音報(bào)警，由發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)光報(bào)警。根據(jù)國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫局對電梯檢測的規(guī)定，當(dāng)測量的電梯轎廂與面對轎廂入口的井道壁之間的距離大于15cm時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)間距超限聲光報(bào)警。

2.5 整體電路

根據(jù)上述對檢測系統(tǒng)各模塊的選型，設(shè)計(jì)得到檢測系統(tǒng)整體電路如圖4所示。

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)采用模塊化編程思想，將系統(tǒng)功能劃分成各個(gè)不同的功能模塊，然后分別編程從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。根據(jù)模塊化編程思想，將程序分為主程序、初始化子程序、間距檢測與處理子程序、間距顯示子程序、間距無線傳輸子程序、報(bào)警子程序等。這里主要介紹主程序和間距檢測與處理子程序的設(shè)計(jì)。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序的主要功能是安排整個(gè)檢測系統(tǒng)的工作流程，按照工作流程調(diào)用相關(guān)的功能子程序，從而實(shí)現(xiàn)電梯轎廂與井道壁間距的檢測、顯示、報(bào)警和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示，由圖可知，整個(gè)檢測系統(tǒng)的工作流程為：系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先執(zhí)行初始化子程序，為系統(tǒng)的工作做準(zhǔn)備，然后3路超聲波測距模塊對間距進(jìn)行檢測并對間距值進(jìn)行數(shù)字濾波，完成數(shù)字濾波后，將3路超聲波測距模塊得到的間距值進(jìn)行平均處理得到最終的間距值，接著將得到的間距值進(jìn)行顯示和傳輸，在此期間，如果間距值超限，則進(jìn)行報(bào)警處理，否則繼續(xù)檢測，如此循環(huán)直到遇到檢測結(jié)束信號，結(jié)束檢測。

圖4 系統(tǒng)整體電路

圖5 主程序流程圖

3.2 間距檢測與處理子程序

間距檢測與處理子程序的作用是通過單片機(jī)的端口給超聲波測距模塊的Trig口10μs的高電平信號，從而觸發(fā)超聲波模塊開始測距，其中10μs高電平信號由單片機(jī)的定時(shí)器1定時(shí)產(chǎn)生；與此同時(shí)通過單片機(jī)的定時(shí)器2檢測超聲波測距模塊的ECHO口返回的高電平持續(xù)時(shí)間，即超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，然后通過計(jì)算得到距離值。在完成距離值的計(jì)算后，對獲得的距離值進(jìn)行數(shù)字濾波和平均處理，得到最終的距離值并將結(jié)果輸出進(jìn)行后續(xù)處理。間距檢測與處理子程序流程圖如圖6所示。

圖6 間距檢測與處理子程序流程圖

3.3 間距值數(shù)據(jù)處理

為了保證電梯轎廂與井道壁之間間距測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中對由超聲波測距模塊檢測到的間距值進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理。

由于電梯井道中環(huán)境惡劣，設(shè)計(jì)的間距檢測系統(tǒng)在測試過程中會受到干擾，因此需要對每路超聲波測距模塊測量的間距值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，濾掉干擾信號，從而得到準(zhǔn)確的間距值。本文考慮到在測距過程中主要受到的干擾為隨機(jī)干擾和脈沖干擾，因此采用防脈沖干擾平均值濾波對測量信號進(jìn)行濾波處理。

該濾波法是一種復(fù)合數(shù)字濾波方法，它兼顧了中值濾波和算術(shù)平均值濾波的優(yōu)點(diǎn)，無論對變化緩慢的信號還是快速的信號都能獲得較好的濾波效果。該方法先對N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后對剩余的(N-2)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，其計(jì)算式為：

(2)

式中：Y為濾波后的數(shù)據(jù)；X(K)為濾波前的數(shù)據(jù)；N≥3，本文濾波時(shí)N取4。

為了消除電梯井壁表面粗糙度對檢測結(jié)果精度的影響，在對每路超聲波測距模塊測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，將3路超聲波測距模塊得到的間距值進(jìn)行算術(shù)平均，作為最終的間距值。

4 現(xiàn)場測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的電梯轎廂與井道壁間距檢測系統(tǒng)的有效性，開發(fā)了檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)際測試。開發(fā)的檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖7所示。

實(shí)際測試時(shí)，將實(shí)驗(yàn)板放置在電梯轎廂頂部，將超聲波測距模塊放置于電梯轎廂與井道壁相對一側(cè)的邊緣。為了排除誤差，保證間距檢測的準(zhǔn)確性，并排放置了3路超聲波測距模塊，并將3路模塊測量的平均值作為最終的間距值。由于測試系統(tǒng)置于電梯轎廂頂部，在電梯由下到上(或由上到下)的一次運(yùn)行過程中就可以實(shí)時(shí)測得整個(gè)井道壁與電梯轎廂的間距，從而能夠?qū)崿F(xiàn)間距的快速測量。實(shí)際測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)間距檢測范圍為2cm～450cm，檢測精度可達(dá)0.3cm，檢測速度可達(dá)10次/s，能夠?qū)崿F(xiàn)電梯轎廂與井道壁間距的快速、準(zhǔn)確測量，基本滿足使用要求。

圖7 測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

5 結(jié)束語

本文在對電梯轎廂與井道壁間距檢測技術(shù)現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于單片機(jī)技術(shù)和超聲波測距原理的電梯轎廂與井道壁間距檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。在分析系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的功能。通過測試表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了電梯轎廂與井道壁間距的快速、準(zhǔn)確、自動化檢測。

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