鐘 鳴

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

電梯作為一種最常見的垂直交通工具廣泛應(yīng)用于住宅、酒店、商場、地鐵等地方。近年來,我國每年新增的電梯約為60萬臺，截止2017年底,我國電梯保有量約為560萬臺,其中約有80%的電梯安裝在公共場所[1]。每天，電梯運送人員數(shù)量多，人員來源復(fù)雜，加上電梯的密閉環(huán)境，導(dǎo)致電梯成為了細(xì)菌密集地區(qū)，特別是醫(yī)院電梯是醫(yī)院環(huán)境的中度風(fēng)險區(qū)域[2]。鐘南山院士提醒說，密閉空間，尤其是電梯，是新冠肺炎病毒感染危險性最高的場所。目前，大多數(shù)電梯都沒有自動消毒清潔功能，在特殊時期需要人工對電梯定期進(jìn)行消毒清潔。為此本文設(shè)計了一種電梯智能自潔裝置。

1 電梯智能自潔裝置總體設(shè)計

電梯的智能自潔功能是基于單片機的控制實現(xiàn)的。針對電梯要實現(xiàn)智能自潔功能，將其設(shè)置為自動和手動兩種方式。手動方式下，用戶可以在需要清潔的時候按下按鍵，控制電梯進(jìn)行自潔，該按鍵通過密碼方式實現(xiàn)，只有電梯的維護(hù)和管理人員才可以接觸及控制；自動功能是電梯在運行低峰的時候自動進(jìn)行清潔，用戶可以根據(jù)電梯實際的運行情況，預(yù)約電梯自潔功能啟動的時間，如每天凌晨1∶00電梯自動進(jìn)行清潔。但是考慮到預(yù)約時間到時可能電梯內(nèi)部有乘客，所以電梯需要先進(jìn)行檢測。在預(yù)約時間到，同時沒有乘客在電梯內(nèi)的時候才進(jìn)行自潔。電梯自潔開始就會給電梯的主控制器一個信號，主控制器將控制電梯停止響應(yīng)任務(wù)外呼。同時，裝置通過指示燈向轎廂外部發(fā)出提醒信號，并通過顯示系統(tǒng)提示自潔完畢剩余的時間。電梯的智能自潔可通過消毒水噴灑和紫外線消毒兩種方式進(jìn)行，在智能自潔結(jié)束后通過啟動通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行通風(fēng)。

電梯智能自潔裝置的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)以單片機為控制元件，由感應(yīng)模塊采集電梯轎箱內(nèi)是否有乘客，通過按鍵模塊輸入用戶的需求，用戶可選擇自動預(yù)約或手動控制模式，可設(shè)置預(yù)約自潔的時間及自潔工作時間，可選擇消毒水噴灑和紫外線消毒兩種自潔方式。時鐘芯片為單片機工作提供準(zhǔn)確的時間。系統(tǒng)的輸出為三個繼電器，分別控制消毒噴頭的開啟和關(guān)閉、紫外線消毒燈的開啟和關(guān)閉、通風(fēng)系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉。顯示模塊包括指示燈和顯示屏，指示燈用于提示系統(tǒng)是否正在消毒工作狀態(tài)，顯示屏用于顯示用戶設(shè)置的模式或時間。串行接口連接主控制器實現(xiàn)單片機和主控制器的通信，當(dāng)電梯進(jìn)入自潔狀態(tài)時傳遞信息給電梯主控制器，電梯自動運行到首層并停止載客，待自潔結(jié)束，電梯恢復(fù)正常運行。

圖1 電梯智能自潔裝置原理框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 控制單元的選擇

單片機是實現(xiàn)電梯自潔功能最主要的控制器，整個系統(tǒng)的輸入輸出通過單片機協(xié)同工作，同時，該系統(tǒng)通過單片機實現(xiàn)和電梯主控制器的通信，在保證電梯原有的正常運行基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能自潔的功能。系統(tǒng)采用低功耗、高性能的STC89C52單片機。STC89C52單片機是一款8位單片機，其使用了MCS-51的內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。STC89C52具有空閑模式和掉電模式兩種模式。掉電模式時時鐘停止，RAM數(shù)據(jù)被保留，所有功能都停止工作?？臻e模式時處理器停止，RAM、定時器/計數(shù)器、串口和中斷仍可以正常工作。這也使得STC89C52單片機成為很多控制系統(tǒng)的首選[3]。本系統(tǒng)采用STC89C52單片機對輸入的感應(yīng)模塊和按鍵模塊的信息進(jìn)行處理，并將輸出信號給繼電器、主控制器和顯示模塊。

2.2 感應(yīng)模塊

電梯啟動自潔功能時，考慮到無論是紫外線消毒方式還是消毒水噴曬方式，電梯轎箱里都不能有乘客，因此系統(tǒng)需要進(jìn)行檢測，當(dāng)有乘客在轎廂時不啟動自潔功能，等待乘客離開后再次檢測，確認(rèn)轎廂內(nèi)無乘客后再啟動自潔功能，此時電梯的外呼停止工作。

系統(tǒng)的感應(yīng)模塊可以采用微波感應(yīng)器和熱釋電紅外傳感器進(jìn)行檢測。微波感應(yīng)器能感應(yīng)物體的移動，反應(yīng)速度比較快，適合應(yīng)用在正常的人員通過場所，但是電梯里的乘客有時候是靜止不動的，所以如果采用微波感應(yīng)器可能會出現(xiàn)誤判斷。因此，本設(shè)計考慮第二個方案，采用熱釋電紅外傳感器進(jìn)行檢測。熱釋電紅外傳感器廣泛應(yīng)用于安防領(lǐng)域，技術(shù)相對成熟，使用成本低[4],它以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出。本設(shè)計的感應(yīng)模塊以RE200B和BISS0001為主要元器件。RE200B是一種光電檢測裝置，其主要由菲涅耳透鏡、熱釋電紅外器件和檢測轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成。對環(huán)境變化引起的干擾RE200B通過其內(nèi)部雙PZT板靈敏元感光電極反向串聯(lián)得以補償，這種補償?shù)姆椒ú粌H能抑制環(huán)境溫度的干擾，而且提高了其自身的穩(wěn)定性和靈敏度[5]。BISS0001紅外信號處理芯片是一種性能比較高的常用傳感信號處理集成芯片，具有靜態(tài)工作電流極小、價格低廉、應(yīng)用電路廣等優(yōu)點[6]。電梯智能自潔裝置的感應(yīng)模塊原理圖如圖2所示，該模塊和單片機的P1.4引腳相連接，當(dāng)模塊感應(yīng)區(qū)有人體運動時，連續(xù)輸出幅值為4.3 V的高電平，當(dāng)人體離開探測區(qū)域時，輸出0 V低電平。

圖2 感應(yīng)模塊原理圖

2.3 顯示模塊與時鐘芯片

顯示模塊包含指示燈和液晶顯示屏兩部分。本設(shè)計選用一盞LED燈與單片機P2.3引腳連接，向轎廂外提示當(dāng)前狀態(tài)，如果該自潔裝置開始工作則LED燈點亮，自潔完成后LED燈熄滅。系統(tǒng)選用LCD1602液晶顯示器顯示用戶設(shè)置的模式或時間信息，LCD1602液晶顯示器是一種圖形點陣顯示器，性價比高，可靠性強。系統(tǒng)中使用P0口與LCD1602連接，由P2.0、P2.1和P2.2傳送控制信號，LCD1602液晶顯示器在顯示用戶設(shè)置的基本信息的同時也顯示當(dāng)前時間。

本設(shè)計選用DS1320時鐘芯片為自潔裝置提供準(zhǔn)確的時間，DS1320是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，DS1320時鐘芯片采用SPI總線方式與單片機的P1.0、P1.1和P1.2三個引腳連接。顯示模塊和時鐘芯片模塊的原理圖如圖3所示。

圖3 顯示模塊和時鐘芯片模塊的原理圖

2.4 按鍵模塊與其他部分

電梯智能自潔裝置的按鍵模塊主要是用來實現(xiàn)用戶需求的輸入。裝置設(shè)計了6個獨立式按鍵，用戶分別可以實現(xiàn)自動/手動自潔模式的選擇、預(yù)約/計時時間的設(shè)置、消毒水噴灑/紫外線消毒兩種自潔方式的選擇。圖4為連接在P3.2用來選擇自潔模式的獨立式按鍵，默認(rèn)按鍵松開時為預(yù)約自潔模式，按下時為手動自潔模式。其他5個按鍵的電路圖類似。初始狀態(tài)下，用戶需輸入6個按鍵的組合信號作為密碼，只有在輸入正確密碼的情況下單片機才能響應(yīng)相應(yīng)按鍵輸入的信號。系統(tǒng)采用3個繼電器分別控制紫外線燈、消毒噴頭、通風(fēng)系統(tǒng)3個輸出裝置，這3個繼電器分別連接在單片機的P1.3、P1.4和P1.5三個引腳。圖5為紫外線燈控制電路圖，消毒噴頭控制電路圖及通風(fēng)系統(tǒng)控制電路圖類似。當(dāng)電梯的智能自潔裝置工作時，電梯需要停止正常載客工作。因此，系統(tǒng)通過P3.1與電梯主控制器連接，當(dāng)裝置進(jìn)入自潔狀態(tài)時，單片機通過串行方式給電梯主控制器信號，主控制器控制電梯停止載客；當(dāng)電梯自潔完畢后，單片機發(fā)送信號給電梯主控制器，主控制器恢復(fù)電梯的工作。

圖4 手動/自動模式選擇 圖5 紫外線燈控制電路圖

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括主程序、中斷程序(按鍵模塊程序)、顯示模塊子程序等。主程序流程如圖6所示。模式選擇按鍵連接在INT0引腳，當(dāng)需要手動啟動自潔裝置時按鍵按下，則執(zhí)行INT0中斷函數(shù)，自潔標(biāo)志位置1，啟動自潔功能。其他按鍵5個按鍵通過與門和INT1引腳連接，只要有按鍵按下系統(tǒng)就執(zhí)行INT1中斷函數(shù)。INT1中斷程序流程如圖7所示，該中斷程序可實現(xiàn)對系統(tǒng)的自潔方式和預(yù)約、定時時間的設(shè)置等。顯示模塊函數(shù)在電梯智能自潔裝置開啟自潔狀態(tài)時輸出LED引腳低電平信號，指示燈工作，同時啟動LCD1602液晶顯示器以倒計時方式顯示工作時間。

圖6 主程序流程

圖7 INT1中斷程序流程

按鍵原理圖

4 結(jié)語

本文基于單片機設(shè)計了能可靠、自動對電梯進(jìn)行智能自潔的裝置。該裝置能實時采集轎廂情況，提供給用戶自動和手動兩種可選擇的工作模式，以及紫外線消毒和消毒水噴灑兩種可選擇的消毒方式，同時該裝置能很好地與電梯主控制器通信，在不影響原有電梯正常工作的情況下完成電梯轎廂的衛(wèi)生清潔工作。本裝置具有安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單、操作靈活、成本低廉的特點，具有很好的推廣價值。