高层建筑电梯安全监测系统设计.docx
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高层建筑电梯安全监测系统设计
郑州航空工业管理学院
毕业论文（设计）
2015届电气工程及其自动化专业1106072班级
题目高层建筑电梯安全监测系统设计
二О一5年月日
内容摘要
由于现代化的楼宇数量与规模不断扩大，电梯的数量也在不断地扩大并且增长十分迅速。
由于电梯与人们的生活关系十分密切，电梯是否能安全、高效、舒适的运行对人们来说越来越重要。
我们非常需要一套可靠的安全检测体系来监测电梯。
这篇论文介绍了电梯安全监测体系现阶段的的发展情况，比较了国内与国外电梯安全监测这一领域的发展状况，针对产品目前存在的不足，运用现代的电力电子科技技术，研究出一套关于电梯安全运行的实时监测体系，为电梯的故障修理与安全运行提供了可靠的保障。
本次设计的监测体系主要有两部分组成：
前端机和后台监测处理。
前端机主要是收集电梯的运转的信息，并采取初步的分析和处理。
后台监控是看到故障信号显示时，能够先进行简单的处理后，即时有专业的维修人员进行修理。
体系分别对监测信号和数据的采集电路先后进行处理与转换后，由微控制器进行统一处理。
为了实现对不同的电梯使用相同的一个监测体系。
在选择元器件的时候要考虑元器件的通用性和兼容性，并且在安装前端机的时候要尽量不去动电梯原有的电路体系，所有电路包括电源等都要重新设计。
关键词：
安全监测，电梯，故障，前端机
Abstract
Theelevatorisveryimportantinmodernhigh-risebuildingsbecauseofmoderntraffictools,buildingnumberandscalecontinuestoexpand,thenumberofelevatorsareconstantlyexpandingandgrowingveryrapidly.Becauseoftheelevatorandthepeople'slifeisveryclose,andtheelevatorcansafe,efficient,comfortableoperationandmoreimportanttopeople.Soweneedtomonitorasetofreliableelevatorsafetydetectionsystem.
Thispaperintroducestheelevatorsafetymonitoringsystemofthepresentstageofdevelopment,thedevelopmentofthisfieldathomeandabroadofelevatorsafetymonitoring,aimingattheshortageofexistingproducts,theuseofpowerelectronicscienceandtechnologyofmoderntechnology,developedasetofelevatorsafetyoperationofthereal-timemonitoringsystem,toprovideareliableguaranteerepairforelevatorfaultandsafeoperation.
Thedesignofthemonitoringsystemismainlycomposedoftwoparts:
front-endandback-endmonitoringandprocessing.Thefront-endmachineismainlytocollectthedataoftheoperationoftheelevator,remotedataprocessingandpreliminaryanalysisofdataandinformation.Seethebackgroundmonitoringfaultsignaldisplay,canbeasimpletreatment,immediateprofessionalrepairpersonneltorepair.
Papersonmonitoringanddataacquisitioncircuitforsignalprocessingafterprocessingandconversion,unifiedprocessingbythemicrocontroller.Inordertorealizethedifferentelevatorusingthesamesetofmonitoringsystem.Whenchoosingcomponentstoconsidertheuniversalityandcompatibilityofthecomponents,andinstallingthefrontmachinemusttrynottomovetheelevatorwhentheoriginalcircuitsystem,toredesignallcircuitincludingpowersupply,etc.
Keywords:
safetymonitoring,elevators,failure
第一章绪论
1.1课题研究的背景及意义
目前，中国的市场经济正处于转型时期，过去没有遇到的许多新的问题也正在逐渐显现出来。
尤其是特种设备能否安全可靠的运行，国家与人民对此非常关注，一系列的监管也取得了非常好的效果，全国特种设备事故数逐年的降低。
可见。
在这种新形势下，电梯的安全监管也面临新的挑战，电梯的安全可靠运行越来越重要，人们越来越关注自己乘坐的电梯是否可以安全可靠的运行。
电视新闻中常常报道电梯因出现的各种故障而造成的伤害，如乘客困在电梯里专业的工作人员不能及时赶到营救受困人员。
电梯井内信号不好，受困乘客与工作人员不能进行有效的沟通，使维修的工作人员不能有效了解故障原因，增加了维修工作的难度，也不能通过沟通对受困乘客进行安慰，是受困乘客的心理存在很大的压力。
高层建筑电梯安全监测体系正是基于这个原因出现的。
当前国内与国外电梯安全监测的方法主要是两种:
第一种是运用公共电话网;第二种是基于RS485标准，采用专门的铺设线路，或者采用两者组合的方法。
通过这两种方法传递信息，由工作人员通过后台对分布在各个地方的电梯进行远距离监测。
我国的许多电梯公司都有自己研究开发的监测体系，大概的做法就是在电梯中加入数据采集器和通讯模块即前端机，负责收集前端的数据。
它通过接收电梯控制器发出的各种运行状态信号和故障信号，
最后将产生的故障报告给后台计算机。
但是因为不同的信息编码标准提供的电梯控制器不尽相同，并且国内市场上有数百个电梯型号并存的局面，正是由于这个原因制约了监测服务体系的规模化前进的速度，此外有一些监测体系并没有安装使用电梯现场设备方面的部件。
如触点，抱闸等。
所以后台的控制中心无法了解到现场设备，非常不容易对故障进行检测，因此对同一单位实现不同电梯的集中监测难度将大大的增加;这对监测技术的提高和完善是很不利的。
而外国的先进电梯大部分都采用微机处理控制，在它的微机板上都预留了可以用来监测的接口，因此在国外的电梯上基本上是不存在前端机这个模块的。
前端机这个模块是为了专门适应国内的电梯市场中大部分都使用PLC控制电梯这种情况而提出来的。
原因是PLC没有太复杂的功能，过于简单，没办法对电话网络的进行有效的控制，像摘机、挂机…….前端机实际上只是PLC控制和电话网之间联系。
这次的研究课题主要在于完成对电梯运行状态实时监测体系的开发，也就是制作前端机和后台监测体系，来实现电梯的安全可靠运行。
1.2电梯安全监测的发展现状
电梯安全监测体系对电梯的监测，保护以及保障电梯稳定高效的运行的作用是十分巨大的，电梯安全监测是中国的电梯行业继PLC控制体系与VVVF调速体系（变频调速体系）之后的非常重大的一次科技进步。
国外的电梯技术发展较早，国外的比较成熟的电梯公司有日本的日立，三菱，富士达，东芝，还有德国的蒂森，美国的奥的斯，芬兰的通力，瑞士的迅达等。
这些国际的大电梯公司都有与自己的电梯体系相互配套的的监测体系（远程监控）。
中国的电梯事业与这些有着较长电梯历史的国家相比我们的还处于发展的阶段，现阶段中国正积极引进先进技术，开发新产品，安装高端高速电梯。
然而我们国家的电梯在日常的维护保养以及改造方面还有很长的一段路要走。
所以对于电梯监测体系的发展，国内外的重视方面大不相同，其大概的情况对比如下表显示：
高层建筑电梯安全监测体系有一个较为提前的用处就是“故障预测”，即当电梯将要出现故障却还没有出现故障的时侯，安全监测
体系已经能够通过参考比较模型的方法，预测出将要发生的错误，并且经由安全监测体系报告给后台“某些地方将会出现甚么故障”，电梯安全监测体系的这些功能在一些较为先进的国家中早己涌现。
（如OTIS公司的体系）：
该公司研究开发出的电梯监测体系，拥有分层次报警的能力，针对不一样层次的故障分别选用不一样的处理方式。
该体系为更便利的使用，还在后台监测的某些位置上如消防站，候梯厅等分别装备了显示的屏幕。
要达到一个相对先进的电梯监测体系，其监测体系应当和信号体系与拖动体系组成一个总体，监测体系可以根据电梯运行过程中加速度的大小，载重等很多采样部分收到的数据来对电梯的运行情况进行整体的分析。
还有一些大公司已经研究开发出一套独立电梯远程监
测体系，并且使用了能够随时观察轿厢内部情况的功能。
德国ThyssenKrupp的电梯远程监测体系是该电梯的特点，远程监控中心可以对电梯的运行状况进行远程的操纵，然而该功能因为后台远离运转中的电梯，将会给电梯的安全运转造成很大危害。
日立公司的电梯安全监测体系最大的特色是数据更新速度非常快，能够连续的对电梯的运转状况采取远程监测，当电梯运行出现错误的时候，置于电梯内的信号收集体系会马上向后台监测报警，屏幕会出现电梯发生了什么故障，并立即向工作人员发出消息，显示故障坐标，使工作人员能够尽可能快的解决问题。
第二章论文研究设计的主要内容
2.1总体设计架构
主要内容如下
研究开发出前端机是电梯监测体系功能得以达到目的的关键，它的目的是收集电梯运行体系的数据，并发现故障进行分析，最后完成与后台进行通信的工作。
然而当电梯以平常状态运转的时侯，前端机收集的信息并不会传递到给后台监控，前端机体系主要是由重量信息采集模块，加速度信息采集模块，电源模块等组成。
具体方法如下图构成：
电话网数据传输模块
蜂鸣器报警模块
C8051F120单片机
重量信息采集模块
电源开关模块
接口电路模块
加速度信息采集模块
主控制芯片SILICON公司的8051AH系列单片机。
8051AH系列单片机是模数混合微控制器。
经过收集安置在电梯上的重量传感器信息通过滤波，放大，A/D转换后变成数字信号，用来即时监shi电梯内的载
荷，分析判断是否超重，假如超重则蜂鸣器会发出信号。
8051AH还要处理加速度信息采集模块采集到的信息判断出是否超速如果超速则将信号通过电话网传递到后台。
2.2电源模块的设计
电源是体系能否高效正常的运行的前提，电源模块更是本次论文研究开发的重要模块之一，电源模块的设计首先必须要考虑到电源电压是否符合要求，是否能够有效的消除各种各样的干扰，并且负载特性的要求以及功率容量是否能够满足等问题。
通过对体系每个部分的分析，必须要有三种电源电压。
分别是3.3V,5V,12V.
因为要求电源模块是要设计出一个3.3V,5V,12V的直流供电电源，这里没有直接的3.3V,5V,12V直流供电电压，日常生活中只提供220V的电压，交流220V，大大超过了本系统研究需要的电压，因此，变压器使220V电压下降以后再进一步处理。
2.21变压器部分设计:
变压器是电源设计电路的起点，把220V的交流电转化成需要的低
V1V2
压，接着就能够实施下一阶段的处理。
V1是变压器的高压侧；V2是变压器的低压侧；
2.22单相桥式整流电路的设计
由于要求输入的是直流电源，而电网电压提供的是交流电，而单相桥式整流电路是将交流电压转换为
整流电压的电路。
它有四只二极管组成，其在v2的正半个周期电路的运行原理，电流从上沿开始流入，通过D1，接着由D4流回，因而D1到D4是导通的，而D2到D3是截止的，造成了上边是正下边是负的电路，在v2的负半个周恰恰相反，电流从下端流入经过D2，再由D3流回，造成了D1到D4是截止的，D2到D3是导通的。
整流电路使用四个二极管的接连导通得到一个单调方向的电路，如图所示：
2.23滤波电路设计
此滤波电路的构成是由电解电容与二极管相互并联组成的电路，工作原理就是当电容两端电压加大时导致电容充电，电压下降时导致电容放电，电压下降的坡度变平缓，因此起到滤波的作用。
选用电解电容的原因是电解电容的电容量很大，价格具有相当大的优势。
电解电容并二极管防止了电压反相，如图所示：
三端稳压器MC7805，MC7812，LM317:
MC78M05CT的用处是稳定电压在5V,如图所示:
输入的电压要求直流输入应
在7.5V
LM317
5V稳压电源
12V稳压电源
可调电源电压1.2V至37V
2.3重量信号采集模块设计
重量信息采集模块设计分为3个步骤:
首先为数据收集部分，由传感器把重力信息转化为mv级的变化电压；第二步为信息放大，是由两级放大处理器构成一级是粗调放大二级是微调放大；第三步为A/D转换部分，由ADC0809转换器将模拟信号转化成数字信号，这三个步骤将会实现所要求的功能。
工作原理:
首先是用压力传感器将收集到的物体的重量信息转化为电压信号，但是因为输出的电压信号很小，需要经过信息处理电路对其实行线性放大，通过A/D放大、模数转换电路转换为数字信息，获得的信息发送给单片机主控电路。
在现实中，提高数据采集精度和尽可能减少其它的干扰，必须在传感器和A/D芯片之间的电路调整信号
2.31模块设计总体方案
乘客站在电梯内，在压力的作用下会使传感器上安装的弹性体产生形变，于是弹性体的应变梁上的应变电阻片及桥路将失去平衡，输
出与重量成正比的电信号，再经线性放大器把信息放大，接着经A/D转换器把模拟量转化为数字量，接着经过主控芯片处理，驱动报警器，从而实现超载报警。
2.32设计流程图:
单片机
A/D
转换器
信号
放大电路
压力
传感器
报警器
元器件选择
传感器的选择：
测量压力有各种各样的传感器，很多传感器都可以做到.虽然压电压力传感器也可用于过载报警，但压电传感器在高放大，价格高，绝缘要求高，不易实现。
因此使用电阻式更容易实现。
电阻式传感器的运行原理是由于电阻应变效应，也就是说电阻片在因为压力的作用下电阻片会发生变形，同时由于这个原因电阻也会发生变化。
电阻应变效应的理论公式如下:
在现实的运用中，把电阻片附着在软物体或者需要测试物体的外表，当其受到压力发生形变的时候，附着在它上面的电阻片也会因此产生同样的物理形变，导致电阻式应变片产生同样的变化。
在这个时候，它们把应变力学量化成电阻的变化量。
应变片式传感器有很多好处：
在很多场合都应用得到，也能够测量很多的东西，在测量物体的时候分辨力与精确度非常高，构造轻便且简单，能够适应较为繁杂的工作场地，特别是能够在超强的压力与温度以及较强的磁场等情况中运用使用方便，易于实现自动化，远程测量
因此采用BSF120-3AA型传感器，其能够适应的温度限制：
零下三十到零上八十摄氏度之间；灵敏性：
二点零到二点二；形变范围限制：
百分之二点五（单轴）。
为了防止超出重量会毁坏传感器，传感器的范围应该大于5000牛顿。
电阻的灵敏系数是指单位内变化引发电阻值的转变量，因为导体是金属，它的计算公式是：
μ—材料的泊松系数，ε—应变量
因此：
在外力的作用下,电阻片的形状将会产生形变,因此电阻片的阻值一样产生同样的转变，当计算算出电阻的相对变量△R时，就可能计算出应变值ε，接着就可以计算得出应力值是：
重力G和应力σ的关系为：
G-重力,S-应变片截面积
根据以上可得到：
得出应变片电阻和重物质量的关系式：
根据常用的应变片材料（如康餇）从：
k0=2；E=16300kg/mm2；S=100；R0=34Ω；
桥路部分原理：
在经过计算得出结果ΔR/R之后，务必要进行转变电路，经常利用惠斯登电桥达到这种转变。
惠斯登电桥能够使信息不会受任何器件包括电感以及电容的影响，能够适应及其复杂的电磁环境，然而因为受重力而产生的形变而得到的信号一般极其微小（mv级），因此要选取高增益，并且具有很强稳定性的放大器来放大。
电桥如图：
直流电桥
只有电桥到达均衡的时侯,其对应的两臂的电阻的相乘得到的积是一样的,也就是：
R1gR4=R2gR3
设n=R2/R1且R1<电桥电压灵敏度为：
从上式分析发现：
桥电压灵敏度与电桥供电电压存在着成正比的关系，电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，必须恰当的选择n的值，保证电桥具有较高的灵敏度
由于：
求Sv的最大值，得：
，要使电桥的电压灵敏度达到较高的水平，由计算得出当n＝1的时
侯，Sv达到最大值，即当供电电压的值一定时，由于n=1,\所以得出R1=R2,R3=R4时，于是：
因为以上计算中将ΔR/R看作近似于零，因此会产生非线性误差，我们采取的措施是：
一增加桥臂比：
使桥臂比得到增加以后，会使非线性误差变小，然而由电压的灵敏度这个角度来考虑，灵敏度会降低。
二选取差动电桥：
按照测试的物体的物理形变的情况，假使其中一个电阻片受到拉力，另一个电阻片受到压力的情况下，则他们的应变符号会是不一样的。
有相反的关系，于是电桥输出电压Uo为：
若△R1=△R2,R1=R2,R3=R4,则：
可以得到Uo和R1/R1存在着一定的线性比例，差动电桥并不存在非线性的误差，与之前仅仅只选用一个电阻片相比，起电压的灵敏度与之相比增加了一倍，此时也增加了温度补偿的作用，若电桥的四臂加入了四只应变片，即其中两个是在受到拉力的情况下，而另外
两个却是在受到压力的情况下，应变符号相同的两个接入相对臂，就得到全桥差动电路，假使△R1=△R2=△R3=△R4,得到的电压为：
由计算可以得出，差动桥路的输出电压Uo与电压灵敏度与之前只是用一个应变片时相比增加了不少。
因为是金属的测量应变片，使全桥电路具有良好的灵敏度和非线性误差的问题。
2.33放大电路
AD620是一种单片仪表放大器，与其他同种的元器件相比它的价格较为低廉，但是运行的性能却更加高效稳定，它有8引脚DIP和SOIC的封装，它的增益范围很大，并且可以根据当时的需要可以选择从1到1,000所有的增益，误差很小，误差在±0.3%之内，依据规定，当选择10到100的增益是必须使用的的电阻为标准的1%金属膜电阻值。
‘
AD620其中包括一个经过改装的三运放的电路，如图中所示的经由激光微调的薄膜电阻R1与R2。
并且单片结构和激光晶圆微调允许元器件的精密匹配。
AD620原理图
2.34A/D转换器
8位的测量精度5000N/28=19.953N
因为12位和14位的价钱比较贵，我选取准确度稍低的8位A/D转换
芯片ADC0809。
ADC0809主要特性
一，八路模拟输入通道：
INT0-INT7
二，8位三态数据输出线：
D7-D0
三，通道选择输入线A/B/C:
其中c为高位，A为低位
四，通道锁存控制信号输入线：
ALE
五，启动转换控制信号输入线：
START
六，转换脉冲输入线：
CLK
七，主电源+5V：
VCC
八，数字地：
GND
九，具有转换起停的控制端。
十一，模拟输入电压0～+5V，不需零点，满刻度校准。
十二，工作温度为-40～+85摄氏度
十三，低功耗约为15mW。
参数计算
可计算得U0==1.1*10-3V
2.35报警电路
报警电路用声光报警，21、22脚分别接扬声器和发光二极管，扬声器由三极管放大驱动；通过一个连接到一个电源电阻二极管的手段，从而形成一个报警电路
2.36总体电路设计：
报警框图：
开始
体系初始化
启动A/D转换
读取重量值
重量超出范围
是
声光报警
正常
否
结束
设计小结：
该设计的硬件主要包括以下几个部分：
放大器部分、ADC0809部分、单片机主控部分、报警部分、传感器部分。
8051控制一些外围的控件和一些运算功能。
2.4加速度数据采集模块
2.41元器件选择
2.42模块主要参数
●低压操作：
2.4V至3.6V
●脉冲检测模式单脉冲或双脉冲识别
●可靠的设计，高耐冲击性（5000G）
●环境温度：
-40-85摄氏度
●尺寸：
3mm×5mm×1mm
●低成本
2.43XYZ三轴加速度传感器的工作原理简介
输出电压成比例。
MMA7455L引脚说明
序号
名称
描述
状态
1
DVDD_IO
3.3V电源输入（数字）
输入
2
GND
地端
输入
3
N/C
空引脚，悬空或接地
输入
4
IADDR0
I2C地址0位
输入
5
GND
地端
输入
6
AVDD
3.3V电源输入（模拟）
输入
7
CS
片选，SPI使能（0），I2C使能
（1）
输入
8
INT1/DRDY
中断1/数字就绪
输出
9
INT2
中断2
输出
10
N/C
空引脚，悬空或接地
输入
11
N/C
空引脚，悬空或接地
输入
12
SDO
SPI串行数据输出
输出
2.44加速度模块引脚说明
1
INIT1/DRDY
中断1/数据就绪
输出
2
INT2
中断2
输出
3
SDO
SPI串行数据输出
输出
4
CS
片选，SPI使能（0），I2C使能
（1）
输入
5
SDA/SDI/SDO
I2C串行数据线输出/SPI串行数据输入/3接口串行数据输出
双向/输入/输出
6
SCL/SPC
I2C时钟/SPI时钟
输入
7
GND
地端
输入
8
VCC
5V供电
输入
传感器安装时为方便的操作采用I2C接口，单片机通过读写加速度传感器寄存器参数，得到加速度值，它有三个检测量程为了增加这个体系的灵敏度需选用±2g，由于电梯垂直升降只需测y轴参数即可。
加速度传感器
2.5电动机制动模块
由于当电梯加速度下坠时是非常危险的，因此必须采取紧急制动
模块使
升级会员 