電梯智能稱重變送裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電梯智能稱重變送裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一、電梯智能稱重變送裝置為了人員、貨物和電梯本身的安全，標(biāo)準(zhǔn)gb7588a的制造和安裝指南已制定了嚴(yán)格的電梯超載試驗(yàn)要求。電梯控制系統(tǒng)一般需要測量裝置提供輕載、滿載、超載三個(gè)開關(guān)量信號(hào),高檔智能電梯還需要模擬量電壓或電流輸出信號(hào)。另外,電梯的一些控制功能,比如滿載直駛,防搗亂功能,也需要有一個(gè)測量電梯負(fù)載的裝置為控制系統(tǒng)提供電梯的負(fù)載信號(hào)。文本所介紹的電梯智能稱重變送裝置正是為了實(shí)時(shí)監(jiān)控電梯負(fù)載而設(shè)計(jì)的。目前測量載重的傳感器比較多,有壓敏電阻式、電渦流式、電容式等等。這些傳感器的特點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,安裝操作麻煩,隨著測量量程的增加,體積也會(huì)相應(yīng)增大。并且大多數(shù)傳感器測量時(shí)需要與被測物體相接觸,比較容易磨損,一旦接觸表面不均勻,則靈敏度會(huì)下降很多,大大限制了傳感器的使用壽命。因此本文提出了一種新的,基于霍爾效應(yīng)的非接觸式霍爾傳感器,作為電梯智能傳感器,實(shí)現(xiàn)電梯載荷量的遠(yuǎn)距離傳送。在傳輸方式上采用現(xiàn)今比較流行的電源線載波通訊,通過雙音多頻(DTMF)信號(hào)發(fā)生器,將傳輸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雙音多頻信號(hào),并耦合入電源線進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。二、智能多向電梯的整體硬件結(jié)構(gòu)1、電梯稱重變送裝置安裝時(shí)磁場輸出的變化霍爾傳感器是將霍爾元件、放大器、溫度補(bǔ)償器及穩(wěn)壓電路集成在一個(gè)芯片上,它基于霍爾磁效應(yīng),可以將磁場磁通量的變化轉(zhuǎn)化成為線性的電壓信號(hào)輸出。根據(jù)霍爾效應(yīng)原理,如果垂直作用于元件平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B,通過元件的電流為I,則無負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的霍爾電壓如下式所示:式中,KH—元件的靈敏度(V/AT);fH—形狀系數(shù),由元件的形狀和霍爾角所決定,一般小于1。由上式看出,霍爾電壓VH的大小與電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B的乘積成正比關(guān)系,并與元件的靈敏度有關(guān)。若使控制電流I固定,則VH與B成比例變化。當(dāng)霍爾傳感器在一個(gè)均勻梯度磁場中移動(dòng)時(shí),元件所輸出的電壓變化就能反映出位移的情況?；魻杺鞲衅髟趹?yīng)用于電梯稱重變送裝置時(shí),將集成了線性霍爾傳感器的整個(gè)變送裝置固定在活絡(luò)轎廂的底部,并在轎廂底部放置一塊永久磁體(如圖2)。當(dāng)人進(jìn)入轎廂內(nèi)時(shí),轎廂底部因受重而產(chǎn)生形變,磁體和霍爾傳感器之間產(chǎn)生位移,引起霍爾傳感器感應(yīng)的磁場磁通量變化,從而產(chǎn)生相應(yīng)的線性電壓輸出,進(jìn)而獲得載重、位移與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。輸出的電壓經(jīng)過差分放大得出需要采集的量。如果轎廂底部的橡膠的壓縮位移為3mm～10mm,稱重變送裝置可對(duì)5kg的載荷變化量做出反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明:霍爾傳感器與永久磁體間的距離對(duì)傳感器的靈敏度、線性度與量程都有很大影響,若霍爾傳感器與永久磁體距離很近,則該處的磁場強(qiáng)度很大,傳感器容易飽和,線性度差,量程小;若霍爾傳感器與永久磁體距離太遠(yuǎn),則磁場很弱,霍爾傳感器感應(yīng)不到磁場,靈敏度降低,因此稱重變送裝置安裝時(shí)必須確定永久磁體與稱重變送裝置間的最佳距離。在實(shí)際應(yīng)用中,電梯空載時(shí)保持稱重變送裝置與磁體間距在19mm～22mm左右最為理想。為了使安裝滿足上述要求,利用CPU控制雙色發(fā)光二極管作為提示燈,當(dāng)稱重變送裝置與永久磁體間的距離到達(dá)最佳距離的誤差范圍(±0.1mm)內(nèi)時(shí),提示燈交替閃爍,此時(shí)固定稱重變送裝置,完成安裝。實(shí)際安裝中需要注意的是,應(yīng)盡可能將變送裝置安裝在靠近轎底中心部位,并將其安裝在電梯轎底承重梁上,感應(yīng)磁體吸附在活動(dòng)轎底,且標(biāo)志面正對(duì)傳感器感應(yīng)點(diǎn),并使轎底磁體對(duì)準(zhǔn)傳感器上端面中心點(diǎn),同時(shí)必須保證本裝置上端面與磁體端面相互平行。實(shí)際調(diào)試時(shí),由于永久磁體所固定的活動(dòng)轎底為導(dǎo)磁材料,磁體吸附在其表面后,磁感應(yīng)強(qiáng)度會(huì)有所增強(qiáng),所以一切數(shù)據(jù)應(yīng)以現(xiàn)場測試所得為準(zhǔn)。在測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),可以根據(jù)實(shí)際情況,在稱重變送裝置的底部另外固定一根帶螺紋的頂桿,其標(biāo)準(zhǔn)為每一圈前進(jìn)(或后退)1mm,測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:將現(xiàn)場所得數(shù)據(jù)分段線性化,進(jìn)而得出上層控制器所需的各種參考數(shù)據(jù)。2、a/d轉(zhuǎn)換電路為了解決電梯載重從空載到滿載所對(duì)應(yīng)的輸出電壓范圍較小,并提高載重的分辨率,采用了差分放大電路和12位串行A/D轉(zhuǎn)換電路?；魻杺鞲衅鞯娘柡洼敵鲭妷簽?.2V,無磁場時(shí)的輸出電壓為2.5V,這個(gè)電壓范圍相對(duì)較小,不利于A/D采樣。可以采用差分放大電路來擴(kuò)充電壓的采集范圍,如圖4所示。選用4.1V(MCP1541)的基準(zhǔn)電源,通過一個(gè)可調(diào)的分壓電路得到基準(zhǔn)電壓Vj,設(shè)霍爾傳感器的輸出電壓為VH,則經(jīng)過差分放大后的電壓VC為:選擇合適的Rf與R1的值,可以使輸出電壓VC的取值范圍在0V～5V之間,從而達(dá)到擴(kuò)大電壓采集范圍的目的。放大器輸出的電壓信號(hào)通過A/D轉(zhuǎn)換,變成單片機(jī)便于處理的數(shù)字信號(hào)。為了保證傳感器對(duì)5kg的載荷變化量做出反應(yīng),需要選取曲線斜率比較大的一段。同時(shí)在此范圍內(nèi)要有足夠的采樣點(diǎn),應(yīng)選用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片。本電路使用的A/D轉(zhuǎn)換芯片為ADS1286,12位分辨率,20kHz采樣頻率,低功耗,工作電流僅為250μA,同時(shí)采用串行接口通信,體積小,接口簡單,如圖5。工作原理:在芯片選擇無效情況下,DCLOCK最初被禁止且Dout處于高阻狀態(tài)。當(dāng)串行接口把拉至有效時(shí),轉(zhuǎn)換時(shí)序開始允許DCLOCK工作并使Dout脫離高阻狀態(tài)。串行接口然后把DCLOCK序列提供給DCLOCK并從Dout接收轉(zhuǎn)換結(jié)果。在DCLOCK的每個(gè)下降沿送出同步數(shù)據(jù)序列,并在DCLOCK的上升沿鎖存數(shù)據(jù)。需要注意的是,使能拉低)后的第二個(gè)DCLOCK脈沖使能Dout,并在輸出一個(gè)無效位后的12個(gè)脈沖接收A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果,其轉(zhuǎn)換速率由DCLOCK的同步脈沖速率決定。3、器件與定位電路中央處理單元采用了美國ATMEL公司低電壓、高性能CMOS8位單片機(jī)AT89C2051,片內(nèi)含2kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元,同時(shí)具有低價(jià)位、封裝小等特點(diǎn)。復(fù)位電路設(shè)計(jì)中,選用MAX813“看門狗”芯片,采用3種復(fù)位方式,即上電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位和軟件復(fù)位。上電后,MAX813輸出給單片機(jī)一個(gè)高電平復(fù)位脈沖,同時(shí)也可以通過手動(dòng)開關(guān)進(jìn)行強(qiáng)制復(fù)位。軟件復(fù)位主要是由“看門狗”進(jìn)行控制,AT89C2051的一個(gè)I/O口輸出脈沖,由MAX813計(jì)數(shù)檢測,當(dāng)軟件運(yùn)行出現(xiàn)死循環(huán)時(shí),“看門狗”發(fā)出復(fù)位信號(hào),保證軟件的順利運(yùn)行,這樣設(shè)計(jì)便于調(diào)試和處理整體運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的問題。4、雙音多頻信號(hào)信號(hào)模型在將模擬電壓信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后,由中央處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件數(shù)字濾波處理,去除干擾取平均值濾波,再將處理過后的數(shù)據(jù)交由DTMF發(fā)送電路進(jìn)行發(fā)送。由于傳感器本身不帶有獨(dú)立的電源,所以整個(gè)裝置需要外部供電,加上數(shù)字信號(hào)的傳輸,則至少需要3根線與外界連接,同時(shí)還要考慮遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)信號(hào)的衰減。所以本裝置提出了一種新的傳輸手段,即利用電話機(jī)的傳輸形式,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成高低正弦波疊加的頻率信號(hào),并耦合入電源線進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)載波傳輸,電源線和數(shù)據(jù)線都用一根線傳輸,即雙音頻傳輸。雙音多頻(DTMF—DualToneMultiFrequency)電路包括DTMF發(fā)送器與DTMF接收器,前者主要用于在按鍵式話機(jī)作雙多音頻發(fā)號(hào)器,根據(jù)不同的按鍵號(hào)碼發(fā)出相應(yīng)的一組雙音多頻信號(hào)tftf)2cos2(cosHL+ππ,實(shí)現(xiàn)快于脈沖串的撥號(hào)。在電源的接入方式上,通過整流橋以實(shí)現(xiàn)傳感器的兩條輸入線與外線的任意連接,不受供電極性影響。電源線耦合入雙音多頻信號(hào)后,輸入電流會(huì)出現(xiàn)小幅度的波動(dòng),為給集成電路提供純凈的直流工作電壓和電流,采用線性電源模塊7805將輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的+5V電壓提供給整個(gè)系統(tǒng)。而由HT9200A輸出的DTMF信號(hào)幅度較低,必須外接輸出功率放大器,以保證向電話線輸出的是幅度足夠的雙音頻信號(hào)。如圖8所示,采用一個(gè)NPN三極管作為雙音頻信號(hào)放大管,DTMF信號(hào)輸出端輸出音頻信號(hào)通過三極管放大后,由集電極輸出送往外線。電阻R1是三極管的輸入電阻,阻值通常選10k?,其作用是控制三極管的基極電流,使之不會(huì)過大,并能防止DTMF端輸出負(fù)載過重。R3、C1構(gòu)成電壓負(fù)反饋,用以改善波形。R2為三極管的發(fā)射極電阻,雙音頻信號(hào)的幅度及輸出阻抗可由R2來確定。這樣便能實(shí)現(xiàn)電源和信號(hào)的耦合,從而實(shí)現(xiàn)了兩線傳輸。需要注意的是,由于直流電源供給和雙音頻信號(hào)的傳輸都是通過同一根線進(jìn)行,因此,對(duì)直流電壓的穩(wěn)壓和濾波不可明顯地降低電源的交流阻抗,否則會(huì)濾掉DTMF信號(hào)。在接收與控制部分上由專用的DTMF解碼芯片對(duì)16種DTMF信號(hào)進(jìn)行解碼,并產(chǎn)生4位的代碼輸出。本系統(tǒng)涉及到的接收部分包括DTMF信號(hào)接收、顯示并輸出電梯所需其它控制量的部分這里不做贅述。三、電池軟件設(shè)計(jì)軟件所實(shí)現(xiàn)的任務(wù)是通過對(duì)采集進(jìn)來的電壓信號(hào)處理后交由雙音頻信號(hào)發(fā)生電路進(jìn)行輸出工作。軟件結(jié)構(gòu)較為簡單,主要包括主程序及定時(shí)中斷服務(wù)子程序二部分。需要注意的是,由于解碼芯片需要大概40ms(可以改變)才能對(duì)雙音頻信號(hào)進(jìn)行解碼,所以我們?cè)诎l(fā)送每一位數(shù)時(shí)要人為的加入40ms延時(shí)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖9所示。四、電梯智能稱重變送裝置硬件設(shè)計(jì)采用這種方式設(shè)計(jì)的稱重變送裝置,利用了霍爾磁效應(yīng)的非接觸性,具有不易磨損、壽命長、精度高的特點(diǎn);采用兩線制傳輸方式,減少了連接線路,同時(shí)由于在線上傳輸?shù)牟皇莻鹘y(tǒng)的模擬和數(shù)字信號(hào),因此又具有傳輸距離遠(yuǎn),抗干擾能力強(qiáng),可靠性高等特點(diǎn)。通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和樣機(jī)的研制,都得到了理想的效果,總體性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。整個(gè)裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價(jià)比高等特點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于稱重、位移測量等領(lǐng)域。具備較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。本文的創(chuàng)新點(diǎn):無接觸式霍爾磁效應(yīng)傳感器,利用DTMF載波通信傳輸數(shù)據(jù),并采用信號(hào)線饋電的方式提供電源。電梯智能稱重變送裝置的硬件設(shè)計(jì)充分考慮了大小和性價(jià)比,用最少的元器件設(shè)計(jì)出滿足要求的硬件電路。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)邏輯框圖如圖1所示。硬件結(jié)構(gòu)包括霍爾傳感器、信號(hào)放大A/D轉(zhuǎn)換電路、AT89C2051CPU模塊及兩線制發(fā)送接口電路組成。首先由霍爾傳感器將電梯轎廂的載荷量轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓值,經(jīng)放大電路,再由A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳送給單片機(jī)。數(shù)據(jù)在單片機(jī)中經(jīng)過數(shù)字去除干擾濾波處理后,再由兩線制接口電路實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。I—通過元件的電流(A);B—磁感應(yīng)強(qiáng)度(T);HT9200A為串行雙音多頻信號(hào)發(fā)生器,它可由指令控制產(chǎn)生16種雙音頻信號(hào),通過DATA引腳輸入一個(gè)5bit的代碼來控制不同的DTMF