基于STC12单片机的电梯防坠系统设计

施越超

摘要：为了减少在电梯发生故障电梯防护措施不能积极响应时对人造成的伤害，在此设计了一种防坠梯液压系统的验证方法，该方法利用了红外测距传感器模块和加速度传感器模块实现对电梯状态的监测，以STC12C5A60S2-351单片机为控制核心，对采集到的距离和加速度反馈给单片机，同时通过控制L9110S电机模块实现直流电机的正反转，通过电机控制液压系统，从而实现对轿厢的监测和制动。

Abstract： In order to reduce the damage caused by the elevator protection measures which cannot respond positively to the elevator， a verification method of the anti-falling hydraulic system is designed. The method utilizes the infrared distance sensor module and the acceleration sensor module monitoring the status of the elevator and STC12C5A60S2-351 microcontroller as the control core， collecting distance and acceleration while controlling the L9110S motor module to achieve the negative and the positive rotation of the DC motor. The motor control hydraulic system achieves the elevator monitoring and braking.

关键词：电梯；防坠系统；STC12C5A60S2-351单片机；红外测距传感器；加速度传感器

Key words： elevator；system of anti-falling；STC12C5A60S2-351 single-chip；infrared ranging sensor；acceleration sensor

中图分类号：TP202 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）16-0097-03

0 引言

现代化进程加快，越来越多的改成建筑拔地而起，电梯成了人们主要的上楼代步工具，电梯安全就尤为重要，我们应该重视电梯安全来有效保障我们的生命财产安全。目前我们的电梯上配备的保护装置有限速系统、行程极限系统、缓冲器系统、制动器系统[1]。中北大学利用安全气囊作为电梯的保护装置，防止肉体直接与轿厢碰撞[2]。利用红外温度传感器监测电梯运行状态，实现了快速、准确、方便、无接触的测量[3]。嘉兴市特种设备检测院提出一种利用光电编码器测量电梯的速度，利用电磁伸缩杆制成限速器[4]，机械结构简单，动作速度稳定。上海交通大学提出了电梯被动安全系统的设计方法[5]，利用有限元方法得到了电梯和成员的动态响应。锦州市特种设备监督检测所提出了新型防坠落装置，通过缓冲器的能量转换变为电梯制动的能量[6]，具有节能环保的特点。这些装置在现有的电梯装置中都进行了技术革新，能更好地在电梯发生故障时检测并及时做出制动反应。但是，以上方法的检测技术是单一的，冗余量不足，容易造成灾难性后果。文章是通过加速度传感器和红外测距传感器，计算和测量出电梯的加速度和速度，通过两个指标监测电梯的运行状态，在发生故障时通过电机控制液压系统使电梯制动，有效保障乘客的生命财产安全。

1 系统设计

系统的总体框图如图1所示，系统以STC12C5A60S2-351

单片机作为控制器，红外测距传感器和加速传感器将测得数据发送到单片机中，红外测距传感器测量电梯的速度，通过单片机进行AD转换后，根据时间差算出电梯此时的速度，加速度传感器可以测量电梯此时的重力加速度，单片机判断轿厢加速度和速度是否超过预设值，假设超过预设值，单片机会通过L9110电机模块来控制电机的正反转，从而控制液压系统转达到制动效果。

1.1 STC12C5A60S2-351单片机

STC12C5A60S2是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。其工作电压为工作电压5.5-3.5V，STC12C5A60S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250kHz（25万次/秒）。8路电压输入型A/D，上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。因为其内部具有AD转换可以满足系统的需求，直接代替AD转换元件，红外测距传感器可直接连入单片机，在单片机上进行AD转换。

1.2 加速度传感器

MPU-6050集成了3轴MEMS陀螺仪，3轴MEMS加速度计以及一个可扩展的数字运动处理器DMP。MPU-60X0对陀螺仪和加速度计分别用了三个16位的ADC，将其测量的模拟量转化为可输出的数字量。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是用户可控的，陀螺仪可测范围为±250，±500，±1000，±2000°/秒（dps），加速度计可测范围为±2，±4，±8，±16g。MPU-6050可支持的电源为3.3V±5%。加速度传感器测量轿厢的垂直加速度，如图2所示，加速度傳感器MPU-6050的SCL和SDA分别与单片机STC12C5A60S2的P2.0和P2.1口相连，分别为IIC串行时钟和IIC串行数据。IIC总线可靠的双向二线制串行数据传输结构总线，该总线使各电路分割成各种功能的模块，并进行软件化设计，各个功能模块电路内都有集成一个IIC总线接口电路，因此都可以挂接在总线上，很好地解决了众多功能IC与CPU之间的输入输出接口，使其连接方式变得十分简单。

1.3 红外测距传感器

夏普GP2Y0A21型距离测量传感器是基于PSD的微距传感器，其有效的测量距离在10-80cm，输出的信号为模拟电压，反应时间约为5ms，并且对背景光及温度的适应性强。工作电压在4.5-5.5V。将红外测距传感器置于轿厢下部，通过测量轿厢底部到地面的距离。如图3所示，输出信号端与单片机P1.0相连，因为输出的是模拟电压，所以需要通过单片机的AD转换，得到此时轿厢距离地面的距离，记录两次位置的距离，用他们的差值除以两次的反应时间，可以将轿厢的实时速度测算出来。

1.4 电机模块

如图4所示，L9110直流步进电机驱动板，模块供电电压：2.5-12V，电机工作电压2.5-12V之间，最大工作电流0.8A。电机模块与单片机相连，当发生故障时，电机开始正转制动轿厢，当故障排除后，按下按钮，电机反转，液压系统动作，释放轿厢。

1.5 软件设计

控制面板由单片机、LCD显示器、加速度传感器模块、红外测距传感器模块等构成。如图5所示，电梯正常运行时，加速度传感器和紅外测距传感器通过两个模块给单片机传输数据，单片机首先对红外测距仪传感器传来的数据进行处理，首先进行AD转换，然后根据v=（x2-x1）/t就可以算出电梯的瞬时速度，单片机将加速度和速度的值传送至LCD显示屏，便于掌握电梯随时的运行情况。同时，故障预设值的已经输入单片机中，加速度a1和速度v1，当a>a1或v>v1时，判断电梯故障，然后将信号传入电机模块中，电机反应，液压系统制动电梯。电梯的制动是通过增加摩擦力的一个循序渐进的过程，a=（mg-f）/m，v=v0+at在摩擦力的作用下加速度减小的同时，轿厢的速度也会降低直至停止。

2 验证

该防坠梯液压系统设计方法通过STC12C5A60S2-351单片机为控制主体，外围有LCD显示、加速度传感器、红外测距传感器等模块，能够顺利地完成电梯制动工作。如图6所示，被测电梯的速度和加速度经过单片机处理后，在LCD1602液晶屏上显示，当被测电梯的速度和加速度超过设定范围后，电机开始转动。

3 结论

本文提供的防坠梯液压系统设计的验证方法可以有效地在电梯出现故障时及时将电梯制动，同时本系统设计方法具有简单的结构，没有繁琐的内部构造，更好地保证了系统的安全性，损坏率也会大大降低，易于维护保养。

本系统设计方法利用红外测距传感器测量距离为10-80cm精度较高，响应时间5ms反应较快，外形设计紧凑易于安装，便于操作等特点准确测出轿厢距电梯底部的距离。本系统设计方法利用加速度传感器具有动态范围大±16g、坚固耐用、受外界干扰小等特点精确测出轿厢的实时加速度。通过监测轿厢的速度和加速度，两个指标同时监测电梯的运行状态，确保电梯处于正常工作状态。

本系统设计方法独立于整个电梯，由专门的蓄电池供电，不会因为电梯故障而导致系统无法工作，液压系统是一个循序渐进的减速，避免了在发生事故时电梯急停给乘客带来的二次伤害。

参考文献：

[1]张跃灵.电梯安全保障系统设计思路[J].职大学报，2010（4）：96-97.

[2]郭进，吴其洲，任雁，等.一种基于安全气囊的电梯安全系统设计[J].通讯技术，2013：53-59.

[3]姚长鸿，夏钟兴.远红外温度传感器在电梯安全系统中的应用探讨[J].价值工程，2016（7）：131-133.

[4]庞涛，过鹏程，陈建伟.一种新型的电梯限速器[J].学术交流，2011（11）：28-30.

[5]申杰，金先龙.电梯被动安全系统的设计方法[J].上海交通大学学报，2005（7）：1128-1131.

[6]刘大卫，王维臣，孔英姿，等.新型电梯防坠落装置的研究[J].中国新技术新产品，2015（2）：191-192.