基于单片机的电梯智能自洁装置的设计

钟 鸣

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

0 引言

电梯作为一种最常见的垂直交通工具广泛应用于住宅、酒店、商场、地铁等地方。近年来,我国每年新增的电梯约为60万台，截止2017年底,我国电梯保有量约为560万台,其中约有80%的电梯安装在公共场所[1]。每天，电梯运送人员数量多，人员来源复杂，加上电梯的密闭环境，导致电梯成为了细菌密集地区，特别是医院电梯是医院环境的中度风险区域[2]。钟南山院士提醒说，密闭空间，尤其是电梯，是新冠肺炎病毒感染危险性最高的场所。目前，大多数电梯都没有自动消毒清洁功能，在特殊时期需要人工对电梯定期进行消毒清洁。为此本文设计了一种电梯智能自洁装置。

1 电梯智能自洁装置总体设计

电梯的智能自洁功能是基于单片机的控制实现的。针对电梯要实现智能自洁功能，将其设置为自动和手动两种方式。手动方式下，用户可以在需要清洁的时候按下按键，控制电梯进行自洁，该按键通过密码方式实现，只有电梯的维护和管理人员才可以接触及控制；自动功能是电梯在运行低峰的时候自动进行清洁，用户可以根据电梯实际的运行情况，预约电梯自洁功能启动的时间，如每天凌晨1∶00电梯自动进行清洁。但是考虑到预约时间到时可能电梯内部有乘客，所以电梯需要先进行检测。在预约时间到，同时没有乘客在电梯内的时候才进行自洁。电梯自洁开始就会给电梯的主控制器一个信号，主控制器将控制电梯停止响应任务外呼。同时，装置通过指示灯向轿厢外部发出提醒信号，并通过显示系统提示自洁完毕剩余的时间。电梯的智能自洁可通过消毒水喷洒和紫外线消毒两种方式进行，在智能自洁结束后通过启动通风系统进行通风。

电梯智能自洁装置的原理框图如图1所示。系统以单片机为控制元件，由感应模块采集电梯轿箱内是否有乘客，通过按键模块输入用户的需求，用户可选择自动预约或手动控制模式，可设置预约自洁的时间及自洁工作时间，可选择消毒水喷洒和紫外线消毒两种自洁方式。时钟芯片为单片机工作提供准确的时间。系统的输出为三个继电器，分别控制消毒喷头的开启和关闭、紫外线消毒灯的开启和关闭、通风系统的开启和关闭。显示模块包括指示灯和显示屏，指示灯用于提示系统是否正在消毒工作状态，显示屏用于显示用户设置的模式或时间。串行接口连接主控制器实现单片机和主控制器的通信，当电梯进入自洁状态时传递信息给电梯主控制器，电梯自动运行到首层并停止载客，待自洁结束，电梯恢复正常运行。

图1 电梯智能自洁装置原理框图

2 硬件设计

2.1 控制单元的选择

单片机是实现电梯自洁功能最主要的控制器，整个系统的输入输出通过单片机协同工作，同时，该系统通过单片机实现和电梯主控制器的通信，在保证电梯原有的正常运行基础上实现智能自洁的功能。系统采用低功耗、高性能的STC89C52单片机。STC89C52单片机是一款8位单片机，其使用了MCS-51的内核，但做了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。STC89C52具有空闲模式和掉电模式两种模式。掉电模式时时钟停止，RAM数据被保留，所有功能都停止工作。空闲模式时处理器停止，RAM、定时器/计数器、串口和中断仍可以正常工作。这也使得STC89C52单片机成为很多控制系统的首选[3]。本系统采用STC89C52单片机对输入的感应模块和按键模块的信息进行处理，并将输出信号给继电器、主控制器和显示模块。

2.2 感应模块

电梯启动自洁功能时，考虑到无论是紫外线消毒方式还是消毒水喷晒方式，电梯轿箱里都不能有乘客，因此系统需要进行检测，当有乘客在轿厢时不启动自洁功能，等待乘客离开后再次检测，确认轿厢内无乘客后再启动自洁功能，此时电梯的外呼停止工作。

系统的感应模块可以采用微波感应器和热释电红外传感器进行检测。微波感应器能感应物体的移动，反应速度比较快，适合应用在正常的人员通过场所，但是电梯里的乘客有时候是静止不动的，所以如果采用微波感应器可能会出现误判断。因此，本设计考虑第二个方案，采用热释电红外传感器进行检测。热释电红外传感器广泛应用于安防领域，技术相对成熟，使用成本低[4],它以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。本设计的感应模块以RE200B和BISS0001为主要元器件。RE200B是一种光电检测装置，其主要由菲涅耳透镜、热释电红外器件和检测转换电路构成。对环境变化引起的干扰RE200B通过其内部双PZT板灵敏元感光电极反向串联得以补偿，这种补偿的方法不仅能抑制环境温度的干扰，而且提高了其自身的稳定性和灵敏度[5]。BISS0001红外信号处理芯片是一种性能比较高的常用传感信号处理集成芯片，具有静态工作电流极小、价格低廉、应用电路广等优点[6]。电梯智能自洁装置的感应模块原理图如图2所示，该模块和单片机的P1.4引脚相连接，当模块感应区有人体运动时，连续输出幅值为4.3 V的高电平，当人体离开探测区域时，输出0 V低电平。

图2 感应模块原理图

2.3 显示模块与时钟芯片

显示模块包含指示灯和液晶显示屏两部分。本设计选用一盏LED灯与单片机P2.3引脚连接，向轿厢外提示当前状态，如果该自洁装置开始工作则LED灯点亮，自洁完成后LED灯熄灭。系统选用LCD1602液晶显示器显示用户设置的模式或时间信息，LCD1602液晶显示器是一种图形点阵显示器，性价比高，可靠性强。系统中使用P0口与LCD1602连接，由P2.0、P2.1和P2.2传送控制信号，LCD1602液晶显示器在显示用户设置的基本信息的同时也显示当前时间。

本设计选用DS1320时钟芯片为自洁装置提供准确的时间，DS1320是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，DS1320时钟芯片采用SPI总线方式与单片机的P1.0、P1.1和P1.2三个引脚连接。显示模块和时钟芯片模块的原理图如图3所示。

图3 显示模块和时钟芯片模块的原理图

2.4 按键模块与其他部分

电梯智能自洁装置的按键模块主要是用来实现用户需求的输入。装置设计了6个独立式按键，用户分别可以实现自动/手动自洁模式的选择、预约/计时时间的设置、消毒水喷洒/紫外线消毒两种自洁方式的选择。图4为连接在P3.2用来选择自洁模式的独立式按键，默认按键松开时为预约自洁模式，按下时为手动自洁模式。其他5个按键的电路图类似。初始状态下，用户需输入6个按键的组合信号作为密码，只有在输入正确密码的情况下单片机才能响应相应按键输入的信号。系统采用3个继电器分别控制紫外线灯、消毒喷头、通风系统3个输出装置，这3个继电器分别连接在单片机的P1.3、P1.4和P1.5三个引脚。图5为紫外线灯控制电路图，消毒喷头控制电路图及通风系统控制电路图类似。当电梯的智能自洁装置工作时，电梯需要停止正常载客工作。因此，系统通过P3.1与电梯主控制器连接，当装置进入自洁状态时，单片机通过串行方式给电梯主控制器信号，主控制器控制电梯停止载客；当电梯自洁完毕后，单片机发送信号给电梯主控制器，主控制器恢复电梯的工作。

图4 手动/自动模式选择 图5 紫外线灯控制电路图

3 软件设计

本系统的软件设计主要包括主程序、中断程序(按键模块程序)、显示模块子程序等。主程序流程如图6所示。模式选择按键连接在INT0引脚，当需要手动启动自洁装置时按键按下，则执行INT0中断函数，自洁标志位置1，启动自洁功能。其他按键5个按键通过与门和INT1引脚连接，只要有按键按下系统就执行INT1中断函数。INT1中断程序流程如图7所示，该中断程序可实现对系统的自洁方式和预约、定时时间的设置等。显示模块函数在电梯智能自洁装置开启自洁状态时输出LED引脚低电平信号，指示灯工作，同时启动LCD1602液晶显示器以倒计时方式显示工作时间。

图6 主程序流程

图7 INT1中断程序流程

按键原理图

4 结语

本文基于单片机设计了能可靠、自动对电梯进行智能自洁的装置。该装置能实时采集轿厢情况，提供给用户自动和手动两种可选择的工作模式，以及紫外线消毒和消毒水喷洒两种可选择的消毒方式，同时该装置能很好地与电梯主控制器通信，在不影响原有电梯正常工作的情况下完成电梯轿厢的卫生清洁工作。本装置具有安装方便、结构简单、操作灵活、成本低廉的特点，具有很好的推广价值。