電梯智能稱重變送裝置的設(shè)計與實現(xiàn)

電梯智能稱重變送裝置的設(shè)計與實現(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，標準gb7588a的制造和安裝指南已制定了嚴格的電梯超載試驗要求。電梯控制系統(tǒng)一般需要測量裝置提供輕載、滿載、超載三個開關(guān)量信號,高檔智能電梯還需要模擬量電壓或電流輸出信號。另外,電梯的一些控制功能,比如滿載直駛,防搗亂功能,也需要有一個測量電梯負載的裝置為控制系統(tǒng)提供電梯的負載信號。文本所介紹的電梯智能稱重變送裝置正是為了實時監(jiān)控電梯負載而設(shè)計的。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。這些傳感器的特點是電路設(shè)計復(fù)雜,安裝操作麻煩,隨著測量量程的增加,體積也會相應(yīng)增大。并且大多數(shù)傳感器測量時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,實現(xiàn)電梯載荷量的遠距離傳送。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)信號發(fā)生器,將傳輸數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成雙音多頻信號,并耦合入電源線進行遠距離數(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磁場輸出的變化霍爾傳感器是將霍爾元件、放大器、溫度補償器及穩(wěn)壓電路集成在一個芯片上,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)強度為B,通過元件的電流為I,則無負荷時產(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。當霍爾傳感器在一個均勻梯度磁場中移動時,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,將集成了線性霍爾傳感器的整個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)。當人進入轎廂內(nèi)時,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,進而獲得載重、位移與電壓的對應(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5kg的載荷變化量做出反應(yīng)。實驗表明:霍爾傳感器與永久磁體間的距離對傳感器的靈敏度、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,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必須確定永久磁體與稱重變送裝置間的最佳距離。在實際應(yīng)用中,電梯空載時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,當稱重變送裝置與永久磁體間的距離到達最佳距離的誤差范圍(±0.1mm)內(nèi)時,提示燈交替閃爍,此時固定稱重變送裝置,完成安裝。實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)磁體吸附在活動轎底,且標志面正對傳感器感應(yīng)點,并使轎底磁體對準傳感器上端面中心點,同時必須保證本裝置上端面與磁體端面相互平行。實際調(diào)試時,由于永久磁體所固定的活動轎底為導(dǎo)磁材料,磁體吸附在其表面后,磁感應(yīng)強度會有所增強,所以一切數(shù)據(jù)應(yīng)以現(xiàn)場測試所得為準。在測試試驗數(shù)據(jù)時,可以根據(jù)實際情況,在稱重變送裝置的底部另外固定一根帶螺紋的頂桿,其標準為每一圈前進(或后退)1mm,測得試驗數(shù)據(jù)如下:將現(xiàn)場所得數(shù)據(jù)分段線性化,進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。霍爾傳感器的飽和輸出電壓為4.2V,無磁場時的輸出電壓為2.5V,這個電壓范圍相對較小,不利于A/D采樣。可以采用差分放大電路來擴充電壓的采集范圍,如圖4所示。選用4.1V(MCP1541)的基準電源,通過一個可調(diào)的分壓電路得到基準電壓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,從而達到擴大電壓采集范圍的目的。放大器輸出的電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換,變成單片機便于處理的數(shù)字信號。為了保證傳感器對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。同時在此范圍內(nèi)要有足夠的采樣點,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)。當串行接口把拉至有效時,轉(zhuǎn)換時序開始允許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DCLOCK脈沖使能Dout,并在輸出一個無效位后的12個脈沖接收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AT89C2051,片內(nèi)含2kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn),兼容標準MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元,同時具有低價位、封裝小等特點。復(fù)位電路設(shè)計中,選用MAX813“看門狗”芯片,采用3種復(fù)位方式,即上電復(fù)位、手動復(fù)位和軟件復(fù)位。上電后,MAX813輸出給單片機一個高電平復(fù)位脈沖,同時也可以通過手動開關(guān)進行強制復(fù)位。軟件復(fù)位主要是由“看門狗”進行控制,AT89C2051的一個I/O口輸出脈沖,由MAX813計數(shù)檢測,當軟件運行出現(xiàn)死循環(huán)時,“看門狗”發(fā)出復(fù)位信號,保證軟件的順利運行,這樣設(shè)計便于調(diào)試和處理整體運行時出現(xiàn)的問題。4、雙音多頻信號信號模型在將模擬電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號后,由中央處理器對數(shù)據(jù)進行軟件數(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)送電路進行發(fā)送。由于傳感器本身不帶有獨立的電源,所以整個裝置需要外部供電,加上數(shù)字信號的傳輸,則至少需要3根線與外界連接,同時還要考慮遠距離傳輸時信號的衰減。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,并耦合入電源線進行遠距離數(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作雙多音頻發(fā)號器,根據(jù)不同的按鍵號碼發(fā)出相應(yīng)的一組雙音多頻信號tftf)2cos2(cosHL+ππ,實現(xiàn)快于脈沖串的撥號。在電源的接入方式上,通過整流橋以實現(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后,輸入電流會出現(xiàn)小幅度的波動,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電壓提供給整個系統(tǒng)。而由HT9200A輸出的DTMF信號幅度較低,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。如圖8所示,采用一個NPN三極管作為雙音頻信號放大管,DTMF信號輸出端輸出音頻信號通過三極管放大后,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,使之不會過大,并能防止DTMF端輸出負載過重。R3、C1構(gòu)成電壓負反饋,用以改善波形。R2為三極管的發(fā)射極電阻,雙音頻信號的幅度及輸出阻抗可由R2來確定。這樣便能實現(xiàn)電源和信號的耦合,從而實現(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的傳輸都是通過同一根線進行,因此,對直流電壓的穩(wěn)壓和濾波不可明顯地降低電源的交流阻抗,否則會濾掉DTMF信號。在接收與控制部分上由專用的DTMF解碼芯片對16種DTMF信號進行解碼,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)計軟件所實現(xiàn)的任務(wù)是通過對采集進來的電壓信號處理后交由雙音頻信號發(fā)生電路進行輸出工作。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)才能對雙音頻信號進行解碼,所以我們在發(fā)送每一位數(shù)時要人為的加入40ms延時。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)計采用這種方式設(shè)計的稱重變送裝置,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;采用兩線制傳輸方式,減少了連接線路,同時由于在線上傳輸?shù)牟皇莻鹘y(tǒng)的模擬和數(shù)字信號,因此又具有傳輸距離遠,抗干擾能力強,可靠性高等特點。通過實驗設(shè)計和樣機的研制,都得到了理想的效果,總體性能指標均達到了設(shè)計要求。整個裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、性價比高等特點,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)用價值。本文的創(chuàng)新點: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)計充分考慮了大小和性價比,用最少的元器件設(shè)計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。數(shù)據(jù)在單片機中經(jīng)過數(shù)字去除干擾濾波處理后,再由兩線制接口電路實現(xiàn)遠距離傳輸。I—通過元件的電流(A);B—磁感應(yīng)強度(T);HT9200A為串行雙音多頻信號發(fā)生器,它可由指令控制產(chǎn)生16種雙音頻信號,通過DATA引腳輸入一個5bit的代碼來控制不同的DTMF