基于壓力傳感器的電梯節(jié)能檢測模塊設(shè)計與仿真

李杰++劉鋮浩++張晏熙++和昊婷

摘要：隨著近年來時代的發(fā)展，高層逐漸增加，為了滿足人員和貨物的組織上下，電梯也越來越廣泛的被運用到生活中，但是電梯經(jīng)常會發(fā)生空運行或者所停樓層外并沒有人的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象會大大增加電梯的耗能情況，我們決定通過電梯與外部壓力傳感器的結(jié)合來規(guī)避這些問題，使得電梯有了自己的“眼睛”和“大腦”，智能的判斷，從而提高電梯使用壽命，降低電梯耗能，實現(xiàn)節(jié)能的最終目標。

關(guān)鍵詞：壓力傳感器；電梯節(jié)能；電梯設(shè)計；電梯仿真

隨著國民經(jīng)濟的迅速增長，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴大，社會進步和生產(chǎn)力發(fā)展，電梯在現(xiàn)代生活中被廣泛應(yīng)用，電梯的生產(chǎn)量年均漲幅超過20%，如今，電梯已成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚囊徊糠郑袊娞莸谋Ｓ辛恳淹黄?00萬臺。在對酒店，寫字樓等的用電情況調(diào)查中，電梯的用電量僅次于空調(diào)用電量，遠高于照明，供水等的用電量據(jù)。《電梯節(jié)能監(jiān)測》顯示，北京在2015年電梯耗電量約為26.3億度電，約為7.89億噸煤，至少會排放21億噸的二氧化碳。

但是，如今的電梯行業(yè)已經(jīng)到了轉(zhuǎn)型期，急需給電梯技術(shù)革新。

中國電梯協(xié)會提供的信息顯示，當前我國的電梯產(chǎn)量和電梯保有量已成世界第一。社會對電梯的使用關(guān)注度也在不斷提升，電梯巨大的能耗已經(jīng)引起社會和政府部門的密切關(guān)注，節(jié)能降耗成為社會關(guān)注的熱點，在資源環(huán)境問題的日益突出的現(xiàn)實情況下，節(jié)能顯得尤為必要，所以電梯在節(jié)能降耗方面的技術(shù)應(yīng)用也在不斷創(chuàng)新、提升。客戶在選擇電梯的時候，不僅考慮電梯的安全性和舒適性，而且逐漸關(guān)注所選電梯的能耗情況。

一、壓力傳感器

隨著微電子技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，壓力參數(shù)的檢測、報警與控制，已深入到國民經(jīng)濟和人們生活的各個領(lǐng)域。自動化程度越高，需要檢測的壓力就越多，在各種工業(yè)過程控制中，壓力是生產(chǎn)中的重要參數(shù)之一，為了保證生產(chǎn)正常運行，必須對壓力進行檢測和控制。

壓力測量系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)字存儲、溫度補償處理、數(shù)字通信等功能，能夠精確的測出壓力。設(shè)計中的硬件電路主要分為五個部分：一是輸入部分主要 是將被測壓力物理量轉(zhuǎn)換成電信號，主要是利用惠斯登電橋的工作原理采集壓力信號。二是A/D轉(zhuǎn)換部分主要是利用外圍AD7190轉(zhuǎn)換器進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。三是MSP430F5310微處理器部分的電路，包括時序控制和運算。四是下位機通訊部分，實現(xiàn)與PC機的數(shù)字通訊。五是電源管理部分，主要實現(xiàn)±5V模擬電源電壓和±3.3V 數(shù)字電源電壓的輸出。軟件包括兩個部分：一是采用C語言的模塊化設(shè)計方式，完成任務(wù)的激活、查詢、執(zhí)行，觸發(fā)中斷和數(shù)據(jù)通訊等工作。二是用VB語言實現(xiàn)了上位機數(shù)據(jù)顯示和保存等功能。

的基于壓力傳感的電梯節(jié)能檢測模塊主要是通過對電梯外人員質(zhì)量信息的采集進行實時監(jiān)測，從而控制信息判斷機制中單片機的運行進而達到防止電梯“空運行”造成高能耗的目的。通過查找文獻資料，我們了解到壓阻式壓力傳感器的靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變式壓力傳感器的靈敏度系數(shù)要大 50～100 倍。有時壓阻式壓力傳感器的輸出不需要放大器就可直接進行測量。所以，我們小組決定使用此種壓力傳感器進行課題研究。

二、電梯節(jié)能

電梯每停一次，減速、開門、關(guān)門、加速一般需要7秒鐘；對于運行速度2M/S的電梯，7秒鐘可以運行將近5層樓；不必要的減速、加速不僅大大增加了能耗，而且機械磨損也比正常運行要大很多，同時，頻繁開關(guān)門也使門的磨損大大增加。因此，電梯節(jié)能增效、減少磨損最有效的辦法就是減少電梯不必要的停層。

同樣，有這樣的一組計算。一部載重750千克的電梯每小時的耗電量在15-22度，相當于每5分鐘就用掉一度電，按照每度電0.52元計算，每部電梯每天在20層的建筑中連續(xù)不停運行10個小時，要消耗大約150-220度電，相當于一個月一部普通電梯用電3萬余元，一年36萬余元。如果可以每天減少1～2個小時的使用量，一年可節(jié)省近10萬元。

據(jù)了解，福州市的電梯保有量已達到12000多部，電梯的電機功率從11KW-30KW不等。這些電梯一半時間電機處于拖動用電狀態(tài)，另一半屬于發(fā)電狀態(tài)，每臺電梯每天用電量從50度-150度不等。以每臺電梯平均每小時用電量為8度，每天開10個小時來計算，福州電梯一天要用電96萬度，一年要用掉3.5億度電，幾乎是福州市十天的發(fā)電量。

其實，只要每天減少不必要的乘坐，或者一天減少一小時的運行時間，一年將可以節(jié)約3500萬度電。如果按每千瓦時0.5元的電價計費，就是1750萬元人民幣。

三、電梯的設(shè)計

（一）實時監(jiān)測機制

通過在電梯門前的等候區(qū)的地板下安裝壓力傳感器，以此來實時監(jiān)測是否有人等候電梯

（二）信息判斷機制

通過信息中心的分析判斷，并通過單片機控制電機的運行，以此來控制電梯是否停止開門。現(xiàn)通過三層雙電梯模型模擬來說明情況判斷：

1.當兩臺電梯同時停在三層時，模擬有人按下了二樓向下的按鈕（在電梯外放砝碼即可），此時二樓外的壓力傳感器和三樓電梯內(nèi)的壓力傳感器會測出總的質(zhì)量（m總），若m總max則下來兩臺電梯。

2.當兩臺電梯都在三樓下行過程中，此時模擬有人按下二樓下行的兩個按鈕（向電梯外放砝碼），壓力傳感先會測試最近的電梯與二樓外面的總質(zhì)量（m總），若m總max，并且稍遠的電梯沒有超載，則兩臺電梯都在二樓停下。

3.當兩臺電梯運行方向相反時，優(yōu)先和電梯外的人所要去的方向一致的電梯進行判斷，若m總

（三）實時控制機制

通過判斷以上情況，之后單片機控制電機運行，來實現(xiàn)最終目標的實現(xiàn)。

四、電梯仿真及測試運行

（一）運用步進電機搭建簡易的電梯模型

采用二相四線電機進行電梯模擬，采用角鋼搭建出簡易的三層電梯模型。

原理：通過stm32單片機的程序控制步進電機的轉(zhuǎn)動時間，編寫代碼實現(xiàn)我們的要求。

（二）壓力傳感器的信息采集

將壓力傳感器與單片機相連接，實現(xiàn)對收集的重力數(shù)據(jù)進行收集與處理。

i. 原理：

編寫單片機的代碼，能夠?qū)?shù)據(jù)進行處理，并進行分析，判斷出為哪一種情況，最后輸出正確的指令。將輸出指令與步進電機結(jié)合，使得步進電機能夠按照要求進行運作。

步進電機控制器與單片機連接如下圖

參考文獻

[1]《電梯制造與安裝安全規(guī)范》GB10058-2009附錄

[2]《基于單片機的數(shù)字式壓力測量儀的研究》——作者：王妮（2013）