電梯承運質量測試儀器的研究與設計

吳迪 張志佳

【關鍵詞】數字模擬電路;加速度傳感器;安卓電容觸摸屏

近年來我國電梯產業迅速發展，已經成為電梯大國，無論從電梯制造的數量上還是電梯保有量上都在世界上處于領先地位，中國的經濟正在高速發展，為了提高國民的生活質量，國家大力開展基礎設施建設，加速推進農村城鎮化建設，中國漸漸成為電梯保有量最大的國家。2000年以來，我國電梯的保有量保持高速增長，到2015年年增長速度已經超過20%，我國電梯總產量超過76萬，同比增長7.3%，電梯產量占全球電梯產量的一半以上。但是，我國電梯人均保有量仍然只占世界平均水平的三分之一，相比于發達國家仍然有較大差距，中國市場電梯需求量遠遠沒有被滿足，我國的電梯市場存在巨大潛力[2]。由此可見，隨著未來城鎮化建設、無障礙設施、地鐵和商場的發展，人們對電梯的需求會越來越多。電梯給人們帶來了極大的便利，人們越來越依賴電梯，可電梯事故卻時有發生，既給人們在使用電梯時帶來不安，更有甚者會危害人們的生命財產安全。通過對大量電梯事故進行分析，電梯的事故原因主要有部分電梯公司的零部件不合格、電梯安裝技術人員不專業、電梯維護保養不到位、電梯乘客對電梯進行惡意損壞，這些原因都會使電梯運行不正常，如果使用電梯運行質量監測系統檢查出電梯的安全問題將大大降低電梯事故的發生率[3][4]。基于此，本文設計了一套獨立于電梯本體的第三方電梯測試設備儀器。

一、系統整體設計

本系統主要由四部分組成。分別為傳感器部分，采用的3軸加速度傳感器，其響應頻率為0～20Hz，可以很好地測量低頻信號;硬件接口電路設計，其中核心控制器采用SMT32F103作為信號采集及數據處理、傳輸單元;安卓開發板主要用來做界面顯示及對于采集的數據進行算法分析，得出電梯運行的測試結果;電池采用12V鋰電池，其容量達到16000mAh，可滿足現場多日無充電情況下的使用需求。

二、硬件電路設計

（一）數據傳輸模塊設計

數據傳輸模塊包含程序的讀取接口、用于無線連接的Wi-Fi電路或藍牙電路、供電模塊、系統狀態指示燈電路、供電模塊以及協調各功能的中央處理器。基于以上功能，若選擇先用處理系統則會出現系統功能欠缺或冗余，無法適配情況。因此，根據以上功能自主設計電路以滿足功能需求。

（二） 微控制器模塊設計

本模塊采用STM32F103作為核心控制器[5]，主要負責采集傳感器數據，根據傳感器的數字輸出形式，自定義類SPI時序，同步采集3軸的數據。然后將數據格式轉換經由無線傳感器Wi-Fi或藍牙傳輸給其他移動設備。其中MCU[6]的UART3負責把采集的傳感器數據回傳給安卓開發板。另外還有一些外圍控制功能，例如打印機的電源控制、蜂鳴器控制[7]。

（三）打印機電源控制電路設計

由于打印機的電源功耗比較大，對于移動設備而言，一直供電就會很快消耗掉電池的電量，因此需要對打印機進行精細化管理，在需要打印的情況下再開啟打印機的電源。由于打印機的電流相對較大，故本設計選用場效應管IRLB3036作為開關電源，最大承受電流可達10A以上。

（四）電源電路設計

電源電路的穩壓采用的是LD1117A穩壓器和德州儀器的LM5007芯片，電源電路的拓撲結構采用Buck形式。LM5007采用滯后的固定頻率的控制方法，可以提供相當好的穩壓效果，并且具有輸出端電容量小和沒有環路補償的特點。LM5007是一個寬范圍的電源轉換芯片，可以接受9V～75V（最大80V）的電源輸入。LM5007內部集成有自舉二極管和能夠承受高壓的N溝道的MOSFET開關，可以大大地減少電路板的布線壓力。

三、軟件分析與流程

（一）軟件設計原理及流程圖

軟件主要由移動端與儀器操作端兩部分界面組成。儀器操作端為人機觸控界面;當使用移動終端操作時，測試儀的界面應隨操作自動更新人機界面，達到與移動終端同步顯示的效果。

測試儀操作界面和移動終端操作界面的設計風格應當保持一致，界面設計簡潔、美觀、規范，移動終端軟件能自適應不同屏幕分辨率的手機和平板。

（二） 顯示測試界面

本設計的界面由安卓系統的GUI庫設計而來，主要顯示3軸加速值及經過ISO算法濾波后的值。電梯相關人員可以直接根據這個界面判斷電梯運行的效果以及判斷是否有安全故障等隱患。

四、結論

電梯震動檢測儀器一直以來為歐美進口產品壟斷，價格高昂。本設計主要研究電梯震動測試儀器的設計與實現。

硬件方面，為了解決電梯震動檢測的問題，采用MSV3100A傳感器來解決信號傳輸與藍牙連接管理等問題，采用根據功能需求自主設計電路板實現相關功能方案。數據處理分析模塊采用DMT80480T070_32WTR安卓開發板為基礎開發相關軟件功能。

軟件方面，界面具備標題定義、數據分析、數據傳輸等功能;系統可利用頻域算法、時域分析算法對信號進行分析處理。同時系統可定義相關數據表格，外接打印機直接輸出數據。

本文所研制的電梯、扶梯震動測試儀經過試驗以及產品測試，在精度和準確性上能夠達到檢測要求，在處理速度上滿足檢測速度要求[8]。