基于STM32 電梯限速器速度測量與顯示系統設計

周葉平，蘭清生，汪有韜，李婷婷，毛錦榮

（江西省檢驗檢測認證總院特種設備檢驗檢測研究院，江西南昌 330052）

電梯限速器是電梯一個非常重要的安全部件，是避免電梯轎廂（或者對重）超速運行的重要安全保障裝置，也稱為斷繩保護和超速保護裝置[1]。近年來，由電梯檢驗規則《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》（TSG T7001-2009）增加“檢驗人員現場觀察確認電梯限速器校驗的過程”的要求，可見國家相關職能部門對電梯限速器校驗工作的重視程度[2-4]。然而，當前使用的限速器校驗儀器設備的顯示裝置均采用LED 顯示屏或者TFT 彩屏，均不同程度上存在發熱量大，導致系統測試準確度降低，同時存在可視角度小，導致現場電梯限速器校驗過程中現場讀數不方便的問題。針對顯示裝置發熱量影響校驗準確度的問題，設計了一種使用OLED 屏的電梯限速器校驗系統，限速器校驗儀器設備的核心是對限速器速度的測量與顯示，限速器速度的測量主要包括速度采集、信號處理和速度顯示三方面。文中采用霍爾接近開關作為限速器轉速的采集傳感器，以STM32 作為控制核心進行數據處理，以OLED 屏作為顯示裝置，實現了限速器校驗過程中速度的采集、處理、顯示的功能[5-8]。

1 系統結構設計

電梯限速器速度測量與顯示系統由STM32F 103C8T6、HG-HL12 霍爾接近開關、0561OLED屏、電源模塊等組成[9]。系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統結構框圖

2 硬件設計

2.1 STM32單片機最小系統設計

主控制芯片采用STM32F103C8T6 單片機，主要實現定時器計時、定時器觸發、片外上升沿脈沖信號捕獲，I2C 總線數據傳輸、OLED 屏顯示功能。STM32F103C8T6芯片是一款在CorTex-M內核的基礎上擴張了高性能外設的STM32F103 系列芯片。為了提高整個系統的研發效率，縮短研發周期，借助ST 公司推出的官方固件庫函數進行系統開發。LQFP48 封裝形式的STM32F103 C8T6 單片機工作主頻最高為72 MHz，內置64 kB Flash 和20 kB RAM，包含3 個通用 定時器、1個高級定時器、2 個12 位的ADC、3 個異步通信串行口USART、2 個同步通信串行口SPI、2 個I2C 接口、37 個GPPIO 端口[10-12]。使用STM32F103C8T6 單片機的PA1（TIM2_CH2）引腳進行脈沖信號的采集，引腳I2C1_SCL（PB6）、I2C1_SDA（PB7）組合的I2C 接口與OLED 顯示屏進行通信。STM32 單片機最小系統電路設計如圖2 所示。

圖2 STM32單片機最小系統電路圖

2.2 限速器速度采集模塊設計

速度采集電路采用霍爾接近開關（型號為HGHL12)作為傳感器，其輸入電壓范圍為10～30 V，輸出級為一個集電極開路NPN 管。霍爾接近開關采用12 V 電壓供電。霍爾接近開關在沒有磁鋼靠近時，傳感器輸出+12 V，有磁鋼靠近時，傳感器輸出0 V，磁鋼吸附于限速器節圓位置處，磁鋼隨著限速器的旋轉按照一定的頻率靠近霍爾接近開關，霍爾接近開關持續輸出脈沖方波[13]。為匹配單片機STM32TTL 電平及定時器上述沿捕獲的設計，設計了2 個電阻及非門實現信號的分壓與反轉。實現信號電平匹配的電路圖如圖3 所示。

圖3 霍爾接近開關速度采集電路

2.3 OLED顯示電路設計

OLED 由于體積小、超薄、工作溫度范圍寬、功耗低等優點，得到了廣泛推廣使用，文中采用的OLED屏型號為OLED0561，分辨率為128×64，尺寸為1.3英寸，驅動IC 為SH1106，通信方式為I2C。根據數據手冊顯示，OLED 的第10、11、12 分別對應著BS0、BS1、BS2。為將通信方式設置為I2C 工作模式，須將BS0、BS1、BS2 分別設置為0、1、0。由于OLED 只作為顯示模塊，將OLED 的15（D/C#）和16（R/W#）引腳接地，直接硬件上設置為低電平，只執行寫命令指令，參照SH1106 數據手冊，結合實際使用需求設計的OLED 屏接口電路如圖4 所示[14]。

圖4 OLED屏幕顯示電路

3 電梯限速器速度測量與顯示系統軟件設計

為縮短開發項目的周期，系統軟件采用Keil4 進行開發，充分利用ST 公司推出的官方固件庫函數提高系統軟件開發效率。設計的系統軟件包括I/O 口初始化函數、時鐘初始化函數、I2C 初始化函數函數、I2C 發送一個字節函數、I2C 發送數據串函數、OLED屏開顯示初始化函數等模塊。系統在硬件初始化（I/O 口初始化函數、時鐘初始化函數、I2C 初始化函數函數）后等待限速器轉動中斷響應，如果沒有中斷發生，系統處于等待狀態，OLED 屏顯示速度為00.00 m/s。直到有限速器轉動即磁鋼有靠近霍爾接近開關的響應發生，則響應中斷函數，將中斷函數中計算得到的速度值發送至OLED 屏顯示。軟件程序圖如圖5 所示。

圖5 軟件程序圖

3.1 限速器速度采集軟件設計

以三菱電梯限速器為例，ZDGZ-200 或者DG-640 兩種型號限速器能夠覆蓋匹配額定速度0.5～4.0 m/s 的電梯，節圓直徑D為240 mm 或者320 mm，通過式（1）計算可得頻率為0.66～3.99 Hz。

由于被測信號頻率低，為提高脈沖周期計算的精度，采用計時法進行信號測量脈沖周期，通過換算可得線速度值[15]。

計時法測量原理圖如圖6 所示，圖中TC1是標準信號周期，TX1是被測信號周期，N1是被測信號周期內標準信號的計數值；在被測信號周期TX1內對內部時鐘信號進行計數，如果TX1內得到的計數值為N1，則被測信號周期為TX1=N1×TC1，限速器速度為

圖6 計時法測量原理

使用STM32 通用定時器的捕獲功能將上升沿觸發時刻的計數器計數值鎖存在“捕獲/比較寄存器”，每次捕獲都觸發中斷，并在中斷服務程序中逐一讀取“捕獲/比較寄存器”中鎖存的時刻[16-17]。定時器中斷服務函數軟件流程圖如圖7 所示。

圖7 中斷服務函數軟件流程圖

3.2 OLED顯示模塊

OLED 完成正確的上電之后，需對SH1106 進行相應的初始化方可使其正常運行。根據數據手冊中指令集及OLED 屏的初始化流程，將OLED 屏初始值都編寫到void OLED_DISPLAY_ON(void)函數中，通過I2C 發送數據串函數的方式實現OLED 屏初始值設置。英文與數字采用8×16 的ASCII 碼；中文字的顯示采用字模提取軟件生成16×16 的ASCII 碼，將生成的16×16 ASCII 碼放入數據表，在顯示函數中通過參數調用數據表，實現英文、數字與漢字的顯示。

3.3 顯示效果

SH1106 芯片內部為OLED 集成了豐富的指令集，可以在OLED實現數據顯示的同時，設置顯示時鐘頻率、顯示對比度、顯示亮度功能等。由于芯片大小限制，為獲得較好的顯示效果，只設置顯示2行14列中文字、數字與字母，OLED 屏顯示效果如圖8 所示。

圖8 OLED顯示效果圖

3.4 電梯限速器校驗準確度對比測試

為驗證采用OLED 屏的限速器校驗系統在長時間使用后，OLED 屏的發熱比TFT 屏對校驗系統準確度影響小，采用同一校驗系統（僅TFT 屏不同）與文中設計的OLED 屏限速器校驗裝置對同一限速器（額定速度1.5 m/s）進行校驗對比，同時采用瑞典SKF多功能測量轉速計（TKRT10）作為校驗準確度基準，冷開機后校驗3 次（取平均值）、連續運行6 小時后再次校驗3 次（取平均值），校驗結果記錄如表1 所示。

表1 不同顯示屏的校驗系統校驗數據對比

由表1 可知，通過對同一臺額定速度為1.5 m/s的電梯限速器進行校驗測速結果可知，OLED 屏的發熱比TFT 屏對限速器校驗系統準確度影響小，TFT屏的限速器校驗結果最大偏離值為0.11，而OLED 屏的限速器校驗結果最大偏離值為0.03。

4 結束語

通過STM32 通用定時器上升沿捕獲功能實現了限速器速度的采集，并使用STM32 對OLED 顯示模塊進行了驅動，通過OLED 屏實現了限速器速度的顯示功能。同時實驗表明，設計的OLED 屏限速器校驗系統受到顯示屏的發熱影響校驗準確度比TFT屏的影響小。