基于单片机的电梯轿厢振动检测毕业设计.docx
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基于单片机的电梯轿厢振动检测毕业设计
摘要
本文主要研究基于单片机的电梯轿厢振动检测。
旨在通过单片机和传感器对运行中的电梯轿厢进行振动检测，得出轿厢振动的具体波形，为电梯振动的原因分析提供具体依据，也为消除电梯振动对人体的危害提供帮助。
通过研究发现了电梯的不规则振动超过一定程度会对人体产生危害，而且通过波形分析也得出电梯振动的一些规律。
文中首先介绍了单片机功能特点，分析了单片机和传感器在电梯检测中的重要作用。
然后对电梯轿厢振动的各种原因进行了综合分析，同时也提供了一些电梯振动的消除方法。
其次主要是针对电梯水平振动的检测及仿真，通过单片机和传感器将电梯轿厢的振动量传递到上位机，从而得到电梯振动的波形并进行详细分析。
最后，调试结果表明，该系统实时性较好，运行稳定可靠，而且具有体积小，低功耗和使用方便等优点，是一种较为理想的电梯轿厢振动检测系统。
关键字：
单片机；电梯；振动检测
Abstract
ThispapermainlystudiesthevibrationtestingofelevatorcarbasedontheSCM.Microcontrollerandthesensoraredesignedtodetectthevibrationontherunningelevatorcar,thespecificwaveformofelevatorvibrationobtained,toprovidethespecificbasisforanalysisofthecauses,alsotoprovidehelpforeliminatingthehazardstohuman.Theexperimentfoundthattheirregularvibrationoftheelevatorwillharmthehumanbodyifitexceedsacertainlevel,andsomelawofvibrationoftheelevatorobtainedbywaveformanalysis.ThisarticledescribesthefeaturesoftheSCM,andanalyzestheimportantroleofmicrocontrollerandsensorintheelevatorvibrationdetection,alsocomprehensiveanalyzesvariousreasonsforthevibrationoftheelevatorcartoprovidesomeeliminatingmethods.Thisexperimentismainlyforthehorizontalvibrationoftheelevatorinspectionandsimulation,andtheamplitudeandfrequencyofelevatorvibrationispassedtoPCthroughthemicrocontrollersensortogettheelevatorvibrationwaveformandtocarryonthedetailedanalysis.Atlast,thetestresultshowsthatthesystemhasreal-timebetter,stableandreliableoperation,butalsosmallinsize,powerconsumptionprovinces,theadvantagesofconvenience,itisanidealelevatorcarvibrationdetectionsystem.
Keywords:
SCM;levator;vibrationtesting
第一章绪论
1.1课题的发展现状
随着全球经济的快速发展和科技的突飞猛进，特别是在我国改革开放以来，越来越多的现代化都市规划者把目光均投向了高层或超高层建筑，而高层或超高层建筑的运输与消防要求，必须用高速或超高速电梯才能满足，因此高层或超高层建筑在大量涌现的同时也使高速或超高速电梯的数量不断增多，从而使电梯在人们日常生活中所起的重要作用日益明显。
但是，由于电梯轿厢在狭小的电梯井道内运行，随着电梯升降速度的不断提高，必将带来一系列空气动力学问题，其中包括气动噪声、电梯轿厢的振动、乘客的安全性和舒适性等一系列问题。
所以保证电梯安全、稳定、高效的运行，越来越多地引起了人们的关注。
然而长期以来经常发生的情况是：
1）电梯出现人体敏感振动或运行速度不匀等故障时，维修人员难以及时赶到故障电梯的现场；
2）维修人员不能及时地获得电梯日常运行的振动记录和检测资料，不仅不能避免人们乘坐带有安全隐患的电梯，而且同时还增加了分析与排除故障的难度，大大延长了维修的时间；
电梯轿厢振动检测系统正是基于以上种种原因而出现的。
电梯轿厢振动检测系统是当今电梯控制领域的必要技术；是电梯的管理、维护和确保电梯安全运行的需要；是及时发现故障，并进行分析和排除的必要手段。
目前，国外各大电梯公司如日本的三菱、美国的奥的斯、瑞士的迅达、芬兰的通力、德国的蒂森等都有不同水平的且与自己电梯系统配套的电梯轿厢振动检测系统。
所以，与这些有着较长电梯发展史的国家相比，目前我们国家的电梯市场还处在发展阶段，还有较长的路要走，引进先进技术、开发新产品、安装高速高档电梯的同时，还应重视和加强对电梯的规范化管理，尤其是日常的维护维修和改造方面还有许多工作要做。
对于电梯轿厢振动检测系统，国内与国外有着不同的侧重点，但却有一个共同的目标是：
人们乘坐高效的电梯既安全稳定又舒适可靠。
此外，国外电梯轿厢振动检测系统产品样本中很多都有类似“可在同一个屏幕上同时检测n台电梯的轿厢振动情况”这样的技术指标，这是与他们重视群控功能分不开的。
同时检测群组运行中的几台电梯，可以更直观地了解到群组中各电梯运行的健康状况，以便及时调整群组电梯的分配原则，消除安全隐患的同时，提高了群组电梯的运行效率。
1.2课题的提出及研究意义
现代社会中，电梯已成为不可缺少的运输设备。
电梯是势能负载，使用过程中启动、制动频繁，负荷变化较大，行驶方向也不断变化。
因此，为了保证电梯安全、可靠、高效地运行，要求电梯在各种负荷下都具有良好的调速性、稳定性以及控制性等。
单片机以其体积小、功能强、处理速度快、功耗低、价格便宜等特点在电梯领域已经得到了广泛的应用。
目前，单片机不仅在电梯自动控制和远程监控方面发挥着重要的作用，而且在新型智能电梯语音系统方面中也有其一技之长。
随着电梯的发展，在提升电梯升降速度的同时，满足乘客的舒适感越来越重要，所以，单片机在电梯轿厢振动检测方面有着广阔的发展空间。
目前，国内外电梯轿厢振动检测的方式通常有以下两种：
一是使用专门的电梯轿厢振动检测仪器定时地对电梯进行现场检测并做好详细记录，然后综合多次检测结果进行分析，最后得出结论。
但是这种方式不仅浪费人力物力，而且也不能及时有效的消除电梯可能给人们带来的安全隐患。
二是基于单片机及串口通信标准，专门铺设线路，由有关人员通过设在电梯维护服务中心的计算机对分布在各处的电梯集中远程振动检测控制。
这种方式在节省人力物力的同时也使电梯轿厢振动检测实时高效。
本课题主要着眼于后者即运用单片机技术和加速度传感器技术，再通过串口通信技术，将实时采集到的电梯轿厢振动情况经过特殊处理后传送至电梯维护服务中心的计算机中以波形的方式实时显示出来，从而可以为电梯在运行过程中故障的发现、分析和排除提供适时、方便和形象的解决方案。
1.3本文的内容结构
本文首先主要是根据对电梯轿厢振动的数学分析，提出了课题的总体设计；然后着重介绍系统硬件电路的设计，元器件参数的确定；其次详细讲述软件编程的总体设计思想及模块流程图，并仿真测试；紧接着侧重论述电路板调试过程中遇到的主要问题与解决方法；最后给出本课题的总结与展望。
第二章总体设计
2.1振动分析
一、建立振动模型
随着电梯速度的提升，导轨产生的振动不断加剧，而导轨又是产生轿厢振动的主要原因之一，因此，下面主要就电梯导轨对轿厢振动的影响来分析和研究。
电梯载客部分主要是轿厢，轿厢由轿架和轿厢体组成。
电梯轿厢简化结构如下图2－1所示：
图2－1电梯轿厢简化结构图
可以看出，在轿厢体和轿架之间嵌有垫块，用于固定轿厢体防止振动。
导轮或导靴则安装在轿架的上下两侧，与导轨一起组成轿厢的导向件，同时也可以减少水平振动和抑制由偏载引起的轿厢倾斜，导轨则固定在墙壁上。
一般来说，导致电梯轿厢水平振动的因素有导轨交接处的突起、导轨表面的高低不平、导轨的弯曲以及导轮自身的缺陷等。
因此制造平直的导轨以及安装导轨时尽量使两根导轨对直，这将大大减少轿厢的水平振动。
不过，缺点是这会提高安装和制造成本。
另一种可以取代的方法是用控制手段来抑制轿厢的水平振动，这种方法不仅可以节省成本，而且还方便控制调整。
下面就这种方法展开数学分析：
轿厢沿着导轨运行时，如果只考虑轿厢的水平振动，则建立电梯轿厢受力分析数学模型如下图2－2所示：
图2－2轿厢水平运动模型
图中，
为轿厢质量；
为摆动的转动惯量；
为导靴系统的刚度；
为导靴系统的阻尼；
为轿厢的水平位移；
为导靴1的水平位移；
为导靴2的水平位移；
为导靴3的水平位移；
为导靴4的水平位移；
为轿厢摆动的角位移；
为滚轮1与滚轮3到质心的垂直距离；
为滚轮2与滚轮4到质心的垂直距离；
为轿厢运行速度（假设电梯上行）。
其振动微分方程可表示如下：
（1）
（2）
若只研究图2－2中轿厢右侧导轨激励对轿厢水平振动的影响，可假设图2－2中电梯轿厢其左侧导轨是理想的导轨，即
。
并且假设
（L为轿厢上下导靴的距离），则振动微分方程可简化为：
（3）
（4）
求得系统的2个固有频率
（5）
（6）
式（3）描述了轿厢质心对导轨激励的响应，式（4）描述了轿厢在导轨的激励下绕质心的摆动，求解两式得到位于轿厢底部位置的水平振动加速度a为：
（7）
若电梯以速度v匀速上行，则有
（8）
（9）
二、振动的仿真分析
已知电梯运行时影响轿厢水平振动的因素主要有导轨工作面的表面粗糙度与直线度、导轨安装后的偏差等。
导轨工作面的表面粗糙度反映的是工作面的微观不平，对轿厢振动的影响较小；导轨直线度反映的是工作面的宏观不平，对电梯的运行平稳性影响较大。
导轨安装后对工作面垂直度与工作面之间的距离均有特殊要求，若发生较大偏差，对轿厢振动的影响更大。
从直线度中提取的特征参数，如接头处的台阶，未对准度和弯曲反映的都是导轨的宏观不平，它们都可以看作是轿厢振动的振动源。
轿厢产生振动可以看成是所有这些振动源共同作用的结果。
通过LABVIEW虚拟仪器进行计算机仿真，得到水平振动加速度随时间变化曲线如下图2－3所示：
图2－3水平振动加速度随时间变化曲线
同时，通过LABVIEW仿真，得到水平振动加速度随频率变化曲线如下图2－4所示：
图2－4水平振动加速度随频率变化曲线
所以，在检测振动时，应合理选择检测参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对振动的敏感程度在很大的频率范围内是由振动速度来决定的。
2.2系统整体设计
通过对电梯轿厢振动的数学分析，并参考GB/T10058—1997电梯技术条件规定，乘客电梯启动加速度和制动减速度最大值均不应大于
，平稳运行时轿厢垂直方向和水平方向的振动加速度分别不应大于
和
，得知电梯加速度测量的上限达到
的数量级，而对于
数量级的振动信号测量，则希望分辨力能达到
级别，因此检测系统的动态范围要求达到60dB。
综上而知，振动检测系统整体框图设计如下图2－5所示：
图2－5系统整体框图
此外，由于人体对振动的敏感频率仅限于低频段，所以，电梯轿厢振动检测系统也应该具有较好的低频特性。
基于单片机的电梯轿厢振动检测系统，其主要工作就是在电梯运行中通过多个振动传感器把电梯轿厢各个方向上的大量振动数据实时可靠的记录下来，然后把记录下来的振动数据送入ADC0809数据采集系统进行特殊转换处理，将带有干扰的模拟信号经过滤波等干扰消除过程转换成单片机易于接受的数字信号，之后传送给AT89S52单片机再经过进一步的特殊处理，一方面将接受来的数字信号转换成数码管接受的显示段码显示出来；另一方面将接受来的振动数字信号处理成为PC机能够接受的振动信号，然后通过MAX232电平转换使单片机与PC机的串行口电平匹配，把处理后的振动数据送入PC机。
PC机接受单片机传送来的振动数据后再以波形的方式显示出来以便分析振动变化情况，从而得出电梯轿厢振动各个方向上的参数变化趋势，以便设计人员做出相应的对策来消减电梯轿厢的振动。
2.3本章小结
本章首先介绍了电梯轿厢的组成结构，并对电梯轿厢进行了受力数学分析，然后根据分析所得的结论，通过虚拟仪器进行了振动仿真，最后，提出了电梯轿厢振动检测系统的总体设计方案。
本章主要是通过对振动分析，在整体上来把握电梯轿厢振动检测系统的设计方案，为下面第二章着重介绍系统硬件电路的设计提供明确的方向。
第三章硬件设计
通过上一章节对系统总体设计方案的介绍可知：
电梯轿厢振动检测系统的硬件电路是以单片机为核心，由振动信号检测模块、A/D转换模块，显示模块及串口通信模块四部分组成。
因此，本章节主要是针对以上各模块进行硬件电路设计。
3.1单片机模块
该模块使用的单片机是美国Atmel公司的AT89S52单片机，该型号单片机功能强大，价格低廉，可以灵活应用于各种控制领域。
AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机，它在单一芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM和片内ROM以及其他一些功能部件。
AT89S52单片机的基本组成如下图3－1所示：
图3－1AT89S52单片机的基本组成
●中央处理器CPU：
单片机的核心部件，用于产生各种控制信号，完成对数据的算术逻辑运算和传送；
●内部数据存储器RAM：
用于存放可以读/写的数据；
●内部程序存储器ROM：
用于存放程序指令或某些常数表格；
●4个8位的并行I/O接口P0、P1、P2和P3：
每个口都可以用作输入或者输出；
●3个定时器/计数器：
用来作外部事件计数器，也可以用来定时；
●内部中断系统：
具有8个中断源、2个优先级的嵌套中断结构，可实现二级中断服务程序嵌套，每一个中断源都可以用软件程序规定为高优先级中断或低优先级中断；
●一个串行接口电路：
可以用于异步接收发送器；
●内部时钟电路：
振荡频率可以高达40MHz，但是晶体和微调电容需要外接；
单片机AT89S52提供以下标准功能：
4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位的定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
下面对单片机模块设计时所用到的引脚作下说明：
RST（9脚）：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
EA/Vpp（31脚）：
外部访问允许。
欲使单片机CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H~FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）状态。
需要注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
当EA为高电平即接Vcc端时，CPU则执行内部程序存储器中的指令。
当F1ash存储器进行编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
XTAL2（18脚）：
接外部晶振和微调电容的一端。
在AT89S52片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。
若采用外部时钟电路，则该引脚须悬空。
XTAL1（19脚）：
接外部晶振和微调电容的另一端。
在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。
在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。
单片机模块电路连接图如下图3－2所示。
该电路由5V电源给单片机供电，该芯片的P0.0~P0.7用作A/D转换模块的输出端口，由于ADC0809输出的是高电平，所以在程序初始化后，P0.0~P0.7为低电平。
P1.0~P1.7用作四位数码管的显示段码输入端口，P2.0~P2.3用作动态显示的选位端口，P3.0~P3.1用作串口通信的接收和发送端口，P3.2和P3.3分别用来控制ADC0809的A/D转换结束信号和地址锁存允许信号，由于二者均为高电平有效，所以在程序初始化后，P3.2和P3.3均为低电平。
图3－2单片机模块电路连接图
由上图可知，该模块采用的是内部方式时钟电路。
AT89S52单片机要形成时钟信号，必须外接相关元件。
所以用外接11.0592MHz晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，从而可以形成稳定的自激振荡器，然后将其接在反馈回路中。
当振荡频率在6~12MHz时，通常使电容C1和C2的值选择为30pF来进行微调。
内部方式时钟电路连接图如下图3－3所示：
图3－3内部方式时钟电路
AT89S52单片机同其他微处理器一样，在启动时需要复位，使CPU和系统的各个部件处于一种确定的初始状态。
复位信号从RST引脚输入且高电平有效，其有效电平应维持至少2个机器周期。
该模块采用的是按键手动复位方式，复位电路如下图3－4所示。
单片机的复位是通过电容充电来实现的。
只要电源VCC的电压上升时间不超过1ms且通过在VCC与RST之间加一个22uF的电容C3，RST与GND之间加一个1k的电阻R1，在按下复位按钮后电容C3通过R2放电，同时电源VCC通过R1和R2分压，而R1要比R2大许多，所以大部分电压降落在R1上，使RST端得到一个高电平从而导致单片机复位。
图时钟电路
图3－4按键手动复位电路
一个实际单片机应用系统能否正常工作，首先要检查能否产生正确的复位信号。
复位以后，单片机内部各寄存器的状态如下表3－1所示：
表3－1单片机内部各寄存器复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0～P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
3.2振动信号检测模块
该模块所选MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，提供4个量程可选，并且因其小巧轻便，将其安装在电梯轿厢中实时检测电梯运行中的轿厢振动状况，从而可以提高电梯的安全性能。
MMA7260QT内部结构如下图3－5所示。
gn-Select1和gn-Select2为量程选择控制，SleepMode为休眠模式控制，当其为高电平时MMA7260QT正常工作，低电平时休眠。
Xout、Yout、Zout分别为X、Y、Z三个方向的模拟输出，并且该芯片采用5V直流电作为其工作电压，所以Vss为5V供电源的正极，在5V的工作电压下，当检测到有振动信号时输出电压为3.78V，输出端经NPN型三极管将电流放大后与ADC0809的IN0连接。
三轴加速度传感器是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，本设计是基于单片机技术将MMA7260QT应用在电梯轿厢振动检测方面。
图3－5MMA7260QT内部结构
振动信号检测模块的电路连接图如下图3－6所示。
该电路在接通电源之后，工作指示灯亮说明电路正常工作，休眠控制引脚SleepMode接单片机P3.7，当P3.7为高电平时，MMA7260QT加速度传感器开始工作，低电平时则休眠。
gn-Select1、gn-Select2分别去接单片机P2.4、P2.5来控制测量范围和重量灵敏度的档位选择。
并且该电路采用RT9161来进行电压选择控制，能够对电梯轿厢的振动进行检测，根据振动强度输出不同的电压值来表示振动的变化情况。
图3－6振动信号检测电路
3.3模/数转换模块
电梯轿厢的振动量由振动传感器测量得到之后还需经过数据采集处理系统转换成单片机可以接受的数字信号，而ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，其转换时间为100us左右。
因此本设计选择使用ADC0809来转换振动传感器测量所得的轿厢振动信号。
A/D转换器的结构框图如下图3－7所示：
图3－7A/D转换器的结构
ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面对此模块所用到
的引脚简单说明：
IN0~IN7：
8路模拟量输入端。
OUT1~OUT8：
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC：
3位地址输入线，选通8路模拟输入中的一路。
ALE：
地址锁存允许信号，输入高电平有效。
START：
A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。
EOC：
A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。
OE：
数据输出允许信号，输入，高电平有效。
当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。
CLK：
时钟脉冲输入端。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压。
Vcc：
电源，单一+5V。
GND：
地。
ADC0809与单片机连接如图3－8所示：
图3－8ADC0809与单片机连接
此模块选择的是ADC0809的通道0，数据输出口连接单片机的P0口，时钟脉冲由单片机P3.3来产生，同时地址锁存允许信号也由P3.3控制，当有振动信号输入时，P3.3为高电平，使得ALE=1，从而将地址存入地址锁存器中，A/D转换启动脉冲输入端连接P3.0，P3.0输出脉冲的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示转换结束。
数据输出允许信号OE连接单片机P3.1，E0C=1可用作中断申请，当P3.1输出高电平时，ADC0809的输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上传送给单片机进行处理。
3.4显示模块
该模块采用的是四位数码管动态显示，即一位一位地轮流点亮各位显示器，对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。
在
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