摘  要： 設(shè)計(jì)了電梯限速器測(cè)試儀。硬件電路以STC89C56RD單片機(jī)為核心，運(yùn)用旋轉(zhuǎn)編碼器動(dòng)態(tài)地跟蹤限速器的速度，記錄并在液晶顯示器上顯示動(dòng)作速度，測(cè)試完畢后用通信接口向上位計(jì)算機(jī)傳送檢測(cè)數(shù)據(jù)。軟件編程完成采集數(shù)據(jù)的計(jì)算、控制存儲(chǔ)等功能。
關(guān)鍵詞： 智能檢測(cè)；限速；程序；頻率測(cè)試 

　隨著電梯行業(yè)的快速發(fā)展，目前電梯的最快速度已達(dá)到18 m/s，因此保障電梯安全運(yùn)行成為重要的研究課題。電梯限速器是保障電梯安全運(yùn)行的重要保護(hù)裝置，它可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)、控制轎廂的上限速度。當(dāng)電梯運(yùn)行速度達(dá)到限速器超速開關(guān)動(dòng)作值時(shí)，限速器產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)作，切斷供電電路，使曳引機(jī)制動(dòng)；如果電梯制動(dòng)無效，達(dá)到其額定速度的115%時(shí)，安裝在轎廂底部的安全鉗動(dòng)作，將轎廂強(qiáng)制制停在導(dǎo)軌上，從而避免發(fā)生人員傷亡及設(shè)備損壞事故。限速器是指令發(fā)出者，而安全鉗是執(zhí)行者，兩者協(xié)同作用以確保搭乘電梯人員的安全。因此對(duì)限速器的動(dòng)作速度進(jìn)行定期測(cè)試尤為重要，它是搭乘電梯安全時(shí)最可靠最關(guān)鍵的保護(hù)措施。
受某特檢院的委托，本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了專門的硬件電路及相應(yīng)的輔助電路，結(jié)合各種控制程序的功能塊，使限速器測(cè)試儀的測(cè)量范圍廣、精度高，滿足電梯的安全運(yùn)行要求，出色地解決了降低控制成本和提高控制可靠性的矛盾。本設(shè)計(jì)既適用于質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、商檢局、電梯安裝部門等單位對(duì)電梯限速器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，同時(shí)又適用于電梯及限速器生產(chǎn)廠家的在線檢測(cè)，對(duì)限速器動(dòng)作速度的檢測(cè)具有深遠(yuǎn)的意義及應(yīng)用前景。
1 總體設(shè)計(jì)
　本設(shè)計(jì)主要是測(cè)試安全鉗的機(jī)械動(dòng)作速度，在測(cè)試過程中滑輪與安全鉗直接接觸，故滑輪與安全鉗的線速度相等，而滑輪的最大速度即為安全鉗的動(dòng)作速度。通過旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)得滑輪的線速度，通過測(cè)試旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的頻率f就可以測(cè)得限速器轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，限速器動(dòng)作的速度即為頻率的最大值。

　其中V為限速器速度，單位為m/s；f為旋轉(zhuǎn)編碼器輸出頻率，單位為Hz；n為旋轉(zhuǎn)編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)；D為滑輪直徑，單位為m。
　本設(shè)計(jì)由硬件電路和軟件編程兩部分組成。
　硬件部分主要包括單片機(jī)、輸入模塊、顯示模塊、信號(hào)采集模塊、通信模塊及電源等。通過輸入模塊可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的瀏覽、編號(hào)的設(shè)置和單位的切換以及數(shù)據(jù)的測(cè)試和保存。顯示模塊主要由LCD1602組成，主要顯示測(cè)試數(shù)據(jù)和歷史保存的數(shù)據(jù)。信號(hào)采集模塊主要完成對(duì)旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生的頻率進(jìn)行濾波和轉(zhuǎn)換。通信模塊主要是完成采集數(shù)據(jù)的上傳，使采集的數(shù)據(jù)能及時(shí)地傳入數(shù)據(jù)庫(kù)保存。
　軟件部分采用查詢和中斷相結(jié)合的方式，主要完成鍵盤輸入的設(shè)置、對(duì)采集數(shù)據(jù)的計(jì)算、控制存儲(chǔ)及與上位機(jī)通信等功能。
2 硬件設(shè)計(jì)
　本設(shè)計(jì)的硬件部分主要由旋轉(zhuǎn)編碼器，單片機(jī)、液晶顯示器、鍵盤、電源和通信接口組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　本系統(tǒng)的核心采用STC89C58RD+單片機(jī)，該MCU是STC公司生產(chǎn)的一款新型增強(qiáng)型單片機(jī)，它不僅兼容89C51單片機(jī)，還增加了許多功能，包括其內(nèi)部1 280 KB RAM，32 KB 的Flash供用戶存儲(chǔ)程序，還有16 KB 的EEPROM可以存儲(chǔ)大量的關(guān)鍵數(shù)據(jù)并且內(nèi)部還集成了看門狗復(fù)位電路[6]，可有效地克服干擾引起的死機(jī)，提高可靠性。這不僅簡(jiǎn)化了下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還降低了成本。
　為了提高采集精度，旋轉(zhuǎn)編碼器采用每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)為1 024的光電編碼器[4]。實(shí)際檢測(cè)中，滑輪的直徑為0.35 cm，因此產(chǎn)生的誤差為3.14×0.35/1 024=0.00 107 cm。液晶顯示器選擇通用的LCD1602，主要用來顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，亦可瀏覽已保存的數(shù)據(jù)。鍵盤選用最常用的按鈕，為了使得系統(tǒng)更為精巧，成本更低，總共只設(shè)計(jì)了六個(gè)按鍵，采用按鍵復(fù)用，使其具有長(zhǎng)按和短按兩種方式。通信接口采用串行的232接口[3]和USB接口相結(jié)合，方便測(cè)試完畢后向上位計(jì)算機(jī)傳送信息。電源選用可充電鋰電池，充電部分主要由LM317[5]組成的恒流源充電，提高電池的使用壽命和充電量，符合便攜式儀器體積小的要求。
2.1 濾波電路
　該部分主要為了解決輸入信號(hào)穩(wěn)定的問題，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，輸入信號(hào)為高速脈沖信號(hào)，但是該信號(hào)具有毛刺，不是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)。為了使脈沖下降沿更陡和濾除毛刺，加入施密特濾波電路完全可以解決問題。在本設(shè)計(jì)中直接接入帶有施密特觸發(fā)器的反相器74LS14，其接線圖如圖2所示，處理效果如圖3所示。

2.2 通信電路
　為了使數(shù)據(jù)能及時(shí)入庫(kù)，需要將采集的數(shù)據(jù)及時(shí)傳入計(jì)算機(jī)，在本系統(tǒng)中，采用232接口+USB接口方法，使得本測(cè)試儀更靈活更方便。尤其對(duì)于沒有COM口的計(jì)算機(jī)，更具有優(yōu)越性。在本部分中主要使用PL2303和MAX232，其中PL2303是Prolific公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART，只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn)USB信號(hào)與RS232信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其具有以下特征：完全兼容USB1.1協(xié)議；可調(diào)節(jié)的3～5 V輸出電壓，滿足3 V、3.3 V和5 V不同應(yīng)用需求；支持完整的RS232接口，可編程設(shè)置的波特率：75 b/s～6 Mb/s，并為外部串行接口提供電源；512 B可調(diào)的雙向數(shù)據(jù)緩存；支持默認(rèn)的ROM和外部EEPROM存儲(chǔ)設(shè)備配置信息，具有I2C總線接口，支持從外部Modem信號(hào)遠(yuǎn)程喚醒；支持Windows98、Windows2000、WindowsXP等操作系統(tǒng)；28引腳的SOIC封裝。應(yīng)用電路如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
　軟件設(shè)計(jì)主要完成與上位機(jī)通信、鍵盤輸入、顯示輸出和對(duì)輸入脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行采集以及計(jì)算。
3.1 串口通信程序
　在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，若要將信息上傳到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)，則采用串口中斷設(shè)計(jì)，其流程圖如圖5所示。

3.2 主程序
　主程序主要解決按鍵處理、顯示和參數(shù)的設(shè)置。在進(jìn)行按鍵處理時(shí)需注意：(1)采用軟件消抖[1]的方法，使得按鍵更加可靠。(2)區(qū)分本次按鍵是屬于長(zhǎng)按還是單點(diǎn)，最簡(jiǎn)單的方法是判斷鍵盤按下的時(shí)間，長(zhǎng)按的時(shí)間一般在2 s以上，因此2 s內(nèi)為單點(diǎn)，2 s外為長(zhǎng)按。(3)在鍵盤處理完后首先需要判斷鍵盤是否還原到初始狀態(tài)，尤其是對(duì)于長(zhǎng)按，要求有判斷鍵盤彈起的程序，否則會(huì)出現(xiàn)誤處理的現(xiàn)象。(4)按鍵處理總共涉及到了兩級(jí)菜單功能。一級(jí)菜單實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、設(shè)置單位、刪除數(shù)據(jù)等功能，二級(jí)菜單實(shí)現(xiàn)電梯編號(hào)的設(shè)置和測(cè)試以及對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存刪除等功能。其處理流程圖如圖6所示。

3.3 脈沖頻率測(cè)試及處理程序
　為節(jié)約成本，采用單片機(jī)的控制接口進(jìn)行脈沖頻率的采集，因此采集精度的高低完全取決于軟件控制。為了減少測(cè)量誤差，提高速度的動(dòng)態(tài)性能，通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)將測(cè)量周期定為10 ms，并采用脈沖同步技術(shù)[7]。對(duì)于這種高速的頻率測(cè)試，需要采用單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)數(shù)器，為了使得時(shí)間更為精準(zhǔn)，采用了單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的定時(shí)器，該部分中主要采用中斷控制，可以提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。脈沖同步主要采用計(jì)數(shù)器1中斷實(shí)現(xiàn)，將計(jì)數(shù)器的初值設(shè)置得很大，如初值為65 526，因此當(dāng)外來脈沖再來10個(gè)時(shí)，計(jì)數(shù)器1將產(chǎn)生中斷，此時(shí)正好是輸入脈沖的下降沿，也為下一個(gè)脈沖的起始位，在此時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0，就可以解決脈沖同步的問題。當(dāng)定時(shí)器0中斷到來時(shí)即為10 ms時(shí)間結(jié)束，在此時(shí)關(guān)閉計(jì)數(shù)器1，而在計(jì)數(shù)器1內(nèi)部寄存器TH1和TL1的值即為10 ms內(nèi)頻率的個(gè)數(shù)。通過相應(yīng)的計(jì)算可以計(jì)算出當(dāng)前的頻率和相應(yīng)的速度，經(jīng)過反復(fù)的測(cè)量和比較找出其最大頻率即為當(dāng)前限速器的動(dòng)作速度。其流程圖如圖7所示。

　脈沖同步技術(shù)是利用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器中斷來實(shí)現(xiàn)的，兩中斷配合程序如下所示：
　(1)計(jì)數(shù)器1中斷處理程序
　該中斷處理程序主要完成脈沖同步。將計(jì)數(shù)初值設(shè)為65 536-10=65 526，這樣當(dāng)脈沖到來時(shí)很快可以取得同步。計(jì)數(shù)器1產(chǎn)生中斷時(shí)，表示剛采集到信號(hào)的下降沿，此時(shí)需要關(guān)閉計(jì)數(shù)器1中斷，并打開定時(shí)器0，表示采集開始。為了減少指令執(zhí)行時(shí)的誤差將啟動(dòng)定時(shí)器指令放在中斷入口處。
        org 001bh
　setb tr0  ；；(一旦進(jìn)入中斷將打開定時(shí)器)
　ljmp dsq1_interupt
   　.
   　.
   　.
　dsq1_interupt：
            clr tf0
　clr tf1
　setb et0
　clr et1
　reti
　(2)定時(shí)器0中斷處理程序
　該程序主要完成測(cè)量周期的精確定時(shí)。本設(shè)計(jì)的定時(shí)時(shí)間為10 ms，晶振頻率為11.059 2 MHz，因此定時(shí)器初值x的計(jì)算公式為[1]：
　
　由式(2)可得定時(shí)器初值為x=65 536-9 126=56 320。
　為了提高采集頻率的精度，減少指令執(zhí)行帶來的誤差，將關(guān)閉計(jì)數(shù)器1的指令放在中斷入口處。在定時(shí)器中斷處理程序中主要完成對(duì)當(dāng)前速度的采集和下一次采集的初始化，主要是定時(shí)器0和計(jì)數(shù)器1的初始化。處理程序如下：
　org 000bh
　clr tr1   ；；(關(guān)閉計(jì)數(shù)器1)
　clr tf0
　ljmp dsq0_interupt ；； 進(jìn)入中斷處理程序
       .
       .

       .
4 采集精度測(cè)試和頻率采集效果
　為了驗(yàn)證單片測(cè)試速度精度和脈沖同步技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，將采集信號(hào)端接標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)發(fā)生器，從單片機(jī)讀取速度，由于采用10 ms間隔，所以f=100×(TH1×256+TL1)(Hz)，通過式(1)可以得出相應(yīng)的速度。其測(cè)試效果如圖8所示，其中曲線1表示沒有加脈沖同步技術(shù)的誤差曲線，曲線2表示加了脈沖同步技術(shù)的誤差曲線。

　從上面的測(cè)試結(jié)果可以清楚地看到，沒有加脈沖同步技術(shù)的測(cè)試儀產(chǎn)生的誤差比較大，而且上下波動(dòng)也大，最大絕對(duì)誤差達(dá)到了0.065 m/s，不滿足精度要求，而且測(cè)試中速度跳動(dòng)很大，不穩(wěn)定。而具有脈沖同步技術(shù)的測(cè)試儀比較穩(wěn)定，尤其是對(duì)于低頻率段誤差基本上為0，對(duì)于高頻率段誤差基本上在0.01 m/s，這完全可以滿足采集要求，而且測(cè)量速度波動(dòng)小，很穩(wěn)定。
　該限速器測(cè)試儀主要用于檢測(cè)電梯限速器輪盤線速度，即限速器動(dòng)作速度。不僅適用于質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局、商檢局、電梯安裝部門等單位對(duì)電梯限速器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，也適用于電梯及限速器生產(chǎn)廠家的在線檢測(cè)[2]?，F(xiàn)此儀器已應(yīng)用于實(shí)際中，供電方便(內(nèi)置9 V電池)、測(cè)量范圍廣、精確度高(測(cè)量范圍：0.5~12 m/s，準(zhǔn)確度：﹤±0.5%)，基本上滿足現(xiàn)代電梯的要求；能實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，最多可以記錄1 000條記錄，足夠應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量；具有RS232接口，能上傳數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)，方便數(shù)據(jù)的處理。
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