论文总字数：30484字

摘 要

曳引式电梯作为一种使用广泛的特种公共设备，它的普及便利了人们的生活。但是由于涉及安全等因素，对于电梯的定期状态检测有着防患于未然的重要作用。曳引式升降电梯的状态检测涉及多个状态参量，其中加速度、速度以及震动是重要的检测指标。本文设计了一种基于STM32嵌入式检测装置，用于检测电梯运行的加速度、速度以及震动信息。

通过传感器对比选型，使用飞思卡尔公司生产的三轴加速度传感器MMA8451Q获取电梯厢的加速度信息，该传感器作为一款数字加速度传感器，可直接通过I2C总线读取测量结果。通过对比串口传输、无线WIFI传输、蓝牙传输的优缺点，选用一种数据传输方案，与上层服务器通讯，将测量数据传至上层服务器储存，完成监测功能设计的目标。此外，考虑数据储存的需求，选用W25X64作为外部FLASH存储器，实现关键数据的掉电储存。

为了消除噪声以及传感器偏差，求取传感器测量结果的平均值去除测量数值的直流分量，然后再对测量值进行卡尔曼滤波，消除噪声影响，使结果更加精确。对于速度的获取，本文使用基于时域积分的方法对加速度信息进行处理，并且通过消除死区的算法矫正电梯运行速度。然后对加速度信息进行FFT处理得到震动信息。另外，为了方便调试，设计一套基于MATLAB GUI的串口监视软件，实时接收下位系统发送的数据，并以折线图和频谱图的方式把加速度、速度以及震动信息显示出来，使调试更加直观化。

本文详细论述了电梯加速度、速度与震动检测系统软硬件的设计与实现，给出实际电梯运行的检测测量结果，并在最后对设计做出总结与展望。

关键词：电梯状态检测，嵌入式检测仪器，加速度传感器，MMA8451Q，卡尔曼滤波

DESIGN AND IMPLEMENTATION OF ELEVATOR SPEED, ACCELERATION, VIBRATION DETECTION MODULE.

Abstract

As a kind of widely used public special equipment, the popularity of elevator has brought great convenience to people’s lives. However, because of the safety factor, the elevators’ regularly test plays an important role in diagnosing elevator safety statues. The elevator state monitoring system involves many parameters, especially including acceleration, speed and vibration which are play great role in judging the safety statues of an elevator. In this paper, a design and implementation will be introduced of a monitor system of the elevator running statues based on STM32 embedded system.

By comparing the widely used acceleration sensors, a three axis acceleration sensor MMA8451Q designed by FREESCALE Semiconductor Corp is seclected in the design. The sensor as a digital acceleration sensor, the measurement results can be directly read by the I2C bus. By comparing the advantages and disadvantages of serial transmission, WIFI wireless transmission, Bluetooth transmission, a data transmission will be selected used as a communication tool to communicate with the server and store the measured data. In addition, considering the data storage requirements, W25X64 is seclected as an external FLASH memory for power-down store critical data.

Once get the acceleration information of the elevator, Calman filter will be used to eliminate the effect of noise. A time domain integral algorithm will be used to process the acceleration information, so the speed information will be got then. Another vibration data will be got by processing the acceleration information through the FFT algorithm. In addition, a serial data collecion software is designed based on MATLAB GUI to receive data send from lower system in real time. The software can display the acceleration, velocity and vibration information in the way of line graph and spectrum.Throuth this way, the debug session become easier.

This paper discusses the design and implementation in hardware and software of elevator acceleration, speed and vibration detection system in detail. The measurement results of real-running elevator are given to evaluate the design. The summary and outlook of the design will be made at the last of the paper.

KEYWORDS: Elevator status detection, Embedded detection instrument, Acceleration sensor, MMA8451Q, Kalman filter

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 课题研究现状 2

1.3 论文主要工作和章节安排 3

第2章 整体方案设计 5

2.1 曳引式电梯的组成简介 5

2.2 设计需求分析 6

2.3 硬件整体方案设计 7

2.3.1 主控器选型 7

2.3.2 传感器选型 8

2.3.3 硬件整体方案 10

2.4 软件整体方案设计 11

2.4.1 电梯运行状态的获取 11

2.4.2 传感器的噪声矫正 14

2.4.3 软件整体方案 15

第3章 硬件方案设计 16

3.1 电源电路设计 16

3.2 处理器最小系统电路设计 16

3.3 传感器电路设计 18

3.4 数据储存电路设计 19

3.5 数据传输电路设计 19

3.5.1 串口调试模块 19

3.5.2 蓝牙传输模块 20

3.5.3 WIFI传输模块 21

3.6 硬件方案的实现 21

第4章 软件方案设计 23

4.1 传感器信息获取实现 23

4.2 卡尔曼滤波器的实现 25

4.3 数据传输的实现 27

第5章 测试结果分析 28

5.1 调试环境的设计与测试 28

5.2 静止状态下测试结果分析 30

5.2.1 无卡尔曼滤波的测试结果 30

5.2.2 加入卡尔曼滤波的测量结果 32

5.3 实际运行测试结果分析 35

5.3.1 无速度矫正运行结果分析 35

5.3.2 速度死区矫正结果分析 40

第6章 结论 45

参考文献 46

致谢 48

绪论

课题背景

目前，日益增多的特种设备，不仅给人们生活质量的提高带来极大的影响，更对国民经济的高速发展发挥了重要且积极的作用，但是由于特种设备使用场合的特殊性和其出现事故的危险性，特种设备出现故障就会直接给人民生命财产带来损失，而且造成的社会负面影响更加恶劣^[1]。因此特种设备的安全问题一直是一个社会高度关注的热点，尤其是与大众生活息息相关的一些公共设备。

简单来说，特种设备可以定义为，设备的运行状态会影响人们生命安全，而且这些设备发生故障时带来的危险较大的锅炉、压力容器（含气瓶，下同）、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施和场（厂）内专用机动车辆。根据这些设备的使用原理不同，又可以进一步划分种类，其中锅炉、压力容器（含气瓶）、压力管道因为要承受较大压力，因此称之为承压类特种设备；电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施由于属于机电系统因此称为机电类特种设备^[2]。这些特种设备是关系到国民经济发展的重要基础设施，与人民群众生活息息相关并有较大危险。而其中电梯就是人们最广泛接触的一类特种设备。

电梯可以定义为包括载人电梯、载货电梯、自动扶梯以及自动人行道等在内的，以电力作为动力驱动的，沿刚性导轨运行，形状为箱体或沿固定线路运行的梯级（踏步），用以在升降或平行场合运送人和货物的机电设备^[3]。作为现代建筑必不可少的乘载工具，目前，电梯在我国人民生活生产中起着不可替代的作用。因此确保电梯的安全运行，具有格外重要的经济意义和社会意义。

电梯的检验具体是指，为确保电梯的安全运行状况而进行的检查、检验活动，电梯检验的主要目的是排除电梯运行的安全隐患，确保其安全稳定的运行^[33]。曳引式垂直升降电梯的检验项目有明确的标准要求，其中主要包括电梯运行技术资料的审核、电梯控制机房项目的检验、电梯厢与配重项目的检验、井道检查项目的检验、轿门项目的检验，曳引绳和补偿绳项目的检验、井道底坑项目的检验以及功能试验等。电梯检测使用最多的方法为目视检测，同时使用必要的检测仪器和设备，进行其他项目的测量、检测和试验^[4][5]。

作为一种特种设备，电梯状态的检测项目极大的关乎了其运行的安全性，《特种设备安全监察条例》中明确规定了电梯的检测要求，定期检验、监督检验和无损检测是电梯检测的基本要求^[6]。按照电梯检测国家标准的规定，应当采集包括垂直震动加速度、水平震动加速度、运行速度、机房噪声、轿厢水平度、平层误差、运行中轿厢内噪声、机房温度、轿厢温度、电源电压、电源电流、运行状态信息等在内的运行参数^[7]。

本文主要侧重于曳引式升降电梯轿厢的加速度、速度以及震动信息的状态检测。这几个参数是衡量电梯安全状态以及评估电梯使用舒适度的关键指标，通过对这几个状态的分析，可以对提升电梯的安全性和舒适度给出重要参考。

课题研究现状

对于物体的速度检测，根据物体的运动形式，可以分为线速度测量和角速度测量，对于本文电梯速度的检测，显然是电梯运行线速度的测量。常用的速度测量有以下几种^[8]：

微分、积分测速法。根据运动学知识，只要测得物体的运行的位移信号，即可对该信号进行微分运算得到物体运行的速度信息；或者测得物体运行的加速度信息，对加速度信息进行积分运算即可得到物体的速度信息。该方法常用于震动的测量中，比如利用加速度计测量物体的震动信号，经过积分获取速度信息。

线速度和角速度转换测速法。此方法应用必须满足一定的条件，当线速度与角速度在同一物体上有固定关系时，即可通过转换的方法达到测量的目的。对于本文的应用环境，这种方法显然有局限性，而且无法做到速度测量与电梯运行物理上独立工作。

专用速度传感器法。利用各种速度传感器测量与速度大小有确定关系的各种物理量来间接测量物体运行的速度，将速度信号转化为电、光等易测信号。可以利用的物理效应有很多，如电磁感应原理、多普勒效应、流体力学、声学定理等。

对于加速度的检测，目前使用较多的是基于牛顿经典力学定律的加速度传感器，其原理为基于对质量块感应加速度时所产生的惯性力的测量。常用的加速度传感器有以下几种。

位移式加速度传感器。该类型传感器利用测量位移而获取加速度，比如常见的差动电容式、差动变压式加速度传感器等。霍尔加速度传感器和电位器式加速度传感器均属于此类型传感器。此类传感器由于测量质量块的相对位移，使得传感器的灵敏度较低。

应变式加速度传感器。在实际应用中，使用较多的是基于测量惯性力的各种加速度传感器。这种类型的传感器工作原理为，由敏感质量块感应加速度，产生与之成正比的惯性力，再通过弹性元件把惯性力转化成应变、应力或通过压电元件把惯性力转变成电荷量，从而间接测量出加速度。该类型传感器具有体积小、输出阻抗低的特点，但不适合频率较高的测量场合。

微机电系统（MEMS）加速度传感器。这种传感器是根据其加工工艺命名的。MEMS传感器是指利用微电子加工手段加工制作，并和微电子测量线路集成在一起的加速度计。

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