MMA7260QT三軸加速度傳感器的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1、    MMA7260QT三軸加速度傳感器的電梯安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計引言工程師們在評估某種機械運動可能產(chǎn)生的毀滅性后果或交通工具帶來的不舒適度時，加速度是首要考慮的因素。隨著現(xiàn)代化進程的加劇，高層和超高層建筑越來越多，高速電梯的使用也更加廣泛。電梯在運行中，起動和制動頻繁，加速度的變化非常明顯。此外，電梯經(jīng)過長時間的運行后，許多部件容易磨損甚至損壞，如果鉸鏈斷裂，在自由落體的過程中，速度在極短的時間內(nèi)迅速增大，造成嚴重后果。因此考慮加速度的變化率（即加加速度）是十引言工程師們在評估某種機械運動可能產(chǎn)生的毀滅性后果或交通工具帶來的不舒適度時，加速度是首要考慮的

2、因素。隨著現(xiàn)代化進程的加劇，高層和超高層建筑越來越多，高速電梯的使用也更加廣泛。電梯在運行中，起動和制動頻繁，加速度的變化非常明顯。此外，電梯經(jīng)過長時間的運行后，許多部件容易磨損甚至損壞，如果鉸鏈斷裂，在自由落體的過程中，速度在極短的時間內(nèi)迅速增大，造成嚴重后果。因此考慮加速度的變化率（即加加速度）是十分必要的。飛思卡爾半導體公司制造的MMA7260Q型3軸小量程加速傳感器的傳感器模塊在三維加速度檢測方面十分出色，因其小巧輕便，將其安裝在電梯轎廂中，可實時檢測電梯運行的狀況，從而提高電梯的安全性能。設(shè)計概述系統(tǒng)概述本方案采用飛思卡爾半導體公司的MC9S08QG8CPBE單片機和MMA7260Q

3、型3軸小量程加速度傳感器，在自制電梯模型上進行仿真試驗，使用基于虛擬儀器技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)對電梯轎箱運行中的加速度進行實時監(jiān)控。在監(jiān)控過程中，若有危險情況出現(xiàn)，即加速度傳感器模塊檢測到的加速度信息超過規(guī)定的范圍，那么單片機（下位機）將給出指令信號，使電機停轉(zhuǎn)、制動系統(tǒng)啟動、蜂鳴器報警，然后等待危險解除，再恢復正常運行。系統(tǒng)模塊主控制模塊：通過MC9S08QG8-CPBE處理加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)，并對電梯實施控制；加速度傳感器模塊：通過MMA7260Q型3軸小量程加速傳感器，將變化的加速度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供單片機處理；通信模塊：通過FTDI公司制造的FT232R作為USB-COM橋接芯片，實現(xiàn)上位機

4、與下位機的通信。它是基于FT232R橋接芯片開發(fā)USB/UART接口設(shè)計的。通用異步收發(fā)器(UART：Universal     Asynchronous Receiver/Transmitter)一直是PC中最主要的串行通信接口。然而隨著高速通用串行總線(USB)的出現(xiàn)，使得外圍設(shè)備到計算機的連接更加高效、便利，它不僅具有快速、即插即用、支持熱插拔的特性，而且最高支持連接127個外部設(shè)備，可以有效地解決PC機外圍接口不足的問題。但是由于USB規(guī)范對電纜長度的限制是：對于高速設(shè)備、全速設(shè)備之間不超過5米；對于低速設(shè)備則限制為3米(UART組成485網(wǎng)絡(luò)可

5、以傳輸1200米以上)。這限制了USB在長距離工業(yè)數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，所以UART目前還被大量地應(yīng)用在工業(yè)、通信和家電控制等方面。鑒于PC機USB接口的通用性，以及充分發(fā)揮USB/UART各自接口的優(yōu)勢，我們引入了基于FT232R的USB/UART接口設(shè)計，降低了常規(guī)USB接口的設(shè)計難度，加快了系統(tǒng)開發(fā)進程。人機界面監(jiān)控模塊：通過LabVIEW編制應(yīng)用程序采集下位機數(shù)據(jù)，進行分析處理，實時監(jiān)控電梯狀況。NI公司的LabVIEW是當前流行的圖形化開發(fā)環(huán)境，同時也是一種功能強大的編程語言(亦被稱為G語言)，它是一套專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達而設(shè)計的圖形化編程軟件，使創(chuàng)建的程序模塊化，

6、易于調(diào)試、理解和維護，且編程簡單、直觀，因此特別適用于數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。LabVIEW軟件本身免費提供RS232、GPIB、VXI等總線的驅(qū)動程序，這大大簡化了計算機控制過程中的通信處理工作。單片機（下位機）與PC機（上位機）通過串口進行通信，上位機采用NI公司的LabVIEW制作監(jiān)控軟件。系統(tǒng)框圖PC與MCU通信框圖如圖1 所示。MCU控制框圖如圖2所示。硬件概述系統(tǒng)硬件原理圖系統(tǒng)硬件主要由四部分組成：微控制器、傳感器、電機及驅(qū)動模塊、電磁抱閘模塊等，其原理圖如圖3。單片機(MC9S08QG8CPBE)簡介單片機采用的是MC9S08QG8CPBE，它是飛思卡爾8位微控制器系列中具有很高集成度

7、的器件。MC9S08QG MCU集成了那些通常只有較大、較昂貴的元器件才具有的性能，包括背景調(diào)試系統(tǒng)以及可進行實時總線捕捉的內(nèi)置在線仿真（ICE）功能，具有單線的調(diào)試及仿真接口。該產(chǎn)品的特色還包括一個可編程的16位定時器/脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊（TPM），是同類產(chǎn)品中最靈活、最經(jīng)濟的模塊之一。加速傳感器簡介MMA7260QT低成本微型電容式加速度傳感器采用了信號調(diào)理、單極低通濾波器和溫度補償技術(shù)，并且提供4個量程可選，用戶可在4個靈敏度中做選擇。該器件帶有低通濾波并已做零g補償。MMA7260QT功能：可選靈敏度(1.5g/2g/4g/6g)低功耗：500A休眠模式：3A低壓運行：2.2V

8、3.6V6mm*6mm*1.45mm的無引線四方扁平(QFN)封裝高靈敏度(800mV/g 1.5g)低通濾波器具備內(nèi)部信號調(diào)理設(shè)計穩(wěn)定、防震能力強電梯動作執(zhí)行機構(gòu)及執(zhí)行方式本方案中，轎箱的升降動力由步進電機提供，電機型號是42H47412小型步進電機，電源采用12V開關(guān)電源單獨供電；其驅(qū)動芯片型號為TA8453，采用5V電源單獨供電。單片機可通過兩個I/O口方便地控制電機的運行，一個I/O口發(fā)送驅(qū)動脈沖信號（脈沖頻率高則電機速度快，頻率低則慢），一個I/O口給出高低電平來使電機正反轉(zhuǎn)（即電梯的上升和下降）；制動系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)是由一個電源電壓12V的電磁鐵來完成的。在這里，單片機必須再定義一個

9、I/O口，正常情況下其電平信號為低，當出現(xiàn)危險時給出高電平，此高電平信號為3.3V，不能直接驅(qū)動電磁鐵，方案采用中間繼電器來間接控制電磁鐵的動作。電磁鐵安裝在電梯轎箱上，當接通電源以后，鐵心彈出，頂在電梯導軌上面，導軌內(nèi)側(cè)附有皮條，通過摩擦力來達到制動的目的，蜂鳴器為單片機自帶。軟件概述固件程序模塊固件程序流程圖，如圖4芯片主程序模塊：功能描述：SCI允許在MCU和遠程設(shè)備（包括其它MCU）之間進行全雙工、異步、不歸零串行通信。SCI包含一個波特率發(fā)生器、一個發(fā)送器模塊和一個接收器模塊。SCI共有8個8位寄存器用于控制波特率、選擇SCI選項、報告SCI的狀態(tài)和發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。盡管使用的是同一個

10、波特率發(fā)生器，發(fā)送器和接收器的操作是獨立完成的。正常操作時，MCU監(jiān)測SCI的狀態(tài)，寫入被發(fā)送的數(shù)據(jù)并處理接收到的數(shù)據(jù)。模塊初始化：人機界面模塊前面板功能模塊：按鈕控件：正向啟動電機（代號1）、反向啟動電機（代號2）、快速加速（代號3）、快速減速（代號4）、緩慢加速（代號5）、緩慢減速（代號6）、停止電機（代號7）、加速度采集（代號8）實時趨勢圖：實時顯示加速度傳感器的采集數(shù)值數(shù)字顯示控件：顯示相關(guān)狀態(tài)（包括工作、報警等狀態(tài)）程序框圖功能模塊：初始化串口通信模塊-如圖6接受前面板控制指令采用事件結(jié)構(gòu)接收前面板發(fā)送過來的命令，這樣做的好處是當前面板沒有命令時，后臺程序處于等待狀態(tài)，而不是在做while循環(huán)的空轉(zhuǎn)，程序變得簡單，并降低CPU利用率。向串口（通往下位機）發(fā)送控制指令-對應(yīng)了圖6的"寫事件&