轎式電梯專用按鈕的設(shè)計(jì)

吉澤歡，藺超文，黃傳輝

（徐州工程學(xué)院 江蘇 徐州 221008）

傳統(tǒng)的轎式電梯按鈕只有普通開關(guān)的作用，當(dāng)乘客按下按鈕時(shí)，控制器檢測(cè)這一事件從而執(zhí)行相應(yīng)的操作，然而如果按鈕發(fā)生故障，但是電梯控制器卻檢測(cè)不到故障的發(fā)生，那么電梯運(yùn)行將出現(xiàn)問題，影響乘客的正常使用[1]。

本文正是為了解決上述問題而設(shè)計(jì)了一種專門用于轎式電梯的按鈕改進(jìn)裝置，這一裝置和現(xiàn)有電梯按鈕相組合，不僅具有傳統(tǒng)開關(guān)的作用，而且還可以檢測(cè)按鈕是否出現(xiàn)故障，這樣間接提高了電梯運(yùn)行的可靠性[2]。

1 系統(tǒng)原理

本設(shè)計(jì)是對(duì)現(xiàn)有轎式電梯按鈕進(jìn)行改進(jìn)，使按鈕工作更加可靠。當(dāng)乘客按下電梯按鈕時(shí)，金屬?gòu)椘l(fā)生變形，固定在彈片上的電阻應(yīng)變片也相應(yīng)發(fā)生形變從而電阻值發(fā)生變化，再通過硬件電路將其變形量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量然后通過同步串行總線傳輸給電梯控制器。對(duì)按鈕背光燈的狀態(tài)采集是由光電二極管實(shí)現(xiàn)的，耦合電路再將背光燈的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為電平的高低傳輸給電梯控制器。這樣電梯控制器就可以實(shí)時(shí)地獲取按鈕和背光燈的狀態(tài)，再和自身的輸出作比較，如果一致則電梯按鈕正常，否則按鈕出現(xiàn)故障，這樣的閉環(huán)控制使按鈕的可靠性大為增加，其整體組成框圖如圖1所示。

圖1 整體組成框圖Fig.1 The overall composition diagram

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的按鈕裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用了層疊的方式，最下面為底板，用于將按鈕固定在平面上；在底板上面覆蓋了一層金屬用于按鈕按下時(shí)電路的導(dǎo)通；在金屬層上面有一凸起狀金屬?gòu)椘?，?dāng)乘客按下按鈕時(shí)此金屬?gòu)椘掳寂c底板上的金屬接觸連通電路；在金屬?gòu)椘纳舷卤砻娑挤謩e粘貼了兩個(gè)電阻應(yīng)變片，當(dāng)按鈕被按下時(shí)，應(yīng)變片會(huì)變形使其自身電阻值發(fā)生變化，用來檢測(cè)是否按鈕是否被按下；在金屬?gòu)椘厦娓采w了一層薄膜，在薄膜上面印刷了樓層序號(hào)用于向乘客顯示。其具體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 按壓力檢測(cè)電路

圖2 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The mechanical structure

電阻應(yīng)變片是基于應(yīng)變電阻效應(yīng)將金屬?gòu)椘膲毫νㄟ^彈性形變轉(zhuǎn)換為電阻變化，當(dāng)應(yīng)變片被壓縮時(shí)其電阻值變小，當(dāng)被拉伸時(shí)其電阻值變大[3]，基于這一原理可以將應(yīng)變片用于測(cè)量按鈕中金屬?gòu)椘淖冃瘟繌亩袛喟粹o是否被乘客按下。

為了更加準(zhǔn)確地測(cè)量金屬?gòu)椘淖冃瘟繌亩_定按鈕按下的程度，本設(shè)計(jì)采用了全對(duì)稱雙差動(dòng)電橋電路來測(cè)量金屬?gòu)椘淖冃瘟?，其測(cè)量電路如圖 3 所示，R1、R2、R3、R4均為應(yīng)變片電阻，其安裝位置圖如圖4所示，R1和R2是大小相等并且方向相反變化的兩個(gè)應(yīng)變片，R3和R4也是大小相等并且方向相反變化的兩個(gè)應(yīng)變片，此外還滿足R1和R4，R2和R3的變化大小相等、方向相同。初始狀態(tài)有R1=R2=R3=R4=R，金屬?gòu)椘话聪聲r(shí)應(yīng)變片發(fā)生變形有 R1=R1+ΔR1，R2=R2+ΔR2，R3=R3+ΔR3，R4=R4+ΔR4，并且 ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，則有US=εUS， 其中，電壓輸出靈敏度為KUS=US，非線性度為δf=0。可見用這種電路測(cè)量金屬?gòu)椘淖冃畏浅＞_，檢測(cè)靈敏度高，非線性度為零。

圖3 測(cè)量電路Fig.3 Measurement circuit

圖4 應(yīng)變片安裝位置圖Fig.4 Strain gage installation location map

全對(duì)稱雙差動(dòng)電橋輸出的模擬信號(hào)非常微弱，不能直接接到A/D轉(zhuǎn)換器，必須經(jīng)過放大、調(diào)理才能進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用的方法是先用儀表放大器AD620對(duì)其進(jìn)行放大，再通過電壓跟隨器LM324提高其輸出參考電壓，減小零點(diǎn)附近干擾信號(hào)的影響[4]。然后再將信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器PCF8591將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過IIC總線將其傳送給電梯控制器，其放大電路原理圖如圖5所示，UO接電橋的輸出端，AIN為放大電路的輸出端接A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。圖6為A/D轉(zhuǎn)換電路的電路圖，AIN為模擬輸入端，最多可以有4路輸入，轉(zhuǎn)換結(jié)束后的數(shù)字量通過IIC總線被傳送給電梯控制器，SDA為IIC總線的數(shù)據(jù)端，SCL為時(shí)鐘端。

圖5 放大電路Fig.5 Amplifying circuit

圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.6 The A/D conversion circuit

3.2 背光燈控制電路

本裝置預(yù)留一個(gè)接口用來接收電梯控制器對(duì)按鈕背光燈的控制信號(hào)，該信號(hào)端口與本裝置中的LED燈連接，其電路原理圖如圖7所示，LED端由電梯控制器控制，為高電平時(shí)LED燈D1發(fā)光，為低電平時(shí)D1不發(fā)光。

圖7 LED燈控制電路圖Fig.7 LED lamp control circuit diagram

這樣的設(shè)計(jì)使得本裝置可以適用于所有電梯，只需要電梯控制器提供一個(gè)控制LED背光燈的接口即可[5]。

3.3 按鈕背光燈檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)采用光電二極管對(duì)按鈕背光燈進(jìn)行檢測(cè)，光電二極管利用PN結(jié)的光敏特性將接收到的光的變化轉(zhuǎn)換為電流的變化，在反向電壓作用下工作時(shí)，如果無光照則反向電流很小，如果有光照，則有光電流，且光照越強(qiáng)光電流也越大。因此可以通過光電二極管的這一特性來檢測(cè)按鈕背光燈的狀態(tài)進(jìn)而判斷按鈕是否出現(xiàn)故障，其電路原理圖如圖8所示，D1為光電二極管用來采集背光燈的狀態(tài)，當(dāng)背光燈亮?xí)r耦合電路導(dǎo)通，輸出端OUT為高電平，不亮?xí)r耦合電路截止，輸出端OUT為低電平。OUT端與電梯控制器相連傳送按鈕背光燈的狀態(tài)信息[6]。

4 接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所描述的裝置具體通用性，其與外部接口采用插針方式，使用時(shí)只需將本裝置的插針插入插孔即可。

圖8 耦合電路原理圖Fig.8 Coupling circuit principle diagram

5 結(jié) 論

本裝置由電阻應(yīng)變片、光電二極管、LED燈、電源電路等組成，適用于現(xiàn)有的各種轎式電梯，其工作實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、便于拓展，提高了轎式電梯按鈕可靠性，間接地提高了轎式電梯運(yùn)行的安全性，應(yīng)用前景非常廣泛。

[1]沈萍．基于人性化理念的電梯系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．天津：天津大學(xué)，2010．

[2]朱子焜，李軍．一種按鈕可靠性測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)[J]．工礦自動(dòng)化，2011，5（5）：106-108．ZHU Zi-kun，LI Jun.Design of aeliability testing equipmentof button[J].Industry and Mine Automation，2011，5（5）:106-108.

[3]童敏明，唐守鋒，董海波．傳感器原理與應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2012．

[4]包新華．提高運(yùn)算放大器的零點(diǎn)穩(wěn)定性方法[J]．科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，4（a）：76-78．BAO Xin-hua.Improve the zero stability method for operational amplifier[J].Science and Technology Innovation Herald，2010，4（a）:76-78.

[5]王光峰．白光LED驅(qū)動(dòng)電路的研究及其電路的設(shè)計(jì)[D]．浙江：浙江大學(xué)，2005．

[6]陳磊，張凱，楊義軍．單片機(jī)控制數(shù)字光強(qiáng)檢測(cè)計(jì)的設(shè)計(jì)[D]．揚(yáng)州：揚(yáng)州大學(xué)，2009．