基于MMA7260QT三轴加速度传感器的电梯安全监控系统的设计
日期：2009-7-16 23:49:25 来源：中国工控网
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引言
工程师们在评估某种机械运动可能产生的毁灭性后果或交通工具带来的不舒适度时，加速度是首要考虑的因素。随着现代化进程的加剧，高层和超高层建筑越来越多，高速电梯的使用也更加广泛。
电梯在运行中，起动和制动频繁，加速度的变化非常明显。此外，电梯经过长时间的运行后，许多部件容易磨损甚至损坏，如果铰链断裂，在自由落体的过程中，速度在极短的时间内迅速增大，造成严重后果。因此考虑加速度的变化率（即加加速度）是十分必要的。
飞思卡尔半导体公司制造的MMA7260Q型3轴小量程加速传感器的传感器模块在三维加速度检测方面十分出色，因其小巧轻便，将其安装在电梯轿厢中，可实时检测电梯运行的状况，从而提高电梯的安全性能。
设计概述
系统概述
本方案采用飞思卡尔半导体公司的MC9S08QG8CPBE单片机和MMA7260Q型3轴小量程加速度传感器，在自制电梯模型上进行仿真试验，使用基于虚拟仪器技术的监控系统对电梯轿箱运行中的加速度进行实时监控。
在监控过程中，若有危险情况出现，即加速度传感器模块检测到的加速度信息超过规定的范围，那么单片机（下位机）将给出指令信号，使电机停转、制动系统启动、蜂鸣器报警，然后等待危险解除，再恢复正常运行。
系统模块
主控制模块：通过MC9S08QG8-CPBE处理加速度传感器采集的数据，并对电梯实施控制；
加速度传感器模块：通过MMA7260Q型3轴小量程加速传感器，将变化的加速度转换成数字信号供单片机处理；
通信模块：通过FTDI公司制造的FT232R作为USB-COM桥接芯片，实现上位机与下位机的通信。它是基于FT232R桥接芯片开发USB/UART接口设计的。通用异步收发器(UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)一直是PC中最主要的串行通信接口。然而随着高速通用串行总线(USB)的出现，使得外围设备到计算机的连接更加高效、便利，它不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特性，而且最高支持连接127个外部设备，可以有效地解决PC机外围接口不足的问题。但是由于USB规范对电缆长度的限制是：对于高速设备、全速设备之间不超过5米；对于低速设备则限制为3米(UART组成485网络可以传输1200米以上)。这限制了USB在长距离工业数控系统中的应用，所以UART目前还被大量地应用在工业、通信和家电控制等方面。鉴于PC机USB接口的通用性，以及充分发挥USB/UART各自接口的优势，我们引入了基于FT232R的USB/UART接口设计，降低了常规USB接口的设计难度，加快了系统开发进程。
人机界面监控模块：通过LabVIEW编制应用程序采集下位机数据，进行分析处理，实时监控电梯状况。NI公司的LabVIEW是当前流行的图形化开发环境，同时也是一种功能强大的编程语言(亦被称为G语言)，它是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护，且编程简单、直观，因此特别适用于数据采集处理系统。LabVIEW软件本身免费提供RS232、GPIB、VXI等总线的驱动程序，这大大简化了计算机控制过程中的通信处理工作。单片机（下位机）与PC机（上位机）通过串口进行通信，上位机采用NI公司的LabVIEW制作监控软件。
系统框图
PC与MCU通信框图如图1 所示。
MCU控制框图如图2所示。
硬件概述
系统硬件原理图
系统硬件主要由四部分组成：微控制器、传感器、电机及驱动模块、电磁抱闸模块等，其原理图如图3。
单片机(MC9S08QG8CPBE)简介
单片机采用的是MC9S08QG8CPBE，它是飞思卡尔8位微控制器系列中具有很高集成度的器件。MC9S08QG MCU集成了那些通常只有较大、较昂贵的元器件才具有的性能，包括背景调试系统以及可进行实时总线捕捉的内置在线仿真（ICE）功能，具有单线的调试及仿真接口。该产品的特色还包括一个可编程的16位定时器/脉冲宽度调制（PWM）模块（TPM），是同类产品中最灵活、最经济的模块之一。
加速传感器简介
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，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中做选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。
MMA7260QT功能：
可选灵敏度(1.5g/2g/4g/6g)
低功耗：500μA
休眠模式：3μA
低压运行：2.2V~3.6V
6mm*6mm*1.45mm的无引线四方扁平(QFN)封装
高灵敏度(800mV/g @ 1.5g)
低通滤波器具备内部信号调理
设计稳定、防震能力强
电梯动作执行机构及执行方式
本方案中，轿箱的升降动力由步进电机提供，电机型号是42H47412小型步进电机，电源采用12V开关电源单独供电；其驱动芯片型号为TA8453，采用5V电源单独供电。单片机可通过两个I/O口方便地控制电机的运行，一个I/O口发送驱动脉冲信号（脉冲频率高则电机速度快，频率低则慢），一个I/O口给出高低电平来使电机正反转（即电梯的上升和下降）；制动系统的执行机构是由一个电源电压12V的电磁铁来完成的。在这里，单片机必须再定义一个I/O口，正常情况下其电平信号为低，当出现危险时给出高电平，此高电平信号为3.3V，不能直接驱动电磁铁，方案采用中间继电器来间接控制电磁铁的动作。电磁铁安装在电梯轿箱上，当接通电源以后，铁心弹出，顶在电梯导轨上面，导轨内侧附有皮条，通过摩擦力来达到制动的目的，蜂鸣器为单片机自带。
软件概述
固件程序模块
固件程序流程图，如图4
芯片主程序模块：
功能描述：
SCI允许在MCU和远程设备（包括其它MCU）之间进行全双工、异步、不归零串行通信。SCI包含一个波特率发生器、一个发送器模块和一个接收器模块。SCI共有8个8位寄存器用于控制波特率、选择SCI选项、报告SCI的状态和发送/接收数据。尽管使用的是同一个波特率发生器，发送器和接收器的操作是独立完成的。正常操作时，MCU监测SCI的状态，写入被发送的数据并处理接收到的数据。
模块初始化：
人机界面模块
前面板功能模块：
按钮控件：正向启动电机（代号1）、反向启动电机（代号2）、快速加速（代号3）、快速减速（代号4）、缓慢加速（代号5）、缓慢减速（代号6）、 停止电机（代号7）、加速度采集（代号8）
实时趋势图：实时显示加速度传感器的采集数值
数字显示控件：显示相关状态（包括工作、报警等状态）
程序框图功能模块：
初始化串口通信模块－－如图6
接受前面板控制指令
采用事件结构接收前面板发送过来的命令，这样做的好处是当前面板没有命令时，后台程序处于等待状态，而不是在做while循环的空转，程序变得简单，并降低CPU利用率。
向串口（通往下位机）发送控制指令－－对应了图6的写事件
接收返回的被监测数据
处理数据，作出响应
结束语
本系统充分利用CT298和MM2860评估板的功能模块，实现了对电梯运行状况的实时监控。利用VISA技术实现了计算机与单片机之间的高速通信，为电梯的安全保障提供了一种新的解决方案，在现有的限速保护基础上加入本方案，会使电梯的运行更加安全，也会给乘客带来更大的舒适感。
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
引言
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工程师们在评估某种机械运动可能产生的毁灭性后果或交通工具带来的不舒适度时，加速度是首要考虑的因素。随着现代化进程的加剧，高层和超高层建筑越来越多，高速电梯的使用也更加广泛。
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电梯在运行中，起动和制动频繁，加速度的变化非常明显。此外，电梯经过长时间的运行后，许多部件容易磨损甚至损坏，如果铰链断裂，在自由落体的过程中，速度在极短的时间内迅速增大，造成严重后果。因此考虑加速度的变化率（即加加速度）是十分必要的。
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飞思卡尔半导体公司制造的MMA7260Q型3轴小量程加速传感器的传感器模块在三维加速度检测方面十分出色，因其小巧轻便，将其安装在电梯轿厢中，可实时检测电梯运行的状况，从而提高电梯的安全性能。
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设计概述
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系统概述
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本方案采用飞思卡尔半导体公司的MC9S08QG8CPBE单片机和MMA7260Q型3轴小量程加速度传感器，在自制电梯模型上进行仿真试验，使用基于虚拟仪器技术的监控系统对电梯轿箱运行中的加速度进行实时监控。
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在监控过程中，若有危险情况出现，即加速度传感器模块检测到的加速度信息超过规定的范围，那么单片机（下位机）将给出指令信号，使电机停转、制动系统启动、蜂鸣器报警，然后等待危险解除，再恢复正常运行。
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系统模块
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主控制模块：通过MC9S08QG8-CPBE处理加速度传感器采集的数据，并对电梯实施控制；
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加速度传感器模块：通过MMA7260Q型3轴小量程加速传感器，将变化的加速度转换成数字信号供单片机处理；
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通信模块：通过FTDI公司制造的FT232R作为USB-COM桥接芯片，实现上位机与下位机的通信。它是基于FT232R桥接芯片开发USB/UART接口设计的。通用异步收发器(UART：Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)一直是PC中最主要的串行通信接口。然而随着高速通用串行总线(USB)的出现，使得外围设备到计算机的连接更加高效、便利，它不仅具有快速、即插即用、支持热插拔的特性，而且最高支持连接127个外部设备，可以有效地解决PC机外围接口不足的问题。但是由于USB规范对电缆长度的限制是：对于高速设备、全速设备之间不超过5米；对于低速设备则限制为3米(UART组成485网络可以传输1200米以上)。这限制了USB在长距离工业数控系统中的应用，所以UART目前还被大量地应用在工业、通信和家电控制等方面。鉴于PC机USB接口的通用性，以及充分发挥USB/UART各自接口的优势，我们引入了基于FT232R的USB/UART接口设计，降低了常规USB接口的设计难度，加快了系统开发进程。
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人机界面监控模块：通过LabVIEW编制应用程序采集下位机数据，进行分析处理，实时监控电梯状况。NI公司的LabVIEW是当前流行的图形化开发环境，同时也是一种功能强大的编程语言(亦被称为G语言)，它是一套专为数据采集与仪器控制、数据分析和数据表达而设计的图形化编程软件，使创建的程序模块化，易于调试、理解和维护，且编程简单、直观，因此特别适用于数据采集处理系统。LabVIEW软件本身免费提供RS232、GPIB、VXI等总线的驱动程序，这大大简化了计算机控制过程中的通信处理工作。单片机（下位机）与PC机（上位机）通过串口进行通信，上位机采用NI公司的LabVIEW制作监控软件。
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系统框图
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PC与MCU通信框图如图1 所示。
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MCU控制框图如图2所示。
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硬件概述
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系统硬件原理图
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系统硬件主要由四部分组成：微控制器、传感器、电机及驱动模块、电磁抱闸模块等，其原理图如图3。
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单片机(MC9S08QG8CPBE)简介
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单片机采用的是MC9S08QG8CPBE，它是飞思卡尔8位微控制器系列中具有很高集成度的器件。MC9S08QG MCU集成了那些通常只有较大、较昂贵的元器件才具有的性能，包括背景调试系统以及可进行实时总线捕捉的内置在线仿真（ICE）功能，具有单线的调试及仿真接口。该产品的特色还包括一个可编程的16位定时器/脉冲宽度调制（PWM）模块（TPM），是同类产品中最灵活、最经济的模块之一。
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加速传感器简介
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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，并且提供4个量程可选，用户可在4个灵敏度中做选择。该器件带有低通滤波并已做零g补偿。
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MMA7260QT功能：
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可选灵敏度(1.5g/2g/4g/6g)
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低功耗：500μA
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休眠模式：3μA
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低压运行：2.2V~3.6V
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低通滤波器具备内部信号调理
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设计稳定、防震能力强
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电梯动作执行机构及执行方式
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本方案中，轿箱的升降动力由步进电机提供，电机型号是42H47412小型步进电机，电源采用12V开关电源单独供电；其驱动芯片型号为TA8453，采用5V电源单独供电。单片机可通过两个I/O口方便地控制电机的运行，一个I/O口发送驱动脉冲信号（脉冲频率高则电机速度快，频率低则慢），一个I/O口给出高低电平来使电机正反转（即电梯的上升和下降）；制动系统的执行机构是由一个电源电压12V的电磁铁来完成的。在这里，单片机必须再定义一个I/O口，正常情况下其电平信号为低，当出现危险时给出高电平，此高电平信号为3.3V，不能直接驱动电磁铁，方案采用中间继电器来间接控制电磁铁的动作。电磁铁安装在电梯轿箱上，当接通电源以后，铁心弹出，顶在电梯导轨上面，导轨内侧附有皮条，通过摩擦力来达到制动的目的，蜂鸣器为单片机自带。
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固件程序模块
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固件程序流程图，如图4
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芯片主程序模块：
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功能描述：
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SCI允许在MCU和远程设备（包括其它MCU）之间进行全双工、异步、不归零串行通信。SCI包含一个波特率发生器、一个发送器模块和一个接收器模块。SCI共有8个8位寄存器用于控制波特率、选择SCI选项、报告SCI的状态和发送/接收数据。尽管使用的是同一个波特率发生器，发送器和接收器的操作是独立完成的。正常操作时，MCU监测SCI的状态，写入被发送的数据并处理接收到的数据。
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模块初始化：
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前面板功能模块：
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按钮控件：正向启动电机（代号1）、反向启动电机（代号2）、快速加速（代号3）、快速减速（代号4）、缓慢加速（代号5）、缓慢减速（代号6）、 停止电机（代号7）、加速度采集（代号8）
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实时趋势图：实时显示加速度传感器的采集数值
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数字显示控件：显示相关状态（包括工作、报警等状态）
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程序框图功能模块：
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初始化串口通信模块－－如图6
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采用事件结构接收前面板发送过来的命令，这样做的好处是当前面板没有命令时，后台程序处于等待状态，而不是在做while循环的空转，程序变得简单，并降低CPU利用率。
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向串口（通往下位机）发送控制指令－－对应了图6的写事件
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