基于物联网的电梯加速度监测系统

1、 大学生创新训练计划项目项目名称： 基于物联网的电梯加速度监测系统 项目负责人： 沈源 项目成员： 袁树建、陈彦、张赫、沈铮 所在专业： 电气工程及其自动化 所在学院： 物联网工程学院 第一指导教师: 王宪 职称/学历： 高级工程师副教授 二一三 年 九 月摘 要： 设计基于物联网的电梯加速度监测系统。通过三方向加速度传感器将加速度等电梯状态数据采集至单片计算机内，并由单片计算机通过网络发送至服务主机处理，并建立离线数据库供监测、分析。通过数据可视化方法和离线数据挖掘，可依据结果对电梯的故障工况进行诊断，并为电梯乘坐舒适度控制提供控制变量。由此，本设计可综合提高电梯的安全性、可靠性及乘坐舒适性

2、。 本电梯加速度监控系统专门设计了按键模块，为操作者使用提供了方便。本项目为电梯的使用安全提供技术保障，有着较大的企业效益和社会意义。目 录第一章 绪 论31.1 系统背景31.2 系统概述31.3 设计内容及性能指标4第二章 方案设计42.1 系统总体设计框图42.2 器件选择42.3 MPU6050加速度传感器5第三章 系统硬件电路设计83.1 总体电路图83.2 加速度传感器模块83.3 液晶显示模块93.4 按键模块103.5 电源模块103.6 数据通信模块113.7数据存储单元11第四章 系统软件实现124.1总程序流程图124.2 MPU6050传感器软件实现13第五章 结 论1

3、8参考文献19附：总电路原理图20第一章 绪 论1.1 系统背景经历了百余年历史的电梯已成为人们所熟知的重要楼宇设备，如今随着经济的发展与人口的增长高层建筑也日益增多，使得人们对电梯的需求也越来越高。在享受电梯给我们带来的方便与快捷的同时，人们往往更多关注的是电梯的安全可靠性。电梯的安全可靠性受诸多方面因素的影响，例如配电设施安全性，制动器动作灵活性，限速器运转平稳性，及井道和轿厢等硬件设施的安全性。这些因素共同构成了电梯的安全可靠性。当电梯出现问题时，直接或间接的会反应在电梯加速度的变化上。本论文针对轿厢式电梯加速度检测进行相关研究。在我国，电梯的维护一般是按照特种设备安全监察条例来进行的，

4、其中第三十一条规定，电梯应当至少每15日进行一次清洁，润滑，调整和检查。电梯的维保分为半月，季度，半年，年度维保。虽然有明确的条例规定对电梯进行定期维护，但电梯事故还是时有发生。其原因主要有两方面，一是维护不到位，没有对电梯进行定期的维护。二是电梯什么时候出现问题的不确定性。电梯事故往往是在两次检修时间之间发生，而缩短两次电梯维护的时间又会消耗大量的人力物力。若能建立一个电梯正常运行状态下的数据库，再对电梯的运行状况进行实时监测，将其与正常状况下的数据相对比，若超出限定范围则发出预警。这样既可以提高电梯的安全可靠性，又可以节省大量的人力物力。目前在国内已经有了许多电梯检测系统，这些电梯检测系统

5、却只是用在对电梯进行定期维护，不能做到对电梯进行实时监控。目前国内正缺少这样一个能对电梯进行实时监控的系统。例如杭州菲康电子科技有限公司研发的“菲康电梯测试系统”，它可以完成对电梯的运行监控，故障监控，参数调整和系统自检等多个任务。其不足之处在于一是成本较高，二是不能做到实时检测。这些检测系统只是在对电梯进行定期维护时才会用到。目前电梯正缺少一个能够实时检测电梯运行状况的系统，而电梯的运行状况直接或间接的会反应在电梯加速度的变化上，因此电梯加速度检测系统成为了一个重要的研究课题。在国外，电梯正朝着绿色化，低功耗方向发展，而在电梯的安全性方面主要倾向于通过提高电梯硬件设施来增加电梯的安全性,通过

6、软件方面来提高电梯安全性的研究少之又少。随着电梯使用时间的增加，硬件设施对电梯安全性的保障力度越来越小，一个能对电梯安全性进行实时监控的系统尤为重要。1.2 系统概述本文将设计一个由三轴加速度传感器MPU-6050为硬件部分配合软件部分构成的加速度检测系统。其构成的电梯加速度检测系统具有实时检测电梯运行是否正常的优点。为电梯的检修进行预警，提高了电梯的安全可靠性，节省了大量的人力物力。MPU-6050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。1.3 设计内容及性能指标本设计主要设计了单片机控制下的加

7、速度检测系统，详细的设计了其硬件和软件。并对其各功能模块做了详细描述，其主要功能如下：设计电梯加速度采集系统硬件电路；数据的网络传输；设计电梯状态离线数据库；对基于数据挖掘的离线电梯数据故障检测、预警技术研究；基于案例推理控制电梯的乘坐舒适性智能研究。第二章 方案设计21 系统总体设计框图本设计采用STC国产51单片机作为主控芯片，由加速度传感器模块采集电梯加速度状态信息；按键模块能够选择功能程序发送设置、控制指令；液晶显示能够显示系统信息、加速度信息；通信模块主要完成数据传输功能。图2.1 系统总体结构框图22 器件选择传感器模块本设计选用MPU-6050，它是一个3轴的加速度传感器，不仅可

8、以测出垂直方向加速度的变化，还可以测出水平方向的加速度变化，从而可以分析出电梯在运行工程中是否存在晃动。MPU-6050还带有一个3轴陀螺仪，可以测出角速度的变化，通过对加速度和角速度测量结果的分析，能够使电梯的安全性得到更大的提高。主控制部分的选择方案：选用STC89C51单片机做为主控制部分，软件编程的自由度大。而且体积小，硬件实现简单，安装方便。既可以对MPU-6050控制工作，还可以与PC机通信。运用主从分布式思想，由一台上位机（PC微型计算机），下位机（单片机）数据采集，组成加速度检测系统，实现检测。另外STC89C51在工业控制上也有着广泛的应用，编程技术及外围功能电路的配合使用都

9、很成熟。2.3 MPU6050加速度传感器MPU-6050集成了3轴陀螺仪，3轴加速度计，以及一个可扩展的数字运动处理器DMP(Digital Motion Processor)。为了精确跟踪快速和慢速的运动，传感器的测量范围都是可以通过程序控制的，陀螺仪可测范围为250，500，1000，2000/秒，加速度计可测范围为2，4，8，16g(g表示自由落体加速度大小)。MPU-6050还包含一个片上1024字节的FIFO，有助于降低系统功耗。MPU-6050和所有设备寄存器之间的通信采用400kHz的I2C接口。另外，MPU-6050片上还内嵌了一个温度传感器和在工作环境下仅有1%变动的振荡器

10、。芯片尺寸440.9mm，采用QFN 封装(无引线方形封装)，可承受最大10000g 的冲击，并有可编程的低通滤波器。关于电源，MPU-6050可支持VDD 范围2。5V5%，3。0V5%，或3。3V5%。另外MPU-6050 还有一个VLOGIC 引脚，用来为I2C 输出提供逻辑电平。VLOGIC 电压可取1。85%或者VDD。MPU-6050满足本设计的对加速度的测量要求，电路简单可靠。MPU-6050图及其模块实物图如下所示：图2.2 MPU-6050图图2.3 MPU-6050模块实物图2.3.1 MPU-6050的基本参数MPU-6050主要参数：1.供电电源：3-5v（内部低压差稳

11、压）2.通信方式：标准IIC通信协议3.芯片内置16bit AD转换器,16位数据输出4.陀螺仪范围：250 500 1000 2000 /s5.加速度范围：2 4 8 16g 6.引脚间距2.54mm2.3.2 MPU-6050的引脚功能及所用电容规格MPU-6050有24个引脚，各引脚接口说明如表2.1所示：表2.1：引脚接口说明表引脚编号引脚名称描述1CLKIN可选的外部时钟输入，如果不用则连到GND6AUX_DAI2C主串行数据，用于外接传感器7AUX_CLI2C主串行时钟，用于外接传感器8VLOGIC数字I/O供电电压9AD0I2CSlave地址LSB(AD0)10REGOUT校准滤

12、波电容连线11FSYNC帧同步数字输入12INT中断数字输出(推挽或开漏)13VDD电源电压及数字I/O供电电压18GND电源地19，21，22RESV预留不接20CPOUT电荷泵电容连线23SCLI2C串行时钟(SCL)24SDAI2C串行数据(SDA)2，3，4，5，14，15，16，17NC不接MPU-6050所用电容规格如表2.2：器件标签规格数量校准滤波电容(Pin 10)C1陶瓷，X7R，0.1uF10%，2V1VDD旁路电容(Pin 13)C2陶瓷，X7R，0.1uF10%，4V1电荷泵电容(Pin 20)C3陶瓷，X7R，0.1uF10%，50V1VLOGIC旁路电容(Pin

13、8)C4陶瓷，X7R，0.1uF10%，4V1表2.2电容规格表2.3.3 MPU-6050上电时序图图2.4 MPU-6050上电时序图1. VLOGIC振幅必须VDD振幅2. VDD上升时间为实际值得10%到90%之间3. VDD上升时间100ms4. VLOGIC上升时间为实际值得10%到90%之间5. VLOGIC3ms6. VDD和VLOGIC必需是单调边沿第三章 系统硬件电路设计3.1 总体电路图本设计总体电路图如下所示：图3.1 系统总体电路图3.2 加速度传感器模块图3.2 加速度传感器电路3.2.1 内部结构MPU-6050加速度传感器有3个加速度传感器和3个陀螺仪，分别带有

14、一个自检器，在本设计中不对其进行自检。每个传感器将采集到的模拟信号经模数转换及信号调理后送至传感器寄存器。最后通过I2C总线将数据传送出去。3.2.2 引脚说明加速度传感器1脚接地，4脚接电源。数据信号、时钟信号分别由2脚、3脚接电平转换电路，将5V信号转换成3V信号输出至单片机处理。7脚被规定接电阻后接地。另外三个脚可不接。3.3 液晶显示模块图3.3 液晶显示模块编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极

15、8D1数据16BLK背光源负极表 LCD1206引脚接口说明表如上表所示，LCD1602的引脚接法如下：第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E

16、端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。3.4 按键模块图3.4 按键模块示意图按钮S1、S2、S3分别控制P1.2、P1.3、RST口的输入。三个按钮的功能如下：S1为开始按钮。按下之后，传感器开始测数据。S2为读取按钮。用于读取上一组E2PROM中的数据。S3为复位按钮。通过它可以将系统进行复位。3.5 电源模块本设计采用移动电源供电，USB接口输出5V电源。具体电路图如下：图3.5 电源模块电路图3.6 数据通信模块图3.6 数据通信模块本设计使用RS232协议标准。通过MAX232转换

17、，将加速度信息从九针串口输入电脑。其中，232的8脚、10脚用来和单片机进行信息的交互。3.7数据存储单元图3.7 数据存储单元串行E2PROM通过6脚发送时钟信号，5脚传输数据。8脚接电源，其余接地。三方向加速度传感器采集到的数据通过单片机与E2PROM交互。第四章 系统软件实现4.1总程序流程图开始液晶初始化MPU-6050初始化读I2C数据数据处理数据存储数据显示图4.1 总程序流程图4.2 MPU6050传感器软件实现4.2.1 初始化框图设置电源模式解除休眠状态设定陀螺仪采样率设定陀螺仪检测范围设定加速度检测范围图4.2MPU-6050初始化框图4.2.2 采样率设置FIFO输出的D

18、MP采样和运动检测都是基于采样率。计算方法为：采样率=陀螺仪输出率/（1+ SMPLRT_DIV）当DLPF-CFG被禁用时，陀螺仪输出率为8KHz；当DLPF-CFG被启用时，陀螺仪输出率为1KHz。通过配置寄存器和采样率分频器寄存器设置采样率。寄存器图如图4.3及4.4所示：图4.3 采样率分频器寄存器图4.4 配置寄存器在配置寄存器中EXT_SYNC_SET是用来设置传感器数据有效为的，DLPF_CFG用来设置陀螺仪输出率。如图4.5及图4.6所示：图4.5 有效位设置图4.6 陀螺仪输出率设置从以上图片可以得出SMPLRT_DIV，CONFIG寄存器的地址分别为0x19，0x1A.本设

19、计陀螺仪采样率设置为125Hz故将SMPLRT_DIV设置为0x07，低通滤波采样率设置为5Hz，故将CONFIG设置为0x06。4.2.3 陀螺仪配置通过陀螺仪配置寄存器可以实现陀螺仪的自检及其满量程范围设置。因陀螺仪在出厂时已完成其自检，故本设计不进行自检。陀螺仪配置寄存器如下图所示：通过设置FS_SEL的值选择不同的量程范围。本设计的量程设置为2000deg/s。由图4.7及表4.1可得该寄存器地址为0x1B设置为0x18。图4.7 陀螺仪配置FS_SEL满量程范围0250deg/s1500deg/s21000deg/s32000deg/s表4.1 FS_SEL设置4.2.4 加速度计配

20、置ACCEL_CONFIG寄存器用来触发加速度自检和和配置满量程加速度计范围。本设计不进行自检。通过对AFS_SEL选择不同的加速计满量程范围。ACCEL_CONFIG寄存器如图4.8所示。其中AFS_SEL设置如表4.2所示：图4.8 加速度计配置AFS_SEL满量程范围02G14G28G316G表4.2 AFS_SEL设置本设计设置为2G，由上可得ACCEL_CONFIG地址为0x1C，设置为0x01。4.2.5 加速度计测量寄存器该寄存器用来暂时存放各轴传感器数据。MPU-6050的FIFO在收到指令后会自动从各个寄存器中读取数据。各轴传感器数据分高位和低位分别存放在寄存器中.这是一个只

21、读寄存器。各寄存器如图4.9所示：由图可得各寄存器地址为：0x3B，0x3C，0x3D，0x3E，0x3F，0x40。图4.9 加速度计测量寄存器4.2.6 陀螺仪测量寄存器该寄存器用于存储最新的陀螺仪传感器数据也是一个只读的存储器，数据送到FIFO寄存器。其各轴传感器寄存器地址如下图所示：图4.1 陀螺仪测量寄存器由图可得各寄存器地址为：0x43，0x44，0x45，0x46，0x47，0x48。4.2.7 电源管理寄存器MPU-6050有两个电源管理寄存器，寄存器1允许用户配置电源模式和时钟源，它还提供了一个位重置整个设备，温度传感器禁用位。寄存器2允许用户配置加速度只有低频率唤醒电源模式

22、。该寄存器还允许用户将单个轴加速度计陀螺仪进入待机模式。本设计对寄存器1进行配置。寄存器1如图4.11所示：图4.11 电源管理寄存器SLEEP设置为1时，传感器将进入休眠模式。当CYCLE设置为1时，休眠模式被禁用，传感器进入循环模式。Bit7为重置位，Bit4保留。Bit3置为高位时，传感器进入睡眠模式。Bit2置为1时，禁用睡眠。Bit1置1将禁用温度模式。最后一位无符号值。由上可得：本设计将电源配置寄存器(地址为0x6B)配置为0x00即可。MPU-6050中寄存器Who_Am_I对芯片地址进行配置，寄存器地址为0x75。寄存器的默认值为0x68。通过对各个寄存的配置和程序作用可以实现

23、MPU-6050数据的传出。4.2.8 初始化程序MPU-6050通过I2C总线来进行指令的写入，以下为程序：void I2C_SendByte(uint8_t dat) /I2C发送字节程序 uint8_t i; for (i=0; i8; i+) /8位计数器进行8次循环 dat = 1; /移出数据的最高位 SDA = CY; /送数据口 SCL = 1; /拉高时钟线 Delay5us(); /延时 SCL = 0; /拉低时钟线 Delay5us(); /延时 I2C_RecvACK();void Single_WriteI2C(uint8_t REG_Address,uint8_t

24、 REG_data) /I2C写字节程序 I2C_Start(); /起始信号 I2C_SendByte(SlaveAddress); /发送设备地址+写信号 I2C_SendByte(REG_Address); /内部寄存器地址， I2C_SendByte(REG_data); /内部寄存器数据， I2C_Stop(); /发送停止信号void InitMPU6050() /初始化程序Single_WriteI2C(PWR_MGMT_1, 0x00);/解除休眠状态Single_WriteI2C(SMPLRT_DIV, 0x07); /设定陀螺仪采样率Single_WriteI2C(CONF

25、IG, 0x06); /设定低通滤波采样率Single_WriteI2C(GYRO_CONFIG, 0x18); /设定陀螺仪检测范围Single_WriteI2C(ACCEL_CONFIG, 0x01); /设定加速度检测范围4.2.9 读数据程序MPU-6050传感器的数据也是通过I2C传送到单片机，以下是读取数据程序13：uint8_t Single_ReadI2C(uint8_t REG_Address)uint8_t REG_data;I2C_Start(); /起始信号I2C_SendByte(SlaveAddress); /发送设备地址+写信号I2C_SendByte(REG_A

26、ddress); /发送存储单元地址，从0开始I2C_Start(); /起始信号I2C_SendByte(SlaveAddress+1); /发送设备地址+读信号REG_data=I2C_RecvByte(); /读出寄存器数据I2C_SendACK(1); /接收应答信号I2C_Stop(); /停止信号return REG_data;本章只给出关键部分程序，详细程序请参考附页。第五章 结 论当前，对电梯的安全性、可靠性以及乘坐舒适性进行综合控制研究在国内电梯控制领域尚属空白。对基于物联网的电梯监控系统的研究能够解决系统运行数据的传输、处理等关键问题。同时，也为进一步研究的物联网结构、基于数据驱动的控制方法以及数据挖掘分析方法