基于MEMS的电梯振动检测系统研究

摘 要

现在，伴随着楼层的增加，各高楼对电梯运行速度的要求是越来越快，而电梯的振动随着电梯运行速度的提高也随之加剧，电梯的振动问题已成为影响电梯舒适度的首要因素。电梯的振动会缩短电梯和零部件的使用寿命，同时，强烈的振动还会影响电梯检测装置的正常工作，使电梯不能正常运行，严重时甚至会引发安全事故。因此，研究电梯的振动特性对于高速电梯的发展是很有必要的。在本文中，作者根据电梯实际的运行规律，构建基于MEMS的电梯振动检测系统，通过检测电梯运行中的加速度来获得电梯的振动情况。

【关键词】MEMS 电梯振动 检测系统

MEMS是一种在集成电路工艺基础上发展起来的，能完成对应特定功能的机械装置或系统，该系统将微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、通讯接口和电源等部件集于一体，是目前系统发展的主流形式。目前MEMS技术因其具有微型化、集成化、多样化、智能化等特点，已广泛应用于航空航天、生物医疗、电子通信等各个领域，并且正逐步向更小型化发展。本系统中使用的各功能模块都是基于MEMS技术加工而成的将各相应功能集成于微小芯片的微型模块，都具备MEMS芯片的微型化、智能化、高集成度的特点，是MEMS技术优势的很好体现。下文将介绍基于MEMS技术的各个硬件模块的设计。

1 系统硬件设计

传感器模块：测试系统中被测电梯的加速度，其中，转矩的控制由电机驱动器来完成。电源模块：该部分主要给硬件电路各个模块提供电源，维持个模块的正常使用；无线传输模块：主要通过协议来实现对采集信号的无线传输。数据处理模块：该模块主要负责对采集到的信号进行处理，并反馈有效信息，协调整个硬件电路的功能运行；AD/DA转换器：该部分主要是数据采集卡把检测到的模拟电压信号如：电流、电压，经过A/D转换，变为计算机可以识别的数字信号，然后传输到计算机的上位机软件平台上。

2 MEMS模块

ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，其内部集成了采用MEMS技术研制的内部信息源传感器，具有抗冲击能力、可靠性高、寿命长、成本低等优点。

在ADXL345中，可通过SPI或I2C数字接口通信，但不管处于哪种模式，ADXL345都是作为从机来使用的。一般情况下，可通过CS片选引脚的接线情况来区分两种通信模式。在SPI接口模式下，CS片选引脚由总线主机控制；在I2C接口模式下，CS片选引脚接VDD I/O高电平。ADXL345外围接线情况如图2所示。由图中所示接线情况可知，此ADXL345芯片工作在I2C接口模式下，并且通过多通道缓冲串行接口（McBSP）与数字信号处理器进行通信。

无线数据传输模块采用的是NRF24L01180，该芯片是一款2.4GHz高速2Mbps的无线收发芯片，它是基于MEMS技术研制的微小型功能模块，采用了高效GFSK调制，抗干扰能力强，并具有CRC检验功能，可实现自动应答和自动重发的功能。在信号传递过程中，该芯片的SPI接口速率可达到8Mbps，同时，可以实现点对点或是1对6的无线通信，除此之外，该芯片还具有其他MEMS系统的特点：功耗低，工作电压仅为1.9～3.6V；功能强大，满足多点通讯和调频需要；效率高，能快速进行数据的接收和传送。从无线收发芯片NRF24L01180的各个特性来看，采用该芯片能够稳定高速的实现数据的无线传输，对于本系统的工作环境来说完全没有问题，一定可以很好的满足本系统的功能需要。无线数据传输模块的电路原理图如图3所示，下方以晶振为核心的电路为外部时钟电路，主要为CPU提供工作所需的时钟信号；右方ANT1、ANT2两脚的外接电路是外部天线电路，主要负责数据的无线接收和发送。

3 结语

本系统使用基于MEMS技术的各功能模块来搭建电梯振动特性的检测系统，使系统更加微小，功能更加强大。该系统能够通过无线传输模块对电梯振动特性进行实时监控，便于及时处理电梯问题，避免事故的发生。并且模块故障时也能方便快速的处理，不会影响电梯的正常运转，同时系统通用性强能够应用于大部分场合，便于实现数据的共享，在未来的电梯发展中，该系统一定会成为主流。

参考文献

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作者简介

黄自鑫（1988-），现为武汉纺织大学机械工程与自动化学院研究生。研究方向为检测技术与系统。

薛勇（1968-），现为武汉纺织大学机械工程与自动化学院副教授。研究方向为检测技术。

作者单位

武汉纺织大学机械工程与自动化学院 湖北省武汉市 430200