基于霍尔传感器电梯称重变送装置设计与实现

• 关键词：
• 摘要：本文介绍了一种新型的 、基于霍尔传感器的电梯智能称重变送装置的设计与实现。该装置通过将电梯轿厢底部受重而产生的形变，由霍尔传感器转换成相应的数字信号 ，经过线性化处理后实现对电梯载荷的检测 。并采用双音多频(DTMF)载波通讯方式
  ，采用两线制同时实现电源供电和信号的远程变送
  。获得高效率
  、高可靠性、高抗干扰能力的实际应用效果。

摘要：本文介绍了一种新型的 、基于霍尔传感器的电梯智能称重变送装置的设计与实现 。该装置通过将电梯轿厢底部受重而产生的形变，由霍尔传感器转换成相应的数字信号 ，经过线性化处理后实现对电梯载荷的检测 。并采用双音多频(DTMF)载波通讯方式 ，采用两线制同时实现电源供电和信号的远程变送
。获得高效率 、高可靠性
、高抗干扰能力的实际应用效果。 关键词：称重装置；霍尔效应；双音多频(DTMF)传输；两线制 Abstract：A new kind of elevator weighing transmitter’s design and implementation is introduced in this paper,which is based on Hall-effect sensor, the principle, configuration and particular properties is presented too. The system isanti-abrasive, long-life with high accuracy by using the non-contact of Hall magnetic of weighing transmitter. Double-line transmission makes it be capable of remote transmission, strong anti-jamming and high reliability.Keyword: load weighing device; Hall-effect sensor; double tone multifrequency(DTMF); double-line mode
中图分类号：TP212.13文献标识码：B
一、引言

为了人员和货物以及电梯本身的安全
，国家标准GB7588《电梯制造与安装安全规范》对电梯超载运行制定了严格要求 。电梯控制系统一般需要测量装置提供轻载 、满载
、超载三个开关量信号，高档智能电梯还需要模拟量电压或电流输出信号
。另外 ，电梯的一些控制功能
，比如满载直驶，防捣乱功能 ，也需要有一个测量电梯负载的装置为控制系统提供电梯的负载信号。文本所介绍的电梯智能称重变送装置正是为了实时监控电梯负载而设计的 。目前测量载重的传感器比较多
，有压敏电阻式、电涡流式 、电容式等等
。这些传感器的特点是电路设计复杂，安装操作麻烦 ，随着测量量程的增加
，体积也会相应增大。并且大多数传感器测量时需要与被测物体相接触，比较容易磨损 ，一旦接触表面不均匀
，则灵敏度会下降很多，大大限制了传感器的使用寿命 。因此本文提出了一种新的 ，基于霍尔效应的非接触式霍尔传感器 ，作为电梯智能传感器
，实现电梯载荷量的远距离传送
。在传输方式上采用现今比较流行的电源线载波通讯，通过双音多频(DTMF)信号发生器 ，将传输数据转换成双音多频信号
，并耦合入电源线进行远距离数据传输。
二
、电梯智能称重变送装置的总体硬件结构


电梯智能称重变送装置的硬件设计充分考虑了大小和性价比，用最少的元器件设计出满足要求的硬件电路 。其系统硬件结构逻辑框图如图1所示
。硬件结构包括霍尔传感器、信号放大A/D转换电路 、AT89C2051CPU模块及两线制发送接口电路组成。首先由霍尔传感器将电梯轿厢的载荷量转化为对应的电压值 ，经放大电路
，再由A/D转换电路将模拟量转化为数字量传送给单片机 。数据在单片机中经过数字去除干扰滤波处理后，再由两线制接口电路实现远距离传输 。1
、霍尔传感器霍尔传感器是将霍尔元件、放大器 、温度补偿器及稳压电路集成在一个芯片上 ，它基于霍尔磁效应
，可以将磁场磁通量的变化转化成为线性的电压信号输出
。根据霍尔效应原理，如果垂直作用于元件平面的磁感应强度为B ，通过元件的电流为I
，则无负荷时产生的霍尔电压如下式所示：
（1）式中，KH—元件的灵敏度（V/AT）；I—通过元件的电流（A）；B—磁感应强度（T）；fH—形状系数 ，由元件的形状和霍尔角所决定 ，一般小于1。由上式看出
，霍尔电压VH的大小与电流I和磁感应强度B的乘积成正比关系，并与元件的灵敏度有关 。若使控制电流I固定 ，则VH与B成比例变化
。当霍尔传感器在一个均匀梯度磁场中移动时
，元件所输出的电压变化就能反映出位移的情况。霍尔传感器在应用于电梯称重变送装置时，将集成了线性霍尔传感器的整个变送装置固定在活络轿厢的底部 ，并在轿厢底部放置一块永久磁体（如图2） 。当人进入轿厢内时
，轿厢底部因受重而产生形变，磁体和霍尔传感器之间产生位移 ，引起霍尔传感器感应的磁场磁通量变化
，从而产生相应的线性电压输出，进而获得载重
、位移与电压的对应关系
。输出的电压经过差分放大得出需要采集的量。如果轿厢底部的橡胶的压缩位移为3mm～10mm ，称重变送装置可对5kg的载荷变化量做出反应 。实验表明：霍尔传感器与永久磁体间的距离对传感器的灵敏度、线性度与量程都有很大影响
，若霍尔传感器与永久磁体距离很近，则该处的磁场强度很大 ，传感器容易饱和 ，线性度差
，量程小；若霍尔传感器与永久磁体距离太远，则磁场很弱 ，霍尔传感器感应不到磁场
，灵敏度降低，因此称重变送装置安装时必须确定永久磁体与称重变送装置间的最佳距离
。在实际应用中 ，电梯空载时保持称重变送装置与磁体间距在19mm～22mm左右最为理想。为了使安装满足上述要求
，利用CPU控制双色发光二极管作为提示灯，当称重变送装置与永久磁体间的距离到达最佳距离的误差范围(±0.1mm)内时 ，提示灯交替闪烁
，此时固定称重变送装置，完成安装 。实际安装中需要注意的是 ，应尽可能将变送装置安装在靠近轿底中心部位
，并将其安装在电梯轿底承重梁上，感应磁体吸附在活动轿底 ，且标志面正对传感器感应点 ，并使轿底磁体对准传感器上端面中心点
，同时必须保证本装置上端面与磁体端面相互平行
。实际调试时，由于永久磁体所固定的活动轿底为导磁材料 ，磁体吸附在其表面后
，磁感应强度会有所增强，所以一切数据应以现场测试所得为准。在测试试验数据时 ，可以根据实际情况
，在称重变送装置的底部另外固定一根带螺纹的顶杆，其标准为每一圈前进（或后退）1mm ，测得试验数据如表1：

距离：为感应磁体端面到变送装置上端面的垂直距离；电压：为经过放大及A/D采样后得到的最终电压值 。将现场所得数据分段线性化
，进而得出上层控制器所需的各种参考数据 。2 、前端信号调理电路及A/D转换电路为了解决电梯载重从空载到满载所对应的输出电压范围较小，并提高载重的分辨率 ，采用了差分放大电路和12位串行A/D转换电路
。霍尔传感器的饱和输出电压为4.2V
，无磁场时的输出电压为2.5V，这个电压范围相对较小 ，不利于A/D采样。可以采用差分放大电路来扩充电压的采集范围 ，如图4所示 。选用4.1V（MCP1541）的基准电源
，通过一个可调的分压电路得到基准电压Vj，设霍尔传感器的输出电压为VH ，则经过差分放大后的电压VC为：
（2）选择合适的Rf与R1的值
，可以使输出电压VC的取值范围在0V～5V之间，从而达到扩大电压采集范围的目的
。放大器输出的电压信号通过A/D转换 ，变成单片机便于处理的数字信号。为了保证传感器对5kg的载荷变化量做出反应
，需要选取曲线斜率比较大的一段 。同时在此范围内要有足够的采样点，应选用高分辨率的A/D转换芯片
。本电路使用的A/D转换芯片为ADS1286 ，12位分辨率
，20kHz采样频率，低功耗 ，工作电流仅为250mA
，同时采用串行接口通信，体积小 ，接口简单 ，如图5。


工作原理：在芯片选择（）无效情况下
，DCLOCK最初被禁止且Dout处于高阻状态 。当串行接口把拉至有效时，转换时序开始允许DCLOCK工作并使Dout脱离高阻状态
。串行接口然后把DCLOCK 序列提供给DCLOCK并从Dout接收转换结果。在DCLOCK的每个下降沿送出同步数据序列 ，并在DCLOCK的上升沿锁存数据 。需要注意的是
，使能（拉低）后的第二个DCLOCK脉冲使能Dout，并在输出一个无效位后的12个脉冲接收A/D转换的结果 ，其转换速率由DCLOCK的同步脉冲速率决定
。3 、微控制器与复位电路单元中央处理单元采用了美国ATMEL公司低电压
、高性能CMOS 8位单片机AT89C2051
，片内含2k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统 ，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元
，同时具有低价位 、封装小等特点 。复位电路设计中，选用MAX813“看门狗”芯片 ，采用3种复位方式
，即上电复位
、手动复位和软件复位 。上电后，MAX813输出给单片机一个高电平复位脉冲 ，同时也可以通过手动开关进行强制复位
。软件复位主要是由“看门狗 ”进行控制 ，AT89C2051的一个I/O口输出脉冲
，由MAX813计数检测，当软件运行出现死循环时 ，“看门狗
”发出复位信号
，保证软件的顺利运行，这样设计便于调试和处理整体运行时出现的问题。

4、双音多频（DTMF）发送电路在将模拟电压信号变为数字信号后 ，由中央处理器对数据进行软件数字滤波处理
，去除干扰取平均值滤波，再将处理过后的数据交由DTMF发送电路进行发送 。由于传感器本身不带有独立的电源 ，所以整个装置需要外部供电
，加上数字信号的传输，则至少需要3根线与外界连接 ，同时还要考虑远距离传输时信号的衰减
。所以本装置提出了