利用單晶片微控制器 實現電梯控制系統新創意

新電子 2006 年 4 月號 241 期
文．余兆棠/葉遠呈/蕭仁理/楊明儒

為了改善傳統電梯在使用上的不便之處，本文使用一款單晶片微控制器做為電梯控制系統的控制中心，再配合周邊電路設計，來提升電梯控制系統的使用功能，使其具備更人性化、更方便的使用特性...

電梯是日常生活中非常便利的工具，但是仍存在著一些操作上的困擾，例如在電梯內不小心按錯樓層時卻不能取消，因而必須多停靠不必要的樓層，浪費時間與能源。另外，當電梯內已客滿，但其他樓層的電梯使用者仍按下搭電梯按鈕時，同樣也會造成不必要的樓層停靠，以及時間與能源的浪費。針對這些問題，本文提出一些新的構想，以改善現有之電梯控制系統，並新增功能，如連按兩次電梯內控制按鍵即可取消按錯樓層的指令；電梯可自動判斷客滿，並將客滿資訊顯示於各樓層電梯搭乘處，讓各樓層使用者可清楚掌握電梯承載狀況；以及當電梯客滿時，若內部無人選擇之樓層，控制系統可跳過該樓層不停，即使該樓層外部有人欲搭乘電梯。

目前有極少數電梯已具備上述第一項功能。一般電梯皆裝有重量感測器來判斷是否超載，但未用來做電梯直達功能之控制。考量電梯的空間被占滿但未達到該電梯可負載重量之最高上限時，現有電梯控制系統無法判定為滿載，本文提出以影像辨識並配合電梯載重感測器達成「電梯滿載」之辨識，同時可將「客滿」資訊，顯示於各樓層電梯搭乘處，並應用此資訊，控制電梯直達之功能。

為落實這些電梯控制系統改良創意，本文以一款單晶片微控制器HT46R24做為電梯控制系統的控制中心，配合設計之周邊電路，實現一個可以執行上述新增功能的電梯控制系統，使得具備此控制系統的電梯，大幅提升其功能與方便性。

電梯控制系統設計

在此以專題製作方式實現前述電梯控制系統改良創意，電梯控制系統示意圖如圖1所示，圖2顯示相對應之系統方塊圖，其中電梯內部有按鍵與顯示、語音播放、影像擷取、載重偵測以及系統控制中心電路等模組，電梯外各樓層亦有按鍵與顯示模組。

本文採用的模組化設計，各模組與其功能分述如下：

電梯按鍵與顯示

本模組執行基本的電梯按鍵及顯示，電梯內部與外部按鍵採用4×4鍵盤掃描原理，而電梯內部樓層顯示裝置則採用8×8的光發二極體(LED)矩陣，外部顯示裝置則選用LED指示燈。電梯按鍵訊號送至系統控制電路處理，藉由系統控制中心判別樓層以及電梯上、下樓動作，同時傳送顯示訊號到顯示模組，顯示樓層與上、下樓之訊息。另外，若電梯客滿時電梯外各樓層會顯示「滿」的符號。

影像擷取與辨識

電梯內部設置CMOS影像擷取元件，系統控制中心驅動影像擷取，並以影像辨識配合載重偵測資訊判斷電梯是否客滿，當電梯客滿時，將客滿訊息傳送到電梯外部各樓層之顯示器顯示。

載重偵測

擷取電梯載重資訊，系統控制中心依此判定是否超載，並配合影像辨識判斷電梯是否客滿。

語音播放

本模組執行基本的語音播放功能，使用90秒分段即時錄放語音IC，預先錄製需要之語音，系統控制中心依電梯狀態，控制層樓與電梯的開關門等語音播放。

系統控制中心

採用單晶片微控制器作為主控晶片，撰寫程式控制所有周邊模組，實現電梯按鍵、上下樓動作、電梯樓層顯示，以及電梯語音等一般電梯所具備功能。此外也實現先前提出的新增創意功能。

電梯控制硬體設計

依據前述模組化設計，其電梯控制系統之硬體方塊圖如圖3所示，主控微控制器結合顯示控制、語音控制、辨識控制以驅動個別電路，另加上馬達、載重偵測、按鍵的控制以及影像監控系統。

其他所使用的硬體，還包括一款CMOS影像感測器、轉接板、模擬板(用以驅動轉接板)、SRAM記憶體，以及快閃記憶體。

電梯控制軟體設計

配合前述電梯控制系統硬體模組設計，設計相對應之控制軟體，使電梯控制系統可完成一般電梯所具備功能以及本文提出的新增創意功能，電梯控制系統之主控軟體流程如圖4所示，其中影像辨識配合載重偵測資訊判斷電梯是否客滿，是本文最重要之新增創意功能。其他電梯控制系統的一般控制軟體流程不在此討論。

本文之影像辨識是以電梯無承載之地板為參考影像，事先將電梯內無承載時的影像用非揮發性記憶體儲存起來，再將其讀取出來與電梯有承載的影像做比對，當比對結果與原來影像相差超過一定比例時判定電梯客滿，在此設定為75%，此數值在實際應用時可依實測資訊加以設定。當然做影像辨識判定客滿前先要以承載重量判定是否超級重。電梯是否客滿之判定流程如圖5所示。

可實現的電梯控制系統創意

實現並整合前一節所述之電梯控制系統軟、硬體設計，完成一個智慧型電梯控制系統之成品，圖6為電梯控制系統電路，包括控制中心、按鍵、顯示、語音等模組。圖7為影像擷取與辨識模組電路。

以CMOS影像感測器所拍下電梯無承載時地板影像，做為比對依據。圖8顯示以跳棋模擬承載電梯承載影像，並依據圖5的流程，判定電梯是否客滿。

本文主要提出電梯控制系統新增的按鍵取消、電梯自動判斷客滿以及客滿直達之功能，並以專題製作方式實現此創意，雖然現有之電梯門開關控制、停電後電梯重置、緊急對外聯絡電話、多組電梯架構等並未在本專題中一併實現，因為這些已是現有之功能，透過專題製作方式已足以說明這項創意確實可行。另外，本文採用影像處理方式實現「電梯客滿」判斷，其主要考量是電梯內裝設影像監控系統愈來愈普遍，因此可在不增加成本的情況加以實現。

(本文作者余兆堂為南台科技大學電子系教授，葉遠呈、蕭仁理、楊明儒就讀於南台科技大學電子系。)

(詳細圖表請見新電子241期4月號)