毕业设计（论文）-基于单片机的电梯控制系统.doc

毕毕业业论论文文(设设计计) 题题目名称：目名称： 基于单片机的电梯控制系统 题题目目类类型：型： 毕业设计 学生姓名：学生姓名： 院院 (系系)： ： 电子信息学院 专业专业班班级级： ： 电气 10703 班 指指导导教教师师： ： 辅导辅导教教师师： ： 时时 间间： ：2011 年 2 月 21 日 至 2011 年 6 月 10 日 目录 毕业论文(设计)任务书I 毕业设计(论文)开题报告III 长江大学毕业设计(论文)指导教师审查意见.IX 长江大学毕业设计(论文)评阅教师评语X 毕业设计（论文）答辩记录及成绩评定.XI 中外文摘要XII 1 前言1 1.1 课题的提出及研究意义 1 1.2 国内外电梯系统技术的发展现状 2 1.3 课题研究的内容 4 2 方案论证.5 2.1 主控芯片选择 5 2.2 定位平层模块 5 2.3 楼层显示模块 6 2.4 声音提示模块 6 2.5 电动机模块 6 2.6 电动机驱动模块 7 3 硬件设计8 3.1 总体方案设计 8 3.2 单片机最小系统 9 3.3 各模块设计 .10 4 软件设计.15 4.1 电梯主程序 .15 4.2 电梯逻辑控制 .16 4.3 电梯运行控制 .17 4.3 键盘扫描、楼层检测 .18 4.4 紧急停止、演示功能 .19 4.5 程序中位操作问题分析 .19 5 系统测试.20 5.1 软件编译调试 .20 5.2 硬件仿真 .21 5.3 DELPHI效果图 22 5.4 系统测试 .22 6 小结与展望.25 参考文献.26 致谢.27 附录一：部分程序代码.28 附录二：系统 PCB 图.39 附录三：器件清单 管脚说明41 附录四：电梯模型实物图.42 I 毕业论毕业论文文(设计设计)任任务书务书 院（系） 电信 专业 电气 班级 10703 学生姓名 马威 指导教师/职称 高秀娥/高级实验师 1. 毕业论毕业论文文(设计设计)题题目：目： 基于单片机的电梯控制系统 2. 毕业论毕业论文文(设计设计)起止起止时间时间： ： 2011 年 02 月 21 日 2011 年 06 月 10 日 3 毕业论毕业论文文(设计设计)所需所需资资料及原始数据（指料及原始数据（指导导教教师选师选定部分）定部分） （1）徐爱钧.智能化测量控制仪表原理与设计M.（第 2 版）.北京航空航天大学出 版社.2004.9 （2）余发山，王福忠.单片机原理及应用技术.北京：中国矿业大学，2003 （3）何斌电梯群控系统设计与应用 D 南京理工大学，2006 （4）王君明电梯模型控制系统设计J 。湖北水利水电职业技术学院学报， 2006 （5）余兆棠，叶远呈，萧仁理电梯控制系统改良与实现J电子测试，2006 （6）金建峰，动态测量建立曳引电梯的能耗仿真模型J 机械设计与研究， 2009 （7）张汉杰，王锡仲，朱学莉现代电梯控制技术M哈尔滨工业大学出版社， 2001 （8）架延东电梯控制技术M北京：中国建筑工业出版社1997 4 毕业论毕业论文文(设计设计)应应完成的主要内容完成的主要内容 基于单片机的电梯系统主要有信号检测、声光运动控制部分构成，电梯可以实 时进行电梯位置检测，控制信号检测，并有相应的声光信号显示，驱动电机拖动电 II 梯模型进行相应的运动。电梯系统可以具有应急保护功能，独立供电模块。 5 毕业论毕业论文文(设计设计)的目的目标标及具体要求及具体要求 基本功能： （1）显示:本设计要求实现5层控制, 电梯运行时应有相应指示灯亮，以示电梯正在 上行或下行，实时显示电梯所在楼层位置。 （2）升降控制:当某层有呼叫有相应呼叫信号显示。电梯模型作相应的运动，并准 确平层，当有多人同时进行电梯请求时，需要对请求信号排序。 （3）平层时呼叫信号消失，并进行开门、关门操作，平层结束时给出提示信号。要 求平均每层运行时间不超过5秒。 （4）具备不可逆响应的功能：电梯上升途中只响应上升呼叫,下降途中只响应下降 呼叫,任何反方向呼叫均无效。电梯门不关上，启动电梯运行无效。 扩展功能： （1）可采用遥控控制或感应操作功能。 （2）出现意外情况时，要求电梯随时能够紧急停车、待命，并发出相应的声音通知 外界。情况正常后重新恢复受控状态。 （3）电梯系统能显示当前时间，同时可以通过键盘对系统时间进行设定 （4）电梯采用独立电源模块 6、完成、完成毕业论毕业论文文(设计设计)所需的条件及上机所需的条件及上机时时数要求数要求 上机：120 机时 任任务务书书批批准准日日期期 2011 年年 01 月月 13 日日 教教研研室室(系系)主主任任(签签字字) III 任任务务书书下下达达日日期期 2011 年年 01 月月 13 日日 指指导导教教师师(签签字字) 完完成成任任务务日日期期 2011 年年 06 月月 10 日日 学生（学生（签签名）名） 长江大学 毕业设计毕业设计( (论文论文) )开题报告开题报告 题 目 名 称 基于单片机的电梯控制系统 题 目 类 别 毕业设计 学 院（系） 电子信息学院 专 业 班 级 电气 10703 学 生 姓 名 马 威 指 导 教 师 高秀娥 辅 导 教 师 高秀娥 开题报告日期 2011 年 3 月 14 日 IV 一一 题目来源及类型题目来源及类型 题目来源：实验室建设 题目类型：专题研究 二二 研究目的和意义研究目的和意义 电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具、是机电一体化的复杂运输设备。它 涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微电脑技术、电力拖动系统和土建工程 等多个科学领域。尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、 钢丝绳曳引式结构。从电梯各构件部分的功能上看，可分为八个部分：曳引系统、 导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保 护系统。 作为高层建筑物上下交通运输的重要设备，越来越多的机电专业将参与电梯技 术方面的工作，为了掌握电梯的结构和控制技术就有必要把这庞大的集机械、电气、 传感器于一体的产品模拟化，用 PLC、单片机、微机、变频器等控制手段去开发多 功能应用软件，对提高学生的综合应用程序设计能力也将是非常有益和非常有效的。 因此设计了一套完整的电梯控制系统，该系统可以和任何自动控制单元相连接作为 下位机，也可以单独使用作为一般主控系统，验证各种电梯调度算法。 三三 阅读的主要参考文献及资料名称阅读的主要参考文献及资料名称 1 8051 单片机实践与应用无金戊、沈庆阳、郭庭吉编著：清华大学出版社 2 MCS-51 单片机实验指导张友德、杨胜球编著：复旦大学出版社 3 何斌电梯群控系统设计与应用 D 南京理工大学，2006 4 王君明电梯模型控制系统设计J 。湖北水利水电职业技术学院学报， 2006 5 余兆棠，叶远呈，萧仁理电梯控制系统改良与实现J电子测试，2006 6 张汉杰，王锡仲，朱学莉现代电梯控制技术M哈尔滨工业大学出版社， V 2001 7 架延东电梯控制技术M北京：中国建筑工业出版社1997 8 单片机原理及应用技术余发山，王福忠：中国矿业大学，2003 9 北方工业大学学报第 10 卷第 1 期 1998 年 3 月 10全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编 （1994-1995） 11实用遥控电路肖景和，赵健著：人民邮电出版社 12单片机应用系统设计何立民：北京航空航天大学出版社 四四 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向 目前，我国国产电梯大部分为继电器、PLC 控制方式以及单片机控制方式。 继电-接触系统：它的优点是线路直观，大部分电器均为常用电器，更换方便， 价格较便宜。但是他触点繁多，线路复杂，电器的电磁机构及触点动作较慢，能耗 高，机械动作噪音大，而且可靠性差。继电器控制系统性能不稳定、故障率高，大 大降低了电梯的舒适性、可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员的生活和工 作带来了很多不便，因而传统的电梯控制系统的更新势在必行。 PLC（可编程控制器）在电梯控制中得到了广泛的应目前。PLC 在设计和制造 上采取了许多抗干扰措施，使用方便，扩展容易。它使用了梯形图和可编程指令， 易于掌握。电梯控制器通常由 PLC 实现基本能力，但是如果要实现电梯智能化，则 PLC 稍嫌不足。 单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应用 在检测、控制领域中，具有如下特点。 一、成本低。本电梯控制由于采用单片机代替了 PLC 作为主控芯片， 同时用 PWM 驱动直流电机代替了变频调速驱动，从而导致整套系统成本很低。 二、高精度的重量检测及显示。基于 PLC 的电梯模型虽然有重量检测，但检测 精度较低。本电梯模型采用高精度的重量传感器和测量电路， 配合设计优良的数字 处理软件，从而能进行高精度的重量检测和显示 三、 可靠性好，适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计 的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。 四、 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控 制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。 VI 五、 可以很方便的实现多机和分布式控制。 六、 单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。 五五 主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路主要研究内容需重点研究的关键问题及解决思路 电梯工业是极为重要的基础产业，其控制部分在工业发达国家已实现了高度智 能化，由于单片机具有体积小、线路简单、无噪音、可靠性高、维护方便，同时能 方便实现多台电梯的群控, 并通过通讯接口与楼宇自动化系统联接, 实施对电梯的监 控，因此利用单片机来对电梯进行控制的开发显得至关重要。本次设计了一种实用 的模拟电梯控制器，配合相应的软件实现了对模拟电梯的实时控制。 该设计采用单片机 AT89S52 实现基本的简易电梯模型，由于其功能的实现主要 通过软件编程来完成，那么就降低了硬件电路的复杂性，而且更能体现智能思维， AT89S52 是低功耗、高性能的 CMOS 型 8 位单片机。片内带有 8KB 的 Flash 存储器， 且允许在系统内改写或用编程器编程。另外，AT89S52 的指令系统和引脚与 8051 完全兼容，片内有 128B 的 RAM、32 条 I/O 口线、2 个 16 位定时计数器、5 个中断 源、一个全双工串行口等，完全满足该课题的需要。 作为小型化的电梯模拟装置，其控制器的设计应遵循简单可靠以及成本低、维 护方便等原则。控制器的处理器采用了 8 位单片机，外围扩展键盘采用矩阵键盘输 入、位置检测采用反射式红外光电传感器，并配以 LED 显示当前运行信息。电梯模 拟器的机械部分采用了丝杠传动加直流电机配以减速齿轮驱动，距离移动十分精确， 无运行积累误差。 总体设计框图如下图 1： VII 控制模块 电源模块 电动机控制模 块 紧急报警 位置检测模 块 键盘输入 LED 显示模 块 蜂鸣提醒 本系统采用自带2 路电源+5V、+12V分别对各部分电路供电： VCC 330 R1 DS1 0.1U C3 0.1U C4 470U C2 1000UF C1 +12 IN 1 3 OUT 2 GND U1 L7812ABV IN 1 3 OUT 2 GND U2 L7805AB-V D1 Bridge1 Trans Cupl 12V220V 电梯位置检测采用反射式红外线发射-接收器如下图： VIII 电机控制采用调节方波的占空比大小来控制直流电机的转速，控制轿厢移动高 度。整个电机的运行过程大致如图所示： 数码管显示，设计中在轿厢和每个楼层中都设置了一个数码显示管，用来显示 当前电梯所在的层数。由 4511 来驱动 8 位数码管显示电梯所到达的楼层数和电梯的 运行状况。接线图如下： IX 轿厢内设紧急报警按钮，当电梯突然发生故障使轿箱内的人被困时，可以通过 按下紧急报警按钮，使紧急报警灯亮同时发出音响信号，控制过程如下： 采用 555 做成的多谐振荡器产生的方波信号来控制小功率的蜂鸣器工作，将 555 定时器的 Vi1 和 Vi2 接在一起可以接成施密特触发器。我们把施密特触发器的 反相输出端经 RC 积分电路接回到它的输入端，就构成了多谐振荡器。 六六 完成毕业设计完成毕业设计( (论文论文) )具备的工作条件及解决的办法具备的工作条件及解决的办法 装有应用软件的电脑一台、带有下载数据线的单片机、相关书籍资料及器件 七七 工作的主要阶段、进度与时间安排工作的主要阶段、进度与时间安排 2 月 21 日-3 月 15 日 撰写开题报告。 3 月 24 日-4 月 06 日 对课题进行初步设计，以求达到预期目的。 4 月 07 日-4 月 20 日 对设计内容进行测试，修改，达到老师要求水平。 4 月 21 日-5 月 04 日 撰写毕业论文。 X 5 月 05 日-5 月 18 日 完善论文内容。 5 月 19 日-6 月 10 日 准备及进行毕业论文答辩。 八八 指导教师审查意见指导教师审查意见 签字： 年 月 日 长长江大学江大学毕业设计毕业设计(论论文文)指指导导教教师审查师审查意意见见 指导教师职 称 评 审 日 期 评审参考内容：学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计（论文）的 质量和水平，毕业设计（论文）的难度及工作量，学生的学习态度和组织纪律，毕业设计（论文） 的优特点及不足。 审查意见： XI 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分 长长江大学江大学毕业设计毕业设计(论论文文)评阅评阅教教师评语师评语 评阅教师职 称 评 阅 日 期 评阅参考内容：学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计（论文）的 质量和水平，毕业设计（论文）的难度及工作量，毕业设计（论文）的优特点及不足。 评语： XII 评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_ 分 毕业设计毕业设计（ （论论文）答文）答辩记录辩记录及成及成绩评绩评定定 学生姓名班 级 毕业设计 (论文)题目 答辩时间 年 月 日 时答辩地点 一、答辩小组组成 答辩小组组长： 委 员： 二、会议记录摘要 答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况 XIII 三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 答辩小组组长(签名) ： 秘书 (签名) ： 年 月 日 院(系)答辩委员会主任(签名)： 院(系)(盖章) 毕业设计(论文)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师 评分、答辩小组评分和学校关于毕业设计(论文)评分的相关规定) 等级(五级制)：_ XIV 基于单片机电梯控制系统基于单片机电梯控制系统 学 生 ：马 威，电子信息学院 指导老师 ：高秀娥，电子信息学院 【摘要摘要】本文介绍了以 80C51 单片机为核心控制器件的电梯自动控制系统，包 括课题概述、方案论证、硬件设计、软件设计、系统调试等几个部分。该系统采用 单片机作为控制核心，通过扫描内外按键按下与否引起的电平的改变，作为用户请 求信息发送到单片机，控制电动机转动，单片机根据楼层检测结果控制电机停在目 标楼层。硬件部分主要由单片机最小系统模块、楼层检测模块、层位数码管显示、 电动机驱动模块、按键扫描模块、报警模块、上下行呼叫指示电路等部分组成。楼 层检测使用光电传感器，电梯运行到相应楼层时，光电传感器产生电平变化，送到 单片机来确定楼层数，电动机控制部分采用直流电机及 H 桥驱动电路。软件部分介 绍了系统程序设计思路、程序功能分析，着重介绍了主程序的逻辑结构，还分别介 绍了报警、演示功能、按键扫描、层位读取、显示、电梯控制逻辑等子程序的结构 和功能。软件部分使用 C 语言，利用中断方式来检测楼层的检测信息，并送到数码 管进行显示。硬件设计简单可靠，结合软件，基本实现了五层电梯运行的模拟。 【关键词关键词】AT89C51；直流电机；红外传感器；电梯控制； XV Elevater Control System Based On MCU Student: Ma Wei , Institute of Electronics and Information Tutor: Gao XiuE, Institute of Electronics and Information AbstractThis paper introduces the 80C51 microcontroller as the core control device of the elevator control system, including the issues outlined, program feasibility studies, hardware design, software design, system debugging, and several other parts.The system uses a microcontroller as the control centre, Firstly, it is by scanning the internal and external level change caused by keyboard to be a user requests information to the microcontroller, The next is that the single chip controls the motor based on test results floors stopped in the target floor. Hardware part mainly are made of the microcontroller, floor detection module, level digital display, electric motor drive module, key scan module, alarm module, circuit directions up and down the line calls and other components.Floor detection uses optical sensors. When elevator goes to the appropriate floor, Photoelectric sensors produce level changes sent to the microcontroller to determine the floor,.The part of motor control uses H Bridge type circuit to control the DC motor .Software components intorduce System programming design ideas, procedures, functional analysis . It is not only focusing on the logical design of the main structure but also separately introduced the warning function, the demonstration function, the pressed key scanning, the position read, the demonstration, the lift control logic small steelyard procedure structure and the function. Software components use C language. This realization way is the use of Interrupt mode to detect the information of the floor sent to the Digital tube . The hardware design of the system combined with the software is simple and reliable. So It is basically to achieve simulation of elevator running five floors. Key wordsAT89C51; DC motor; infrared sensor; elevator control; 前言 第 1 页（共 44 页） 基于单片机的电梯控制系统基于单片机的电梯控制系统 1 前言前言 随着人们生活水平的不断提高和国内经济的迅速发展。各大城市建筑物在不断 向高层化发展。因此电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。电梯已不仅是一种 生产环节中的重要设备,更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。 2008 年奥运会和 2010 年世博会在中国的举办，将有力的带动电梯革命的节能 环保化发展，电梯产业的前景和走势也随着社会的需求悄然发生着改变。市场对新 一代的绿色电梯、节能电梯和智能电梯的需求越来越旺盛。国内外电梯企业顺应市 场需要，加大研发投入，都准备在未来新概念电梯产业发展中占得先机。 1.1 课题的提出及研究意义课题的提出及研究意义 电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理技术、系统工程学等多科学和 技术分支于一体的机电设备，它是建筑中永久垂直交通工具。电梯作为生产生活的 典型运载工具使用已十分普及，其控制信号类型多，关系复杂，要求的控制性能特 别高。随着经济的发展高层建筑越来越多对电梯的运行速度和控制性能也提出了更 高的要求。而在我国于八十年代初至九十年代初投入使用的电梯,其中绝大部分采用 继电器继电器阵列结构该结构体积大、接线复杂、噪音大、触点易磨损、故障率 高、维护工作量大，已无法满足现代社会的需要。 自上世纪 80 年代以来，微机控制系统得到了极大的发展，现已深人到我国工农 业生产的各个方方面面，随着电力电子技术和微电子技术的发展,使得以微机为核心 的控制系统得到广泛应用。尤其是单片机的开发与应用，其深度和广度越来越大。 微机应用于电梯控制系统，与传统的采用继电接触逻辑控制系统相比，具有很大优 越性，一方面，它使整个系统的体积减小，可靠性提高，使用寿命延长；另一方面， 它还简化了安装调试和维护维修的工作量，使整个电梯的运行成本降低。更突出的 优点是微机具有灵活的算术和逻辑运算功能，具有很强的通信和可扩展功能，实现 更完善的自动控制。 常用的微机控制主要的有两种技术：基于 PLC 控制和基于单片机控制两大技术。 可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器 和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字 基于单片机的电梯控制系统 第 2 页（共 44 页） 控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境， 所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。但是由于 PLC 的针对性较 强，每一台 PLC 都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。而单片机价格相当 便宜，也不像 PLC 那么有针对性，可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的 实现设备的升级。基于单片机控制的电梯可以大大的降低成本而且运行也较可靠， 采用单片机来实现老式电梯控制系统的改造无疑是最佳方案。由于单片机具有体积 小、线路简单、无噪音、可靠性高、维护方便,是一种少投入、高回报的方案。同时 能方便实现多台电梯的群控,并通过通讯接口与楼宇自动化系统联接，实施对电梯的 监控。 1.2 国内外电梯系统技术的发展现状国内外电梯系统技术的发展现状 在现代社会和经济活动中，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别是在 高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输工具。 电梯作为垂直运输的升降设备，其特点是在高层建筑物中所占的面积很小，同 时通过电气或其它的控制方式可以将乘客或货物安全、合理、有效地送到不同的楼 层。基于这些优点，在建筑业特别是高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进 入了新的发展时期。 电梯的存在，使得每幢大型高楼都可以成为一座垂直的城市。在纽约的前世界 贸易中心大楼里，除每天有 5 万人上班外，还有 8 万人次的来访和旅游，因此 250 台电梯和 75 台自动扶梯的设置和正常运行，才使得合理调运人员、充分发挥大楼的 功能成为现实。中国第一高楼、坐落在上海浦东的金茂大厦，高度 420.5m，主楼地 上 88 层，建筑面积 220000，集金融、商业、办公和旅游为一体，其中 60 台电梯、 18 台扶梯的作用是显而易见的。 20 世纪初，美国出现了曳引式电梯，其结构见图 1。从图中可见，钢丝绳悬挂 在曳引轮上，一端与轿厢连接，而另一端与对重连接，随曳引轮的转动，靠钢丝绳 与曳引轮槽之间的摩擦力，使轿厢与对重作一生一降的相反运动。显然，钢丝绳不 用缠绕，因此钢丝绳的长度和股数均不受控制，当然轿厢的载重量以及提升的高度 就得到了提高，从而满足了人们对电梯的使用需求。因此，近一百年来，曳引电梯 一直受到重视，并发展沿用至今。 前言 第 3 页（共 44 页） 1 2 3 图图 1 曳引式曳引式电电梯示意梯示意图图 1轿厢 2曳引轮 3对重 在后来的几十年里，电梯的自动平层控制系统已经通过变换电动机级数的调速 方法来调整电梯运行速度的技术相继研制成功，1933 年，世界上第一台运行速度为 6 m/s 的电梯被安装在美国纽约的帝国大厦。 第二次世界大战后，建筑业的发展促使电梯进入了高峰发展时期，代表新技术 的电子技术被广泛应用于电梯领域的同时，陆续出现了群控电梯、超高速电梯。 随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置越来越多地用于电梯系统，使电梯 的拖动系统简化，性能提高。同时交流调压调速系统的研制和开发，使交流电梯的 调速性能有了明显的改善。进入 20 世纪 80 年代，通过控制电动机定子供电电压与 频率调整电梯运行速度的调压调频技术研制成功，出现了交流变压变频（VVVF） 调速电梯，开拓了电梯拖动的新领域。1993 年，日本生产了 12.5m/s 的世界最高速 交流变压变频调速电梯，结束了支流电梯独占高速电梯领域的历史。 电梯发展到今天，在使用需求和新技术应用方面都到了全面发展的时期。随着 智能化、信息化建筑的兴起与完善，要求电梯不只是完成垂直运输的基本功能，还 应以人为本，提高舒适度，特别从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服 务不再是单一的“时间最短”问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方 法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式、合理的配置与使用、远程监控与故障诊 断、节能以及减少环境污染等。 基于单片机的电梯控制系统 第 4 页（共 44 页） 1.3 课题研究的内容课题研究的内容 随着科技的发展，微型计算机领域的不断进步，将使得将来电梯的体积大大减 小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠、抗干扰性能增强、机械与电气部件 被机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。因此微型计算 机控制技术将会成为电梯运行中的关键技术。 本次设计的主要内容是以单片机为主控制器的电梯控制系统。本来电梯系统是 一个相对复杂的系统，由于能力和经验有限，所以只能实现基本的功能如：层站呼 叫、自动停层、轿厢命令响应等。通过单片机输出电压通过驱动电路然后控制电梯 拖动。在此，本文以五层电梯为研究对象，选用 51 单机(该机芯片选为 AT89S52)作 为其控制器，研究微机控制梯系统的设计方法。根据问题的提出、意义和文献综述， 本课题研究的具体内容包括以下四个方面： （1）对电梯系统常用的控制方法的研究 （2）电梯控制系统硬件组成及其原理 （3）电梯的单片机系统软件设计 （4）电梯在信号传输中遇到的问题 方案论证 第 5 页（共 44 页） 2 方案论证方案论证 2.12.1 主控芯片选择主控芯片选择 方案一：多片单片机控制方案。这种方案是使用多片单片机，其中一片是作为 主控制器，另外设置了轿厢控制系统，每层的控制系统分别由一个单片机控制，然 后通过主控制器和副控制器之间的通讯，实现电梯系统的控制。这种方案的控制系 统的结构简单明了，各个系统之间相互独立便于维护和修检。所以根据功能要求需 要选用 5 片 AT89C2051 单片机就可以实现该电梯的功能。不过单片机之间的通讯较 多，在目前通讯是个难点，可能导致电梯运行过程不够稳定。 方案二 ：采用 CPLD 器件作为控制中心，对整个系统的运作进行统一管理， 但这种方案要求平时有很多的知识积累和较强的专业水平，实现起来比较困难且器 件较贵，不符合经济要求，而且升降电机的控制，运行时间的测量、显示等还需要 单片机的配合。 方案三：一片单片机为主控制器的方案。MCU 采用一个单片机控制所有的按键、 数码管显示、电动机的转动、传感器的输出信号等，并对以上所有信号进行处理。 这种方案的控制系统相对复杂，只适用于较简单的电梯控制系统，因为这次的设计 的内容是 5 层电梯控制系统，所以选用这种方案。单片机技术目前较为成熟，自身 资源丰富，硬件设计简单，成本低，可靠性高，结合软件完全可以实现电梯运行状 况的简单模拟。 权衡以上方案的分析，采用方案三。 2.2 定位平层模块定位平层模块 方案一：采用金属接近开关检测电梯层数。在轿厢安装金属片，并在竖井各个 楼层设置金属接近开关，当轿厢运动到特定位置，竖井上的金属接近开关探测到金 属片，其输出发生变化。单片机通过金属接近开关输出的变化知道电梯轿厢的位置。 该方案安装的金属片会加重轿厢重量，并且金属接近开关体积较大、安装不便、成 本较高。 方案二：采用红外发射对管检测电梯层数。在竖井各个楼层设置红外发射对管。 当接通电源时，红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置（即楼层位 置） ，红外线接收头接收到红外线输出发生变化，单片机通过红外线接收头输出的变 基于单片机的电梯控制系统 第 6 页（共 44 页） 化知道电梯轿厢的位置。该传感器的响应时间为 2.5ms，且体积小、功耗低、容易 安装。 基于上述方案的分析，选择方案二。 2.3 楼层显示模块楼层显示模块 方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关数据以及信息。点阵式 液晶显示器属于低功耗器件，但其价格较贵。 方案二：采用传统的 7 段数码管（LED）显示电梯实时所到的楼层。虽功耗大， 但其软件驱动简单，硬件电路调试方便，价格便宜，亮度大，能满足本设计的要求。 以上两种方案中，选择方案二。 2.4 声音提示模块声音提示模块 方案一：采用美国 ISD 公司的 2590 语音芯片，该语音芯片录放时间为 90 秒。 ISD2500 系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内 E2PROM 容量为 480K，所以录放时间长；有 10 个地址输入端，寻址能力可达 1024 位；最多能分 600 段；设有 OVF（溢出）端，便于多个器件级联。 方案二：采用蜂鸣提示音提示当轿箱到达所需的楼层时，蜂鸣器响，提示乘客 到达了所需的楼层，另外可以作为紧急停止时的报警提示信号，其软件驱动、硬件 电路调试非常简洁方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。 以上两种方案中，选择方案二。 2.5 电动机模块电动机模块 方案一：采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机在定位性能方面十分 优越。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。常用的步进电机每转一步， 角度转 1.8，在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二 是传递信息，升降精度很高。 方案二：采用直流电机作为本设计的执行元件，直流电机工作是让线圈始终交 替地处于稳定状态和非稳定平衡状态，通过两个半圆环形电枢将线圈的稳定平衡状 方案论证 第 7 页（共 44 页） 态消除掉。这样，载流线圈在磁场中就会一直地转动下去。直流电机在高起动转矩、 大转矩、低惯量的系统中经常使用到。 此题目中电机要带动的负载较大，对升降精度要求不是很，所以采用方案二。 2.6 电动机驱动模块电动机驱动模块 我们使用的是直流电机，比较以下两种方案实现对直流电机的驱动。 方案一： 小功率驱动电路可以采用如图 2 所示的 H 桥开关电路。UA 和 UB 是 互补的双极性或单极性驱动信号，TTL 电平。开关晶体管的耐压应大于 1.5 倍 Us 以 上。当四个功率开关全用 NPN 晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管(BG1 和 BG3) 的基极电平偏移问题。图 3 中 H 桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的 电平偏移。但电阻 R 上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。 图图 2 H 桥桥开关开关电电路路() 图图 3 H 桥桥开关开关电电路路() 方案二：采用集成电机驱动控制芯片 L298，该芯片内部包含有两个集成 H 桥， 能同时驱动两路 5 到 24 伏范围电源的直流电机。 由于本系统只有一路直流电机，且功率较小，所以采用方案一中图 2 方案。 基于单片机的电梯控制系统 第 8 页（共 44 页） 3 硬件设计硬件设计 3.1 总体方案总体方案设计设计 本次设计的基本思想是采用 AT89S52 单片机作为核心，利用其丰富的 I/O 接口 与外围电路配合进行控制。采用 8 位 LED 静态显示来实时显示电梯所在楼层，并用 4511 来驱动 LED 显示。采用行列式键盘矩阵作为外呼内选电路，由于是 5 层楼， 故选用 44 矩阵键盘，键盘矩阵共 16 个按键，其中 8 个按键是各层楼外呼按键， 5 个表示电梯内部的选择键，另外设有紧急停止按键，启动按键和电梯演示按键。 电梯状态是通过两个发光二极管显示的，左边灯亮表示电梯在向上运行，右边灯亮 表示电梯在向下运行，另设有一灯灯亮表示开门状态，灯熄表示关门状态。 电梯的系统 PCB 图见附录二图 22、图 23。 电梯模型效果图如图 4 所示： 图图 4 电电梯模型效果梯模型效果图图 2 B C A D 3 4 5 F G E H J 1 M 电梯间竖井部分由有机玻璃 粘成无上盖板的六面体 ABCDEFGH，高度 AE 为 1.2m；电梯桥厢模型 J 通过滑 轮悬挂并由电动机 M 牵引，可 在电梯间竖井模型的空间内上 下运动。该电梯间竖井模型每 隔 20cm 自下向上分成 5 层，其 楼层编号如图所示。 硬件设计 第 9 页（共 44 页） 总体方框图如图5所示： 单片机 楼层显示 蜂鸣提示 位置检测 直流电机 电机驱动模块 电梯模型 呼叫信号输入、指示电路 滑轮 图图5 总总体方框体方框图图 3.2 单片机最小系统单片机最小系统 单片机采用 ATMEL 公司的 AT89S52，最小系统包括复位电路和时钟电路两部分， 其中复位电路采用按键手动复位和上电自动复位组合，电路如图 6（左）所示：其 中 9 脚为单片机的复位端，电容 C5 按键 RESET 构成上电复位和手动复位电路。时 钟电路如图 3（右）所示：晶振采用的是 12MHZ 的，C1、C2 为 30p 瓷片电容，XATL2 和 XATL1 分别为单片机的 18 和 19 脚。 路 c5 22u SB19 R1 200 复位 R2 1K 5v 9 C1 30p C2 30p X1 12MH Z XTAL 2 XTAL 1 时钟电路 + 基于单片机的电梯控制系统 第 10 页（共 44 页） 图图 6 最小系最小系统电统电路路 3.3 各模块设计各模块设计 3.3.1 按键按键电路电路 由于本电路所需按键较多，为了节省单片机的 I/O 口，故选用行列式键盘矩阵。 本电路采用的是 44 键盘矩阵。电路如图 7 所示，P3.0-P3.7 是接单片机的 P3 端 口，单片机采用行和列扫描法来判别这 16 个按键中哪个键按下，然后可根据每个按 键的功能来通过单片机控制电梯的运行。 键盘电路如图 7 所示： P37 P36 P35 P34 P30 P31 P32 P33 S4S8S12S16 S3S7S11S15 S2S6S10S14 S1S5S9S13 图图 7 键盘键盘矩矩阵电阵电路路 各按钮开关说明： 按钮开关 1：轿厢内一楼呼叫开关；按钮开关 2：轿厢内二楼呼叫开关； 按钮开关 3：轿厢内三楼呼叫开关；按钮开关 4：轿厢内四楼呼叫开关； 按钮开关 5：轿厢外二楼上呼叫开关；按钮开关 6：轿厢外三楼上呼叫开关； 按钮开关 7：轿厢外四楼上呼叫开关；按钮开关 8：轿厢内五楼呼叫开关； 按钮开关 9：轿厢外二楼下呼叫开关；按钮开关 10：轿厢外三楼下呼叫开关； 按钮开关 11：轿厢外四楼下呼叫开关 按钮开关 12：轿厢外五楼上呼叫开关； 硬件设计 第 11 页（共 44 页） 按钮开关 13：轿厢内一楼呼叫开关； 按钮开关 14：演示功能按键； 按钮开关 15：紧急停止按键； 按钮开关 16：电梯启动按键。 3.3.2 显示电路显示电路 数码管显示，电梯的基本功能具备显示电梯当前的楼层，所以设计中在轿厢和 每个楼层中都设置了一个数码显示管，用来显示当前电梯所在的层数，由 4511 来驱 动 8 位数码管显示电梯所到达的楼层数。接线图如图 8 所示，图中共有六个数码管 并联，通过对四根数据线进行写操作进行楼层显示。 P23 P22 P21 P20 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE/STB 5 QA 13 QB 12 QC 11 QD 10 QE 9 QF 15 QG 14 U1 4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE/STB 5 QA 13 QB 12 QC 11 QD 10 QE 9 QF 15 QG 14 U2 4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE/STB 5 QA 13 QB 12 QC 11 QD 10 QE 9 QF 15 QG 14 U3 4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE/STB 5 QA 13 QB 12 QC 11 QD 10 QE 9 QF 15 QG 14 U4 4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE/STB 5 QA 13 QB 12 QC 11 QD 10 QE 9 QF 15 QG 14 U5 4511 A 7 B 1 C 2 D 6 LT 3 BI 4 LE/STB 5 QA 13 QB 12 QC 11 QD 10 QE 9 QF 15 QG 14 U6 4511 +5v 图图 8 显显示部分接示部分接线图线图 3.3.3 电机正反转电机正反转指示指示 在本次设计中电机正反转用两个发光管来表示，如图 9 所示：用单片机的 P1 口 做输出口来驱动发光管，其中 L1 亮表示电机正转、L2 亮表示电机反转、L3 亮表示 电机停转，同时电梯开门。L3 灭表示电梯关门，L3 亮表示电梯开门，电梯运行时 L1 和 L2 必须有一个亮，来表示电梯的上行和下行。 基于单片机的电梯控制系统 第 12 页（共 44 页） 图图 9 电电机状机状态态指示指示 3.3.4 电源模块电源模块 本系统采用 L7805 稳压电路提供电压+5V，对各部分电路供电，电源可以采用 USB 接口的方式输入，也可以采用标准的电源输入头输入，另外电源可以直接通过 P13 口对电机进行供电。 图图 10 电电源模源模块块 在降压电路中应注意以下事项： 1、输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； 2、输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足 够大，否则会导致高温保护或热击穿； 硬件设计 第 13 页（共 44 页） 3、输入输出压差也不能太小，太小效率很差。 3.3.5 红外发射红外发射接收电路接收电路 在竖井各个楼层设置红外发射接收管，在轿厢上下运动的过程当中红外线发射 管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置，竖井上的红外线接收头收到红外线， 其输出发生变化。单片机通过红外线接收头输出的变化知道电梯轿厢的位置。 图图 11 红红外外发发射射对对管管 图图 12 红红外外对对管管电电路路图图 图11所示为反射式红外线发射-接收器的示例。调整发射管的限流电阻（200 ） ， 可以调整灵敏度，但是注意不能让电流超过50mA，以免烧毁发射管。输出侧的10k 电阻是提供“0”电平时的接地电阻，如果电路里已经有信号输入的接地电阻，则可 以省略本处的10k电阻。此电阻阻值不能太小，否则高电平输出会达不到3.5V以上。 只要在红外线发射接收管前插入一件对红外光有反射作用的物质，图示的输出端 口“OUT”的电平立即从低变成高。只要在红外线发射接收管前插入一件对红外 光有无反射作用的物质，图示的输出端口“OUT”的电平立即从高变成低。如果该 反射或无反射物质是循环连续动作的话，就是一种非常好的无触点信号源位置检测。 3.3.6 电机驱动电路电机驱动电路 电机驱动部分采用常用的 H 桥电路，如下图所示。在 P2.4 口输入 PWM 信号对 整个电路进行选通，通过调节 PWM 的占空比，实现电机运动过程的加速和减速的 过程，从而完成电机的停止、平层操作。P2.5 口为电机的正反转控制，当 P2.5 为高 电平时，Q3、Q2 管导通，并通过电机构成回路，实现电梯的反转，当其为低电平 基于单片机的电梯控制系统 第 14 页（共 44 页） 时，Q1、Q4 管导通，通过电机构成了 H 桥的另一边反向回路，实现了电梯的正转， 从而完成电机的正反转控制。驱动电路 PCB 图见附件二图 24、图 25。 仿真图如图 13 所示： P24 P25 1 2 3 U1:A 7408 4 5 6 U1:B 7408 9 10 8 U1:C 7408 12 13 11 U1:D 7408 Q1(E) U1:A(Y) (-)Q5(C) U1:D(Y) U1:C(Y) U1:B(Y) D1(K) Q3 TIP41 Q5 TIP41 D1 1N4001 D2 1N4001 D3 1N4001 D4 1N4001 Q1 TIP42 Q2 TIP42 12 U3:A 7404 图图 13 H 桥电桥电路仿真路仿真图图 3.3.7 按键指示按键指示 由于此部分只要求每层显示上下标志，所以我们采用一般的发光二级管。此外， 由于一楼和五楼只能分别上和下，故我们在一楼和五楼都只安装一个发光二级管。 由于单片机 IO 口资源有限，我们通过 74HC573 锁存器实现电梯外部的八个发光二 极管与矩阵键盘的 P3 口复用，通过 P0.6 选通，当需要对八个发光二极管进行操作 时，需要先将 P0.6 置 1 进行选通，改变 P3 口数值，再置 0 对 P3 进行锁存。其电路 如图 14： 硬件设计 第 15 页（共 44 页） P06 P37 P36 P35 P34 P33 P32 P30 P31 D0 2 D1 3 D2 4 D3 5 D4 6 D5 7 D6 8 D7 9 Q0 19 Q1 18 Q2 17 Q3 16 Q4 15 Q5 14 Q6 13 Q7 12 LE 11 OE 1 U5 74HC573 +5V NAME=NICK NET=P1.8 233 443 55 2 4 121 S A B C D 1 2 4 3 图图 14 电电梯外部按梯外部按键键指示复用指示复用电电路路 3.3.8 紧急报警紧急报警 轿厢内设紧急报警按钮，当电梯突然发生故障使轿箱内的人被困时，可以通过 按下紧急停止按钮，清除所有呼叫信号，并将电梯直接运行至一楼，并发出报警信 号。由于这个部分要求电梯的任何运行状况下都要有效，为保险起见，我们将此作 为一个独立的模块。 图图 15 蜂蜂鸣鸣器器报报警原理警原理图图 紧急停止 按钮 求救信号 清除所有呼叫信号 电梯运行至一楼 发出报警信号 维修电梯解 救被困人员 电梯管理 人员 清除警报 等待启动 基于单片机的电梯控制系统 第 16 页（共 44 页） 4 软件设计软件设计 本设计由于采用键盘矩阵来代替外呼内选按钮，而电梯的运行方向是根据这些 呼叫按键和选择按键来决定的，所以单片机要不断的扫描键盘来获取各层呼叫状态， 从而控制电梯的运行。故键盘矩阵扫描是本系统软件设计的重要一部分，另外要把 键盘扫描到的各层的按键信息存储起来，然后和电梯的运行状态比较，判断是否响 应各层呼叫，当电梯到达目的楼层时电机停止，此时即可进、出乘客，乘客进入电 梯之后可选择去哪一层，然后电梯根据乘客的选择判断去哪一层，继续运行。通过 单片机控制电梯在上升过程中只响应上升呼叫，下降过程中只响应下降呼叫。 由于本设计采用单片机实现控制，其中主程序部分主要完成系统的初始化，如 中断方式的设置，开中断等。在中断子程序中完成楼层检测等，其它的如数码管的 显示，键盘的响应，转动电机的控制，延时等均由相应的子程序来完成。 软件设计思想：采用模块化的分层次设计方法，将软件系统功能由多个实现单 一功能的子程序实现。通过调用不同的子程序，实现了复杂功能控制。这样便于调 试、修改。软件编程是实现多功能、智能化、操作方便的关键。在本设计中，可以 把程序的各部分相互结合起来，达到完成各项设计的功能。 4.1 电梯主程序电梯主程序 根据系统要求，电梯的程序应满足以下要求： （1）初始化程序使数码管显示“1”表示电梯处在一楼，等待人进入电梯； （2）主程序主要包括： 判断乘客进入电梯后选择去哪一层，根据判断情况来控制电梯运行，到达目 标楼层后相应的呼叫指示灯熄灭； 电梯在运行过程中要不断的扫描键盘，从而来判断各楼层有无呼叫请求，并 点亮相应的呼叫指示灯； 设置演示功能按键、紧急停止按键、启动按键； 实时显示电梯所在位置及运行状态（上行/下行） ； 开关门有一定的延时来保证乘客走出/进入电梯； 软件设计 第 17 页（共 44 页） 主程序流程图如图 16 所示。 开始 初始化 启动 紧急停止 功能演示 按键查询 楼层检测 楼层、方 向显示 电梯逻辑控制 电动机转动 Y N N 演示子程序 Y N Y 图图 16 主程序流程主程序流程图图 电梯的整个软件设计包括一下几部分：电梯逻辑控制模块、电梯运行模块、键 盘扫描模块、楼层显示模块、指示灯关闭模块、楼层检测模块、电梯功能演示模块、 电梯紧急停止模块。 4.2 电梯逻辑电梯逻辑控制控制 电梯控制中，单片机扫描楼层外呼内选信号，将楼层呼叫信号与当前楼层运行 状 态进行比较，确定电梯响应上升、下降队列，然后电梯按照运行队列进行电机控制。 而将呼叫信号转化为响应队列