电梯控制系统仿真设计 电子信息工程毕业论文

学号20095042051本科毕业设计 学 院 物理电子工程学院 专 业 电子信息工程 年 级 2009级 姓 名 赵艳伟 设计题目 电梯控制系统仿真设计 指导教师 马占卿 职称 副教授 2013年04月25日目 录摘 要1Abstract11引言12系统功能介绍及方案论证22.1电梯的组成22.2电梯控制系统组成框图及工作原理22.3总体方案设计与论证32.4单元电路的设计与论证33基于单片机的电梯控制系统单元电路的设计73.1单片机最小系统73.2按键电路73.3报警部分及开关83.4显示电路部分83.5 电机驱动部分94软件设计104.1按键查询部分114.2楼层选择按键功能程序124.3电机控制部分135系统仿真145.4软件编译调试145.2硬件仿真155.3实物制作156结论16参考文献17致谢17附录18电梯控制系统仿真设计学生姓名：赵艳伟 学号：20095042051学 院：物理电子工程学院 专业：电子信息工程指导教师：马占卿 职称：副教授摘 要：本文介绍了以单片机最小系统、电梯按键模块和报警模块组成的电梯控制系统，该系统采用了以AT89C51为核心控制元件及其外围电路控制系统来模拟电梯控制。通过采集各个楼层间按钮的信号,经过处理，按照预定的规则和程序，发出信号来控制电梯的上下行，来模拟电梯的初步运作。同时介绍了电梯控制系统的硬件设计方法、系统的构成以及软件的设计，并详细的说明了系统的构成以及工作原理。关键词：AT89C51；数码管；电梯控制系统1引言电梯是一种为高层建筑运输服务的机电设备。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。现代工业自动化领域, 已大量采用微机和单片机的控制, 因此使得控制对象的结构越来越复杂，实现的功能也越来越多。随着电力电子技术和微电子技术的发展, 尤其是微机的发展，使得以微机为核心的控制系统得到广泛应用，而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1。本文主要是用51单片机来实现电梯控制系统，使其具备电梯基本升、降功能，并当多层对电梯呼叫时，能安排电梯停靠，从而实现电梯的基本运行情况的模拟。论文的第一部分进行方案的提出与论证，分析本次设计所采用方案的可行性；第二部分给出电梯控制系统的各个模块电路的设计和所需主要器件的主要参数，并介绍硬件实现的详细方案，给出本次设计的硬件原理电路图，并分点描述各模块功能；第三部分给出软件实现的程序流程图，并介绍各模块所要实现的功能。第四部分介绍了系统的仿真方法。2系统功能介绍及方案论证2.1电梯的组成电梯主要由以下两大部分组成： （1）机械部分：包括拖引系统，导向系统，轿厢，门系统等。 （2）电路部分：包括重量平衡系统，电力拖动系统，电梯控制系统，安全保护系统等2。 本文主要是对电梯的控制系统的研究，并利用80系列单片机进行模拟。2.2电梯控制系统组成框图及工作原理该系统主要由单片机控制模块、报警单元模块、数码管显示单元模块、按键单元模块和上下行显示模块等6部分组成。系统总方框图如图1。图1 系统总方框图该系统是以AT89C51单片机为核心的，伴以按键单元接收电梯的楼层信号，以及到达楼层后会有的LED闪烁报警单元，同时还有一个一位的共阴极数码管来显示电梯运行时电梯内的楼层变化的一个模拟系统。通过采集按键单元的内外楼层的按键信号来引起的电平的改变作为用户请求信息发送到单片机，单片机控制电梯的上、下行，从而到达目标楼层3。2.3总体方案设计与论证方案一：采用可编程控制器（PLC）作为主要器件来控制电机的运动、内外按键的响应、按键后的电路显示等等。用PLC编程较简单，电路也不复杂，但此方案的各个模块的费用都比较高，硬件设计不灵活，故不采用本方案。方案二：控制系统采用一个单片机来控制所有的按键、数码管显示、电动机的转动、信号的采集等等，并对以上所有获得的信号进行处理。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，故采用本方案。系统框图如图1所示。2.4单元电路的设计与论证 通过对系统总框图的分析，此系统的各个模块方案设计如下：2.4.1单片机最小系统本次毕业设计采用的是最常用的AT89C51, 它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。AT89C51具有以下标准功能： 4k字节Flash，128字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，2个16 位定时器/计数器，有一个管理5个中断源，2个优先级的中断控制器，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。其外形及引脚排列如图1所示4。图2 AT89C51外形及引脚（1）主电源引脚Vcc：芯片工作电源端，接5V。 Vss：电源接地端。（2）时钟振荡电路引脚XTAL1：内部晶体振荡电路的反相器输入端。 XTAL2：内部晶体振荡电路的反相器输出端。（3）控制信号引脚RST：为复位信号输入端。外部接复位电路。ALE：为地址锁存允许信号。在不访问外部存储器时，ALE以时钟振荡频率的16的固定频率输出，用示波器观察ALE引脚上的脉冲信号是判断单片机芯片是否正常工作的一种简便方法。/PSEN：外部程序存储器ROM的读选通信号。到外部ROM取指令时，/PSEN自动向外发送负脉冲信号。 /EA/Vpp：为访问程序存储器的控制信号。（4）并行I端口引脚P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。引脚号第二功能P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0(外部中断0)P3.3 INT0(外部中断0)P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）P3.6 WR(外部数据存储器写选通)P3.7 RD(外部数据存储器写选通)2.4.2数码显示单元的设计分类数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳级数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳级数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴级数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极(COM)的数码管。共阴级数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。图3为数码管实物图。图3 数码管实物图2.4.3报警单元直接采用单片机控制输出口电平的高低来控LED数码管发光与否。这样做的优点是电路比较简单，控制也较简单而且还能很直接的观测到楼层的到达。2.4.4按键单元的设计按键部分直接采用两种按键（一种电梯内，一种电梯外）分别对应一个楼层，另有开门、关门两个按键。芯片一旦检测到某楼层的按键被按下，就会在对应端口输出高电平的信号，这样可以比较简化电路，方便了操作。3基于单片机的电梯控制系统单元电路的设计3.1单片机最小系统单片机最小系统电路如图4所示，单片机采用ATMEL公司的AT89C51，晶体振荡器选12MHz，C1、C2为30pF的瓷片电容，与晶体振荡器构成时钟电路。极性电容C3与按键S1、电阻R1及R2构成了手动复位电路7。图4 单片机的最小系统3.2按键电路如图6所示，采用按键一端直接与单片机P1.0P1.6端口以及P3.7口连接另一端直接接地的方式，通过按键来实现高低电平信号的产生与输入，从而完成单片机的信号采集。图6 按键系统3.3报警部分及开关如图7所示，此处利用4个常用的发光二极管，连接成并联结构，此电路与单片机P3.0P3.3端口相连。当电梯运行过程中到达所要到达的楼层数时，P3.0P3.3端口输出低电平，发光二极管发光闪烁。而开关电路实现的是模拟楼层到达后，乘客进出时的操作。每个发光二极管通过一只阻值为200的限流电阻接电源(VCC)，这样流经发光二极管的电流约为7.5mA，有适当的亮度，同时单片机的端口在不加驱动的情况下可以承受8。图7 报警与开关电路3.4显示电路部分如图8所示，此处采用一个一位的共阳级数码管，与单片机的P0口相连。经由单片机输出高电平，再由一个10K的排阻对数码管限流9。通过程序控制来实现电梯内楼层数的显示。图8 显示系统3.5上、下行显示部分如图9所示，两个发光二极管分别与单片机P2.0和P2.1端口相连。初始化时，单片机P2.0和P2.1输出均为高电平。电梯上升时，P2.0输出为低电平，P2.1输出为高电平，发光二极管D1亮。电梯下降时，P2.0输出为高电平，P2.1输出为低电平，发光二极管D2亮。电阻R22起到保护电机的作用10。图9 上、下行显示部分4软件设计由于本设计采用单片机实现控制，所以软件设计部份的程序编写C语言来完成。其中主程序部分主要完成系统的运行时间设置，如电梯的启动，电梯的运行，电梯门的开关等。在子程序中完成数码管的显示，键盘的响应，延时，楼层到达时的报警等功能。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。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。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；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；电梯在运行过程中只响应同方向的呼叫请求；开关门有一定的延时来保证乘客走出/进入电梯。主流程图如图10所示11。图10 系统主流程图4.1按键查询部分在本设计当中，键盘采用独立式按键，按键由P1口的P1.0-P1.6以及P3口的P3.7控制。当有键按下时，即转入相应功能程序。键盘程序流程图如图11所示12。程序清单见附录二。图11 键盘查询程序流程图4.2楼层选择按键功能程序(1)按键的定义与引脚的对应：sbit key3=P10电梯外部三楼；sbit key2=P11电梯外部二楼；sbit key1=P12电梯外部一楼；sbit key4=P13电梯内部三楼；sbit key5=P14电梯内部二楼；sbit key6=P37电梯内部一楼；sbit key7=P15电梯外部四楼；sbit key8=P16电梯内部四楼；(2)电梯运行情况程序的设计如图12,电梯模型上电后，系统一直等待，电梯的起始位置为一楼，数码管显示“1”。当外部楼层按键按下后，电梯开始向上运动，发光二极管仅红色亮，到达二楼，电梯运行经过楼层检测传感器时，送到数码管显示“2” 并在二楼多停留2S当模拟有人进出，然后继续上升。每楼层停留2s，直到四楼后，保持在四楼的停留状态直到再次有信号输入13。5系统仿真由于所设计的基于单片机的电梯控制系统包括软件和硬件两部份, 仿真时先对软件进行编译,然后再将已编译无误的软件结合硬件在一起进行仿真,完成整个系统的仿真工作。5.1软件编译调试在软件调试中，我采用Keil uVision4仿真软件进行程序调试。首先分别调试各个功能程序，再对整个程序进行调试，以便修改错误码。具体的调试方法如下14。首先在Keil uVision4仿真软件中，选择AT89C51作为CPU，将晶振频率设置为12MHZ，然后新建一个.C文件，将各个功能程序录入，先检查程序有无明显错误，保存过后编译程序，当有错误时就根据提示加以修改，当各个功能程序编译完成后，再对整个程序全速执行，查看程序有哪些地方出现错误，对应错误提示逐步调整程序，纠正错误直到程序正确无误，调试结束后有图13的软件调试界面。图12 程序调试图5.2硬件仿真硬件仿真使用的是ProteusPRO6.7SP3，Proteus 是目前最好的模拟单片机外围器件的工具，它可以仿真 51 系列、AVR，PIC 等常用的单片机及其外围电路（如LCD，RAM，ROM，键盘，直流电机，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件等）15。首先利用Proteus中的器件库中的器件完成电路的连接，如图14所示。然后右键AT89C51再左键，出现“Edit Componet”， 在 Program File 中单击出现文件浏览对话框，找到 C语言.hex 文件，单击确定完成添加文件，在Clock Frequency中把频率改为 12MHz，单击 OK 退出。单击仿真按钮，开始仿真，按下外楼层按键，系统开始工作，电梯都能完成请求，基本实现了电梯运行的模拟。图13 硬件调试图5.3实物制作在protues中完成仿真以后，使用protel 99SE软件对所要用到的元器件进行封装、排版以及布线，并完成PCB板的制作如图15所示，并在此基础上，经过打孔、显影、蚀刻以及漂洗，焊接完成实物的制作16。6结论首先对电路所实现的功能进行了分析，通过查找资料和分析，进行电路的初步设计，在此过程中，进一步熟悉了proteus仿真软件和提高了使用protel 99SE软件的能力。亲自动手制作电路板，其中包括电路的转印、腐蚀、打孔、焊接，通过实际练习，提高了自身的动手能力，从而进一步熟悉了电路的结构。硬件电路完成之后，便开始着手于软件的设计，首先根据所实现的功能画出了流程图,然后根据流程图来进行部分小程序及主程序的设计,然后最后进行拼合,通过设计程序,提高了逻辑的思维能力，在调试的过程中，也学到了许多以前在课本上所未曾学到的知识。通过这次毕业设计，使我在各方面都有了很大的提高，特别是在单片机编程方面让我有了很大的进步。参考文献：1 李金利，仲伟峰，徐军.单片机原理及应用M.北京：清华大学出版社，2006：2225.2 房小翠，王金凤.单片机实用系统设计技术M.北京：国防工业出版社，1999：9422. 3 阎石.数字电子技术基础(第三版)M.北京：高等教育出版社，1989：6897.4 梁延东.电梯控制技术M.北京：中国建筑工业出版社，1997：158197.5 张靖武，周灵彬.单片机系统的proteus设计与仿真M.北京：电子工业出版社，2007：991226 李建忠.单片机原理及运用M.西安：西安电子科技大学出版社，2001：145168.7 冯建华，赵亮.单片机应用系统设计与产品开发M.北京：人民邮电出版社，2004：99134.8 潘永雄.电子电路CAD实用教程（第二版）M.西安：西安电子科技大学出社，2001：112135. 9 白驹珩，雷晓平.单片计算机及运用M.北京：高等教育出版社，2002：6699.10 Thomas L，FloyElectronic DevicesJ.New 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