基于单片机的6层电梯模拟控制系统设计

单片机原理及系统课程设计评语：考勤 10 分 守纪 10 分 过程 30 分 设计报告 30 分 答辩 20 分 总成绩（100 分）专 业：自动化班 级：自动化 02 班姓 名：魏振东学 号：201209110指导教师：张鑫兰州交通大学自动化与电气工程学院2015 年 1 月 7 日单片机原理及系统课程设计报告1单片机的 6 层电梯模拟控制系统设计1 设计目的这次设计给出了一种基于 AT89C52 单片机的电梯模型控制系统设计。以单片机为核心，再辅以适当的硬件电路和控制程序来检测和控制整个电梯的信号，具有成本低、通用性强、灵活性大、扩展容易及易于实现复杂控制等优点。2 方案设计2.1 设计要求(1)设置电梯的内外按键，即电梯外都有上或下的按键，电梯内有楼层的选择按键。(2)电梯状态要有指示灯显示，即电梯目前运行到达楼层的实时显示，电梯升降的状态显示等。(3)电梯无人时，应默认停在第一层。2.2 系统的结构框图楼层电梯呼叫按键电梯内呼叫按键单片机楼层显示数码管电梯状态指示灯电梯控制信息楼层信息电梯状态信息电机的驱动和控制图 2-1 系统的结构框图如上图 2-1 所示，楼层电梯呼叫按键就是楼层外面的上行、下行按键，有需求时即可按下；电梯内呼叫按键就是电梯内部的数字按键，它是内部按键需求的输入；单片机就是整个系统的核心，接收输入信息，经过处理后输出信息；楼层显示数码管就是接收单片机处理的信息，显示此时的楼层数；电梯状态指示灯就是接收单片机处理的信息，显示电梯的状态：上升、下降、停止。电动机的驱动单片机原理及系统课程设计报告2和控制就是接收单片机的 PWM 脉冲信号来控制驱动器，进而控制电动机的正反转，使电动机牵引电梯做上下运动。2.3 电动机的选择我们选用 Y100L24 三相异步电动机，因为它还具有性能好、寿命长、可靠性高、维护方便、启动转矩大等优点，其功能参数为额定电压 380V，额定频率50HZ，额定功率 3000W，额定转速 1400 转/分。2.4 AT89C52 单片机这次设计采用的是 AT89C52 单片机，A T89C52 是 一 个 低 电 压 ， 高 性 能CMOS 8 位 单 片 机 ， 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 ， 功 能 强 大 的 AT89C52 单 片 机 可 为 您 提 供 许 多 较 复 杂 系 统 控 制 应 用 场 合 。其外形及引脚排列如图 2-2 所示：123456781 01 11 21 31 41 51 61 72 12 22 32 42 52 62 73 23 33 43 53 63 73 83 91 91 892 93 03 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 1 . 0 / T 2P 1 . 1 / T 2 E XR S TT X A L 1T X A L 2P S E NA L EE AA T 9 8 C 5 2P 0 . 0 / A D 0P 0 . 1 / A D 1P 0 . 2 / A D 2P 0 . 3 / A D 3P 0 . 4 / A D 4P 0 . 5 / A D 5P 0 . 6 / A D 6P 0 . 7 / A D 7P 2 . 0 / A 8P 2 . 1 / A 9P 2 . 2 / A 1 0P 2 . 3 / A 1 1P 2 . 4 / A 1 2P 2 . 5 / A 1 3P 2 . 6 / A 1 4P 2 . 7 / A 1 52 8P 3 . 0 / R X DP 3 . 1 / T X DP 3 . 2 / I N T 0P 3 . 3 / I N T 1P 3 . 4 / T 0P 3 . 5 / T 1P 3 . 6 / W RP 3 . 7 / R D图 2-2 AT89C52 单片机外形及引脚排列 3 硬件系统的设计3.1 硬件设计思路电梯最底层为 1 楼，因此在 1 楼仅有上升按键，而电梯最高层为 6 楼，因此 6楼单片机原理及系统课程设计报告3应仅有下降按键。其他楼层则既有上升按键，也有下降按键。在电梯内部按键设置方面，则应有 16 楼的各层选择按键。按键的一端接地，另一端通过集成电路芯片连至单片机引脚。 这里用五片双 4 输入与门 74LS21 实现 16 个按键对象的集体与运算的最终结果，按键动作最终是送到单片机的 端。 INT0无论哪一个按键有动作，低电平信号就会送到 端，从而引发外部中断0 服务子程序运行。当定时器 0 中断时，单片机向电动机发送 PWM 脉冲信号，电动机接到脉冲信号后，经过驱动器的驱动，电动机便牵引电梯上下运动。电梯的楼层显示用七段数码管完成显示。数码管的显示数据通过单片机的P0 口来进行传送。电梯升降的状态用上升和下降指示灯来进行显示，通过单片机的 P3.7 和P3.6 引脚分别连接上升和下降指示灯的负极，其正极均连接至系统正电源处。3.2 时钟电路C 1C 2X 1X T A L 1X T A L 23 0 p F3 0 p F图 3-1 时钟电路图单片机的时钟电路有振荡电路和分频电路组成。其中振荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容构成，用于产生振荡脉冲。而分频电路则用于把振荡脉冲分频，以得到所需要的时钟信号。这次设计选择频率为 12MHz 的晶振，当振荡脉冲频率为 12MHz 时，一个机器周期为 1us。3.3 复位电路单片机原理及系统课程设计报告4R 11 0 KC 1V C CR S TS1 0 u F图 3-2 复位电路图复位是单片机的初始化操作，程序给单片机的复位引脚 RST 加大于 2 个机器周期（即 24 个时钟振荡周期）的高电平就可使单片机复位。我们采用电平方式的复位。如图 3-2 所示，我们通过 RST 端经由电阻与电源 VCC 接通而实现，当按键按下时，RST 端为高电平复位。3.4 中断电路各中断的优先级：外部 0 中断、定时器 T0 中断、外部 1 中断、定时器 T0中断、串行发送中断、串行接收中断、定时器 T2 中断。P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3F 6 下F 2 下F 1 上F 2 上I N T 07 4 L S 2 1图 3-3 中断电路图中断电路如上图 3-3 所示。图中外部 0 中断 与 74LS21 与门相接，低电INT平有效，所以当单片机接电源后，P1.0P1.3 引脚此时为高电平，当任一按键按下后，相应的中断输入口直接与地相接，高电平变为低电平，外部 0 中断立即响应，单片机系统进入中断控制子程序系统，在中断服务子程序中做出相应的执行指令。3.5 电动机正反转控制电路单片机原理及系统课程设计报告5L 1L 2L 3Q MF UK LS B 3S B 1C 2C 1C 1C 2S B 2C 2C 2 C 1C 1K LM3 图 3-4 带有联锁的正反控制电路如上图 3-4 所示，继电接触控制电路，通过接触器、继电器之间的相互联锁，可以实现多台设备按生产工艺进行工作，是实现自动控制及保护的重要环节。当接通电源后，闭合负荷开关 QM，按下开关 SB1，线圈 C1 得电，使电动机启动，此时电动机正转。按下开关 SB2，线圈 C2 得电，线圈 C1 断开，此时电机开始反转。3.6 数码管显示模块LED 是 Light Emiting Diode（发光二极管）的缩写，发光二极管是可以将电信号转换为光信号的电致发光器件。由条形发光二极管组成“8”字形的 LED 显示器称数码管。通过数码管中发光二极管的亮暗组合，可以显示多种数字,字母以及其他符号。这次设计采用七段数码管。外形如图 3-5 所示，即左边的 7 个引脚跟单片机 P0 口相接，下边的引脚连接地。图 3-5 七段数码管3.7 按钮控制电路模块单片机原理及系统课程设计报告6F 6 下 F 2 下 F 3 下F 4 下 F 5 下F 5 上F 4 上F 3 上F 2 上F 1 上F 1F 2F 3F 4F 5F 6P 1 0P 1 1P 1 2P 1 3P 1 4P 1 5P 1 6P 1 7P 3 0P 3 1P 2 0P 3 3P 3 4P 3 5P 2 1P 2 2图 3-6 电梯不同楼层的按钮如图 3-6 所示，按键显示电路模块包括电梯内部的按钮和每层楼的上下按钮，这些按钮一端与地相接，一端又与单片机和与门 74LS21 相接，外部 0 中断低电平有效，这样可以实现模拟按键的自如操作。3.8 模拟电路图图 3-7 模拟电路原理图单片机原理及系统课程设计报告74 软件系统的设计4.1 程序设计思路首先，必须得合理考虑按键的响应问题。一段时间内可能有多个不同的按键有动作，程序必须记录每一个按键的动作，并根据电梯本身所处的楼层情况与按键楼层之间的位置关系，合理判断出电梯应当做出上升或下降的响应动作。其次，电梯系统还有一个判断是否无人的情况。即电梯到达某楼层后，其他楼层无按键动作，且电梯内也无楼层选择按键动作，电梯应自动返回到 1 层等待。然后，两个楼层之间应考虑有一段运行时间，而且也要设置在一个楼层的停留时间。本设计中两个楼层之间的运行时间设为 1s，每层停留时间设为 5s。另外，当电梯上升或者下降时，相应的状态指示灯应及时同步点亮。4.2 程序流程图启动电梯显示在 1 楼调用启动电梯子程序电梯未运行或虽运行但还没停止 ？调用选择当前要去楼层子程序电梯已到目的层 ？停留 5 sY Y NN图 4-1 主程序流程图单片机原理及系统课程设计报告8开始电梯在当前层 ？电梯未运行 ？启动电梯延时电梯上升 ？上升指示灯灭下降指示灯亮上升指示灯亮下降指示灯灭开定时器启动电梯返回Y Y Y NNN图 4-2 启动电梯子程序流程图单片机原理及系统课程设计报告9电梯到达最顶层 ？电梯到达最底层 ？电梯改为下降电梯改为上升电梯在下降 ？延时等待 5 s当前楼层 = 目的楼层 ?继续下行查找下一个要去楼层若无下行需求则反向查询当前楼层 = 目的楼层 ?延时等待 5 s向上查找下一个要去楼层到最顶层 ， 无按键需求电梯下行无人时电梯停留在 1 楼Y Y Y Y NNNNNY 图 4-3 选择当前要去楼层子程序流程图本设计程序流程图主要包括主程序流程图、启动电梯子程序流程图、选择当前要去楼层子程序流程图。如上图所示。5.电路仿真及调试单片机原理及系统课程设计报告10图 5-1 电梯默认停在一楼解析：如上图 5-1 所示，电梯没有其他响应时，默认停在一楼，数码管显示 1 楼。此时各内外按键接地的一侧全部为低电平，接单片和 74LS21 与门一侧全部为高电平，一旦按钮按下，凡是按键所接的引脚全部为低电平，此时外部 0 中断低电平有效，外部 0 中断立即响应。当定时器 0 中断响应后，开始计时并向电动机发送 PWM 脉冲信号，经驱动器驱动后，电动机就会牵引电梯做上升或者下降运动，数码管收到单片机的控制信号后就会显示楼层的同步变化，相应的上升、下降指示灯会有所指示。单片机原理及系统课程设计报告11图 5-2 电梯处于上行中，经过三楼，上行指示灯亮解析：如上图 5-2 所示，电梯在四楼及以上有响应，经过三楼，上升指示灯亮。按键按下后，外部 0 中断立即响应，去执行外部 0 中断服务子程序。当定时器 T0开始计数时，并向电动机发送 PWM 脉冲信号，经驱动器驱动后，此时电机正转，就会牵引电梯做上升运动，电梯经过三楼，数码管同步显示 3 楼，上升指示灯亮，下降指示灯灭。单片机原理及系统课程设计报告12图 5-3 电梯处于下行中，经过四楼，下行指示灯亮解析：如上图 5-3 所示，电梯可能没有响应，在四楼以上停了 5s 就返回一楼，或者是在四楼以下有响应，执行外部 0 中断服务子程序。当定时器 T0 开始计数时，并向电动机发送 PWM 脉冲信号，经驱动器驱动后，此时电机反转，就会牵引电梯做下降运动，电梯下行，经过四楼，数码管同步显示 4 楼，上升指示灯灭，下降指示灯亮。6.总结这次设计是对传统设计电梯的部分改进，可以降低电梯的设计成本，实现楼层快速通行的模拟控制。另外由于此次设计实现的功能简单，简化处理了一些实际情况，没有去考虑电梯在实际应用中的故障问题，以及一些更智能的硬件与软件的安装与调试。由于时间紧迫，而我能力有限，还有许多功能可以在此基础上进行拓展，例如可以扩展单片机增加智能识别系统，增加电梯内部的温度控制、增加单片机的故障预警等一些智能控制系统。随着科技与经济的深入发展，单片机技术的不断单片机原理及系统课程设计报告13进步，以后的电梯控制系统将会越来越智能化，这对提升人们的生活质量有着深远的意义。此次设计中我也是遇到了各种各样的难题，经过我的努力以及同学的帮助也是解决了。通过这次的课程设计，使我认识到一个人的能力是有限的，但是一群人的能力是无限的，在以后的工作和学习中，要勤奋踏实，善于思考，这样才能在竞争激烈的社会中提升自我的实用价值。最后我还要感谢老师的指点迷津以及细心答疑，这让我受益匪浅。参考文献1 王思明,张金敏,苟军年.单片机原理及应用系统设计M.北京: 人民邮电出版社,2008.2 冯育长,邹小兵.单片机系统设计与实例指导M. 西安：西安电子科技大学出版社 ,2004.单片机原理及系统课程设计报告14附录：源程序代码#include#define MAXFLOOR 6unsigned char code LED_CODES=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d;/电梯外面的按键上下键sbit F6D=P10;sbit F1U=P11;sbit F2D=P12;sbit F2U=P13;sbit F3D=P14;sbit F3U=P15;sbit F4D=P16;sbit F4U=P17;sbit F5D=P30;sbit F5U=P31;/电梯内的按键sbit F1=P20;sbit F2=P33;sbit F3=P34;sbit F4=P35;sbit F5=P21;sbit F6=P22;/指示灯sbit ledu=P37;sbit ledd=P36;sbit open=P23; /开门键sbit close=P07; /关门键/电动机的驱动接线sbit a1=P24;sbit a2=P25;sbit a3=P26;sbit a4=P27;bit dir=1,stop=0; /dir 表示 1 为向上，0 为向下；stop 表电梯是否停止unsigned char nf=1; /当前楼层unsigned char cf=1; /要去楼层unsigned char df; /楼层差（电梯停止依据）：df=|cf-nf|unsigned char tf; /暂存当前楼层（显示码指针）：tf=nfunsigned char flag,count=0; /flag=1 表示正在运行；count= 乘坐时计数值unsigned int timer1=0,timer2=0; /timer1 为楼层间运行时间计数值，timer2 为等待计数值单片机原理及系统课程设计报告15unsigned char call_floor7=0,0,0,0,0,0,0; /存储每层楼的信息，1 为有人呼叫或者有人前往/主程序void select_next();void step(bit dir);void delay(unsigned int z);void main(void)P0=LED_CODES1;TH0=0x3C;TL0=0xB0;TMOD=0x01;/工作方式 1ET0=1;/允许定时器中断EA=1;/中断总允许EX0=1;/允许外部 0 中断IT0=1;/为脉冲触发方式，下降沿有效while(1) if(!flag / 决定电梯去哪一层step(dir); / 电梯启动else if(stop)timer2=0;TR0=1; /启动定时器/计数器工作while(timer2=1;i-) /向下运行时查找下一个要去的楼层if(call_floori)cf=i