基于单片机的电梯控制模型设计.doc

一、 前言单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，它的应用已经渗透到各种嵌入式系统中。可以毫不夸张地说：掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个重要条件。同时单片机技术又是一门实践性很强的学科，课程设计教学环节的设计和实施，在很大程度上决定了学生对单片机技术的掌握程度。为了更好地完成课程设计这一重要教学环节，我们采用proteus软件与keil软件整合构建单片机虚拟实验平台。学生首先在pc上利用proteus软件自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能完成电路分析、系统调试和输出显示的硬件设计部分；同时在keil软件中编制程序，进行相应的编译和仿真，完成系统的软件设计部分。当系统的设计工作完成后，学生可以在pc上看到最终的运行效果。最后再通过proteus设计pcb，再完成真正硬件的调试。采用proteus软件与keil软件整合构建单片机虚拟实验平台,有利于促进课程和教学改革，更有利于人才的培养；从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立这样的课程设计平台是非常有意义的；利用仿真系统，可以节约开发时间和开发成本；利用仿真系统，具有很大的灵活性和可扩展性。二、设计简介1、设计方案介绍在工业上，多采用可编程控制器或微型计算机实现电梯逻辑控制，可编程控制器抗干扰性强，但针对性强、价格较贵，为实现电梯控制的模拟，本设计采用单片机为控制中心，针对所在的不同楼层分别进行合理的调度。设计中按键用于给用户发出服务请求，led电路用于显示请求状态及电梯运行状态、数码管显示电路来显示实时楼层，而电梯上升或下降的过程则通过定时来模拟。2、设计任务及要求 三层电梯控制模型的设计。2.1 设计要求l 利用51单片机设计三层电梯的控制模型l 利用按键和数码管实现对电梯的控制和运行模拟l 可实时显示电梯所在楼层；l 按键按下后，相应的led灯亮；l 可对发出的服务请求进行合理的分析调度并作出正确的响应；l 用户请求得到服务后，可更新状态。2.2 设计思路单片机控制系统p3、p1口接led指示灯独 立键 盘p1接2接独立键盘led指示 灯p0接数码管段选数码管本次设计的基本思路是以at89s51单片机作为核心，利用其i/o接口与外围电路配合进行控制，通过扫描键盘点亮相应的指示灯，采用数码管来实时显示楼层，单片机通过扫描按键指示灯来读取请求，根据所在楼层的不同，进行不同的分析、调度，然后做出正确的响应，更新状态并在指示灯和数码管上显示出来。系统模拟框图如图所示三、硬件电路设计3.1总体电路模块硬件部分主要由单片机最小系统、系统显示电路、步进电梯驱动模块和按键输入模块等几部分组成。总体电路原理图如下图所示：3.2单片机最小系统部分：单片机最小系统部分由图中的（1）振荡电路（2）复位电路（3）at89c51构成。3.2.1振荡电路单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（vco）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。at89c51使用11.0592mhz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pf至50pf之间。3.2.2复位电路单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚rst上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。具体数值可以由rc电路计算出时间常数。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。（1）上电复位：通常在复位引脚rst上连接一个电容到vcc，再连接一个电阻到gnd，由此形成一个rc充放电回路保证单片机在上电时rst脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10k和10uf。（2）按键复位：按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、rst也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。3.2.3单片机at89c51at89c51是一种带4k字节flash存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos 8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。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和闪速存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。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。外形及引脚排列如图所示。主要特性：（1）与mcs-51 兼容 （2）4k字节可编程flash存储器（3）寿命：1000写/擦循环 （4）数据保留时间：10年（5）全静态工作：0hz-24mhz （6）三级程序存储器锁定（7）1288位内部ram （8）32可编程i/o线（9）两个16位定时器/计数器 （10）5个中断源（11）可编程串行通道 （12）低功耗的闲置和掉电模式特性概述：at89c51 提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32 个i/o 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.3 系统显示电路3.3.1 数码管显示电路显示电路使用了七段数码管7seg-mpx1-cc,它是共阴极的，由高电平点亮3.3.2 led指示电路3.4按键输入模块 在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。 本系统采用独立式按键，独立式按键的各按键相互独立，每个按键都有一个输入线，各按键的状态互不影响，cpu 需对按键状态分别检测，只适用于按键数量较少的场合。独立按键与单片机接口电路如图所示。3.4.1键盘输入的特点键盘实质上是一级按键开关的集合。通常，键盘开关利用了机械触点的合、断作用。3.4.2按键的确认键的闭合与否，反映在行线输出电压上就呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平高低状态的检测，便可确认按键按下与否。为了确保cpu对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除抖动的影响。3.4.3如何消除按键的抖动采用软件来消除按键抖动的基本思想是：在一次检测到有键按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时10ms的子程序后，确认该行线电平是否仍为低电平，如果仍为低电平，则确认为该行确实有键按下。当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行一段延时10ms的子程序后，检测该行线为高电平，说明按键确实已经松开。3.4.4与非门的作用 这次的电路加上了7个与门，在有一个按键按下之后，与门的一个输入变为低，最后与门的输出就为低，接在外部中断int0，该引脚有高变低，下降有触发，触发外部中断。3.5 步进电梯驱动模块本系统的步进电梯模块由uln2003a驱动步进电梯构成。该电路模块如图所示： 本设计是使用uln2003a芯片来驱动电机，使用步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统。l 脉冲信号的产生 步进电机的驱动电路根据控制信号工作，由于控制并不复杂，故直接用单片 机模拟出时序信号。 l 控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。感应子式步进电机以二、四相电机为主，本 机采用四相八拍为ab-b-bc-c-cd-d-ab,(步距角为0.9度）。 l 控制步进电机的转向 如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电 机就反转。 l 控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。 两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就 可以对步进电机进行调速。单片机留出来4个口线来与uln2003a连接，以达到 用单片机来驱动步进电动机的运行，上行、以及下行和停止等，具体功能的实 现将由软件编程来完成。 其中uln2003a是高耐压、大电流，内部由7个硅npn达林顿管组成的驱动芯片在电路中可用于伺服电机、步进电机驱动等电路中。 uln是集成达林顿管ic，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,npn晶体管矩阵,最大驱动电压=50v,电流=500ma,输入电压=5v,适用于ttl coms,由达林顿管组成驱动电路。 uln是集成达林顿管ic,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200ma，饱和压降vce 约1v左右，耐压bvceo 约为36v。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动uln2003时，上拉2k的电阻较为合适，同时，com引脚应该悬空或接电源。 uln2003 的每一对达林顿都串联一个2.7k 的基极电阻,在5v 的工作电压下它 能与ttl 和cmos 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据。 uln2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500ma，并且能够在关态时承受 50v 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。四、系统程序的设计4.1 系统主程序的设计初始化（设定电梯初始状态和定时器初值）显示当前楼层now、扫描键盘now=1的请求分析程序now=1的请求分析程序now=1的请求分析程序电梯动？now=3？now=2？now=1？电梯动？电梯动？等待中断yyyyyynnn开始程序流程框图如图所示：4.2 中断程序的设计程序流程框图如图所示：中断产生更新now值并确实flag参数新的now为目标层或有可读取的请求停下来，等待一会相应的指示灯亮中断返回五仿真调试情况5.1测试结果显示5.2调试时出现的问题及分析l 电梯在一楼时若同时按下2、3数字键，电梯总是上到2楼不停，到3楼后才回到2楼，推测在到2楼时的判断分析程序有错。反复检查、修改无改善后，发觉原先把判断分析电梯怎么动作的程序都写在中断服务程序内，故只有电梯到了新的楼层才会得到下一步怎么走的命令，且在中断服务程序中无按键扫描，故刚好到达某一楼层时按下的键无法扫描到，电梯除初始态外，静止在其他楼层时若有按键按下未必能进行合理的分析和处理。总结以上不足后，把判断电梯该如何动作的分析调度程序改写到主程序中，各个楼层均有一个对应的分析程序，改分析程序内已包含键盘扫描程序，只要电梯未到达新的楼层就始终执行该分析程序。在分析过程中，发现要让电梯上升或下降时就开中断，在等待中断次数够20次（定时2s）的过程中仍未到达新的楼层，故期间一直在执行该分析程序。按照以上思路改进后，上述问题得到解决，故障得以排除。l 在进行程序整体联调时发现，多个按键按下时，有时能扫描到所有按下的键，有时不能，且响应了一个请求之后，即使仍有请求灯在亮着，也不再做任何响应，按键也没反应，就像“死机”了一样。推测可能按键扫描的频率不够高，或者逻辑上不全面，程序进入到一个死循环，故在程序中检查并完善了条件判断语句，几处添加按键检测，只要有键按下就进行行扫描，如此，按键几乎都能扫描到。六设计心得体会通过本次论文设计，使我加深了对单片机的认识，并且熟悉了单片机系统的设计流程，收获丰硕。功能上基本达标：时钟与闹钟的显示，调时间和闹钟功能以及闹钟鸣叫功能。时钟与闹钟显示功能，精确度完全可以满足日常生活显示时间的需要；调时间与闹钟功能，方便快捷。硬件设施基本合乎要求，软件设计可以配合硬件实现其功能。技术在不断进步，机械式时钟已经被淘汰，取而代之的是具有高度准确性和直观性且无机械装置，具有更长的使用寿命等优点的电子时钟。电子时钟更具人性化，更能提高人们的生活质量，更受人们欢迎。机械时代已经远去，电子时代已经到来。做为新时代的我们，更应该提高自身能力，适应新时代的发展。知识来自实践，多从生活中探寻所需要的。从这次的论文设计中，我真正的体会到，知识的重要性，特别是要理论联系实际，把我们所学的理论知识运用到实际生活当中，要用知识改变一切。7、 主程序#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f;sbit s0=p10;sbit s1=p11;sbit s2=p12;sbit s3=p13;sbit s4=p14;sbit s5=p15;sbit s6=p16;sbit s7=p17;uint flag=0;uint i=0;sbit a1=p20; /定义步进电机连接端口sbit b1=p21;sbit c1=p22;sbit d1=p23;sbit ashow1=p24;sbit ashow2=p25;sbit ashow3=p26;sbit ashow4=p27;#define coil_a1 a1=1;b1=1;c1=0;d1=0;/ab相通电，其他相断电#define coil_b1 a1=0;b1=1;c1=1;d1=0;/bc相通电，其他相断电#define coil_c1 a1=0;b1=0;c1=1;d1=1;/cd相通电，其他相断电#define coil_d1 a1=1;b1=0;c1=0;d1=1;/da相通电，其他相断电#define coil_off a1=0;b1=0;c1=0;d1=0;/全部断电void delay(uint z);v