居民小区电梯控制系统的设计——毕业论文

居民小区电梯控制系统的设计本科毕业设计（论文）题 目 居民小区电梯控制系统的设计_居民小区电梯控制系统的设计目录摘要1Abstract2前言31方案论证及其系统功能介绍41.1 电梯的组成51.1.1轿厢系统61.1.2导向系统61.1.3曳引系统71.1.4重量平衡系统91.1.5门系统91.1.6电力拖动系统101.2 电梯的控制系统方案101.2.1继电器控制111.2.2 PLC控制系统111.2.3微机控制系统111.3 基于单片机的控制方案121.3.1单片机最小系统121.3.2重量检测模块方案131.3.3位置检测模块方案141.3.4电机控制方案151.3.5轿厢开关门控制方案162电梯控制系统单元电路设计182.1 基于STC89C51最小系统182.2 按键电路设计192.3 显示电路设计21电梯控制系统单元电路设计软件设计系统调试居民小区电梯控制系统的设计摘 要本文介绍了一种适用于居民小区、私人住宅，基于单片机的电梯控制系统，该设计的硬件部分主要有单片机组成的最小系统模块、电梯间电路模块、电梯内电路模块、电机驱动模块、平层检测模块、显示模块等组成。该系统使用STC89C52单片机作为控制核心，按键引起的电平变化作为用户请求信息，单片机通过中断查询的方式获取用户请求并根据楼层检测结果控制电机到达目标楼层，楼层检测使用光电传感器，电机拖动采用变频调试，通过单片机控制调节变频器的输出频率，以此控制电机转速。软件设计使用C语言，C语言的优点很多，例如：高效、可移植、灵活等，这将很大程度方便今后系统的调试以及修改。关键词：STC89C52；光电传感器；变频器ResidentialdesignofelevatorcontrolsystemAbstractIntroduced in this paper applies to residential areas, private homes,based on single-ship microcomputer control system of Elevator, main hardware parts of the design are the smallest single-ship system, Elevator circuits, motor drive module, test module, display module and other components. The system uses STC89C52 as the core, key induced level changes as the user requests information, monolithic way by breaking the query gets the user request and according to the results of floors to control motor from reaching the target floor,floors using a photoelectric sensor, motor frequency conversion adjustment ,using single-ship microcomputer control inverter output frequency to control motor speed.Software design using the c language, c has many advantages, such as: efficient, portable, flexible, and so on, which will greatly facilitate future system debugging and modification.Key words: STC89C52; photoelectric sensor; transducer前 言在人类生产生活中，电梯已经伴随了超过百年，随着技术的不断发展，电梯的使用范围和普及速度越来越快，已经成为日常生活中不可缺少的垂直交通工具。电梯发展到今天，在使用需求和新技术的应用都全面的得到了发展。随着智能化和信息化的建筑的不断发展，不但要求电梯完成垂直运输的基本功能，还要求舒适度的不断提高，坚持以人为本，电梯的衡量标准不再简单的是“时间最短”问题，而是采用模糊理论，专家系统，神经网络等方法，用以达到单梯与群控管理的最佳模式，远程监控与故障诊断，节能以及减少环境污染。电梯的分类：电梯的分类方法从大方向来说，可以从拖动方式和控制方式两方面来看按照拖动方式：1) 流单数感应电机开环直接启动的电梯拖动系统。2) 交流双速电机变极调速电梯的开环拖动系统。3) 交流双速电机、半闭环调压调速拖动系统。4) 交流双速电机、全闭环调压调速拖动系统。5) 交流单速电机、全闭环调压调速拖动系统。按照控制方式：1) 手柄操纵控制电梯。此种电梯由司机操纵轿厢内的手动开关，实现轿厢运行的控制。2) 按钮控制电梯。这是一种通过操纵层门外侧按钮或轿厢内按钮发出指令使轿厢停靠层站的电梯。3) 信号控制电梯。这是一种由电梯司机操纵轿厢运行的电梯，具有将层门外上下召唤信号、轿厢内选层信号和其他各种专有信号加以综合分析判断的功能因而自动控制程度较高。4) 集选控制电梯。这种电梯的自动控制程度更高，可以实现将层门外上下召唤信号、轿厢内选层信号和其他专用信号加以综合判断分析自动决定轿厢的运行，无需司机控制。5) 群控电梯。将多台电梯进行集中排列，并共用层门外按钮，按照规定程序集中调度和控制电梯。此种控制方式适用于建筑内不同时段人流量不均匀的特点。本设计主要为适用于居民小区、私人住宅楼层在35层的电梯控制系统。目前，我国电梯行业发展繁荣2015年电梯保有量突破400万，而家用电梯的保有量只有将近40万，只占总量的10%左右。未来随着我国经济的发展，人民生活水平的不断提高，人口老龄化趋势越来越严重，对家用电梯的需求也会不断提高，家用电梯的市场潜力巨大。针对该电梯控制系统使用的环境，应满足安全、操作简便、经济实惠、造型美观等特点。其技术参数与普通的公共乘客电梯也有较大差别，如最大载重为400kg，最大速度为0.4m/s。适用于居民家庭使用的电梯主要使用曳引式和液压式两种，曳引式是指以曳引机作为驱动动力，曳引钢丝绳通过曳引轮一端连接轿厢，一端连接对重装置，这样电机转动带动曳引轮转动，驱动钢丝绳，拖动轿厢和对重做相对位移运动，以此来达到垂直运送任务。目前这种技术成熟，维修方便，能耗较低，适用于这类电梯。本设计注重将基础理论知识与实际情况紧密结合，同时加强对独立创新和分析问题能力的锻炼，加深对问题的理解能力，为以后的学习和工作生活打下良好的基础。1 方案论证及其系统功能介绍 本章首先介绍电梯结构和控制方案，然后具体介绍基于单片机（STC89C52）的电梯控制系统的方案设计。电梯控制系统随着技术的发展其控制方式也在不停的发展，从最开始的继电器控制，发展到现在的PLC控制以及更加先进的微机控制。1.1 电梯的组成电梯的机械结构主要包括机房、轿厢、层站、井道。基本结构如下图：图1.1 电梯结构图曳引系统：输出、传递动力，驱动电梯运行。导向系统：限制轿厢和对重的活动。门系统：进出口，关门运行，到站开门。轿厢：运送乘客和货物。重量平衡系统：平衡轿厢重量，补偿钢丝绳重量。电力拖动系统：提供动力，速度控制。电气控制系统：操纵和控制。安全保护系统：保证安全，防止事故的发生。1.1.1 轿厢系统电梯轿厢是装载乘客或货物，具有方便出入门装置的箱形结构部件，是与乘客或货物直接接触的,轿厢由轿架和轿厢体组成的。轿架是轿厢的承载结构轿厢的负荷由它传递到曳引钢丝绳，轿厢架的结构一定要强。框架的结构选择槽钢或者按要求压成的钢板，上、下、立梁之间一般选用螺栓连接。在上、下梁的四角有供安装轿厢导靴和安全钳的平板，在上梁中部下方有供安装绳头和轿厢顶轮的安装板，在立梁上留有安装轿厢开关板的支架。轿厢体形态上就像一个大箱子，由轿厢底板、轿厢壁、轿厢顶组成，轿底框架采用规定型号的槽钢和角钢焊接而成，并在上面铺设一层钢板。轿壁间以及与轿顶、轿底之间一般采用螺钉连接紧固，轿顶的结构与轿壁相似，要求能承受一定的载重，除了必要的通风口和出入口外，不能有其他开口，材质要使用不易燃的和不产生有毒有害气体。1.1.2 导向系统导向系统主要由导轨、导靴、导轨架组成导轨架作为导轨的支撑件，被固定在井壁上，导靴被安装在轿厢架和对重架的两侧。在电梯运行过程中，作用是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能按照各自的轨道移动，不会发生横向摆动和摆动，保证电梯在运行时稳定不偏摆。导向系统主要特点：1) 无论是轿厢导向还是对重导向，均由导轨、导靴、导轨架组成2) 导轨架作为导轨的支撑机构被固定在井道壁上。3) 导靴安装在轿厢架和对重架的两侧，导轨的靴衬与导轨工作面配合，使一部电梯在曳引绳的牵引下，一边为轿厢，另一边为对重，分别沿各自的导轨作上下运动。4) 每台电梯均具有用于两组至少4列导轨。导轨是电梯上下行驶在井道的安全机构，导轨安装在井道壁上，电梯中常用到的导轨是“T”字型导轨，刚性强，可靠性高、安全廉价。由于导轨是电梯轿厢上的导靴和安全钳的穿梭路轨，所以安装时必须保证其间隙。同时在电梯出现超速事故时，导轨要承受制动电梯的重任所以其刚性不容忽视。导靴分为滑动导靴和滚动导靴两类，滑动导靴一般是由带凹槽部分中一般均镶有耐磨的靴衬，靴头可以是活动的也可以是固定的。导靴的作用是保证轿厢和对重沿着导轨作上、下运行的部件。轿厢导靴安装在轿厢上梁和轿厢底部安全钳座的下面共有四个。对重导靴安装在对重架的上梁和底部，也是四个。导靴分为固定滑动导靴、弹性滑动导靴、和滚轮导靴。固定滑动导靴有较高的强度和刚度，承载能力强，由于固定滑动导靴与导轨间的配合存在着一定的间隙，在运动时容易产生较大的震动和冲击，所以适用于速度小于0.5m/s的低速电梯。弹性滑动导靴与固定滑动导靴的不同之处在于靴头是活动的，一般用于速度在12m/s的电梯上。滚轮导靴由靴座、滚轮、调节弹簧等组成，使用三个滚轮来代替滑动导靴衬的三个工作面，以滚动摩擦来取代滑动摩擦，使轿厢的运行更加平稳，因此滚动导靴适用范围很广，可以工作在高速电梯等。1.1.3 曳引系统曳引系统的主要作用是向电梯输送和传递动力，使电梯运行，主要由曳引机，曳引钢丝绳，导向轮和反绳轮等组成，是电梯运行的根本。曳引机主要由电机、制动器、联轴器、减速箱、曳引轮机架和导向轮等组成，是曳引驱动的动力，曳引钢丝绳通过曳引轮一端连接轿厢，一端连接对重装置。为了使井道中的对重和轿厢各自沿井道中的导轨运行而不相蹭，曳引机上放有导向轮将二者分开。轿厢和对重的重力使曳引钢丝绳紧压在曳引轮产生摩擦力，这样当电机转动带动曳引轮，驱动钢丝绳使轿厢和对重产生相对运动。从而实现垂直运送任务。对重和轿厢要实现相对运动，靠曳引钢丝绳和曳引轮之间产生的摩擦力实现的，这种力叫作曳引力。曳引条件必须满足：T1 T2C1C2efT1 T2：为载有125%额定载荷的轿厢位于最低层站及空轿厢位于最高层站的两种情况下，曳引轮两边的曳引绳较大静拉力与较小静拉力之比。C1：为加速系数或动力系数，与加速度、减速度以及电梯特殊安装情况有关的系数。C2：为由于磨损导致曳引轮槽断面变化的影响系数。（对半圆或切口槽：=1，对V型槽：=1.2）ef：f为曳引绳在曳引轮中的摩擦系数，为曳引绳在曳引轮上的包角，ef称为曳引系数。它限定了T1 T2的比值，ef值越大则T1 T2允许值也越大，也就表明电梯曳引能力越大。电梯的曳引系数代表了该电梯的曳引能力。平衡系数：由于曳引力有齿轮曳引机：拖动装置的动力，通过中间减速器传递到曳引轮上的曳引机，其中减速箱通常采用蜗轮蜗杆传动，这种曳引机一般用于速度在2.5m/s以下的中低速电梯中。无齿轮曳引机：中间不使用减速器而是直接将动力传递到曳引轮上的曳引机，无齿轮曳引机适用于速度在2.5m/s以上的高速电梯和超高速电梯。1.1.4 重量平衡系统重量平衡系统的作用是使对重和轿厢能达到相对平衡，在电梯运行过程中即使轿厢的重量在不停变化，仍能使两者之间的重量差能保持在一定范围内，保证电梯曳引传动平稳正常。重量平衡系统主要由对重装置和重量补偿装置组成。图1.2 重量平衡系统示意图1-对重；2-补偿装置；3-轿厢；4-电缆 对重可以平衡轿厢的重量和部分电梯负载的重量，减少电机的功率损耗。当电梯负载与对重十分匹配时还可以减小钢丝绳与绳轮之间的曳引力，延长钢丝绳的寿命。对重的总重量通常用下面的计算公式：式中：G轿厢自重（kg） Q轿厢额定载重（kg） K电梯平衡系数，为0.40.5，以钢丝绳两端重量之差值最小为好，选值原则是尽量使电梯工作在接近最佳状态。1.1.5 门系统电梯的门系统可分为两种，装在井道入口层站处的层门，装在轿厢口的轿厢门，层门和轿厢门按照结构可分为中分门、旁开门、垂直滑动门等。中分门主要用在乘客电梯上，旁开门常用于货运电梯上。电梯层门和轿厢门一般组成由门、导轨架、滑轮、滑块、门框等部件组成。1.1.6 电力拖动系统电梯的电力拖动系统的功能是为电梯提供动力，并对电梯的启动加速，平稳运行，制动减速提供控制。拖动系统的好坏直接影响电梯启停的加速和减速性能、平层精度、安全性等指标。目前的电梯拖动系统分为直流电动机拖动、交流电动机拖动和永磁同步电动机拖动。结构图如下：图1.3 电力拖动系统结构图目前来说，交流电机拖动使用范围最广，其中采用变频器调速最为方便。变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电机的电力传动工具。1.2 电梯的控制系统方案电梯的控制系统，主要是对电梯主曳引电机和门机的启动、运行方向、减速、停止的控制、以及对每层站的显示、层站召唤等指令进行管理。控制系统的功能和性能直接决定了电梯的自动化程度和运行性能。图1.4 控制系统1.2.1 继电器控制继电器控制系统，简明易懂，线路直观，易于掌握。系统通过继电-接触器的断合，进行逻辑判断和运算，来控制电梯的运行。但该系统缺点很明显，缺点如下：1) 触点易磨损，电接触不好、故障率高；2) 触点闭合需要时间相对较长，动作慢；3) 系统体积大，控制柜占机房面积大；4) 控制系统能耗大，不利于节能；5) 维修保养工作量大，费用高；6) 控制功能少、接线复杂、通用性和灵活性较差。继电器控制系统由于缺点明显和诸多弊端，因此使用场合不多，目前已经基本上被淘汰掉。1.2.2 PLC控制系统可编程控制器（PLC）是计算机家族的一员，是为工业过程控制应用而设计制造的。可编程控制器采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时计数与算术操作等面向用户的指令，通过数字或模拟输入/输出来控制各种类型的机械或生产过程。1.2.3 微机控制系统单片机也被称为微控制器，常用MCU来表示，单片机最早是用在工业控制领域的，最初的设计理念是通过将大量的外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂而又对体积要求严格的控制设备中去。目前比较常见的单片机厂家有飞思卡尔、瑞萨电子、英飞凌、东芝等。1.3 基于单片机的控制方案利用单片机作为控制核心，实现电梯的控制，其系统框图如下：图1.5 基于单片机控制系统框图STC89C52单片机构建最小系统，输入模块采用按键方式，下面将详细探讨具体方案的实现。1.3.1 单片机最小系统本次设计选择的单片机为常见的STC89C52，该款芯片是STC公司生产的一种低耗能、高性能的CMOS8位微控制器，具有8K的可编程flash存储器。使用的内核为经典的MCS-51内核，同时进行了更多改良。图1.5 STC89C52引脚图 主要特点：1) 8K的Flash；2) 512字节的RAM；3) 内置4K字节的EEPROM；4) 全双工串行口；5) 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。1.3.2 重量检测模块方案重量检测模块的主要作用是在电梯的载重超过额定重量时，检测装置能够向单片机发送信号，从而控制电梯不能运行并发出过载信号，提醒上梯的乘客下梯，过载开关打开后，门无法关闭。根据其在电梯安装方式的不同，可以大致分为以下几种：1) 活动轿厢地板。这种是装在轿厢上的载重检测装置，活动地板与轿厢壁之间有一定的距离，轿厢地板支撑在压力传感器上，当重力超过设置值时，开关导通，单片机接收到信号。2) 轿顶称量装置。这种装置是以压缩弹簧作为称重元件，在轿厢架上梁的绳头组合处设以超载装置的杠杆，当电梯承受不同重量的载荷时，绳头组合会带动杠杆发生上下移动，当超重时，杠杆的摆动会触动微动开关，给电梯相应的控制信号。3) 电阻应变式称量装置。随着技术的发展电阻应变式装置逐渐的到来发展应用，该装置的主要由测量电桥、载频振荡器、放大器、低通滤波器等组成。图1.6 常见电阻应变式传感器1.3.3 位置检测模块方案电梯在运行的过程中会经历启动加速，匀速运行和，减速停止3个过程，在停止时，轿厢必须要停在指定的位置。位置检测装置的作用是通过光电传感器或其他传感器的检测，将信息发送给单片机，从而控制电梯，在平层区域内，使轿厢准确停在预定位置。常见的平层感应器有以下几种：1) 永磁感应器。感应器由永磁钢和干簧管组成，平层感应器由2只感应器装在一副支架上组成的，减速感应器有上行和下行之分，每个方向的感应器又根据电梯速度来设置。永磁感应器如下图1.7所示：图1.7 永磁式平层感应器2) 光电式平层感应器。原理是利用被检测物体对光线的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。图1.8 光电式平层感应器1.3.4 电机控制方案电机的控制使用变频器来实现。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元等组成，变频器内部靠IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需的电源电压。变频器的主回路是给电机提供调频调压电源的电力交换部分，控制电路是给主回路提供控制信号的回路。主回路由以下几部分组成：1) 整流器：将工频电源转换为直流电源，可用2组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。2) 平波电路：在整流器整流后的直流电源中，为了抑制电压的波动，采用电感和电容吸收脉动电压。3) 逆变器：与整流器的作用相反，逆变器将直流功率转换为所要求的交流功率，通常情况下使用6个开关器件的导通和关断就可实现3相交流输出。控制回路主要由以下几部分组成：1) 运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压频率。2) 驱动电路：驱动主电路器件的电路，与控制电路隔离，控制主电路器件的导通与关断。3) 速度检测电路：以装在电机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算使电机按照指令运转。4) 保护电路：检测主电路的电流、电压等，当发生过载或电压等发生异常时，为防止逆变器和电机的损害，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。使用变频器控制电机，需要将变频器的开关量输入端子和模拟量输入端子接入单片机，通过单片机来控制其运行状态。其结构图如下：图1.9 电机控制方案结构图1.3.5 轿厢开关门控制方案电梯的门由门扇、门滑轮、门地坎、门导轨架等部件组成层门和轿门都由门滑轮悬挂在门的导轨上，下部通过门滑块与地坎相互配合。门的打开与关闭的动力来源于门电机，通过传动机构来驱动电梯的运行，再由轿门带动层门一起运行。图1.10 电梯门系统结构图门机装置主要分为中分门机、双折、中分双折三种。其中中分门机适合普通客梯使用，根据设计要求，本设计应选择中分门机，比较典型的如DO2000型，该门机装置具有以下特点：1) 开关门方式：具有双扇门板，并向两边等速开启的水平滑动开门机。2) 驱动结构：以交流电机为动力，该电机经过多楔带减速驱动多楔带轮，而多楔带轮的转动通过带动同步带运行，通过连杆及钢丝绳机构驱动轿门来工作。3) 控制方式：一种变频控制的门系统，变频器采用三相脉宽调制技术，通过脉冲宽度调节来控制电机，从而达到理想的开关门曲线。变频器采用编码器进行速度反馈闭环调节。该门机装置在使用上还具有以下特点：1) 平稳舒适：由于采用变频控制，开关门速度进行闭环控制，可以按照理想的开关门曲线，运行跟平稳舒适。2) 调整方便：开关门曲线一般在出厂时已经设定完成，一般可以直接使用。调试人员还可以根据实际情况进行微调，调整时仅需改变参数即可。3) 安全可靠：该门机控制盒及驱动部分，安全可靠，具有力矩保护功能，当关门阻止力超过力矩限制时，门机自动开门。2 电梯控制系统单元电路设计2.1 基于STC89C51最小系统最小系统包括主控芯片，复位电路和晶振电路。晶振电路主要由震荡电路和分频电路组成，震荡电路主要由反相器和并联外接的石英晶体和电容组成，产生震荡脉冲信号。分频电路的作用是把震荡电路产生的脉冲信号分频，得到需要的脉冲频率。单片机的各个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准的，时钟频率直接决定单片机运行速度，时钟电路的质量也直接影响电路的稳定性。通常情况下电路中电容C1和C2选择30PF。晶振的频率越高，单片机的运行速度越快，但反过来运行速度越快也要求内存要足够快。晶振和电容要尽量的离单片机足够近，减少寄生电容，通常情况下使用11.0592MHZ的晶振。在震荡电路中，通常需要用到的有源晶振和无源晶振两种，有源晶振即石英振荡器，简称晶振，无源晶振即石英谐振器。石英振荡器有非常好的频率稳定性和抗干扰能力，所以石英晶体振荡器常用来产生基准频率，而石英谐振器没有电压的问题，信号电平可变，价格低廉，所以，这里使用的晶振为无源晶振。图2.1 晶振