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分布式货梯控制器及模型设计分布式货梯控制器及模型设计摘要 现阶段，国内传统的电梯控制是由继电器、接触器、逻辑电路构成的。它不仅存在着可靠性差、成本高、故障率高等缺点,而且在层数增加时,其接线会变得越发复杂，给制造及安装带来诸多不便。现利用单片机作为控制芯片，采用多个模块的数据通讯组合成整体控制系统，对货梯进行模块化控制，简化了货梯的安装和维护。大大的提高了系统控制的优越性，降低了成本，减小控制系统的故障率。该设计主要以单片机为控制器，采用RS485将各楼层控制模块连接起来，并与电机控制模块相连，实现了货梯控制器的模块化设计。关键词 单片机 分布式货梯 RS485 Distributed Lifts Controller and Model DesignAbstract At this stage, the domestic traditional elevator control is done by relays, contactors, logic circuits. It is not only the existence of poor reliability, high cost, high failure rate and other shortcomings, but also in the number of layers increases, the wiring will become more complex, to the manufacture and installation inconvenience. Now the use of micro control, a plurality of data communication modules combined into the overall control system, modular control freight elevators, freight elevators simplify installation and maintenance. Greatly improve the system control advantages, reduce costs, reduce the failure rate of the control system.The design of the main microcontroller as controller, RS485 control module is connected to the floors together and connected to the motor control module, the modular design of the freight elevator controller.Keywords Micro,Distributed lifts,RS485目录引言1第1章 绪论21.1 分布式货梯控制器简介21.2 设计意义与背景21.3 本设计主要工作21.4 本文任务安排3第2章 系统方案设计42.1 系统要求42.1.1 系统设计要求42.1.2 系统性能要求42.2 系统总体设计方案42.2.1 总体设计42.2.2 主要器件选择52.3 本章小结7第3章 系统硬件设计83.1系统硬件结构83.2 硬件设计软件ALTIUM DESIGNER93.3 系统总体硬件模块设计93.3.1 单片机模块103.3.2 通讯模块113.3.3 下载模块113.3.4 楼层控制模块113.3.5 电源模块143.3.6顶层控制模块14第4章 系统软件设计154.1 系统软件结构154.1.1 楼层控制模板164.1.2 顶层控制模板164.2 软件设计软件KEIL uVISION4174.3 单片机I/O口功能简介184.4 485通讯协议18第5章 货梯调试205.1 硬件电路板焊接205.2 模型搭建215.3 货梯调试22结论24致谢语25参考文献26IV引言随着现代高科技的发展，住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。本项目是以单片机为控制器，是不同于传统电梯的控制方式。设计目的在于设计一种以单片机为控制器，通过RS485将多楼层的控制模块连接起来，并与电机控制模块相连，实现了货梯控制器的模块化设计。以达到解决上述问题的目的，通过单片机控制芯片，利用多模块的数据通讯实现货梯控制的模块化，简化了货梯的控制器的安装和维护，使其维修、安装效率更高、安全性能更好、通用性能更强。因此研究这个课题是对于以后社会的发展有一定的影响。本文分为绪论、系统方案设计、硬件系统设计、软件系统设计以及货梯调试五个部分，详细阐述了该控制系统的运行环境、系统的设计思路、系统的功能模块以及货梯调试。第1章 绪论1.1 分布式货梯控制器简介本项目就是采用单片机作为控制芯片，由多个模块的数据通讯组合成整体控制系统，对货梯进行模块化控制，简化了货梯的安装和维护。大大的提高了系统控制的优越性，降低了成本，减小控制系统的故障率。该设计主要以单片机为控制器，采用RS485将各楼层控制模块连接起来，并与电机控制模块相连，实现了货梯控制器的模块化设计。1.2 设计意义与背景现阶段，当代电梯产业发展迅速，当前电梯多用PLC为控制器，PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，但由于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，比PLC控制器经济实惠得多，如果在抗干扰功能上有所提高的话完全可以代替PLC实现对工控设备的控制。当然单片机并不像PLC那么有针对性，但由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美地实现设备的升级。国内传统的电梯控制是由继电器、接触器、逻辑电路构成的。它不仅存在着可靠性差、成本高、故障率高等缺点,而且在层数增加时,其接线会变得越发复杂，给制造及安装带来诸多不便。利用单片机控制电梯有成本低，通用性强，灵活性大及易于实现复杂控制等优点。该设计主要以单片机为控制器，采用RS485将各楼层控制模块连接起来，利用多模块的数据通讯实现货梯控制的模块化，简化了货梯的控制器的安装和维护，使其维修、安装效率更高、安全性能更好、通用性能更强。因此研究这个课题是对于以后社会的发展有一定的影响。如果这种控制方式可以得到发展与应用，对未来的电梯事业发展将是不小的进步。1.3 本设计主要工作论文主要针对基于单片机为控制器的分布式货梯的研究和设计，根据实际要求，完成整个控制系统的总体方案，并对硬件系统和软件系统进行详细的设计，最终实现对货梯的控制，通过每个楼层的模块控制，实现货梯的上行、下行、楼层停靠等功能。第一章为论文的绪论，对基于单片机控制的分布式货梯进行了简介。第二章介绍了系统整体设计方案。对系统进行了介绍，提出了系统设计要求、系统性能要求；画出系统整体设计框图并进行介绍，对系统中主要器件进行介绍，如单片机、通讯模块。第三章介绍了系统的硬件设计。硬件电路设计整体模块化，这样有利于当电路损坏时可以更快地做到更换，对电源模块、单片机、继电器驱动模块、楼层控制模块、下载模块进行了详细的介绍。第四章介绍了系统软件的设计。主要由三大部分组成，一是单片机的初始化，二是串口通讯，三是控制程序；画出了系统运行的流程图，并对单片机、通讯模块、控制模块进行了细化分析。第五章介绍了货梯调试过程。 1.4 本文任务安排1.系统方案设计：进行整体的方案设计并选取合适的器件用于设计中；2.系统硬件设计：对硬件系统进行分析，作出整体框图，设计具体电路，并且制作PCB板；3.系统软件设计：对器件进行初步调试，设计流程图，编写程序；4.货梯调试：调试及设计结果展示与问题分析；5.结论总结：此次毕业设计的内容与不足进行总结；感谢恩师；参考文献。第2章 系统方案设计本章节主要叙述采用单片机作为控制器的分布式货梯的主要方案设计，将对系统进行整体的介绍、提出对系统设计的要求，并且列写系统整体的设计方案，包括总体设计的框图解释、主要选用的器件介绍。本系统主要采用型号为STC15F2K60S2-LQFP44的单片机、与型号为MAX485的RS485通讯模块来实现货梯的运行。在整部货梯中的每个楼层装设一个单独的控制面板，控制面板由多个模块组成，包括通讯模块、单片机、楼层控制模块、下载模块等。控制面板与顶部的继电器驱动模块共同运作从而达到对货梯的控制，使之上行、下行或停止。2.1 系统要求2.1.1 系统设计要求经过前期的调查分析，为实现货梯控制系统的接线简易、安装简单、维修方便和控制更加容易上手等这些目标，本项目的系统设计将有如下几点设计要求：(1)能够通过单片机对接触器的控制，使电机正反偏转，完成模型在电梯井内进行垂直升降动作；(2)能够通过对现有控制模块的改造，从而使传统集中控制型货梯控制器改进为分布式控制设计，是电梯控制器模块化、标准化，使接线简易，方便维修，方便控制等；(3)能通过对通讯协议的编写，保证货梯运行状态的安全性。2.1.2 系统性能要求系统基于Microsoft Windows 7开发，使用的开发工具为Keil Vision，使用的开发语言为C语言。2.2 系统总体设计方案2.2.1 总体设计总体设计主要分为两部分，一部分是单片机与继电器驱动模块、通讯模块；一部分是单片机与楼层控制模块、下载模块、通讯模块。如图2-1（a）所示，有以下几个部分功能：1.由电源模块向单片机、继电器驱动模块、通讯模块提供电源以保证正常运行；2.单片机与通讯模块双向传输；3.由单片机向继电器传达指令，以实现继电器驱动模块的正转或者反转，从而使货梯上行或下行。如图2-1（b）所示，有以下几个部分功能：1.电源模块向单片机、通讯模块、楼层控制模块、下载模块提供电源；2.单片机与通讯模块双向传输；3.由下载模块将程序下载至单片机中；4.由单片机向楼层控制模块下达指令，以实现楼层开关、拨码开关、楼层指示灯、楼层背光等功能。（a）（b）图2-1 系统结构框图2.2.2 主要器件选择1、STC15F2K60S2-LQFP448051系列单片机，8051系列单片机是在美国Intel公司于20世纪80年代推出的MCS-51系列高性能8位单片机的基础上发展而来的1。它在单一芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时器、计数器、中断系统、片内RAM和片内ROM以及其他一些功能部件2。本项目当中所用的单片机是目前市场中最常用的8051内核单片机STC15F2K60S2-LQFP44。STC15F2K60S2系列单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时器/计数器、I/O口、高速A/D转换、看门狗电路、通用异步串行通信口（UART）、高速同步串行端口SPI、PWM、电源监控、片内RC时钟及高可靠复位等模块。STC15F2K60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上是一个片上系统（SOC）。STC15F2K60S2-LQFP44的管脚图如图2-2所示。图2-2 STC15F2K60S2-LQFP44的管脚图2、模块Max485RS-485又名TIA-485-A, ANSI/TIA/EIA-485或TIA/EIA-485。RS485是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。使用该标准的数字通信网络能在远距离条件下以及电子噪声大的环境下有效传输信号。RS-485使得廉价本地网络以及多支路通信链路的配置成为可能。MAX485芯片是Maxim公司的一种RS485芯片。MAX485、MAX487-MAX491以及MAX1487是用于RS485与RS422通信的低功耗收发器，每个器件中都包含有一个接收器与一个驱动器。MAX483、MAX487、MAX488以及MAX489中含有限摆率驱动器，可以减小EMI，并能够降低由于不恰当的终端匹配电缆引起的反射，从而实现最高为250kbps的无差错数据传输。MAX481、MAX485、MAX490、MAX491、MAX1487的驱动器摆率则不受限制，可实现最高为2.5Mbps的传输速率3。如上文所介绍，MAX485是用于RS485与RS422通信的低功耗收发器。MAX485的驱动器摆率并不受限制, 可以实现最高为2.5Mbps的传输速率。这些收发器在驱动器禁用的空载或者满载状态下，所吸取的电源电流都在120A至500A之间。所有器件全部都工作在5V单电源下。驱动器能够实现短路电流限制，并且可以通过热关断电路将驱动器输出设置为高阻状态。接收器输入则具有失效保护特性，当输入开路时，可以保证逻辑高电平输出，较高的抗干扰性能。因此，MAX485是现在市面上最为常见的RS485芯片，也是用量最大的RS485芯片，高性价比，性能优质，供货稳定是大部分厂家采用它的主要原因。Max485芯片的引脚图如图2-3所示。图2-3 Max485芯片引脚图2.3 本章小结 本章主要叙述系统的方案设计，通过对系统整体设计后，本设计也已经有了大体的框架，接下来的任务就是进行系统的硬件设计。26第3章 系统硬件设计本章节主要叙述对系统的硬件设计，包括硬件设计结构的解释、硬件设计软件的介绍、总体硬件设计模块的介绍。3.1系统硬件结构基于单片机的分布式货梯控制器是采用模块化控制来实现对货梯的整体控制。工作方式是以单片机为核心，多个模块共同工作。如图3-1所示，各个模块共同配合实现对货梯的控制。结构框图已在2.2.1中进行的解释。（a）（b）图3-1系统结构框图3.2 硬件设计软件Altium DesignerAltium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的关于电子产品开发一体化的软件系统。该软件具有设计原理图、绘制PCB电路板、自动走线等功能。在本设计中，若熟练使用该软件能够使电路设计的质量和效率大大提高4。Altium Designer在原来Protel系列软件的基础上，添加了许多新功能。该软件拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了SOPC设计实现功能和FPGA设计功能，因而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计以及嵌入式设计能够集成到一起5。Altium Designer对计算机的系统需求比先前的版本要高一些。该软件主要功能：原理图设计；PCB电路板绘制；FPGA开发；嵌入式开发等。3.3 系统总体硬件模块设计如图3-2所示，总体硬件电路设计主要包括以下几个部分：单片机模块、通讯模块、下载模块、楼层控制模块（包括楼层开关、楼层限位、拨码开关、楼层背光、楼层指示灯）、电源电路、继电器驱动模块。图3-2 总体硬件设计电路3.3.1 单片机模块 本项目使用的单片机型号为STC15F2K60S2-LQFP44，STC15F2K60S2系列单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时器/计数器、I/O口、高速A/D转换、看门狗电路、通用异步串行通信口（UART）、高速同步串行端口SPI、PWM、电源监控、片内RC时钟及高可靠复位等模块。STC15F2K60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上是一个片上系统（SOC）。 以STC15F2K60S2-LQFP44为核心的单片机系统的硬件电路设计主要包括以下几个部分：时钟电路、电源电路、复位电路、j-link接口。STC15F2K60S2-LQFP44单片机电路如图3.3所示。其中各个部分的功能如下：1.时钟电路给单片机提供一个外接的石英晶振；2.电源电路主要是给单片机提供电源。 如图3-3所示为单片机模块的硬件设计电路。图3-3 单片机模块硬件设计电路3.3.2 通讯模块1.通讯模块Max485是设计的核心部分其电路如图3-4所示。2.引脚说明如表3-1所示。表3-1 引脚说明表引脚功能说明引脚1RXD：数据接收引脚2、引脚3CTRL485：切换控制信号引脚4TXD：数据发送引脚5GND：接地或电源负极1、2、3、6、7、8引脚还接入电源。图3-4 通讯模块硬件设计电路3.3.3 下载模块 下载模块如图3-5所示。下载模块用于收发数据，模块的功能是将源程序代码下载STC15F2K60S2-LQFP44中，它要和微机上的ISP下载器软件配合使用来才能完成这样的功能。ISP为在线编程接口，J2为标准10PJTAG下载接口。ISP在线编程接口为89S51单片机提供了方便的在线编程方法。使用时将ISP下载线一端与PC并口相连接，一端与ISP接口相连，使用ISP下载软件即可实现MCU在线编程6。该模块通过1引脚与电源连接，2引脚接地，3引脚进行数据接收，4引脚进行数据发送。图3-5 下载模块硬件设计电路3.3.4 楼层控制模块1.楼层开关楼层开关用于控制货梯楼层的选择。人员由开关通过对楼层的选择，进而控制电梯上升下降，按下对应楼层按键，点阵屏数字将从当前位置向下或向上平滑滚动显示到指定楼层位置。楼层开关硬件电路如图3-6所示。图3-6 楼层开关硬件设计电路2.楼层背光 楼层背光显示的是目标楼层的层数，需要到达哪一层，该楼层所对应的LED灯就会亮起。电路如图3-7所示。图3-7 楼层背光硬件设计电路3.楼层指示灯 由数码管显示楼层，到达对应楼层的时候就由组成该楼层所示数字的数码管亮起。其电路如图3-8所示。图3-8 楼层指示灯硬件设计电路4.楼层限位 1引脚连接楼层，2引脚连接电梯门，3引脚连接超重。其他引脚暂无作用。如图3-9所示。图3-9 楼层限位硬件设计电路5.拨码开关 拨码开关采用2进制，提前设定好楼层，设定的楼层对应该楼层的控制面板。电路图如图3-10所示。图3-10 按键模块硬件设计电路3.3.5 电源模块 电源模块用于给整个系统供电，电路如图3-11所示。图3-11 电源模块硬件设计电路3.3.6顶层控制模块 继电器驱动模块通过接收楼层发送的信息来控制电机正转或反转来控制货梯上行、下行或停止，以实现货梯可到达所要求楼层。该模块电路如图3-12所示。图3-12顶层控制模块硬件设计电路第4章 系统软件设计4.1 系统软件结构本设计要实现如下功能：模块初始化、电梯位置检测、电机正反转、按键响应、系统功能等。图4-1系统软件主设计框图初始化程序使数码管显示数字即表示货梯处在楼层;判断工作人员选择去哪一层，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判断位置，电梯在运行过程中只响应同方向的呼口请求;实时显示电梯所在位置及运行状态。 系统软件设计框图如图4-1所示。4.1.1 楼层控制模板楼层控制模块工作流程如图4-2所示。图4-2 楼层控制模板流程图4.1.2 顶层控制模板顶层控制模板工作流程图如图4-3所示。图4-3 顶层控制模板流程图4.2 软件设计软件Keil Vision4在汇编语言中，C语言从表达、理解、编程、维护等方面都具有很大的优势。在KeiL C51标准内具有C编译器，能够为8051微控制器提供了C语言程序编译的软件开发环境,而且兼容有汇编代码执行效率高,编写速度快的特点。C51编译器的功能在渐渐的扩增，使你可以更加了解及使用CPU及在它基础上设计的产品。支持所有的8051系列的芯片，还包括ARM处理器7。Keil的开发环境主要包括C/C+编译器、RTX实时操作系统内核库、Vision IDE开发环境及器件数据库、Vision调试器及分析工具和一个强大的器件仿真调试器，同时开发环境还提供针对不同MCU器件的开发例子和模版。Keil集成开发环境的uVision4 IDE提供对汇编语言、C语言和C+语言的支持，大大加速了嵌入式软件的开发进程，自2009年2月推出Keil Vision4 的IDE开发环境，截止到2013年，我们用到的都是Keil Vision4 版本的IDE开发环境8。Keil软件的优势有工程建立简单，调试方便（技巧有断点调试、寄存器调试、串口调试，用户还可以通过程序性能评估工具了解函数执行状况）9，检查严格（PC-Lint静态分析工具）。4.3 单片机I/O口功能简介单片机的I/O口功能如表4-1所示。表4-1 单片机I/O口功能I/O口引脚名称功能P0.0P0.7AD0AD7连接数码管P1.0P1.7ADC0ADC7连接楼层限位P2.0P2.7A8A15连接楼层开关P3.0P3.1RxD,TxD连接下载模块P3.2P3.4INT0，INT1，T0连接拨码开关P3.5P3.6-连接继电器驱动模块P3.7TxD_2连接通讯模块P4.0P4.4-连接楼层背光P5.4P5.5-连接楼层背光4.4 485通讯协议都需要数据通讯，它们之间的通讯协议如表4-2所示：表4-2 485通讯协议字头2Byte地址1Byte指令1Byte数据1Byte结束1Byte校验1Byte在实际的通讯过程中，字头数据为AA CC，为启始字节，接收端在收到该字节后表示接下来要开始接收数据，第三个字节为地址字节，表示目标节点的地址信息。第四个字节为指令字节，表示对目标节点的控制指令，目前只有开关控制指令。数据字节为保留字节，为以后的功能拓展预留出来。结束字节为EE，表示该指令数据已经结束。校验字节为除去字头外的前面几个字节的和，具体如下：校验字=地址+指令+数据+结束10。目标节点在接收到数据后也通过上束公式进行计算，如果所得的结果与接收到的不符表示数据传输过程中出错，应该重新发送指令。例如：在网络调试助手中以十六进制输入 1 00 20 50 会自动加上字头、结束和校验位，数据变成 0xCC 0x01 0x00 0x20 0x50 0x81 0xDD即被控单片机上会收到一帧7位的数据 0xCC 0x01 0x00 0x20 0x50 0x81 0xDD第5章 货梯调试货梯调试主要分为硬件调试和软件调试。硬件调试即为调试硬件是否能正常工作，是否能够实现货梯的运行。软件调试即为测试程序是否出错，是否能够使PCB板正常工作。5.1 硬件电路板焊接 根据图3-1所示的硬件电路图制作PCB板并焊接完毕，正面图如图5-1所示，反面图如图5-2所示。图5-1 PCB板正面图5-2 PCB板反面为了节约成本，此次电路板将两套模板焊接在同一块电路板上。两套模板分别为楼层控制模板和顶层控制模板，楼层控制模板由楼层控制模块、通讯模块、单片机模块、电源模块组成；顶层控制模块由单片机模块、继电器、通讯模块、电源模块组成。各模块分布如图5-3所示。图5-3 PCB板各模块分布图5.2 模型搭建每个楼层包含的控制面板及传感器如图5-4所示。整个模型由铝条搭建的框架、箱体、每楼层的控制面板、楼层传感器、继电器组成，整体模型搭建如图5-5所示。图5-4 每楼层货梯图图5-5 整体模型图5.3 货梯调试货梯最终能够完成预期目标，能够通过每个楼层控制面板及顶层控制面板的配合实现电梯的上下运行。完成后的面板如图5-6所示。图5-6 调试完成的控制面板结论 本次设计采用8051系列单片机的STC15F2K60S2-LQFP44为控制器来设计实现模拟简单货梯控制系统，改变传统的电梯运行方式，采用模块化控制，实现分布式货梯的运行。本系统设计简便、实用性强、操作简单，完成了模拟货梯的基本功能。单片机在接口性能和计算速度等方面均有资源