基于嵌入式的智能电梯控制系统的设计与实现

湖南文理大学课程设计报告审阅意见：审查教师日期目录一、设计标题1二、设计要求1三、设计角色目的1四、使用的设备和软件1五、全系统设计和硬件设计25.1电梯控制系统硬件设计35.1.1电梯控制系统的基本组成部分35.1.2电梯主控制器硬件设计总计划45.2马达驱动模组55.3显示模块65.4交换机控制模块75.5警报模块8六、系统软件设计86.1电梯主控制器软件流程设计86.2电梯操作锁定阶梯模式10七、设计问题和解决方案138、嵌入式系统学习经验14Ix。参考文献14附录a系统硬件整体结构图1611附录b程序源代码17嵌入式智能电梯控制系统的设计与实现一、设计标题嵌入式智能电梯控制系统的设计与实现二、设计要求完成了应用于电梯控制系统的新型高效嵌入式控制系统的软件和硬件设计。三、设计功能的目的随着以嵌入式处理器为核心的智能电梯控制系统的迅速发展和普及，电梯控制系统的主控制器对功能、实时性、可靠性和软件编程的灵活性提出了更高的要求。考虑到这种情况，为了软件开发平台，需要在电梯控制系统中引入嵌入式实时操作系统，可以选择开放源代码、经过验证的操作系统。使用内置于电梯控制系统中的实时操作系统，可以将应用程序分解为多任务，从而简化应用系统软件的设计。保证了电梯控制系统的实时性能，多任务处理效果好，提高了系统的稳定性和可靠性。四、使用的设备和软件1.使用32位ARM7芯片LPC2378作为电梯主控制器的微控制器；2.在当前常用的电梯控制系统中，通常在内存ROM中存储几条固定的电梯速度曲线，并在电梯运行之前选择一条速度曲线来运行。本文开发的电梯主控制可以产生多个电梯运行速度曲线，并根据地板间距生成最佳速度曲线，提高了电梯运行效率和舒适度。3.电梯控制系统的负载力矩补偿采用模糊控制技术，提高了电梯启动时的舒适度。五、全系统设计和硬件设计系统范围的方框图，如图1所示。图1系统范围的方框图5.1电梯控制？系统硬件设计5.1.1电梯控制系统的基本组件电梯控制系统的核心部件是安装在控制台上的电梯主控制器和变频器。电机构成闭环控制系统。主控制器主要完成呼叫阶梯命令注册和分配、安全回路检查、错误检测和处理、电梯速度控制、电梯运行模式控制等功能。主控制器通过CAN串行总线与汽车控制器、地板控制器、负载计量器进行通信，从而有效地实时交换信息和数据。主控制器收集了汽车控制器和层控制器发送的外部寻呼机、内部选择等寻呼机请求后，通过按程序安排的电梯控制策略，进行逻辑、算术运算，对变频器和闸门下达相关速度指示和控制命令，并发送电梯到该层，实现电梯车的垂直运动控制。主控制器还根据当前电梯位置开关、紧急停止电路反馈和安全电路的反馈信号判断当前电梯位置、安全和故障状态。汽车控制器主要实现内部电话梯信号、开关门信号、操纵器等开关信号的收集，并根据主控制器的相关控制命令完成到达时钟、语音站的控制。地板控制器主要完成外部呼叫收集请求，并实时显示电梯的地板号码等功能。变频器的主要功能是实现电机的VVVF驱动。这是根据主控制器的相应控制信号控制电动机的运行。其中，主控制器通过模拟电压输出(给定模拟电压输出)或数字音量(也称为多段速度)控制变频器，实现电机的速度控制。编码器是电机速度测量装置，是电梯控制系统的重要组成部分之一，光电编码器(光电编码器)将旋转量转换为数字脉冲输出信号，精度高，抗干扰能力强，可靠性高。光电编码器一般分为增量编码器和绝对值编码器两种。点增殖编码器的数字输出量相对于特定参考点增加或减少，通常输出3组方波脉冲(分别为a、b和z相)。其中，a，b两个脉冲相位差900用于区分被测量设备的旋转方向，a上或b上脉冲的数量用于确定旋转速度或角度，并且每个z上旋转输出一个脉冲用于参考点定位。原理简单，精度高，价格便宜，停电后参考点的位置丢失也有缺点。绝对值编码器的每个旋转位置对应于数字输出量，在断电后参考点，绝对值编码器的输出方式不会丢失为并行输出、串行输出、基于总线的输出等。绝对值编码器与增量编码器相比具有更高的抗干扰特性、数据可靠性，目前在工业控制定位设备中广泛使用，但是绝对值编码器的成本相对较高。编码器的脉冲输出信号通常不会直接传送到变频器和电梯主控制器，在通过脉冲监视输出卡(也称为PG卡)转换时，反馈到变频器和电梯主控制器。编码器可分为增量编码器和绝对值编码器两种，因此PG卡的型号也不同。此外，变频器与不同的PG卡匹配。例如，anchuan L7B变频器使用PG .B2卡和PG。X2卡匹配，fujilift变频器在OPC .LMl.PR卡和OPC。可以匹配LMl.PP卡等。在电梯控制系统中，选择了变频器的型号时，通常根据编码器型号选择特定类型的PG卡，因为编码器安装在电动机上，安装和拆卸复杂，PG卡安装在变频器内部，安装和拆卸更简单。本文开发的电梯控制系统需要PG卡发送到主控制器的速度脉冲信号为两相增量脉冲信号，对编码器模型没有特殊要求。5.1.2电梯主控制器硬件设计总计划电梯主控制器的硬件总体设计如图2所示。图2电梯主控制器的整体硬件设计本文设计的嵌入式电梯主控器可以按硬件功能分为以下5个模块：1.微处理器模块：微处理器是这部电梯主控制器的核心部件，是电梯主控制器的中央处理器。本文介绍了enzhipu新推出的ARM7TDMI。采用基于s的32位RISC芯片LPC2378作为微处理器，依靠强大的功能和丰富的片上硬件资源，简化了主控制器的硬件成本和软件实施复杂性，提高了可靠性和可靠性。2.马达驱动模组：马达驱动由L297环计数分配器和L298高功率步进马达驱动完成。警报模块：本设计采用8550晶体管驱动蜂鸣器。4.交换机控制模块：交换机控制模块使用4*4矩阵形式的电路。5.人机交互模块：主要由LCD显示接口电路(本设计为数码管)和键盘电路组成，熟悉的人机交互界面为电梯调试、维护人员在电梯调试时带来了极大的方便，使系统维护更加方便。5.2马达驱动模组图3马达驱动模组马达驱动器由L297环计数分配器和L298高功率步进电动机驱动器执行。配备步进电机的此次设计旨在方便智能控制，实现速度调节功能。马达使用两相步进马达，仅供实验使用，因此马达可以用5V电源供电，实际上为了驱动重物(人等)，必须使用较大的电压。环形分配器L297针脚示意图图4图4环形分配器L297针脚示意图L297功能简介：SYNC是多个L297一起使用时连接在一起共享一组时钟振动的斩波输出。HPME端是收集器断路输出。a到D是四相输入端。INIH1，INIH2是控制A-D相驱动，如果该销处于较低级别，则禁止A-D相输入；ENABLE端阻止低级别电动机驱动以创建输入端。重置结束；重置；HALF/FULL选择半角全角控制端，高级时半步输入；时钟输入的锁定，电机速度控制；CW/CCW是方向控制端。OSC是斩波频率输入。SEN1和SEN2是电流检测团。5.3显示模块人机交互模块：主要有液晶显示接口电路，本设计采用数码管。图5显示模块5.4交换机控制模块图6交换机控制模块开关控制模块使用4*4矩阵电路。5.5警示模组这个设计使用了8550晶体管驱动的蜂鸣器。高海拔时，晶体管Vce电压约为VCC，蜂鸣器由于电流极少而无法驱动声音。低海拔时，晶体管处于饱和传导状态，晶体管Vce约为0.3V，蜂鸣器通过大电流驱动报警声。图7警报模块六、系统软件设计6.1电梯主控制器软件流程设计电梯处于自动操作模式的软件过程如图8所示。图8整个流程图如果电梯主控制器固定在一层，则当前层的内部选择是固定的，收到寻呼机请求后，首先确定是否是当前层的传出请求，如果打开了门，则在执行队列中注册寻呼机请求，关闭门后开始执行电梯。在电梯开始之前，根据地板间距生成速度曲线。电梯运行后，收到电梯，并满足对晋升的寻呼机请求(内部、外部)后，电梯将响应此请求，准备晋升式对接。在电梯速度变更期间，到达目标层的门区域后，如果检测到双门区域信号，则停止闸门，进行无缝对接，清除当前层的内部选择和相应的外部调用请求。6.2电梯操作锁定阶梯模式在特殊情况下，电梯工作的锁定阶梯模式的工作流，如图9所示。图9电梯操作锁定阶梯模式6.3电梯维护操作模式维护运行模式是调试、安装和维护人员的专用模式。如果维修运行到上限和下限，电梯就会刹车，下一次启动只能在相反的方向运行。如果在维修运行前锁没有连接，则在收到维修运行说明后，电梯会自动关闭，直到门关闭后电梯才会工作，如图10所示。图10电梯维护操作模式6.4速度控制模块软件设计主控制器的电梯速度控制是间接控制变频器，然后通过变频器控制电机速度的方法。主控制器的变频器的速度控制分为多段速度数字音量控制、电压模拟器控制两种控制方法。在多段速度数字音量控制方法中，电梯的工作曲线完全由变频器生成，而在电压模拟中，电梯的工作曲线由主控制器生成。本文开发的电梯主控制器可以设置参数，使用两种控制方法之一控制电梯速度。在多段速度数字音量控制方法中，电梯主控制器控制变频器的速度命令是三个速度控制终端的二进制组合，分别表示的速度。在模拟控制模式下，速度曲线由主控制器生成，并且变频器中相应的速度曲线参数也必须设置为0。否则，电机的运行曲线将与主控制器生成的速度曲线和变频器的原始速度曲线共同作用，给电梯运行的舒适性和层精度调试带来不便。本文的电梯主控制器具有模拟输出端口。输出电压范围为0到10V。其中0V对应于电动机的0速度，10V对应于电动机的额定速度。电梯速度曲线的设计原则是保证电梯的快速运行和电梯运行的舒适性，但电梯的快速性和舒适性是矛盾的统一体。电梯是经常启动和制动的运输设备，因此在启动加速阶段和制动的减速阶段所需的时间在电梯的整体运行时间中占很大比重，缩短电梯的加速和减速时间可以大大缩短电梯的运行时间，满足快速运行要求，目前使用的电梯理想速度曲线一般可以根据加速度的变化分为两种：梯形速度曲线和正弦速度曲线。正弦速度曲线平滑且可引导，因此正弦速度曲线是更好的速度曲线。但是，由于正弦速度的加速度和加法速度是正弦函数，因此计算比梯形速度曲线复杂，本论文设计的速度曲线基于梯形速度曲线，梯形速度曲线也是目前应用范围更广的速度曲线。典型梯形速度曲线如图11所示。曲线ABCD段是电梯的加速工作段，DE段是电梯的均匀工作段，EFGHIJ是电梯的减速工作段。加速执行曲线在ABCD段中，AB段和CD段是可变加速执行段。减速执行曲线EFGHIJ段中的EF段、GH段和u段是可变减速执行段，而HI段是爬行段。h点的运行速度是电梯的爬网速度Vp，本文将AB、CD、EF、GH和u段的运行时间分别定义为Tl、T2、T3、T4和T5。电梯运行时，主控制器首先计算到目标地板的地板间距，然后从电梯额定速度和单层运行速度(可设置)中选择最高速度，使该速度的运行距离(起始距离和制动距离之和)小于或等于地板间距，选定速度基于基于ARM技术的内置电梯控制系统。如果找不到这些合适的速度之一，则必须重新调整曲线的参数设置，或降低单次运行的速度，然后再次运行电梯。图11梯形速度曲线七、设计问题和解决方案本课题开发的嵌入式电梯控制系统将基于LPC2378的主控制器和变频器结合到电梯驱动和