毕业设计（论文）单片机滚动电梯节能系统设计

1、 本科生毕业论文（设计） 题目： 滚动电梯节能滚动电梯节能 系 部 计算机科学与技术系 学科门类 工科 专 业 计算机科学与技术 学 号 0810111069 姓 名 指导教师 年 月 日 装 订 线 目 录 前言前言.2 一、简要方案一、简要方案.3 二、设计实现二、设计实现.4 （一）单片机最小系统电路 .4 （1）单片机部分.5 （2）复位电路.5 （3）时钟电路.6 （4）串行通信部分.8 （5）电源接口电路.8 （二）功能电路部分 .9 （1）语音模块.9 （3）激光模块.10 图 12 激光语音实物图.12 （4）继电器和电机驱动模块.12 三、软件部分三、软件部分.15 四、设计

2、总结四、设计总结.16 参考文献参考文献.17 附录一：程序代码附录一：程序代码.18 滚动电梯节能系统. （ 合肥师范学院 08 计算机普本非师班 胡钟琴） 摘要：该设计本着节能的原则，采用单片机作为核心部件来控制电动机， 能使电梯在没人乘坐时不会发生空转的现象，达到了节能的目的。设计实现了 节能功能，延长了电梯的使用寿命，是十分适合当前商场、超市等场所滚动电 梯的一个控制系统。 关键词:单片机；节能；自动控制 前言 电梯现在越来越多，在对宾馆、写字楼等的用电情况调查统计中，电梯用电量占 总用电量的 17%-25%以上，仅次于空调用电量，高于照明、供水等的用电量。随着现代 化生产规模不断扩大

3、和人们生活水平不断提高，电能供需矛盾日益突出，节电呼声日益 高涨。因此 ，节约电能具有特别重要的社会意义和经济效益。 在许多商场以及一些公共场所，例如火车站、医院、公园等地方常常会使用滚动电 梯，它的方便大家有目共睹。但我们经常看见，即使没有人乘坐，电梯仍会工作。这样 不仅降低电梯使用寿命，而且极大的浪费能源。如何能够有效的节约能量，这也是本系 统设计的初衷。 使电梯在没有乘客时不工作是十分有效的节能方法，在电梯入口出和出口出各放置 一组激光探测装置。通过激光探测此时电梯上是否有人，只有在有人时电机才会工作。 从而达到节能的目的。同时也能 提高电梯的使用时长，节约资金。 可广泛应用于商场， 超

4、市，车站等地方。 单片机技术发展多年，而且简单易行。滚动电梯是十分常见的，其系统十分简单， 用 at89c51rc 等单片机能十分有效的对其进行控制。采集部分使用激光检测技术，用 单片机对信号进行分析、处理。以语音播报 提示乘客不要在电梯出口处逗留，注意安 全，并控制电机的运转情况。本设计所需硬件设备很少，但能有效的实现目的，达到令 人满意的效果。 一、简要方案 根据前言所产生的设想及方案构思，产生了以下的设计方案。在电梯出入口各设有一 组激光，每组激光都与单片机的 i/o 相连，一般情况下，i/o 口成高电平。当有人经过时 就会阻断激光，使 i/o 口呈现低电平。单片机就会对产生的信号进行处

5、理，或控制电梯电 机的运转。根据我们要实现的功能原理图分为三个大模块，最后要刻成三个电路板，其各 自又包含几个小模块： （1）最小系统的组成：单片机模块、电源模块、复位模块、晶振模块、串口通讯模块。 （2）激光模块的组成：语音模块、激光模块。 （3）电机模块的组成：继电器模块、电机驱动模块。 其中功能模块的方框图如图 1 所示 激 光 模 块 采 集 信 号 单 片 机 模 块 处 理 信 号 语音播报模块 对继电器发出信号 电 机 运 转 图 1 功能模块的方框图 系统实物图如图 2 所示 图 2 系统实物图 二、设计实现 （一）单片机最小系统电路 电路部分是由单片机最小系统、激光模块和电机

6、模块组成，其中单片机的最小系统部 分十分重要，是整个系统的核心部分。单片机的工作就是执行用户程序、指挥各部分硬件 完成既定的任务。单片机实质上是一个芯片。它具有结构简单、控制功能强、可靠性高、 体积小、价格低等优点，其应用领域十分广泛。 图 3 最小系统电路方框图 （1）单片机部分 该部分由单片机芯片、上拉电阻、插槽等组成。本设计选用比较常见的 at89c52 单片 机芯片。其电路图如图 4 所示。 图 4 单片机芯片部分 （2）复位电路 无论是单片机刚开始接上电源，还是断电后或者发生故障后都要复位。单片机复位是 使 cpu 和系统中的其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工

7、作。 复位电路由电容串联电阻组成，由图并结合“电容电压不能突变”性质，可以知道当系统 一通电，rst 引脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的 rc 值来决定， 典型的单片机当 rst 引脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位。教科书推荐 c 取 10uf，r 取 8.2k。也还有其他的取法，原理就是让 rc 组合可以在 rst 引脚上长生不少于 2 个机器周期的高电平。电路图如图 5 所示。 图 5 复位部分电路图 （3）时钟电路 单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的 时钟信号控制下严格地按时序进行工作。时钟电路用于生产单片机工作所需要的时

8、钟信号。 在 mcs-51 系列单片机内部有一个高增益反向放大器，其输入端引脚为 xtal1，其输出端引 脚为 xtal2。 一般的，电容 c1、c2 取 30pf 左右，晶振振荡频率越高，系统时钟频率越高，单片机 的运行速度也越快。在通常情况下，使用频率为 6mhz 或 12mhz 的晶振。本系统中使用了单 片机的串行口通信，一般晶振的频率采用 11.0592mhz，两个电容采用 22pf。电路图如图 6 所示。 图 6 时钟电路部分电路图 （4）串行通信部分 本部分的主要作用是单片机与 pc 机的信息交互。使编好的程序能下载到单片机中，使 所设计的系统能按照预先的设想工作。其电路图如图 7

9、 所示。 图 7 串口通信部分电路图 （5）电源接口电路 本部分的作用是给整个单片机系统供电，使其正常运转。 电路图中 d1 为电源接口，可接入电源。通过连线将电源接入电路。电路图如图 8 所 示。 图 8 电源接口电路 （二）功能电路部分 功能电路用于实现设计预先思路。单片机是整个系统的基础，功能电路部分则是真正 实现语言提示、电机驱动等的部分功能的电路。 （1）语音模块 本模块用于提示乘客下电梯了不要在电梯出口处逗留，注意安全。 在第一个人登电梯时，如果当人已位于电梯上再启动电梯，既有可能将人摔倒。所以我们 将激光扫描器安装在据电梯口 2 米处，当有人经过时，电机即刻启动，当人走快缓冲的

10、2 米时，电梯电机已完全启动。另外如果有人下了电梯在出口处逗留时，出口处有语音提示 乘客：请勿在出口处逗留，注意安全。其电路图如图 7 所示。由于是 flash，可以重复多 次擦写，而且价钱便宜。如图 10 所示 图 10 语音模块电路 （3）激光模块 本模块用于检测是否有人出入电梯，用于信息的采集。 激光是 20 世纪 60 年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用 于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光 器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级 e1,在适当频率的外界光线的 作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃

11、迁到高能级 e2。光子能量 e=e2-e1=hv,式 中 h 为普朗克常数，v 为光子频率。反之，在频率为 v 的光的诱发下，处于能级 e2 的原子 会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多 数处于高能级（即粒子数反转分布） ，就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为 v 的诱发 光得到增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称 激光。 本设计系统中，在电梯入口处安装一组激光，出口处安装一组激光，离出口两米处再 安装一组激光。一般情况下，没有人员阻断激光，激光正常导通，与单片机的 i/o 引脚相 连表现为高电平状态。当有人阻断

12、激光是，电平由高变低。 。 一开始没有人在电梯上，电梯电机处于不工作状态。当有人从入口处进入时，电机开始工 作。当人离开电梯时，分两种状况。一是人出电梯但逗留在电梯出口处，此时语音提示乘 客“请勿在电梯出口处逗留，注意安全” ；另一是人出电梯直接离开电梯两米处，此时电梯 才停止工作。从而达到节能的目的。其电路图如图 11 所示。 图 11 激光模块电路图 激光语音模块实物如图 12 所示 图 12 激光语音实物图 （4）继电器和电机驱动模块 本模块用于控制电机，从而控制电梯的运转与停止。 采用继电器驱动，继电器驱动电路包括电机驱动，启动充电控制。由于继电器控制端 线圈工作电流比较大，所以不能用

13、单片机驱动继电器，而需要在单片机的输出端加上一个 了 mc1413 芯片。 它的每个输出端能够提供较大的负载电流，能增加单片机输出端口带负载的能力。当 mc1413 的一个输入端为高电平时，它对应的输出端是低电平，它连接的继电器线圈就得电， 相应线圈就有电流通过。在继电器的两端并联了阻容滤波电路，用来吸收继电器吸合、关 断时产生的瞬时高压。 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称 输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 “自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈

14、、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一 定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作 用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。 当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使 动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、 切断的目的。电路图如图 13 所示。 图 13 继电器模块电路 电机语音实物如图 14 如图 图 14 电机驱动模块实物图 由于如果采用独立的稳压电源会产生噪声干扰，且可能影响电路的正常工作，所以我 们采用单片机控制模块提供电源。

15、这样可以使电路更加简洁，并能够节约电，延长电梯使 用时间。 在实际的应用中应当，采用三相交流电动机。其连接如图 11 所示。当激光检测到有人 经过时，相应的与单片机相连的 i/o 口由高电平变为低电平。并将信号送入 mc1314 芯片， mc1413 芯片同过 j14 与继电器相连。从而控制继电器。当信号送达时，km 得电，吸合开关 km，电机运转。 三、软件部分 当有人需要使用电梯的时候，电梯会自动运转，将乘客顺利送上楼。以这种不做无用 功的方式来节约能源。当有人经过电梯入口时，电梯慢慢加速至正常速度。当乘客出电梯 时，一是停留在出口处，此时语音提示乘客“请勿在电梯出口处逗留，注意安全” ；

16、另一是 乘客直接走出出口处两米以外，电梯停止。 系统软件设计见附录 1。 使用 keil 软件编译调试，将产生的 hex 通过最小系统中的串行通信口将文件烧制到单 片机中，从而使整个系统正常工作。如图16所示。 图 15 继电器控制电动机原理图 图 16 程序流程图 四、设计总结 这次设计，虽然系统的功能实现了，但在设计和开发的过程中我们也遇到了很多问题 和错误，但随着错误的解决，我学到了更多的东西，留下了很深刻的影响。在画 pcb 图的 时候，考虑到元件和插件的很到物理特性，以致翻转后的 pcb 图刻出的板子很难将元件插 上。在布置功能模块的时候要留一条引出的地线。画原理图时要加上地线的标志

17、，最后在 调试电路的时候，发现语音模块不能工作，老师帮我们找了很久终于找到了。以此谨记， 以后做事情我会更加细心。通过这次设计，我认识到，设计原理图和画 pcb 图并不是纸上 谈兵，不仅要考虑到功能的实现，还要考虑到布局的美观协调，以及尽量使电路板紧密一 点，而节省材料，更重要的一点，也是新手容易忽视的就是要考虑到插件的物理特性，针 脚是不能随意翻转的，要保证能方便元件的插放。焊接方面以前也没有接触，刚开始由于 不熟练，焊锡沾不到引脚上，反而全都粘到焊铁上了，要反复好几次才能将引脚焊满锡， 还不算标准，但是慢慢地就学会了一些技巧，能使引脚很容易就焊满锡。这次设计花了较 长的时间，但这些天是一个

18、不停地遇到问题，又不停地解决问题的过程，同时在这个过程 中得到了很好的锻炼。 参考文献 1郭天祥：新概念 51 单片机 c 语言教程，电子工业出版社 2胡宴如：模拟电子技术，高等教育出版社（第 2 版） 3王静霞：单片机应用技术，电子工业出版社（c 语言版） 4李华.可编程控制器（plc）在电梯设计中的重要作用.j.科技与经济， 2006.3:170； 5田强,姬长英.单片机和 thb6128 构成的步进电机控制器设计j.江西农业学报, 2010,(5):98-100； 6黄桂梅，刘永立，plc 电梯控制系统的设计与实践.j.制造业自动化. 2007.04:8182； 附录一：程序代码 mai

19、n.cmain.c #include #includecomdef.h #includepcf8591.h #includemath.h #includewtv020.h #define up1 /加速 #define down2 /减速 #define stop3 /停止 #define star4 /保持速度运行 #define max255 /最大速度(0255) #define min0 /最小速度 #define change10 /每次速度改变大小 extern volatile unsigned char uartbuf; volatile uint16 div=5; /定时器分

20、频参数 uint8 status=0; int chaoshi =0; /超时变量 int shengyu =0; int zhiliu =0; bit chaoshiyuyinflag=0; /开超时语音 void delay(uint16 m) unsigned char base; while(m-) for(base=120;base;base-); sbit zhiliu_port=p34; /停滞检测 void counter_init(void) tmod=0 x10; /*定时器 0:16 位定时模式 定时器 1：16 位计数模式*/ et1=1;/*禁止定时器 1 中断*/

21、tr1=1; ex0=1; /*外部中断 0 允许*/ it0=1; /*边沿触发方式中断*/ ex1=1; /*外部中断 1 禁止*/ it1=1; /*边沿触发方式中断*/ ea=1; main() uint16 click=0; uint8 rad=0,set=0,pwm=0 x150; counter_init(); write_pcf8591(pwm); /电机停止 while(1) switch(status) case up: if(pwm(min+change) pwm-=change; /减速 else status=stop; break; case stop: pwm=m

22、in; /停机 break; case star: pwm=max; break; default:break; write_pcf8591(pwm); delay(400); if(chaoshiyuyinflag=1) /滞留超时播报语音标志 read_voice(21); chaoshiyuyinflag=0; void ex0_isr() interrupt 0 shengyu+; status=up; void ex1_isr() interrupt 2 if(shengyu!=0) zhiliu+; shengyu-; chaoshi=0; if(shengyu8;/11.0592

23、mhz 50ms tl1=65536-sysclk*50/12000; chaoshi+; if(zhiliu_port=0) while(zhiliu_port=0); zhiliu-; if(zhiliu100) /开超时语音 /* * description: * * pcf8591_ad/da 测试 * *连线方式：1、将 pcf8591 模块的拨码开关拨向 on 端，使用跳线帽将 led 与 da 短接。 * * 2、使用跳线帽将 1602 液晶模块的双排针的内外侧分别短接使液晶的。 * *数据端和控制端与单片机连接，将 vcc 与 v_lcd1 短接给 1602 液晶供电。* *未

24、使用模块的拨码开关，请关闭，以免影响实验。 * */ pcf8951.c /-函数声明，变量定义- #include #include #include sbit sda=p00; / 将 p1.1 口模拟数据口 sbit scl=p01; / 将 p1.0 口模拟时钟口 #define delaynop(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); bit bdata systemerror=0; /从机错误标志位 /* pcf8591 专用变量定义 */ #definepcf8591_write 0 x90 /0 x9e #definepcf8591_read 0

25、 x91 /0 x9f #define num 4 /接收和发送缓存区的深度 uint8 idata receivebufnum; /数据接收缓冲区 /- / 函数名称： iic_start() / 函数功能： 启动 i2c 总线子程序 /- void iic_start(void) /时钟保持高，数据线从高到低一次跳变，i2c 通信开始 sda = 1; scl = 1; delaynop(); / 延时 5us delaynop(); sda = 0; delaynop(); delaynop(); scl = 0; /- / 函数名称： iic_stop() / 函数功能： 停止 i2c

26、 总线数据传送子程序 /- void iic_stop(void) sda = 0; /时钟保持高，数据线从低到高一次跳变，i2c 通信停止 scl = 1; delaynop(); delaynop(); sda = 1; delaynop(); delaynop(); scl = 0; /- / 函数名称： iicinit_() / 函数功能： 初始化 i2c 总线子程序 /- void iicinit(void) scl = 0; iic_stop(); /- / 函数名称： slave_ack / 函数功能： 从机发送应答位子程序 /- void slave_ack(void) sda

27、 = 0; scl = 1; delaynop(); delaynop(); scl = 0; delaynop(); delaynop(); /- / 函数名称： slave_noack / 函数功能： 从机发送非应答位子程序，迫使数据传输过程结束 /- void slave_noack(void) sda = 1; scl = 1; delaynop(); delaynop(); sda = 0; scl = 0; delaynop(); delaynop(); /- / 函数名称： check_ack / 函数功能： 主机应答位检查子程序，迫使数据传输过程结束 /- void check

28、_ack(void) sda = 1; / 将 p1.1 设置成输入，必须先向端口写 1 scl = 1; f0 = 0; delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); if(sda = 1) / 若 sda=1 表明非应答，置位非应答标志 f0 f0 = 1; scl = 0; delaynop(); delaynop(); /- / 函数名称： iicsendbyte / 入口参数： ch / 函数

29、功能： 发送一个字节 /- void iicsendbyte(uint8 ch) unsigned char idata n=8; / 向 sda 上发送一位数据字节，共八位 while(n-) if(ch / 传送位 1 scl = 1; delaynop(); delaynop(); /sda = 0; scl = 0; delaynop(); delaynop(); else sda = 0; / 否则传送位 0 scl = 1; delaynop(); delaynop(); scl = 0; delaynop(); delaynop(); ch = ch1; / 数据左移一位 /-

30、/ 函数名称： iicreceivebyte / 返回接收的数据 / 函数功能： 接收一字节子程序 /- uint8 iicreceivebyte(void) uint8 idata n=8; / 从 sda 线上读取一上数据字节，共八位 uint8 tdata=0; while(n-) sda = 1; scl = 1; tdata =tdata1; /左移一位 if(sda = 1) tdata = tdata|0 x01; / 若接收到的位为 1，则数据的最后一位置 1 else tdata = tdata / 否则数据的最后一位置 0 scl = 0; delaynop(); dela

31、ynop(); return(tdata); /- / 函数名称： dac_pcf8591 / 入口参数： slave_add 从机地址,n 要发送的数据个数 / 函数功能： 发送 n 位数据子程序 /- void dac_pcf8591(uint8 controlbyte,uint8 w_data) iic_start(); / 启动 i2c delaynop(); iicsendbyte(pcf8591_write); / 发送地址位 check_ack(); / 检查应答位 if(f0 = 1) systemerror = 1; return; / 若非应答，置错误标志位 iicsend

32、byte(controlbyte /control byte check_ack(); /检查应答位 if(f0 = 1) systemerror = 1; return; / 若非应答，置错误标志位 iicsendbyte(w_data); /data byte check_ack(); / 检查应答位 if(f0 = 1) systemerror = 1; return; / 若非应答表明器件错误或已坏，置错误标志位 systemerror iic_stop(); / 全部发完则停止 delaynop(); delaynop(); delaynop(); delaynop(); /- / 函数名称： adc_pcf8591 / 入口参数： controlbyte 控制字 / 函数功能： 连续读入 4 路通道的 a/d 转换结果到 receivebuf /- void adc_pcf8591(uint8 controlbyte) uint8 idata receive_da,i=0,temp=0; iic_star