电梯控制模型系统设计

1、目录1 引言12 系统方案设计12.1 系统基本方案12.1.1 各模块方案选择和论证22.2.2 系统各模块的最终方案53 系统的硬件设计与实现53.1 系统硬件的基本组成部分及原理图53.2 主要单元电路的设计73.2.1 智能控制部分的单元电路设计73.2.2 显示部分的单元电路设计134 系统的软件设计154.1 开发软件及编程语言简介154.2 软件实现方法154.2.1 选层控制程序154.2.2 显示程序164.2.3 显示子程序174.2.4 其他子程序185 系统调试195.1 测试仪器195.2 指标测试195.2.1 检测部分的测试195.2.2 开关以及指示灯测试195

2、.2.3 电机驱动电路测试205.2.4 显示部分测试205.2.5 机械部分测试205.2.6 系统实现的功能216 总结21参考文献22致 谢24附录25附录1：程序清单26附录2：系统使用说明35附录3：系统PCB板图36英文资料及中文翻译381 引言我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大，2004年总产量超过了11万台，且呈持续上涨趋势。全世界平均1000人有1台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。因此，我国的电梯远未达到饱和的程度，发展前景广阔。 世界知名电梯公司的进入，增强了我国电梯行业的竞争能力。据统计

3、，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74%，先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。在整机厂不断上规模的同时，一些专业化的配套件生产企业逐步形成。目前，全行业有32家企业通过了ISO9000系列质量认证；V梯速达4ms的高速电梯、自主开发的微机控制系统、全露天自动扶梯、电梯远程监控系统等相继通过国家组织的技术鉴定。有一大批新型电梯配件产品申请了国家专利，我国电梯行业已经有能力提供一流水准和一流质量的电梯产品。国产电梯、自动扶梯不但较好地满足了国内经济建设的需求，而且有了批量的出口，初步显示了他

4、们在国际市场上的竞争力。国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。自1985年我国参加了国际标准化组ISO/TC178以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。标准的高起点带来技术上的有利地位，兼之成本低廉，我国电梯行业赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。为了与当前现状接轨，紧跟电梯发展状况，了解电梯应用技术，也为了让所学专业知识得到综合应用，我经过多方查阅资料，制定了一套自己的电梯控制模型系统设计方案。2 系统方案设计2.1 系统基本方案根据题目要求，系统可以划分为智能控制部分和显示部分。其中智能控制部分包括单片机控制模块、电机驱动模块、传感器检测模块

5、以及选层电路模块，其中选层模块包括指示灯电路及开关电路两部分；显示部分包括检测模块，选层电路模块，显示模块1，系统基本框图如图2-1所示。为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。图2-1 系统基本框图2.1.1 各模块方案选择和论证（1） 检测模块光电检测部分的作用是检测电梯是否到达平层位置并将此信号转换为单片机可以接收的电信号，以使电梯正确选向运行，在运行的途中不能超出导轨。考虑到轿厢设计的模型，宜采用能分辨光强度的传感器进行检测。对传感器的选择有以下方案。方案一：采用热探测器。热探测器接收到红外辐射后，会引起温度的变化，温度的变化引起电信号的输出，且输出的电信号与温度的

6、变化成比例，当红外线被黑线吸收时，温度会减小，电压变低，而红外线没有被吸收时，电压不变，单片机可以根据电压的变化来判断导轨的状态。由于温度变化是因为吸收热辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长无关，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境的影响比较大。方案二：采用光电探测器。光电探测器吸收红外辐射后，由于红外光子直接把材料的束缚态电子激发成传导电子，由此引起电信号输出，信号大小与所吸收的光子数成比例。且这些红外光子的能量的大小必须满足一定的要求（即红外光还必须满足一定的波长范围），才能激发束缚电子，起激发作用。否则不能被吸收，所以受外界影响比较小，抗干扰比较强。基于以上分析，考虑到系统的稳

7、定性以及设计模型需要，拟定方案二，采用光电开关进行检测。（2） 选层模块方案一：利用单片机I/O口直接控制开关和灯，充分利用AVR单片机I/O口，使用软件方式实现选层功能，不仅节省硬件开支而且控制直接方便。方案二：采用D触发器对每层信号进行锁存控制，实现选层功能1。此种方法虽能实现电梯呼梯信号锁存，但是硬件要求复杂，而且占用I/O资源较多。经比较，方案一更具实用性，调试工作量小，易于实现，因此决定采用方案一实现选层功能。（3） 电机驱动模块电机的驱动电路主要通过电机的正转和反转实现物电梯的方向选择。对于电机驱动的电路有下面的几种方案。方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对

8、轿厢的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械构造结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案二：采用三极管组成的开关PWM电路2。采用三极管代替继电器，如图2-2所示，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调整范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击还可以频繁的无级快速启动和反转等优点。但是由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。图2-2 功率放大器驱动电路原理图方案三：采用直流电机，其转速恒定，电流随负载而变化， 利用L293D直接驱动3，输出电压最高可达50V，而且电路简单，可以直接通过电源来调节输出电压；直

9、接用单片机的I/O口提供信号；通过输入高低电平即可实现电机的正转以及反转，物体运行速度均匀，输出功率大、动态特性好。 根据题目要求，对以上方案进行比较，使用L293D芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动直流电机，且价格不高，故选用L293D驱动电机。而使用L293D时，可以用L297来提供时序信号，节省单片机I/O口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号。由于控制并不复杂，故选用方案三直接用单片机模拟出时序信号。图2-3为单片机控制直流电机的原理框图。图2-3 单片机控制直流电机原理框图（4） 显示模块在轿厢运行过程中，系统需要对运行层数及方向作必要的显示。经考虑有以下三种显示方案。方案一：

10、数码管LED显示，采用此种方式只能显示非常有限的符号和数码字，轿厢位置可显示出来，但耗电量大，显示不够灵活，不生动，而且字体不易改变，具有局限性。对于本设计功能实现是不相适应的。方案二：点阵式LED显示，利用点阵显示可以显示较为清晰的数字，用户自定义输入选择余地大，而且非常方便，界面清晰亲切，能够满足实时显示要求。方案三：使用液晶显示屏显示。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小，低耗电量，可视面积大，平面直角显示分辨率高以及稳定不闪烁等优势。但由于只需显示楼层这样的数据，信息量比较小，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高

11、。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。因此，采用方案二，利用点阵显示楼层数。该方案可以同时实现楼层显示，而且数据信息量少，编程方便，成本合理，适于安放在电梯层门边。（5）电源模块考虑到电机功率、轿厢载重、摩擦力及芯片能否正常工作问题，电源分别使用+5V、+12V供电。2.2.2 系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下。（1） 检测模块：采用光电检测开关；（2） 选层电路模块：采用AVR单片机I/O口直接控制；（3） 电机驱动模块：采用永磁直流减速电机；（4） 显示模块：采用点阵LED；（5） 电源模块：采用+5V、+12V供电；3 系统

12、的硬件设计与实现3.1 系统硬件的基本组成部分及原理图本系统是一个光、机、电一体的综合设计，在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。根据控制方式及系统组成，电梯控制系统可分为智能控制部分、显示部分1。智能控制部分：系统中控制器件根据由传感器输出的电信号进行逻辑判断，控制电梯的电机运转，完成轿厢准确平层及选向运行等各项任务。控制部分包括4个主要单元电路：单片机控制电路、传感器检测电路、选层电路以及电机驱动电路。其中，传感器检测部分包括1个单元电路：光电检测电路。它是利用光电开关将检测到的一系列的外部信息转化为可被控制器件辨别的电信号。选层电路包括两个单元电路: 内部选层电路与外部选层电路

13、。内部选层电路通过74ls138进行译码进行指示灯亮灭选择，开关由单片机I/O口直接进行控制；外部选层电路中的开关以及指示灯直接由单片机I/O口进行控制。电机驱动电路由电机驱动芯片L293D与直流电机组成。显示部分：系统控制器件通过单片机检测到平层信号和开关信号后控制驱动芯片74ls244完成显示功能，显示部分包括3个主要单元电路：传感器检测电路、开关电路以及点阵显示电路。智能控制部分系统原理图如图3-1所示。图3-1智能控制部分系统原理图3.2 主要单元电路的设计3.2.1 智能控制部分的单元电路设计（1）控制电路的设计图3-2 ATmega8515的最小系统及外围电路单片机接收从各部分电路

14、输入的逻辑信号和脉冲信号，并将输入的信号进行处理运算，以控制电流或电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。单片机ATmega85154外接检测电路、开关以及显示灯电路、直流电机驱动电路。光电传感器信号由PC0-PC4口控制，直流电机以及内部选层指示灯由PB2-PB7口控制，外部选层信号由PD0-PD7口控制。内部选层信号由PA0-PA4口控制，PC0-PC4口、PD0-PD7口用于两个单片机之间的信号连接，即单片机1、2双方都对控制信号与开关信号进行检测与判断。各口分配见图3-2所示。（2）光电检测电路的设计该部分电路主要利用光电开关检测电梯是否到达平层位置5，若电梯运行在楼层之间

15、，光电开关未被挡住，光电开关输出信号为“0”，经过非门74ls04反相后将信号转变为标准TTL电平，即为“1”信号，PNP三极管作为开关使用，此时不导通；如果电机运行到某层，光电开关被挡住，有信号检测到，即为“1” 信号，经过非门74ls04反相后将信号转变为标准TTL电平输入到三极管，再利用三极管开关作用将信号输出到单片机进行检测，从而判断出电梯要到哪层去执行指令。原理如图3-3所示：图3-3 光电检测电路（3）电机驱动电路的设计本系统使用永磁式直流减速电机，采用简单的硬件电路即可实现系统的驱动功能 ，L293D为电机驱动芯片，是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。有16个引

16、脚，内部结构如图3-4所示。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达12V；Vs电压最大值也是12V，但经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。电机运行速度可以通过调节Vs控制。方法为在电源输出端串接电阻，通过调节电阻实现电机运行速度的控制6。图3-4 L293D内部结构电路图当芯片使能端置高电平，两输入端通过相应的电平设置即可实现电机的正转、反转7。L293D运行表如表3-1示。表3-1 电机驱动-L293D运行表ENA（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况 H H L 正转 H L H 反转 H同IN2（IN4）同IN1（I

17、N3） 刹车 L X X 停止由于题目要求轿厢模型在加载400克的条件下，从1层到5层和从5层到1层的往返时间相等，单程时间不超过12秒，往、返时间之差不大于2秒，根据我们采用的直流减速电机参数，如表3-2所示。表3-2 直流减速电机参数额定电压12VDC空载转速6000r/min空载电流260mA额定负荷140gf.cm 13.72mN.m负荷电流1300mA符合转速4500R/min方 向CW/CCW电机的减速比为1：1008，经理论计算得：有载转速 （3-1） v为有载转速，V为空载转速，n为减速比= 6000/100（r/min）= 60（r/min）=1（r/s）电机带动轴（模型中使

18、用圆木做成，表面包有黑色胶皮）直径为3.5cm,电机转一圈形成 （3-2） l为电机转动一圈的距离，d为电机带动轴直径=10.99cm速度 （3-3） v为电机转动速度=10.9(cm/r)/1(r/s)=10.99cm/s电梯模型高为1.2m，运行时间 （3-4） t为电梯运行时间，h为电梯模型高度=120cm/10.99(cm/s)=10.9s =转移 brlo xia1 ;转移 retff1: sbi $18,0 rjmp ffff2: sbi $18,1 rjmp ffw11:sbr r25,$60 out portb,r25 rjmp www22:sbr r25,$64 out po

19、rtb,r25 rjmp www33:sbr r25,$68 out portb,r25 rjmp www44:sbr r25,$6c out portb,r25 rjmp www55:sbr r25,$70 out portb,r25 rjmp ww;*shang1:sbi $18,6 ;电机运行 cbi $18,7 in jianc,pinc cp neibu,jianc brne shang1 ;不相等继续上行 sbi $18,6 ;相等即到达-停电机 sbi $18,7 cbi $18,1 ldi r17,$00 out portb,r17 rjmp loop;*xia1:sbi $1

20、8,7 cbi $18,6 in jianc,pinc cp neibu,jianc brne xia1 sbi $18,7;停电机 sbi $18,6 cbi $18,0 ldi r17,$00 out portb,r17 rjmp loop（2） 电梯控制显示程序;*; - 电梯控制显示程序 -;*.include 8515def.inc.def zhxia =r23 .def temp2 =r24.def temp1 =r17.def temp =r18.def scndp =r19 .def cnt =r20.def neibu =r21.def jianc =r22.equ down

21、2 =0x01e0.equ down1 =0x02e0.equ down3 =0x03e0.equ down4 =0x04e0.equ down5 =0x05e0.equ up1 =0x06e0.equ up2 =0x07e0.equ up3 =0x08e0.equ up4 =0x09e0.equ up5 =0x0ae0.equ floor1 =0x06f0.equ floor2 =0x07f0.equ floor3 =0x08f0.equ floor4 =0x09f0.equ floor5 =0x0af0 .org $0000rjmp RESET;Reset .org $0010RESET:

22、ldir16,high(RAMEND) outSPH,r16 ldir16,low(RAMEND) outSPL,r16 ldi r16,0xff out ddra,r16 out ddrc,r16out ddrb,r16out ddrd,r16out porta,r16 out portb,r16out portc,r16out portd,r16nop;* floor scan *num: in neibu,pinb mov r25,neibu in jianc,pind cpi jianc,$fe breq floor111 cpi jianc,$fd breq floor222 cpi

23、 jianc,$fb breq floor333 cpi jianc,$f7 breq floor444 cpi jianc,$ef breq floor555 cpi jianc,$ff breq numfloor111:rjmp floor11floor222:rjmp floor22floor333:rjmp floor33floor444:rjmp floor44floor555:rjmp floor55;* floor1 *floor11: ldi zhxia,0x01 ldi zh,high(floor1*2) ldi zl,low(floor1*2) dspfmu41: rcal

24、l ldtb8 ldi temp2,0xa0dspfmu31: rcall scan1 dec temp2 brne dspfmu31 dec zhxia brne dspfmu41in jianc,pind cp r25,jiancbrne ff41 breq floor11ff41: rjmp num ;* floor2 *floor22:;in jianc,pind ldi zhxia,0x01 ldi zh,high(floor2*2) ldi zl,low(floor2*2) dspfmu42: rcall ldtb8 ldi temp2,0xa0dspfmu32: rcall scan1 dec temp2 brne dspfmu32 dec zhxia brne dspfmu42 in jianc,pind cp r25,jianc brne ff42 breq floor22ff42: rjmp num ;* floor3 *floor33:;in jianc,pind ldi zhxia,0x01 ldi zh,high(floor3*2) ldi zl,low(floor3*2) dspfmu43: rcall ldtb8 ldi temp2,0xa0dspfmu34: rcall scan1 dec temp2 brne dspfmu34 dec zhx