毕业设计高层住宅楼单台电梯信号控制系统设计

1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）高层住宅楼单台电梯信号控制系统设计学 生：XX学 号：XX指导教师：XX专 业：机械电子工程重庆大学机械工程学院二O一五年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityHigh-rise residential building single elevator signal control system designUndergraduate: XXSupervisor:XXMajor: Mechanical and Electronic EngineeringCollege of Mechanical E

2、ngineeringChongqing UniversityJune 2015重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要摘 要本次毕业设计主要研究单片机在电梯控制领域的应用。随着高层建筑的快速发展，电梯越来越成为不可或缺的交通运输设备，控制系统在电梯中发挥着越发重要的作用。当今社会对于电梯的各种要求越来越高，这些性能体现在稳定性、安全性、可维护性等方面。设计中以AT89S52单片机为电梯自动控制系统的核心控制器件，由绪论、总体方案设计，系统硬件设计和软件设计等几个部分组成。本设计的主要任务是电梯位置控制方案设计与呼叫请求响应方案设计。在位置控制方案中，由于单片机可靠性高、应用灵活等诸多优点，本

3、设计的电梯系统控制运用了单片机来实现。在呼叫请求响应设计中，输入过程是通过对电梯外部控制请求信号的采集、分类存储和判断，再对有效的控制信号进行输出；输出则是电梯的楼层显示、控制电梯拖动电机、电梯的运行方向显示和电梯的门控电机等外部设备。此外，本设计还加入了电梯荷载称重和报警方案设计，这样使电梯具有超重报警功能和紧急预案功能，提高了安全性。关键词：电梯控制系统，AT89S52，信号采集，安全性重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACTThis graduation design mainly research for the application of single-

4、chip microcomputer in the elevator control domain. With the rapid development of high-rise buildings, the elevator is becoming an indispensable transportation equipment, and the control system plays an increasingly important role in the elevator. In the present society, the demands of the elevator a

5、re higher and higher, and these performances are reflected in the aspects of stability, security ,maintainability and so on.This paper introduces the AT89S52 microcontroller as the core control device of the elevator control system, including the overall scheme design, system hardware design and sof

6、tware design, etc. The main task of this design is the position of the elevator control design scheme and the call request response plan design. In the position control of the elevator control scheme, because of the high reliability and the application of the single chip. In the call request respons

7、e design, the input process is the outside of elevator control request signal collection, classification, storage and judgment, then the effective control signal is output; the output is elevator floor display, control elevator motor, elevator running direction of the display and the elevator gated

8、motor and other external devices. In addition, load weighing and alarm design are added in the design, so that the elevator has the function of overweight alarm and emergency plan, which can improve the security.Keywords: elevator control system, AT89S52, signal acquisition, security重庆大学本科学生毕业设计（论文）

9、 目录目 录摘 要IABSTRACT目 录1 绪论11.1 课题的背景及意义11.2 电梯基本知识介绍11.3 国内外研究现状31.4 课题研究的内容52 总体方案设计62.1 电梯控制器方案选择62.2 单片机控制方案选择72.3 按键模块72.4 位置检测模块82.5 位置显示模块82.6 重量检测模块92.7 声音提示模块92.8 报警模块102.9 本章小结103 系统硬件设计113.1 单片机AT89S52介绍113.1.1 单片机AT89S52引脚功能说明123.1.2 单片机AT89S52存储器介绍143.2 按键电路163.3 楼层检测电路173.4 显示电路183.5 称重电

10、路203.6 端口扩展电路213.7 电源电路223.8 本章小结234 系统软件设计244.1 程序设计整体思路244.2 主程序设计244.3 电梯各模块控制程序264.3.1 上电初始化264.3.2 运行状态逻辑控制264.3.3 中断服务流程图344.3.4 键盘扫描344.3.5 楼层检测与显示374.4 本章小结385 小结与展望39参 考 文 献40致 谢41附录42重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪论1 绪论1.1 课题的背景及意义电梯是集电气控制技术、机械原理应用、系统工程学、微处理技术等多科学和多技术分支于一体的机电设备，它是高层建筑中不可或缺的交通运输设备。随着现

11、代社会的高速发展,建筑物的规模越来越大,楼层也越来越多,人们对现代电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。它靠电力来拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，其控制信号类型多，关系复杂，要求的控制性能特别高。而电梯作为一种生产生活的典型运载工具，其使用已十分普及。随着经济的发展，高层建筑越来越多，对电梯的运行速度和控制性能也提出了更高的要求。众所周知，安全是电梯制造、安装和使用的首要条件。而在我国于八十年代初至九十年代初投入使用的电梯,其中绝大部分采用继电器继电器阵列结构，该结构体积大、噪音大、触点易磨损、接线复杂、维护工作量大、故障率高，已无法跟上现代

12、社会对电梯的要求。自上世纪80年代以来，微机控制系统得到了极大的发展，现已深人到我国工农业生产的方方面面，随着电力微电子技术和电子技术的发展,人们广泛应用以微机为核心的控制。尤其是单片机的开发与应用，其深度越深，广度越来越大。把应用微机的电梯控制系统，与传统的采用继电接触逻辑控制系统进行比较，前者具有极大的优越性，一方面，整个系统的体积减小了，可靠性提高了，使用寿命延长也就延长了；另一方面，它还大大减少了安装调试和维护维修的工作量，降低了整个电梯的运行成本。更大的优点是微机具有灵活的逻辑和算术运算功能，具有很强的通信和可扩展功能，能实现更完善的自动控制。在未来几十年里，微机控制系统将一直是电梯

13、控制系统的核心，它可以在其他很多领域得到广泛应用。1.2 电梯基本知识介绍电梯的工作原理是曳引绳两端分别连着轿厢和对重，缠绕在曳引轮和导向轮上，曳引电动机通过减速器变速后带动曳引轮转动，靠曳引绳与曳引轮摩擦产生的牵引力，实现轿厢和对重的升降运动，达到运输目的。电梯是机与电紧密结合的复杂产品，其基本组成包括机械部分与电气部分，但从空间上考虑一般划为四大空间和八大系统。四大空间：（1）机房部分 包括电源开关、曳引机、控制柜（屏）、选层器导向轮、减速器、限速器、限位开关、制动抱闸装置、机座等。（2）井道部分 包括导轨、导轨支架、对重装置、缓冲器、限速器张紧装置、补偿链、随行电缆、底坑及井道照明等。（

14、3）层站部分 包括层门（厅门）、呼梯装置（召唤盒）、门锁装置、层站开关门装置、层楼显示装置等。（4）轿厢部分 包括轿厢、轿厢门、安全钳装置、平层装置、安全窗、导靴、开门机、轿内操纵箱、指层灯、通信及报警装置等。八大系统：（1）曳引系统：曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。（2）导向系统：导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。（3）轿厢：轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。（4）门系统：门系统的主要功能是封住

15、层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。（5）重量平衡系统：系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。（6）电力拖动系统：电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。（7）电气控制系统：电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。（8）安全保护系统：保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由电梯限速

16、器、安全钳、夹绳器、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。电梯的基本结构如图1.1所示。图1.1 电梯基本结构剖视图1.3 国内外研究现状电梯是机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学问题。而对现代电梯尤为重要的是，应具有高度的安全性。事实上，在电梯上已采取了多项安全保护措施。在设计电梯时，对机械零件部件和电气元器件都取用了很大的安全系数和保险系数。然而，只有电梯的制造、安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。在国外，已“法规”实行电梯制造、安装、定期维修和检查试验，从而为

17、电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：乘电梯比走楼梯安全5倍。据资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。目前，电梯控制领域重点朝着两个方向发展，一是交流调压调速技术，二是电气控制技术。（1）交流调压调速技术随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置越来越多的用于电梯系统，使电梯的拖动系统简化，性能提高。同时交流调压调速系统的研制与开发，使交流电梯的调速性能有了明显的改善。进入20世纪80年代，通过控制电动机定子供电电压与频率调整电梯运行速度的调压调频技

18、术研制成功，出现了交流变压变频（VVVF）调速电梯，开拓了电梯拖动的新领域。1993年，日本生产了12.5m/s的世界最高速交流变压变频调速电梯，结束了直流电梯独占高速电梯领域的历史。（2）电气控制技术微机控制电梯是电梯技术的方向，一些生产企业与科研单位相结合，相继推出了微机控制的电梯新机型，使控制功能得到增强，电梯的性能得到改善，明显提高了可靠性。除了合资企业外，也有其他厂家开发了变频调速电梯新产品。另外，用可编程控制器（PC）取代继电器控制系统的机型也已投产，使电梯性能得到改善，故障率明显降低。在技术上，应该说这是一大进步，用PC对单梯进行控制还是有前途的。有些生产企业开发了紧急供电装置、

19、防火厅门、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能；对机械系统采用了新结构、新材料、新技术和新工艺。总之，与国外先进技术水平相比，虽然还存在一定差距，但国内电梯技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。电梯发展到今天，在使用需求和新技术应用方面都进入到了全面发展时期。据电梯行业信息介绍，目前国际上电梯的新技术应用包括以下几个方面：（1）全数字识别乘客技术（所有乘客进入电梯前进行识别，其中包括眼球识别、指纹识别）。（2）数字智能型安全控制技术（通过乘客识别系统或者IC卡以及数码监控设备，拒绝外来人员进入）。（3）第四代无机房电梯技术（速度可以达到2.0m/s以上，最高可以使用在30层以上）。（4）

20、双向安全保护技术（双向安全钳、双向限速器在欧洲必须使用，中国正在被普遍使用）。（5）节能技术（采用节能技术，使电梯更节约能源）。（6）数字监控技术（完全采用计算机进行电梯监控与控制）。（7）快速安装技术（改变过去的电梯安装方法，能够快速组装）。（8）无线远程控制及报警装置（当电梯产生故障时，电梯可以通过无线装置给手机发送故障信息，并通过手机发送信号对电梯进行简单控制）。可见，随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，对电梯的要求不只停留在完成垂直运输的基本功能，还应以人为本，提高舒适度，特别是从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是的单一的“时间最短”问题，而是要采用模糊理论、神经网络、

21、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式。合理的配置与使用。远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。1.4 课题研究的内容电梯是垂直方向的运输设备，是高层建筑中不可缺少的交通运输设备。它靠电力，拖动一个可以载人或物的轿厢，在建筑的井道内导轨上做垂直升降运动，在人们生活中起着举足轻重的作用。安全是电梯制造、安装和使用的首要条件。随着计算机技术的发展，微型计算机在工业实时控制系统中得到越来越广泛的应用。采用微型计算机实现电梯控制，取代传统的继电器逻辑控制，使控制系统体积减小，成本降低，耗电省，可靠性提高。且有通用性强，灵活性大，易于实现复杂控制等优点。因此，微型计算机控制电梯越来越成为

22、一种趋势。本设计的主要研究对象是基于单片机的电梯信号控制系统，要求设计总体方案，电梯位置控制方案和电梯呼叫请求响应方案。所要实现的基本功能有：召唤信号登记、选层定向、轿厢位置判断、顺向截梯、反向截梯、消号及反向保号等。本设计是以8层住宅楼的电梯为研究对象，选用52单片机作为其控制器，其主要有5个组成模块：电源控制模块、管理模块、显示模块、位置检查控制和重量检测模块。根据任务书的要求、开题报告的综述，本课题的研究内容包括以下五个方面：（1）总体方案设计（2）电梯位置控制方案设计与呼叫请求响应方案设计；（3）电梯荷载称重和报警方案设计；（4）系统硬件设计；（5）系统软件。5重庆大学本科学生毕业设计

23、（论文） 2 总体方案设计442 总体方案设计2.1 电梯控制器方案选择电梯是势能负载，在使用过程中起动、制动频繁,负载变化较大，行驶方向也不停地变化。为了确保电梯运行安全、可靠、提高乘客舒适感，要求电梯控制系统不管在哪种负载下都有良好的调速性能。电梯控制系统为电梯提供了动力，且控制着电梯的起动加速、稳速运行和制动减速。目前的电梯信号控制系统主要有三种方式：继电器控制、PLC控制、单片机控制。电梯控制系统最开始采用的是继电器控制，它有几个特点：（1）从控制方式上看继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触点的串联或并联极延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。

24、（2）从控制速度上看，继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级，机械触点有抖动现象。（3）从延时控制上看，继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，而时间继电器定时精度不高，受环境影响大，调整时间困难。基于这些特点，继电器控制系统的缺点就十分明显：（1）继电器在长期磨损和疲劳工作条件下工作，极易损坏。（2）继电器的安装和调试以及改动都是需要投入大量的时间和人力物力（3）继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，经常造成停梯，大大降低了电梯的安全性和可靠性，给乘梯人员带来困扰。更为严重的是，电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能造成人

25、员伤亡。基于这些缺点和现代电梯技术的要求，继电器控制系统已经被人们所遗弃。随着计算机技术的发展，微型计算机在工业控制系统中得到了广泛的应用，在电梯控制上采用微型计算机，取代传统的继电器控制方式越来越受到人们的重视。使用微型计算机控制，使得电梯控制系统体积减小、节省能源、可靠性提高，可编程使灵活性增大，更在实现复杂功能的控制上显出优越性。常用的微机控制主要有两种技术：基于PLC控制和基于单片机控制。可编程控制器(Programmable Logical Controller)简称为PC或PLC，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是基于顺序控制器和微机控制器而发展起来的新型控制器，是一种

26、以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机。其优点是有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。其缺点是由于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。相比而言，基于单片机控制具有PLC没有的优势：单片机价格相当便宜，也不像PLC那么有针对性，可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。事实证明，基于单片机控制的电梯可以大大降低成本而且运行也较可靠，采用单片机来实现老式电梯控制系统的改造无疑是最佳方案。由于单片机具有体积小、线路简单、无噪音、可靠性高、维护方便等优点,是一种低投入、高回报的方案。

27、同时单片机能方便实现多台电梯的群控,并通过通讯接口与楼宇自动化系统联接，实施对电梯的监控。综上，本课题设计所用的电梯控制系统选用单片机控制系统。2.2 单片机控制方案选择方案一：一片单片机为主控制器的方案。MCU采用一片单片机控制所有的按键、数码管显示、电动机的转动、传感器的输出信号等，并对以上所有信号进行处理。这种方案的控制系统相对复杂，只适用于较简单的电梯控制系统，因为这次设计的内容是8层电梯控制系统，所以选用这种方案。单片机技术目前较为成熟，自身资源丰富，硬件设计简单，成本低，可靠性高，结合软件完全可以实现电梯运行状况的简单模拟。方案二：多片单片机控制方案。这种方案是使用多片单片机，其中

28、一片是作为主控制器，另外设置了轿厢控制系统，每层的控制系统分别由一个单片机控制，然后通过主控制器和副控制器之间的通讯，实现电梯系统的控制。这种方案的控制系统的结构简单明了，各个系统之间相互独立便于维护和修检。所以根据功能要求需要选用5片AT89C2052单片机就可以实现该电梯的功能。不过单片机之间的通讯较多，在目前通讯是个难点，可能导致电梯运行过程不够稳定。 权衡上述两种方案，本次设计采用方案一，由一片单片机控制所有的功能。2.3 按键模块电梯按键是人与电梯交互的入口，通过电梯系统，乘客给电梯系统传达自己的意愿。按键就相当于电梯控制系统的耳朵，“听到”乘客所要去的楼层数，“大脑”AT89S52

29、对其进行处理，再给出反应将乘客送到目标楼层。按键可以直接和I/O口的引脚相接，当按键按下时，输入端口电位改变，从而完成按键信号传输。键盘有两种排列方式：一种是一个按键对应一个引脚；另一种是将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显。比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由于本设计按键所需要的比较多，单片机的I/O口将不够用，为了减少I/O口的占用，采用矩阵法来做键盘。2.4 位置检测

30、模块 在电梯信号控制中，电梯轿厢位置的检测是其中的一个重要环节。电梯运行到的楼层数需要进行实时采集，这会影响截梯顺序、楼层显示等环节。平层感应器是电梯的位置检测模块通常用的感应器，轿厢的位置检测分为接触式和非接触式。现有两种位置检测模块方案如下：方案一：采用红外发射对管检测电梯层数这是非接触式检测，在竖井各个楼层设置红外发射对管。当接通电源时，红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置（即楼层位置），红外线接收头接收到红外线输出发生变化，单片机通过红外线接收头输出的变化知道电梯轿厢的位置。此传感器的响应时间为2.5ms，且体积小、功耗低、容易安装。而且反射式非接触式传感器由于具有发散角小

31、、精度高、反应速度快、有效距离较远、抗干扰能力强、可靠性较高等优点，能够更加准确定位楼层。方案二：采用金属接近开关检测电梯到达楼层数这是接触式检测，在轿厢安装金属片，并在竖井各个楼层设置金属接近开关，当轿厢运动到特定位置，竖井上的金属接近开关触碰到金属片，其输出发生变化。单片机通过金属接近开关输出的变化知道电梯轿厢的位置。该方案安装的金属片会加重轿厢重量，并且金属接近开关体积较大、安装不便、成本较高。对比以上两种方案，本设计采用第一种方案，采用红外发射对管检测电梯层数。2.5 位置显示模块电梯的位置显示是将电梯所在的楼层数通过视觉直观的反馈给轿厢内和门厅的乘客，使他们实时知道电梯位置，以便作好

32、乘梯和离梯准备。此显示模块不仅要显示电梯的位置，还要显示电梯运行的方向。基于这些要求，现有两种方案供选择：方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD即 Liquid Crystal Displa）显示各种相关数据以及信息。点阵式液晶显示器属于低功耗器件，但其价格较贵。方案二：采用传统的7段数码管（LED）显示电梯实时所到的楼层。虽功耗大，但其软件驱动简单，硬件电路调试方便，价格便宜，亮度大，能满足本设计的要求。综合各方面考虑，以上方案中选择方案二，即采用传统的7段数码管作为显示模块。2.6 重量检测模块重量检测模块是电梯控制中一个关键的模块，这关乎到电梯的安全运行。住宅电梯一般载重为100

33、0kg，如果电梯的实际载重超过了安全值，电梯的牵引部分将会不稳定甚至发生断裂，这严重影响到电梯的安全性，所以重量检测模块选择的标准是高精度、高灵敏度。重量检测的核心是称重传感器。它的工作原理：传感器输出的信号经运放差动放大器放大到一定值、A/D 转换变成数字信号后送入单片机进行显示和过载判断。用传感器应先考虑传感器所处的实际工作环境，这点对正确选用称重传感器至关重要，它关系到传感器能否正常工作以及它的安全、使用寿命乃至整个衡器的可靠性和安全性。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。本设计中采用由珠海阿尔法

34、机电科技有限公司生产的DS11-2电梯称重传感器。DS11-2 为非接触式称重传感器，开关量输出。DS11-2 称重传感器和永磁磁铁（圆磁钢）配合使用，当传感器探头处的磁场强度大于一定值的时候，传感器内部的触发器翻转，霍尔开关的输出电平状态也随之翻转，指示灯燃亮，输出高电平信号，反之指示灯熄灭，输出低电平信号。利用这种原理，可以做到为电梯提供轻载、满载、超载等开关信号2.7 声音提示模块仅有显示模块给乘客的视觉反馈是不够的，还要有声音提示模块给乘客的听觉反馈。如果轿厢里或者门厅的乘客在低头玩手机或者干其他事情，没有注意到显示模块显示的电梯信息，那么声音提示模块就能发挥作用了。现有两个方案如下：

35、方案一：采用美国ISD公司的2590语音芯片，该语音芯片录放时间为90 秒。ISD2500 系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K，所以录放时间长；有10个地址输入端，寻址能力可达1024 位；最多能分600 段；设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。但是价格较贵，表达内容固定，只能表达录音内容。方案二：采用蜂鸣提示音提示。当轿箱到达所需的楼层时，蜂鸣器响，提示乘客到达了所按下的楼层，另外可以作为紧急停止时的报警提示信号，其软件驱动、硬件电路调试非常简洁方便，而且价格便宜，能够用不同的声音频率表达不同的意思。目前有很多声音提示都是用的蜂鸣器，本

36、设计为8层电梯，蜂鸣器完全可以满足本设计的要求。根据实际的设计需要，本设计采用第二个方案。2.8 报警模块报警模块分为紧急情况报警模块和超重报警模块两部分。紧急情况报警模块位于轿厢内部，是电梯发生紧急情况时的安全保障。其作用是当电梯突然发生故障使轿箱内的人被困或者乘客发生突发状况时，通过按下紧急停止按钮，可以清除所有呼叫信号，将电梯直接运行至一楼，并发出报警信号。这时小区保卫人员知道电梯有紧急情况发生，就会积极采取措施施救，确保人员安全。超重报警结合了重量检测模块和声音提示模块，是在电梯超重时给乘客提示的模块。其工作过程是先由重量检测模块将轿厢里的乘客总重量转换为电信号传送给单片机，再由单片机

37、程序判断电梯是否超重，如果判断为超重，则单片机发出指令使电梯不能起动，并且由声音提示模块发出报警信号，提示乘客轿厢里面人员过多，已经超重。待到多余乘客退出轿厢，重量达到要求，电梯再次恢复起点。这是为了保证电梯的安全运行环境，延长电梯寿命，提高其安全性。2.9 本章小结本章对基于单片机的电梯控制系统方案进行了总体设计，并对各个模块既有方案进行了初步的选择。这些模块有电梯控制系统方案选择、位置检测模块、单片机控制方案选择、声音提示模块、位置显示模块、重量检测模块和报警模块，方案的选择是第一步，本章起到了引导作用。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 系统硬件设计3 系统硬件设计在设计的基于单片机的

38、电梯控制系统中，以一片AT89S52单片机为主控器的控制系统。控制系统的主要运行过程就是采集请求信号，然后通过单片机存储、识别和判断，再输出相应的控制信号并控制拖动电机动作、门控电机动作和显示模块变化。硬件系统的结构框图如下：图 3.1 硬件系统结构框图3.1 单片机AT89S52介绍单片微型计算机(Single Chip Micro Computer)简称单片机，它是把组成微型计算机的各功能部件：中央处理单元 CPU、一定容量的随机存储器 RAM 和只读存储器 ROM、定时器/计数器、I/O 接口电路以及串行口等制作在一块芯片中的计算机，具有微型计算机的基本功能。本设计系统选用的微控制器是美

39、国ATME公司生产的低电压高性能 CMOS 8 位单片机AT89S52。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K 系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和系统可编程 Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52单片机的功能十分强大，其主要性能有：（1）与MCS-51单片机产品兼容；（2）8K字节在系统可编程Flash存储器；（3）1000次擦写周

40、期；（4）全静态操作：0Hz-33MHz；（5）三级加密程序存储器；（6）32个可编程I/O口线；（7）三个16位定时器/计数器；（8）8个中断源；（9）全双工UART串行通道；（10）低功耗空闲和掉电模式；（11）掉电后中断可唤醒；（12）看门狗定时器；（13）双数据指针；（14）掉电标识符。3.1.1 单片机AT89S52引脚功能说明单片机AT89S52引脚定义见图3.2图3.2 AT89S52引脚图(1)Vcc：电源电压(2)GND：地(3)P0口P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数

41、据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。(4)P1口P1口是一个带内部上拉电阻的8 位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收和输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I1），P1.0和P1.1还可以作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.1。在flash编程

42、和校验时，P1口接收低8位地址字节。表3.1 P1口引脚第二功能引脚第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用） (5)P2口P2 是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲可驱动(吸收和输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（I）。在访问外部程序存储器或16

43、位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVXRI）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和一些控制信号。(6)P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对P3口写入1时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（Il）P3 口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-2所示：此外，P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校

44、验的控制信号。表3.2 P3口引脚第二功能引脚第二功能引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)(7)RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位(8)ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于

45、定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。(9)PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。(10)EA/VP

46、P外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件使用12V编程电压Vpp。(11)XTAL1振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。(12)XTAL2振荡器反相放大器的输出端。3.1.2 单片机AT89S52存储器介绍AT89S52把程序存储器分开，各自有寻址系统，控制信号和功能。程序存储器用来存放程序和始终要保留的常数

47、。数据存储器常用来存放程序运行中所需要的常数或变量。其存储器结构如图3.3所示：图3.3 AT89S52存储器（1）数据存储器AT89S52数据存储器根据不同的寻址方式和不同的功能分成以下四个部分：DATA区：AT89S52的前128字节内部RAM这部分主要是作为数据段称为DATA区,指令用一个或两个周期来访问。通常我们把使用比较频繁的变量或局部变量存储在DATA段中。在数据段中也可通过R0和R1采用间接寻址。数据段中有两个小段，第一个子段包含四组寄存器组，每组寄存器组包含八个寄存器共32个寄存器。另外一个子段叫做位寻址段BDATA，包括16个字节共128位，每一位都可单独寻址。这16个字节也

48、可进行字节寻址。特殊功能寄存器区(SFR)：中断系统和外部功能控制寄存器位于从地址80H开始的内部RAM中。这些寄存器被称作特殊功能寄存器，简称SFR。其中很多寄存器都可位寻址，可通过名字进行引用。地址可被8整除的寄存器可以位寻址。XDATA区：AT89S52的XDATA存储空间为64K，采用16位地址寻址。称作外部数据区，简称XDATA区。处理XDATA中的数据至少要花3个指令周期。（2）程序存储器AT89S52具有8K Bytes Flash片内程序存储器，可以外接达到64k字节的外部程序存储器。如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。AT89S52单片机复位后程序计数器PC的内容为

49、0000H，系统从0000H单元开始取指令，并执行程序。程序存储器是只读的。如果EA接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。3.2 按键电路电梯按键电路属于电梯的输入模块，乘客通过按下要去楼层的按键，向单片机发送楼层数信号，单片机将信号判断处理，指挥电梯正确到达指定楼层。按键电路可谓是电梯运行方式的主要数据依据来源，相当于控制系统的耳朵。本设计是8层住宅楼的电梯，其按键有：轿厢内楼层按键8个、开关门按键2个以及报警按键1个，除一楼只有上行按键，八楼只有下行按键外，每层楼的门厅有上、下按键各一个，总共有25个按键。由于

50、本电路所需的按键较多，为了节省单片机的I/O口，将按键排列成矩阵形式。由于共有25个按键，所以本电路采用5×5键盘矩阵，其电路如图3.7所示，单片机采用行和列扫描法，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机I/O口作为输出端，而列线所接的I/O则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样通过读输入线的状态就可以得知是哪个键被按下。图3.4 键盘矩阵电路各按钮开关说明：按键“1”：轿厢内一楼呼叫开关；按键“2”：轿厢内二楼呼叫开关；按键“3”：轿厢内三楼呼叫开关；按键“4”：轿厢内四楼呼叫开关；按键

51、“5”：轿厢内五楼呼叫开关；按键“6”：轿厢内六楼呼叫开关；按键“7”：轿厢内七楼呼叫开关；按键“8”：轿厢内八楼呼叫开关；按键“1上”：轿厢外一楼上呼叫开关；按键“2上”：轿厢外二楼上呼叫开关；按键“2下”：轿厢外二楼下呼叫开关；按键“3上”：轿厢外三楼上呼叫开关；按键“3下”：轿厢外三楼下呼叫开关；按键“4上”：轿厢外四楼上呼叫开关；按键“4下”：轿厢外四楼下呼叫开关；按键“5上”：轿厢外五楼上呼叫开关；按键“5下”：轿厢外五楼下呼叫开关；按键“6上”：轿厢外六楼上呼叫开关；按键“6下”：轿厢外六楼下呼叫开关；按键“7上”：轿厢外七楼上呼叫开关；按键“7下”：轿厢外七楼下呼叫开关；按键“8

52、下”：轿厢外八楼下呼叫开关；按键“开门”：轿厢内轿门开门开关；按键“关门”：轿厢内轿门关门开关；按键“报警”：轿厢内紧急报警开关。3.3 楼层检测电路电梯运行到的楼层数，是用平层感应器发送给单片机的。本设计采用的是红外接收电路作为平层感应器，在竖井各个楼层设置红外发射接收管，在轿厢上下运动的过程当中红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置，竖井上的红外线接收头收到红外线，其输出发生变化。单片机通过红外线接收头输出的变化知道电梯轿厢的位置。其电路图如图3.5和图3.6所示。 图3.5 红外发射对管 图3.6 红外对管电路图图3.6所示为反射式红外线发射-接收器的示例。调整发射管的限流电阻

53、（200 ），可以调整灵敏度，但是注意不能让电流超过50mA，以免烧毁发射管。输出侧的10k电阻是提供“0”电平时的接地电阻，如果电路里已经有信号输入的接地电阻，则可以省略本处的10k电阻。此电阻阻值不能太小，否则高电平输出会达不到3.5V以上。只要在红外线发射接收管前插入一件对红外光有无反射作用的物质，图示的输出端口“OUT”的电平立即从高变成低。如果该反射或无反射物质是循环连续动作的话，就是一种非常好的无触点信号源位置检测。3.4 显示电路（1）楼层显示电路将电梯按键比作控制系统的耳朵，那电梯显示电路就是控制系统的嘴巴了。控制系统通过显示电路，将电梯运行情况直观的反应给乘客。本设计是8层楼

54、的电梯控制系统设计，楼层数最大为8，所以选用一个8位数码管来显示电梯所达到的楼层数。数码管的驱动方式有两种，静态驱动和动态驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动，这种方式占用I/O端口多。动态驱动将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就

55、不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，节约大量的I/O端口。由于本设计要用到大量的I/O端口，故用动态驱动方式，用4511来驱动8位数码管显示电梯所到达的楼层数。本设计中，轿厢和每层楼的门厅都要设计一个数码显示管，接线如图3.7所示，图中共有9个数码管并联，通过对四根数据线进行写操作来显示楼层数。图3.7 电梯显示电路接线由于采用的是动态驱动方式，且共有9个数码管并联在一起，只由4根数据线控制，该电路会出现功率不够，数码管亮度过低的问题。为了解决这个问题，该电路必须要接功率放大器。本设计采用三极管来作功率放大器，接线图如3.8所示，PB2端电流较小，基电极

56、电流小，集电极正向导通，外接电压给A端供电，A端与数码管的一根控制线相接，使其输入电流变大。每根数据线都接一个图3.9的功率放大器，这样数码管的亮度就得到很大的提高。图3.8 功率放大电路图（2）方向显示电路电梯显示部分除了要显示楼层数外，还需要显示电梯的运行方向。电梯的上行下行与电机的正转反转有关，电机正转，电梯上行；电机反转，电梯下行。上行和下行可用两个发光管表示。其电路图如图3.9所示，由于本轿厢内和每层楼的门厅都需要显示电梯的运行方向，故共需要18个发光管并联，有两根数据线控制，左边的灯亮表示电梯上行，右边的灯亮则表示电梯下行。同样为了解决功率不够的问题，每根数据线都接一个图3.8的放大器。图3.9 电梯运行方向指示电路（3）登记显示电路当我们在操作电梯按键的时候，如何知道自己是否成功将自己想去的楼层数信号发给了控制系统呢？按键反馈是指当你按下一个按键的时候，系统会给你一个反馈，表示你按键成功按下。本设计采用的是亮灯方式，就是当你按下一个键的时候，与其相对应的