【《基于51单片机的电梯控制系统设计与测试探析》7300字】

基于51单片机的电梯控制系统设计与测试分析目录TOC\o"1-3"\h\u6634一、绪论 I【摘要】电梯是随着高层建筑而发展起来的一种垂直运输工具。多层厂房和多层仓库需要有货梯；高层住宅需要有住宅梯；百货大楼和宾馆需要客梯、自动扶梯„„。在现代社会，电梯已象汽车、轮船一样，成为人类不可缺少的交通运输工具。据统计，世界各国每天乘电梯的人次多于乘其他交通工具的人数。当今世界，电梯的使用量已经成为衡量现代化程度的标志之一。电梯作为现代人必不可少的交通工具，在我们的学习、生活、工作中占据着举足轻重的作用。本文主要通过一定的技术设计，来实现一个电梯的自动控制。【关键词】单片机、电梯，系统控制。一、绪论（一）开发背景自从19世纪美国人奥的斯发明世界上第一台电梯后，高楼便不再是人们望而却步的对象。人们对于电梯的态度由刚开始的不信任，逐渐变得越来越依赖。为了适应人们的不同需求，人们开发出不同用途的电梯，如防爆梯、观光梯、汽车电梯和别墅电梯等。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。无论何种电梯，都离不开电梯控制系统，这是乘梯人员与电梯交互的工具，也是引导人们正确乘梯的关键。电梯控制系统能够清晰直观的告诉人们当前楼层位置，并当乘客到达楼层后立即发出声光报警，提醒乘客即时下梯,从而保障电梯的高效和乘梯人员的人身安全。目前，可编程控制器、PLC、或微型计算机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器。是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，它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。但是由于PLC的针对性较强。每一台PLC都是根据一个设备而设计的。所以价格比较昂贵。而单片机的价格相当便宜，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、所以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，更完美的实现设备的升级。在科技的不断发展下、单片机控制系统很快可以解决抗扰性。成为方便有效的电梯控制系统。本课题的主要任务是完成一个电梯系统的智能控制模块、即根据每个楼层不同顾客的按键要求。让电梯做出合理的判断，正确高效的指导电梯完成各项载客任务。设计基于单片机的电梯智能控制系统的硬件电路与软件程序。给出硬件系统的电路原理图与PCB图。对硬件电路与软件分别进行调试。得到调试成功的基于单片机的电梯智能控制系统。（二）国内外研究现状目前来看，电梯行业发展进度缓慢，新技术较少。国内电梯制造厂商质量良莠不齐，很多制造商使用还在使用比较传统的电梯运行逻辑控制系统，对于电梯控制系统的创新设计更是止步不前。但像国内的一些大型电梯公司，普遍采用更安全稳定的PLC和微机组成的电梯运行逻辑控制系统。像通力的电梯，把电梯控制系统做的多元化，加入语音播报、天气提醒、热点新闻等功能，让人们在乘梯时享受更多的便捷服务。总部位于苏州的东南电梯，这是一家专门生产制造特种电梯大的公司。近年来人均GDP水平不断提高，人们对于生活质量的要求也逐步提高。东南电梯生产别墅电梯开始进入人们的视野。别墅电梯因为其特殊属性，电梯控制系统的设计也更加定制化。在屏幕上显示近期备忘录，提醒主人要做的事；智能家居方便人们的生活，主人在乘坐电梯时就可以即时控制智能家居的使用情况，更加快捷高效，节约资源。国外多数电梯厂商更加倾向于群控系统。这也导致显示变得更加简洁，直接只显示上下方向，不显示楼层。群控系统让电梯使用效率更高，或者平均候梯时间更短。当乘客按下上或下按键时，系统自动匹配空闲的电梯来工作。也许有电梯离乘客更近，但此时正在工作，那么这部电梯会优先完成自己的工作，不会响应临时增加的任务。也就是说，过站不停是群控的必然现象。所以,为了避免乘客产生焦躁情绪，从群控的角度来说，电梯制造商不会让乘客看到电梯过站不停的情况。此时不显示电梯当前楼层是最好的办法。这样的电梯控制系统，虽然乘客看不见电梯运行状态，一旦系统接到信号，其响应速度会比较快[13]。（三）主要任务与目标本次毕业设计将基于单片机的电梯控制系统设计作为研究课题，主要任务及目标为：充分了解并学习电梯方面的相关知识。熟悉和掌握单片机的基本结构和使用方法，使用Keil软件进行程序编写，并对电路进行程序仿真，从而实现程序的平稳运行。考虑各种使用中出现的突发情况，并尝试改善。电梯控制系统在引导人们乘梯中起到了很大的作用，本课题旨在设计一种基于单片机的电梯控制系统。该显示屏能够清晰直观的告诉乘客当前所处楼层，以及在电梯运行时，显示屏通过不断滚动的箭头提示乘客当前电梯的状态。当电梯到达乘客指定楼层后，发出声光报警，提醒乘客下梯，同时电梯门迅速打开。（四）本文所作的工作(1)查阅资料，了解单片机工作原理、控制要求和工作流程；(2)确定电梯控制系统的设计方案，如上行过程、下行过程和停止过程的设计；(3)绘制基于单片机的电梯控制系统的工作流程图；(4)对基于单片机的电梯控制系统的硬件选型。(5)设计基于单片机的电梯控制系统的软件流程；(6)使用Proteus画出程序图以及仿真。二、系统总体设计方案该设计采用单片机AT89S52实现基本的简易电梯模型，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，那么就降低了硬件电路的复杂性，而且更能体现智能思维，AT89S52是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有8KB的Flash存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。另外，AT89S52的指令系统和引脚与8051完全兼容，片内有128B的RAM、32条I/O口线、2个16位定时计数器、5个中断源、一个全双工串行口等，完全满足该课题的需要。作为小型化的电梯模拟装置，其控制器的设计应遵循简单可靠以及成本低、维护方便等原则。控制器的处理器采用了8位单片机，外围扩展键盘采用矩阵键盘输入、位置检测采用反射式红外光电传感器，并配以LED显示当前运行信息。电梯模拟器的机械部分采用了丝杠传动加直流电机配以减速齿轮驱动，距离移动十分精确，无运行积累误差。总体设计框图如下图图2-1电梯控制系统总体设计框图三、硬件系统设计（一）单片机芯片选择(1)STC89C52方案STC89C52完全兼容5l系列单片机的所有功能实现，具有集成度高、处理速度快、简单结构、拓展面广、性价比高优良控制功能以及支持在软件编程器实现快速闪烁操作等优点。通过外部的按键设备的接入实现对自动自动供暖装置系统温度控制，并可以通过LED管进行动态显示。使用STC89C51系列单片机为硬件支持核心。在存储方面89C51单片机具有4KB的ROM存储内存，同时具有大存储空间的EPROM的设置且下载方便。总的来说，该方案使用的控制芯片兼容所有51系列单片机的功能实现，并具备足够大的存储空间，作为开发设计是理想之选。(2)AT89S52方案AT89S52可兼容MCS-52系列产品功能，作为一种耗能、性能处理高的高能芯片，它可以与8位控制字节系统编辑快闪体。在空闲模式下停止中央处理器，而是采用系统的存储器进行与定时器的串行端口，在当前掉电模式下，不可以进行尝试复位。结合以上分析两种控制芯片的特点、以及都可以满足设计的实现功能，综合多方面分析STC89C52系列单片机在成本上相较于AT89S52单片机较低，同时具有下载便利的特点，系统采用STC89C52单片机作为核心控制片来完成设计。图3-1单片机最小系统（二）控制模块控制模块原理图如图主控制器采用AT89C52。AT89C52是一个低电压。高性能CMOS8位单片机带有4K字节的可反复擦写的程序存储器。PENROM。它具有4K字节闪烁存储器，128字节随机存取数据存储器。32个I/O口、2个16位定时/计数器、1个5向量两级中断结构，1个串行通信口，片内震荡器和时钟电路。在本设计中，P1口用于对电梯按钮的控制、连接输入设备。P3口用于对LED点阵显示器的控制。P0口用于连接锁存器74LS245、以保护单片机的输出端口。在本设计中。P1口用于对电梯按钮的控制，连接输入设备。P3口用于对LED点阵显示器的控制。P0口用于连接锁存器74LS245、以保护单片机的输出端口。图3-2控制模块（三）按键模块电梯轿厢的楼层按键采用八个独立按键控制，分别对应楼层的一楼到八楼。按键接单片机的P1口，另一端接地。当单片机上电后，按键保持高电平，当楼层按键按下，触发低电平信号，单片机立即响应指定楼层。如图3-3为按键检测模块。图3-3按键模块（四）LED显示模块点阵的内部结构由大量的发光二极管组成，每个二极管放置在行线和列线的交叉点上。采用共阳极接法时，在共阳端置高电平，共阴极端置低电平时，点阵内部发光二极管导通。只要控制相应的二极管被点亮，便可以实现上下箭头和数字的显示。如图3-4所示为一个8*8LED点阵的内部结构。图3-48*8LED点阵结构考虑到电梯轿厢显示的效果，本次设计没有采用8*8的点阵屏，而是采用拥有256个高亮度发光二极管，组成了16行16列的发光点阵。如图3-5所示为一个16*16LED点阵的组成结构。图3-516*16点阵的构成LED点阵屏一般使用扫描式显示，主要分为点扫描、行扫描和列扫描三种方式。当采用点扫描时，为了能够符合人视觉暂留效应，扫描频率要很大。以16*16点阵屏为例，点扫描时，其频率要大于32X256=8192Hz,周期小于1ms。这对于单片机的运行效率和响应速度影响较大，对于单片机的性能要求较高。若采用行扫描和列扫描，频率比点扫描时小很多，周期也较大，普通单片机也可使用。竖直方向扫描，即逐行轮流扫描。采用逐行扫描方式，在驱动电路连接时可以实现多行的同名列共用一套列驱动器。以16×16点阵为例，采用共阳极接法，把同一行的发光管的阳极连在一起。在扫描时，系统会对第一行的发光管进行亮灭操作，同时系统对数据锁存。然后控制第一行的二极管常亮一段时间，再熄灭；然后控制第二行的发光管重复第一行二极管的操作，以此类推，一直重复到第十六行，然后重新回到第一行，再做相同的动作，这样便完成了第一轮的扫描。当扫描速度足够快时，由于人眼的视觉暂留效应，就能看到点阵屏上稳定的图形。由于数据传输采用串行传输，控制电路只使用一根信号线，在硬件成本和维护方面是十分可靠的。图3-6为点阵电路在仿真图中与缓存器的连接：图3-6点阵电路（五）电源电路单片机的电源电路，使用一个自锁开关控制通断，工作电压一般为+5V。如图3-7为自锁开关实物图。自锁开关一共六个引脚，当未按下状态时，引脚2和6接通，引脚1和5接通；当按下自锁开关时，引脚4和6接通，引脚1和3接通，如图38所示。图3-7自锁开关图3-8引脚图四、软件系统设计（一）楼层显示屏主程序设计基于单片机的电梯控制系统设计主要包括单片机、按键扫描检测、楼层上下和位置显示三个部分。单片机作为核心控制元件，接收按键发出的低电平信号，并通过缓存器驱动点阵屏显示，同时发出声光报警提示。图4-1为主程序流程图图4-1系统总体结构当接通电源后，首先单片机系统初始化，重置所有的功能。然后对按键进行扫描，如果按键没有按下，系统会一直对按键进行扫描。一旦检测到有低电平输入，系统便会做出响应，确定是哪一层的按键被触发，然后再进行上行或者下行的操作。此时点阵屏便会做出相应变化，如果是上行，点阵屏便会显示上行图形，到达指定楼层后，声光报警提示到达楼层，此时电梯打开门，乘客下梯，系统会重新扫描按键，直到再次检测到按键触发信号。（二）楼层按键检测模块设计楼层按键检测模块主要是对按键不断的扫描，一旦接收到触发信号，迅速判断楼层位置是上行还是下行，然后做出相应动作。图4-2为楼层按键模块流程框图。图4-2按键检测模块结构系统接通电源后，按键模块初始化。如果一直没有按键被触发，系统便一直保持初始化状态。一旦有按键被按下，触发低电平，系统会进行确认，如果相同的按键再被按下，系统会立即终止本次操作，恢复到初始化状态。在按键被按下，并且没有再次被触发时，系统会立即响应本次操作，执行主程序中相应的内容。（三）楼层显示模块设计楼层显示模块主要是对楼层位置做出判断，乘客所选楼层是否与当前所处楼层冲突，若冲突，系统自动取消本次操作；若不冲突，判断是上行还是下行。图4-3为楼层显示模块流程图。图4-3楼层显示模块结构首先系统会打开T0中断，系统初始化。然后将数组按照大小排列，然后进行计数，当计数没有计满时，会重新进行数组大小排列。当计数计满后，进入到T0中断，此时开始检测按键是否被触发，当按键被触发时，进入外部中断存入按键的值，并判断上升还是下降，系统进入T0中断。判断是否上行，如果上行，点阵进行上行显示，然后当到达指定楼层时，led灯亮起，蜂鸣器报警。五、系统测试程序仿真是检测设计电路能否正常运行的关键，仿真图也称为接线图，是模拟电路连接情况，是设备生产前必做的工作。（一）仿真软件现在主流的仿真软件是Proteus软件，该软件有英国一家公司生产，是最常用的仿真软件。具备原理布图、PCB布线和电路仿真功能。对主流的单片机和元件收录较全。图5-1为ISIS7.8Professional的工作界面。图5-1仿真软件工作窗口（二）仿真过程及结果根据单片机端口和缓存器、点阵屏的原理和使用方法，进行合理连接和布线。同时注意电阻的阻值大小，经过不断的调试，最终完成了仿真工作。仿真结果符合设计的基本要求，楼层显示和声光报警能够即时相应。1.模拟一楼状态单片机接通电源后，系统首先上电复位。此时点阵屏显示楼层初始位置为一楼。led灯点亮，表示此时电梯处于静止状态。单片机不断对按键进行扫描。如图5-2为电梯位于1楼时的仿真截图。图5-2一楼状态2.电梯上行状态当在电梯轿厢内按下第六层按键时，系统做出判断，当所选楼层大于当前所处的二层楼时，为上行，上行过程中点阵屏不断向上滚动显示箭头，当到达第六层后，led灯亮起，同时蜂鸣器报警。如图5-3为电梯停在二楼的状态，图5-4为上行箭头不断向上滚动，图5-5为电梯到达六层后，蜂鸣器报警，led灯亮起。图5-3上行初始状态图5-4电梯处于上行状态图5-5电梯到达六楼3.电梯下行状态当在电梯轿厢内按下第四层按键时，系统立即响应，判断所选楼层小于当前第八层时，为下行，下行过程中点阵屏不断向下滚动显示箭头，当到达四层后，led灯亮起，同时蜂鸣器报警。如图5-6为电梯初始位置在八楼。图5-7为电梯处于下行状态，箭头不断向下滚动，图5-8为电梯下行到达四层的状态。图5-6下行初始状态图5-7下行状态图5-8下行到站状态六、总结本文主要是根据在专科学习中涉及到的一些电梯方面的知识和问题，结合本科学习的单片机和电力电子方面的知识，来进行相关问题的设计。在经过网上查阅大量资料，咨询老师和同学后，着手设计基于单片机的电梯控制系统的工作。在设计之初，首先是方案的设计，经过反复论证比较，最终选择了一项符合自己设计理念和能力的方案。接着是硬件的选型，单片机的型号有很多，功能也很多，但本着实用性和经济成本考虑，最终选择了一款功能可以满足需求，并且经济成本最高的。其他的元件也本着这个理念，最终确定了下来。选型只是一方面，真正要做到的还是如何使用。所以又在网上查阅相关的元件使用说明书和一些使用实例的视频，真正做到弄懂这个元件的工作原理和使用方法。在选择选择课题时，挑选了自认为熟悉的电梯领域，但经过后期细致的分析，发现想要养成本课题并不简单。由于电梯行业属于特种设备，在机械行业比较特殊，平时接触到的能够到的也比较少，所以很多人不了解。在网络上搜集到的资料也比较有限。在硬件部分设计时，单片机种类繁多，给硬件选型带来一定的困难。刚开始选用的8*8点阵屏搭配74ls245芯片使用，虽然能够满足电梯上下运行显示，但过于简单。点阵屏显示过于粗糙，箭头和数字显示间距过大，导致观感很差。后来选用更加密集的16*16点阵屏，搭配74hc595缓存器。同时增加声光报警电路，当到达指定楼层后，能够及时提醒乘客下梯，进一步提高电梯运行效率。在软件方面，由于采用了更加复杂的点阵屏，对于程序的编写带来了更大的挑战，尤其是判断上下和楼层的数字显示方面。对于数组的编写耗费了大量的精力，力求运行更加完美，对于运行时间和速度进行了调整优化。在仿真方面，由于用到的缓存器比较多，点阵屏的接口也比较多，在刚开始的仿真设计时，由于端口的连接错误，花费了不少时间，最终在查阅元件相关使用说明，才成功实现仿真。最大的困难出现在原理图绘制，由于从没接触过原理图绘制工作，在软件学习的使用上，花费了很多精力。最终学会了元件的封装和元件库建立和导入。虽然很多都是学习过的知识，但自己动手设计，却困难重重。有些设计方案过于理想化，导致设计中途发现问题很多，不得已放弃研究，浪费时间和精力。这让我懂得了列纲领的重要性，做研究不能堂而皇之的感觉自己可以设计出来，而忽略一些现实的问题。比如