【《基于51单片机的双电梯控制系统设计》16000字（论文）】

基于51单片机的双电梯控制系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u16979摘要 [18]。其中乘梯人数可以通过设备进行测量。其函数公式为(6)电梯的能源消耗函数。电梯的能源消耗主要在电梯的开关门和电梯的加减速阶段，电梯是用电机来进行拖动的，这个过程中电机的启动和停止是最消耗能源的。因此，选择电梯的启动与停止次数作为电梯能耗的评定指标，如果电梯的启动与停止的次数过多的话，不仅会使得乘客的使用舒适度降低,能耗也会增加。为了使函数简化一下，用表示电梯启动与停止时的能源损耗，用表示经过一个楼层的能耗，假设经过每楼层的能耗都一样。其函数公式为(7)其中，是这个过程中第台电梯的总停靠次数，是此过程中第台电梯经过的楼层。将以上函数带入到公式（1）中，可得到(8)其中，为权系数，，∈(0,1),为可以正常运行的电梯数量。根据不同的高峰期交通模式，改变权系数来用作改变其模式。最后比较每台电梯的评价值，选出最小值对应的电梯去响应呼梯信号。公式为(9)2.5快速响应算法的实现我选择使用一个16层的双电梯建筑来当做设计模型。再根据我们所需要的功能，即最快速响应呼梯信号，设计的算法流程图如图1所示。图1算法流程图由图1可以看出，当程序运行后，先通过LCDLM016L液晶显示模块出来我们两个电梯的位置和状态。先通过判断按键信号楼层是在两个电梯的上方还是下方还是在两个电梯之间。经过此判断之后，再进行距离判断对比，通过运算派距呼梯信号最近的电梯去响应信号。如果是多个按键信号传入单片机，那么就分别完成以上对比，然后控制电梯分别去响应不同的信号。比如10层按下按键，此信号在两个电梯的上方，然后再拿此信号和1号电梯和二号电梯之间的距离进行对比，然后派1号电梯进行响应，以达到最快速响应的要求。2.6算法模拟运行设1号电梯楼层为，初始值为1，设2号电梯楼层为，初始值为9，即=1，=9;设楼层按键为Y，因为楼层共有16楼，设其取值范围为（1-16），即Y=i（1≤i≤16）。当只有一个楼层按键信号时，进行和两个运算，取其中最小值，当最小时，派1号电梯响应，当值最小时，派2号电梯响应。当电梯运行到相应的楼层之后，电梯进行原地待命，把值赋予给和中运动的一个，然后循环此过程。当有两个楼层按键信号时，分别按以上步骤进行比较，然后把这两个按键信号给到对应的电梯，完成后循环此过程。下面进行模拟算法运行。首先，此时14楼按下按键，此时，，然后进行、运算，得出13和5两个结果，明显得出2号电梯离呼梯信号楼层更近，此时派2号电梯去响应，然后将Y值赋予给，此时。若此时有一个处于2台电梯间的6楼呼梯信号，继续进行、的运算，此时，得出5和8两个结果，最后得到。初始化后，同时按下4楼、7楼的按键，此时,分别将带入、运算，得出2个对比结果，分别是3、5和6、2。此时派1号梯去4楼响应呼梯信号，2号梯去7楼响应呼梯信号，最后将赋予给，赋值给。第3章系统设计方案上一章节主要介绍了系统的控制算法。本章节主要是对双电梯控制系统整体设计方案进行了细致的描述并设计其框图。除此之外还对各个模块的选型和芯片的选择进行了对比，选择出系统最为合适的型号。3.1双电梯控制系统整体设计系统主要组成部分由单片机、按键显示模块、复位电路模块、输入模块、38译码器扩展I/O模块等模块构成。本课题系统的设计框图如图2所示。图2系统设计框图3.2硬件模块的对比与选择3.2.1单片机芯片的选型在单片机方面，有51系列、32系列的的单片机可供选择。我们经常用的型号有AT89C51、AT89C52等等很多，新一代的还有STC12系列、STC15系列。方案1：Stm32芯片此芯片主要是为高性能的嵌入式应用设计的一个系列芯片。内存包括64KB-256KB和20KB-64KB，其集成度比较高，内部自带的有单片机最小系统。片上外部设备比较丰富，接口也较多，其ADC精度有12位。虽说stm32芯片功能很多，但是操作复杂，成本高，使用起来更加的繁琐，不适合于简单的系统控制。方案2：AT89C52芯片此芯片具有8K字节可重复擦写的FLash闪烁存储器，擦写寿命也很长。片内共有40个引脚，其中有32个可编程双向I/O口，有3个16位可编程定时器、计数器，足够我这个设计使用了，除此之外，AT89C52单片机在日常使用设计中应用十分广泛。其除了可以进行正常编程之外，还能够进行在线编程，方便了大家的使用。该单片机芯片不仅能兼容51指令，其能耗低，存储速度也很快。通过对比这两个方案不难发现，AT89C52不仅具有足够的存储空间，而且易于上手和操作、成本更低，因此本课题的芯片采用方案二。3.2.2显示模块的选型我们经常用的显示模块有多个数码管组成的点阵和LCD屏，根据我们所需的功能以及显示分辨率可以来选择不同的LCD和数码管点阵。方案1：LED数码管点阵

数码管的一种是半导体发光器件，其工作原理是通过单片机的I/O端口进行驱动数码管的各个段码，通过对不同段码的控制，点亮我们所需要的段码来显示我们需要的数字。虽说数码管可以实现多种颜色，亮度更高、可视距离更远。但是如果想要显示出来更多的信息，就需要添加更多的元器件，电路连接复杂，导致使用起来更加的繁琐，编程实现更加困难。方案2：LCD1602液晶显示模块在日常生活中，我们对液晶显示器已然不陌生了，在日常生过中非常的常见。LCD液晶显示模块可以直接接在单片机的I/O口，且电路简单，上手使用方便，整体功率远低于LED数码管点阵。除此之外，LCD1602显示的分辨率比LED数码管要高的多，能够显示更多我们所需要的信息。通过对比两个方案，再结合双电梯控制系统的仿真需求可以发现，字符LCD1602液晶显示模块能够更加直白的出显示电梯的运行状态以及更多的数据，使用起来也更方便，因此本课题的液晶显示模块选择方案2。3.2.3扩展I/O的选择有时候我们通过使用单片机进行设计的时候，I/O口会有不够用的时候，我们需要通过一些外部手段来扩展单片机的I/O口数量。常用的方式有38译码器、采用可编程的I/O口接口扩展芯片等。方案1可编程的I/O口接口扩展芯片8255A芯片是Intel公司生产的8位可编程并行接口芯片。其内部有3个可编程的并行I/O口：PA口、PB口、PC口。具有24条输入/输出引脚。方案274LS1383-8译码器74LS138属于TTL器件，电源工作电压是5V。74LS138可以组成三变量输入，四变量输入的任意组合逻辑电路。从逻辑图分析可知其8个输出引脚的输出结果只能有一个引脚是低电平，其他引脚为高电平，不同引脚处于低电平对应了不同的输出结果。如果全部处于高电平的时候，芯片是不工作的。通过对比上述两个方案不难发现，74LS138译码器较为常见且价格比较便宜，工作原理简单，上手容易，比较适合本课题系统设计，故采用方案二。3.3本章小结本章节我介绍了双电梯控制系统的系统框架，对各个模块选型进行了对比，最后确定了模块选择的方案。第4章系统硬件电路的设计在第三章中，主要是介绍了整体设计和选型方案。此章节描述了单片机系统的组成模块，并对各个模块进行了硬件电路的设计，介绍了各个模块的功能及电路图。4.1AT89C52芯片介绍本系统选择的AT89C52芯片是一个低电压、高性能8位单片机。其功耗较低，价格合适，比较适合本课题设计使用。此芯片有四十个引脚，其中有32个双向I/O口，极大的方便了我在设计过程中对I/O的分配问题，该单片机的引脚图如图3所示。图3AT89C52原理图4.2最小单片机系统最小单片机系统是使单片机能够正常工作所需最少且必须的器件组成的系统，此系统的作用是保证系统整体设计能够正常运行。其最小系统包括了单片机、复位电路和时钟电路。4.2.1复位电路复位电路是保证单片机系统稳定工作必不可少的一个重要环节。单片机运行后，当其受到环境干扰导致程序错误的时候，可以按下复位按键使程序从头重新执行。此功能可以及时有效的防止芯片发出错误操作指令，避免更多的程序运行错误。单片机的复位电路基本分为两种，一种是手动复位，另一种是上电复位。本系统采用的按键复位电路如图4所示。图4按键复位电路图4所示的复位电路是一个低电平阻容复位电路，由一个电容和电阻以及按键组成，按键右端接单片机的9引脚（RST）。当复位按键按下后，电容C1被短接放电，两端电压下降，电压下降至低电平，复位信号有效，此时可以使电路进行复位。4.2.2时钟电路此电路由晶振和电容组成。晶振的全称为石英晶体振荡器，是一种高精度、高稳定性的振荡器，可直接应用于电路当中，时钟电路图如图5所示。图5时钟电路图5所示的晶振电路是由2个100nf的电容和晶振构成，晶振的上下两个引脚分别接单片机的18引脚(XTAL1)和19引脚(XTAL2)。这两个电容负责满足谐振条件，晶振的大小来决定单片机的运行速度与稳定性。晶振的全称为石英晶体振荡器，是一种高精度、高稳定性的振荡器，可直接应用于电路当中，是通过利用石英晶体的压电效应来起振，晶振的频率高低决定了系统的时钟频率，频率高则时钟频率高，单片机的运行速度随之增快。4.3按键输入模块本系统的按键输入部分我使用了4×4矩阵键盘输入模块和4个独立按键。4×4矩阵键盘主要用于楼层信号的输入功能，具体的矩阵键盘接线图如图6所示。图64×4矩阵键盘由图6可知，此模块共有16个按键，其中行与列16个按键分别接单片机的P3.0-P3.7这8个I/O口。图中的1-16分别代表着本系统模拟的1-16楼，需要电梯到达哪层，按下哪层按键即可，随后单片机会把按键输入的信号进行处理并执行。4.4LCD液晶显示模块LCD液晶显示模块液晶显示器在收到信号之后，就会一直保持一种色彩与亮度恒定发光，可以更直观的显示出来我们所需要的信息，方便我们在仿真的同时观察电梯的运行状况。我采用的是LCD1602液晶显示模块，采用的是标准的14个引脚的LM016L，省去了调节对比度的背光源正极和负极两个引脚。此液晶显示模块不仅能显示两行数据，且每行都能显示16个字符模块，其接线图如图7所示。图7LCD1602液晶显示模块由图7可以看出，在这14个接口中，1号引脚VSS接地，2号引脚VDD接5V正极电源,3号引脚VEE接滑动变阻器。4号引脚为寄存器选择，接在单片机的P2.1引脚。可以用1、0分别代表输出高电平与低电平,当输出为1时，选择数据寄存器，输出为0时选择指令寄存器。5号引脚为读写信号线，接在单片机的P2.2引脚，输出1或者0时，进行读操作或者写操作。6号引脚为使能信号端，接在单片机的2.3引脚。当E引脚从1跳变为0时，1602显示模块执行指令。7-14引脚是双向数据传送线,共有八位，可以实现数据的传输，分别接在单片机的P0.0-P0.7引脚。LCD液晶模块运行效果如下图8所示，清晰的显示了2台电梯的初始位置，还显示了上下行状态，当按下按键电梯启动后，电梯实时所在楼层也能够动态显示。图8LCD液晶模块运行效果图在图8中可以看到，1hao代表1号电梯，01代表1号电梯在1楼，down代表此时的工作模式。2hao代表着2号电梯，09代表着2号电梯在9楼，down代表着工作模式是下行。4.538译码器扩展I/O口模块通过查阅74LS138的逻辑图还有功能表我们可以得出，译码器有8个输出引脚，任意时刻要么全为高电平1，芯片出于停止状态；要么只有一个引脚为低电平0，剩下7个输处引脚全部为高电平1。74LS138译码器如图9所示。图974LS138译码器由图9可以看出，一个74LS138译码器可以扩展8个I/O口，按照我们所需的要求，我需要使用2个译码器来扩展16个I/O口来接16个LED灯。2个38译码器的6个输入端分别接到单片机的P1.0-P1.5，通过使用2个38译码器扩展了共16个I/O口，分别接了16个二极管来动态显示电梯的运动过程，可以更直观的看到2个电梯所处的楼层,具体接线如图10所示。图1074LS138译码器接线图4.6本章小结此章节主要说明了双电梯控制系统的所有模块的电路设计和各个模块的引脚接在单片机哪些I/O口上，还介绍了各个模块在控制系统中所发挥的功能。系统软件的设计上个章节介绍了系统的硬件部分，让我们对控制系统的组成有了认识。本章节主要是对各个模块进行了程序设计，并画出了运行流程图进行分析。5.1系统程序的编程与设计本课题使用的编程软件为Keil4。此版本的Keil比之前的几个版本功能更加齐全，操作界面更加美观，使用起来更加的便捷。除此之外，编译调试代码效率更高，可以让使用者有更好的体验。编程软件开发图如图11所示。图11编程软件开发图5.2主程序的设计当我们对设计程序进行编程之前，我们要先了解双电梯控制系统的整个工作流程，根据我们所需功能来设计主程序，然后使用软件进行编程调试。其主程序流程图如图12所示。图12主程序流程图由图12可知，当程序开始运行后，按下不同楼层的呼梯按键，随后把一个或多个按键信号传送到单片机芯片里，然后单片机进行数据处理，通过算法对比，得出符合我们算法的指令，并控制两台电梯分别响应对应的信号。然后并把数据写入到显示模块中，使得显示出来电梯运行的状态。5.3液晶显示模块的设计本系统的显示模块是通过单片机发送指令来控制LCDLM016L的14个引脚进行功能实现的。本模块的主要功能是将单片机发送指令到显示模块，然后在主程序里调用显示子程序，把所需要显示的内容进行编译，在显示屏上按照指定格式显示出来我们所要的信息。此模块读写操作时序分别如图13和图14所示。图13读操作时序图图14写操作时序图图13和图14所示的时序图中可以看出，RS是系统程序中数据/命令的选择端口，当RS处于高电平时，选择数据寄存器，当RS处于低电平时，选择指令寄存器。RW是读/写选择段，当RW=1时，执行读取的命令，让RW=0时，执行写的命令。E是系统使能端口，当其从1变化到0时，此模块执行单片机指令。LCD的子程序主要是通过延时函数、写指令、写数据、初始化、主函数来显示单片机传输过来的信息。其中LCD初始化过程如图15所示图15LCD1602初始化流程图由图15初始化流程图可知，通过写入端R/W开启显示模式，继续写入指令显示关闭，再写入指令显示屏清屏，写入指令06H后进行显示光标移动设置，最后再写入指令开显示以及设置光标，等待初始化程序运行后即可调用显示屏子程序，其子程序流程路如图16所示。图16LCD子程序流程图由图16可以看出，显示程序首先是把第一行数据清零，然后设置当前显示地址为第一行，其次再把第二行清零并设置显示地址为第二行。等到清除的行有效后显示16位后，就可以将单片机传输过来的数据转化成数字或者字母显示出来。5.4按键程序的设计本课题设计的楼层按键采用的是4×4矩阵键盘，其结构简单，不需要额外接电路。除此之外，还需要为其设计一个按键扫描程序，程序首先需要判断具体是哪个按键被按下，配合中间加入的按键消抖程序函数，使用起来非常便捷。按键扫描程序流程图如图17所示。图17按键扫描流程图在图17中，程序开始运行时，先进行按键扫描判断是否有按键被按下闭合，若有按键按下，先通过程序消除抖动；然后再次扫描计算键值，判断按键有没有松开，若松开了按键就建立有效标志位传递信息并执行下一步的指令。其中按键扫描的工作方式是当按键没有被按下的时候，输入端口都是高电平，输出位低电平，一旦有按键被按下，那么输出端口就会把输入线拉为低电平，通过高低电平的检测就能够知道是否有按键被按下。5.5本章总结此章节设计了系统的软件部分，主要介绍了几个模块的基本构成，还给出了对应的流程框图并介绍了工作流程。到本章为止，整体设计上已经基本完成，剩余的工作就是对系统的软硬件进行联合仿真与调试。控制系统的仿真与调试前几个章节中，我们对本课题的硬件和软件进行了整体设计。在本章节，将对系统的功能可行性进行验证。通过联合仿真与调试，使算法能够控制电梯系统运行，尽可能满足设计要求。根据第2章对算法的设计与描述，此双电梯控制系统主要是满足最快速响应电梯的信号，我们可以对单信号、双信号以及多个信号进行测试。接下来就让我们依次来验证电梯的运行是否满足我们设计的控制算法。6.1仿真软件使用环境本系统采用的Protues仿真软件。此软件不仅可以设计原理图并布置，还可以协同代码一同仿真调试、一键切换到PCB设计，这些功能可以让使用者设计并调试一个完整的产品的设计和仿真，操作起来及其的便捷。6.2单信号优先测试由第三章可知，1号电梯初始化状态处于1楼，2号电梯处于9楼待命。首先测试当只有一个呼叫电梯信号时，两台电梯的反应如何。测试方案如下：分别单独的按下3楼、6楼、12楼的按键并观察楼层显示灯的运动状态。每执行一个测试命令，就使两台电梯复位，然后再继续测试其他指令。测试结果如下所示。当按下3楼按键时，1号电梯向上运行响应呼叫信号，2号电梯无反应，再到达3楼的过程中，2楼和3楼指示灯分别亮起。按下6楼按键时，2号电梯向下运行响应呼叫信号，1号电梯无反应，在到达6楼的过程中，两层楼之间的指示灯分别亮起。按下12楼按键时，2号电梯向上运行相应呼叫信号，1号电梯无反应，在此过程中，两层楼之间的指示灯分别亮起。6.3双信号优先测试模拟测试方案如下：第一次模拟分别按下3楼，11楼的按键；第二次分别按下3楼，8楼的按键；第三次分别按下7楼，8楼的按键。每一次模拟之间都使电梯复位后，进行下一次模拟。观察两部电梯如何反应以及楼层显示灯的状态。测试结果如下所示。第一次模拟：当按下3楼，11楼的按键后，1号电梯响应3楼呼叫信号，2号电梯响应11楼的呼叫信号，1号电梯和2号电梯经过的楼层显示灯一次亮起。第二次模拟：当按下3楼，8楼的按键后，1号电梯响应3楼呼叫信号向上运行，2号电梯响应8楼信号向下运行，经过的楼层显示灯同样一次亮起。第三次模拟：当按下7楼，8楼的按键后，2号电梯响应信号向下运行至7楼，1号电梯不响应，2号电梯经过的楼层显示灯一次亮起。6.4混合测试此测试主要是为了检测单片机在不同情况下，是否能处理一些多方位的呼梯信号。模拟测试方案如下：第一个测试方案：先按下3楼的楼层按键按键，等待电梯运行完后，再按下7楼按键，运行完之后，按下5楼、10楼、12楼的按键，然后观察电梯运行状态。第二个测试方案：分别按下4楼，11楼的楼层按键，待电梯运行完毕，再按下2楼、12楼、14楼的按键，观察电梯运行状态。第三个测试方案：分别按下5楼，10楼，13楼的楼层按键，等待电梯运行完后，再按下2楼、10楼的按键，观点电梯运行状态。测试结果如下：方案一结果：1号电梯和2号电梯分别响应3楼、7楼的呼梯信号，再按下5楼、7楼、12楼的按键后，1号电梯先响应5楼的呼梯信号，同时2号电梯响应7楼、12的响应信号，1号电梯在到达5楼后，也随之响应上面的信号向上运行，直到2号电梯到达12楼，1号电梯才停止运行。方案二结果：1号电梯和2号电梯分别响应4楼、11楼的呼梯信号，再按下1楼、12楼、14楼的按键后，1号电梯响应1楼的呼梯信号向下运行至1楼，2号电梯响应12、14楼的呼梯信号向上运行至14楼。方案三结果：1号电梯响应5楼的呼梯信号向上运行，同时2号电梯响应响应10楼，13楼的呼梯信号，1号电梯出现响应完5楼信号继续向上响应楼上的信号，直到2号电梯到达13楼后，1号电梯停在6楼。随后按下2楼、10楼的按键，1号电梯响应2楼呼梯信号向下运行至2楼，2号电梯响应10楼呼梯信号向下运行至10楼。6.5分析算法通过以上3组测试方案进行了对系统算法的仿真与测试，从单信号测试方案可以看出，两台电梯可以完美的实现快速响应呼梯信号的功能，使等待时间变为最小。从双信号测试方案可以看出，两台电梯可以分别响应其对应的等待时间最小的呼梯信号。最后通过混合测试进行了3组多个信号同时呼叫电梯，明显可以看出，系统调度算法出现了一些混乱，1号电梯在响应完自己的信号后发现2号电梯还没有响应完最后一个信号，哪怕最后一个信号离2号电梯最近，且2号电梯正在响应，1号电梯会随着进行运动，反之，2号电梯也会如此。通过不断的分析，明白了这种行为其实是由于单片机属于单线程运行导致的。由于单片机一次只能处理一件事情，不能够多线程操作。要想能过多线程操作，我通过查阅了一些资料发现，可以通过划分一块内存区域做线程的上下文切换空间，另外以一个定时器做定时时基。例如设为1ms，每隔1ms检测是否有其它线程要工作，如果有，保存当前线程的CPU寄存器以及工作状态到当前线程的上下文空间，从要运行的线程上下文空间取出寄存器值填充到CPU寄存器中，这样就完成了线程的切换，CPU就接着另一个线程的工作继续做下去了。除了这种方法以外，还可以实现用两个单片机分别控制两个电梯的运行状态。6.6本章小结本章节主要是设计了一些测试方案，通过仿真测试来验证算法的可运行性。然后分析了其中运行出错的仿真测试，得到了一些优化的方案。总结与展望7.1总结本文主要是对双电梯控制系统的设计与仿真进行了讨论与研究，主要是对控制算法进行了设计与仿真，最终应用于双电梯的控制系统中，以此来实现电梯的快速响应，使乘客的等待时间最小化。本论文主要完成了以下几个方面的设计工作：通过对国内外研究背景及现状，概况了电梯调度算法的发展过程及未来趋势。总结概况了整篇论文的研究内容和结构。对设计的算法进行了设计与实现，描述了其工作方式。对系统软硬件进行了设计与分析，介绍了其功能及工作方式，分析了整体系统的工作配合。此算法的主要功能为：能够稳定运行并满足单呼梯信号和双呼梯信号，使其都能够快速响应信号，使等待时间最小。通过这几个月对此课题的设计，实现了双电梯控制系统的稳定运行。在未来智能化的发展趋势下，电梯的控制调度算法还有很大的发展空间，可以在本设计的基础上，进行更智能化的改进。7.2展望虽然本设计能够满足课题设计的基本要求，但是仍有很多不足之处，很多方面需要进行后续的改进，才能够更好的适用于大部分的小区建筑。从单信号测试和双信号测试可以看出，两台电梯可以完美的实现快速响应呼梯信号的功能，使等待时间变为最小，但是一旦输入多个信号，此控制系统会出现不受控的现象。可以通过用多个单片机来控制或者通过划分一块内存区域做线程的上下文切换空间，另外以一个定时器做定时时基进行多线程控制多