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基于单片机的电梯控制系统毕业设计论文
摘要
本文介绍了基于单片机的电梯控制系统，硬件部分主要由单片机最小系统模块、电梯间电路模块、电梯内电路模块、楼层检测模块、电动机驱动模块、报警模块等7部分组成。
该系统采用单片机（89C51）作为控制核心，内外招使用按键按下与否而引起的电平的改变，作为用户请求信息发送到单片机，单片机控制电动机转动，单片机根据楼层检测结果控制电机停在目标楼层。
楼层检测使用光电传感器，电动机控制部分采用直流电动机及H桥式驱动。
软件部分使用汇编语言，利用中断方式来检测用户请求的按键信息，根据电梯运行到相应楼层时，光电传感器产生电平变化，送到单片机计数来确定楼层数，并送到数码管进行显示。
硬件设计简单可靠，结合软件，基本实现了四层电梯运行的模拟。
关键词：
AT89C51；电梯控制系统；
Abstract
ThistextprimarilyintroducedElevatorcontrolsystemthatbasedonSCM（Single-ChipMicrocomputer）controlsystemandhardwarefromsomeofthemajorminimumsystemmodules,elevatorbetweencircuitblocks,liftcircuitmodule,floorsdetectionmodule,themotordrivemodule,alarmmodulecomposedofsevenparts.ThesystemusesSCM（89C51）asacorecontrol,theuseofinternalandexternalstrokespressthebuttonornotarisingfromthelevelofchange,asusersrequestinformationsenttothemicrocontroller,motorcontrolmicrocontrollerrotation,thefloorundertheSCMTestresultsparkedmotorcontrolinthetargetfloor.Floordetectionusingphotoelectricsensors,motorcontrolpartofaDCmotorandH-bridgedriver.
Someuseofassemblylanguagesoftware,theuseofmethodstodetectinterrupttheuserrequeststhekeyinformation,accordingtotheliftoperationtotheappropriatefloor,aphotoelectricsensor-levelchangestotheSCMcounttodeterminethenumberoffloors,andsenttothedigitaldisplay.Hardwaredesignissimpleandreliable,thecombinationofsoftware,basicallyafour-storyelevatoroperationofthesimulation.
Keywords:
AT89C51;elevatorcontrolsystem;
第一章绪论
1.1电梯的概述
电梯进入人们的生活已经150年了。
一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升人类生活质量的承诺。
1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明。
他站在装满货物的升降梯平台上，命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度，然后发出信号，令助手用利斧砍断了升降梯的提拉缆绳。
令人惊讶的是，升降梯并没有坠毁，而是牢牢地固定在半空中——奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。
“一切安全，先生们。
”站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。
谁也不会想到，这就是人类历史上第一部安全升降梯。
生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。
150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。
如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。
调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保——一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。
中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。
1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。
1951年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生电机厂荣接此任，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。
十一届三中全会后，沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。
如今，在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。
电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。
电梯是高层建筑中安全、可靠、垂直上下的运载工具，对改善劳动条件、减轻劳动强度起到很大的作用。
电梯的应用范围很广，可用于宾馆、饭店、办公大楼、商场、娱乐场所、仓库以及居民住宅大楼等。
在现代社会中，电梯已成为人类必不可少的垂直运输交通工具。
1889年，美国奥梯斯升降机公司推出了世界第一部以电动机为动力的升降机，同年在纽约市的马累特大厦安装成功，标志着电梯的诞生。
1915年已设计成功电梯自动平层控制系统。
1933年美国制造出6m/s的高速电梯。
1949年研制出4-6台电梯群控系统。
1955年出现真空电子管小型计算机控制电梯。
1962年在美国已出现8.5m/s的超高速电梯。
1967年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。
电梯使用的驱动由最初的直流电机到单速交流感应电机，后来的交流双速电机的发明，才基本满足了电梯的运行要求。
1976年将微处理器应用于电梯。
1977年日本三菱电机开发出10m/s的超高速电梯。
至此，电梯的控制技术已有了很大的发展......
1.2本文主要研究内容
本文主要是用51单片机来实现电梯控制系统，使其具备电梯基本升、降功能，并当多层对电梯呼叫时，能安排电梯停靠，从而实现电梯的基本运行情况的模拟。
论文的第2章进行方案的提出与论证，分析本次设计所采用方案的可行性；
第3章给出电梯控制系统的各个模块电路的设计和所需主要器件的主要参数，并介绍硬件实现的详细方案，给出本次设计的硬件原理电路图，并分点描述各模块功能；第4章给出软件实现的程序流程图，并介绍各模块所要实现的功能。
第5章系统的仿真方法。
第二章系统功能介绍及方案论证
本章先简要介绍了电梯的组成及其电梯控制系统的工作原理，然后详细介绍了基于单片机的电梯控制系统的方案设计。
2.1电梯的组成
电梯主要由以下两大部分组成：
（1）机械部分：
包括曳引系统，导向系统，娇厢，门系统等
（2）电路部分:
包括重量平衡系统，电力拖动系统，电梯控制系统，安全保护系统等。
本文主要是针对电梯控制系统所作的研究，设计一种基于MCU的电梯控制系统，实现电梯运行的模拟。
2.2电梯控制系统组成框图及工作原理
该系统主要由MCU控制模块、电梯间电路模块、电梯内电路模块、控制台电路、楼层检测模块、电动机驱动模块、报警模块等7部分组成。
图2-1系统总原理图
该系统以MCU控制模块核心，控制台电路主要是完成电梯的启动、停止以及楼层数的显示，电梯内电路是用来让电梯内用户选择目标楼层（作为内招信号），电梯间电路是同来让电梯外用户选择目标楼层（作为外招信号），内外招使用按键按下与否而引起的电平的改变作为用户请求信息发送到MCU，MCU控制电动机转动，到达目标楼层。
楼层检测模块一般采用传感器，实时检测反馈给MCU，来确定的电机的转停。
报警模块作为电梯的求救系统。
2.3总体方案设计与论证
方案一：
采用可编程控制器（PLC）作为主要器件来控制电机的运动、内外按键的响应、按键后的电路显示等等。
用PLC编程较简单，电路也不复杂，但此方案的各个模块的费用都比较高，硬件设计不灵活，故不采用本方案。
方案二：
MCU采用一个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等，并对以上所有信号进行处理。
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。
故采用本方案。
系统框图2-1所示。
2.4单元电路的设计与论证
通过对系统总框图的分析，此系统的各个模块方案设计如下：
2.4.1单片机最小系统
此处选用最常用的AT89C51，它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如下图所示
图2-2
主要特性：
•与MCS-51兼容
•4K字节可编程闪烁存储器，寿命：
1000写/擦，循环数据保留时间：
10年
•全静态工作：
0Hz-24Hz
•三级程序存储器锁定
•128*8位内部RAM
•32可编程I/O线
•两个16位定时器/计数器
•5个中断源
•可编程串行通道
•低功耗的闲置和掉电模式
•片内振荡器和时钟电路
2.4.2电机驱动电路模块
方案一：
电机选用直流电机。
驱动部分采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
再加上一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
更为主要的问题是一般电动机如直流电机很难使其立即停止，达不到电梯的在定点停止的效果。
方案二：
直接用步进电机及其驱动器BY-2HB03M。
直流电机在断电的时候很难控制其速度，容易出现电机不能快速停止的情况。
用步进电机再加上程序控制基本上可克服上述困难。
但是基于本设计只是对电梯运行状况的模拟而已，对电机驱动这部分要求不是很严格，只需要实现电机的正反转就可以了，所以选择直流电机及常用的H桥式驱动，就可以实现电梯上升与下降的模拟。
2.4.3报警模块
直接采用单片机控制输出口电平的高低来控制蜂鸣器的发声与否。
这样做的优点是电路比较简单，控制也较简单。
2.4.4楼层检测模块
在当下检测技术多种多样，其中光电检测方法占有十分重要的地位，不仅具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小的特点，所以在此次设计当中选择光电传感器作为楼层检测部分的主要部件，完成楼层检测的功能。
2.4.4.1光电传感器原理
光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件，分为脉冲式和模拟式两种，而模拟式光电传感器又分为吸收式、反射式、遮光式和辐射式，其工作原理是基于光电元件的光电特性,由于光通量是随被测量而变的,光电流就成为被测量的函数,故又被为光电传感器的函数运用状态光电传感器。
此外，光电传感器的体积很小，而敏感范围很宽，加上机壳有很多样式，所以使用范围很广。
近年来，随着光电技术的发展，光电传感器已成为系列产品，其品种及产量日益增加，用户可根据需要选用各种规格产品，目前已在各种自动机上已获得广泛的应用。
此处采用脉冲式光电传感器，通过电梯行至相应楼层装有传感器的地方时，产生的电平变化，发送到单片机计数就可以确定楼层数。
结构简单，易于控制。
2.4.4.2光电传感器的选择
在本设计中选择GK-310C型光电管作为本次设计楼层检测部分主要器件。
GK-310型光电管是将砷化镓红外光发光管和硅光敏三级管装在中间带槽的支架上。
当槽内无物体时，砷化镓发光管发出的光直接照在硅光敏三级管的窗口上，从而产生大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，此时光敏管的输出端为低电平，这样可识别物体的有无。
GK-310C型光电管的主要技术参数：
●最大正向电流IFMAX=50Ma
●正向压降VF＜1.5V
●反向耐压VR＞5V
●反向漏电IR≤50uA
输出特性如下：
●暗电流ID≤0.1uA
●反向耐压VBR（CEO）=20V
●光电流IL为2至3mA
●响应时间tr≤3us，tf≤4us
2.4.5电梯内部电路、电梯间电路及控制台电路模块的设计
电梯控制系统由各楼层的电梯间电路、电梯内电路和控制台电路三部分组成。
各楼层的电梯间：
电路二、三楼的电梯间均有“上升"和“下降”选择按键，一楼只有“上升"按键，四楼只有“下降"按键，每个按键配一只发光二极管，作为指示灯。
电梯内部电路：
目标楼层号1-4选择按键。
每个按键配有相应指示灯。
控制台电路：
两个按键用于手动控制。
控制电梯的“开始运行"和“停止运行"。
两个指示灯，分别指示电梯当前的升降情况。
楼层显示部分用一只数码管，显示电梯当前所在的楼层。
CD4511作为译码器，它是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码—七段码译码器，特点如下：
具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS电路能提供较大的拉电流。
可直接驱动LED显示器。
以下是CD4511的详细资料：
图2-3CD4511的引脚图
1.引脚功能：
BI：
4脚是消隐输入控制端，当BI=0时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。
LT：
3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0时，译码输出全为1，不管输入DCBA
状态如何，七段数码管均发亮，显示“8”，用来检测数码管是否损坏。
LE：
锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出，LE=1时，译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。
A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端
a,b,c,d,e,f,g:
译码输出端，输出高电平有效。
2.CD4511的工作原理
（1）锁存功能：
译码器的锁存电路由传输门和反相器组成，传输门的导通与截止由控制端LE的电平状态决定。
当LE为“1”时，此时有锁存作用。
（2）译码：
CD4511译码用两级或非门担任，为了简化线路，先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出
、
、
、
四项，然后将输入的数据A、D一起用或非门译码。
如图2-4。
（3）消隐：
BI为消隐功能端，该端施加某一电平后，迫使B端输出为低电平，字形消隐。
消隐输出J的电平为J=
=（C+B）D+BI如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）D，据上式，当输入BCD代码从1010---1111时，J端都为“1”电平，从而使显示器中的字形消隐。
输 入
输 出
LE
BI
LI
D
C
B
A
a
b
c
d
e
f
g
显示
X
X
0
X
X
X
X
1
1
1
1
1
1
1
8
X
0
1
X
X
X
X
0
0
0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
2
0
1
1
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
3
0
1
1
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
4
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
5
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
6
0
1
1
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
7
0
1
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
8
0
1
1
1
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0
1
1
1
1
0
0
1
1
9
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1
1
1
0
1
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0
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0
0
0
0
0
消隐
0
1
1
1
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1
1
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0
0
0
0
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消隐
0
1
1
1
1
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0
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0
0
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0
消隐
0
1
1
1
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0
0
0
0
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0
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0
1
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1
1
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0
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0
0
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0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
0
0
消隐
1
1
1
X
X
X
X
锁 存
锁存
图2-4CD4511的真值表
8421BCD码对应表
2.5本章小结
在第2章当中，给出了基于单片机的电梯控制系统的系统结构框图，该设计所要完成的功能，并对系统主要功能模块方案选择进行论证以及器件的选择，以上各个模块实际电路将在下一章中详细介绍。
第三章基于单片机的电梯控制系统单元电路的设计
3.1单片机最小系统
图3-1单片机最小系统
单片机最小系统电路如图3-1所示，单片机采用ATMEL公司的AT89C51，晶体振荡器选12MHz，C1、C2为30p瓷片电容，与晶体振荡器构成时钟电路。
电容C3按键RESET构成上电复位和手动复位电路。
3.2各楼层电梯间电路
如下图所示，此部分电路是提供给处于各个楼层电梯外的用户发出上下楼请求。
按键与单片机的P1.0-P1.5分别相连，指示灯通过P0.0-P0.5来控制。
其中R52、R55、R56、R59、R60和R62是上拉电阻，其作用是保证按键未按下时，端口P1.0～P1.5为高电位。
当按键按下时，端口P1.0～P1.5通过按键接地，使得P1.0～P1.5变为低电平。
电容C51~C56的作用是消除抖动和抗干扰。
各楼层电梯间的升降选择按键均与单片机P1口连接，上升按键与P1口的P1.0—P1.2连接，下降按键与P1口的P1.3~P1.5连接。
即由P1口可以读到电梯间升、降按键的状态。
每个上升、下降按键均有一只发光二极管作为指示灯与之配合，发光二极管与PO口的P0.0～P0.5连接。
每个发光二极管通过一只阻值为470Ω的限流电阻接电源（VCC），这样流经发光二极管的电流约为7．5mA，有适当的亮度，同时单片机的端口在不加驱动的情况下可以承受。
图3-3一层按键电路
图3-4二层按键电路
图3-5三层按键电路
图3-6四层按键电路
3.3电梯内电路
电梯内电路如图3-7所示，提供给电梯内的乘客用户使用，四个目标楼层选择按键F1、F2、F3、F4和4个与之配合的发光二极管作为指示灯，即FS1、FS2、FS3和FS4。
按键与P3口的P3.0～P3.3连接，指示灯与P2口的P2.0～P2.3相连。
上拉电阻R11~R14和电容C41~C14的作用同上。
图3-7电梯内电路
3.4控制台电路
控制台电路如下图所示。
发光二极管Power是电源指示灯，用以显示供电是否正常。
采用共阴极数码管来显示当前楼层，采用CD4511作译码器，LE接VCC，译码器处于锁存状态。
经R31～R37（阻值为470Ω）对数码管限流。
‘UP、DOWN’两只发光管用来显示电梯运行的方向。
START与STOP分别与单片机的P1.6、P1.7连接，用来控制电梯的起停。
如图3-9所示，CD4511的A0-A3分别与P3.4-P3.7相连，R31-R37为限流电阻。
图3-8电梯控制台电路
图3-9电梯控制台显示电路
3.5楼层检测
在本设计当中，光电传感器电路连接图如下所示：
图3-12楼层检测电路
如图所示，D1，T1组成红外发射-接受对管，D1通电后发出红外信号，光槽若未挡住，T1将导通，比较器LM339输出低电平，光槽光线若被挡，T1截止，LM339输出高电平。
利用电梯行至楼层标志处光槽光线被电梯遮挡所带来的电平变化发送到单片机P2.6计数即可实现楼层检测。
3.6电动机驱动
直流电动机驱动电路主要是用来控制直流电动机的转动方向，通过改变直流电动机两端的电压可以控制电动机的转动方向。
电路采用功率三级管8050和8550，以满足电动机启动的瞬间的大电流要求。
如图所示输入端分别与单片机P2.4和P2.5相连，电梯上升时，P2.4输出为低电平，P2.5输出为高电平，晶体管功率放大器VT3，VT2导通，VT1，VT4截止。
VT3，VT2与直流电动机一起形成回路，驱动电机正转。
电梯下降时，P2.4输出为高电平，P2.5输出为低电平，晶体管功率放大器VT3，VT2截止，VT1，VT4导通，VT1，VT4与直流电动机形成回路，驱动电动机反转。
4个二极管起到保护晶体管的作用。
功率晶体管采用TP521光耦器驱动，将控制部分与电动机驱动部分隔离。
光耦器的电源为+5V，H型驱动电路中的晶体管功率放大器VT3，VT1的发射极所加的
电源为12V。
图3-13电动机驱动电路
3.7报警部分
如图3-14所示，此处利用两个常用三极管CS9013，连接成达林顿管结构，此电路与单片机P2.7相连。
其中R为限流电阻，当电梯运行过程中出现故障停止，P2.7输出高电平，蜂鸣器报警，另外用户在电梯中如果遇到紧急情况也可按“HELP”直接报警求救。
图3-14报警电路
3.8本章小节
在本章当中，给出了本次设计电梯控制系统的各项性能指标和所需器件的特性及主要参数，并分部份阐述用硬件实现本设计各模块的详细方案，并结合方案出硬件电路图。
第四章软件设计
由于本设计采用单片机实现控制，所以软件设计部份的程序编写用汇编语言来完成。
其中主程序部分主要完成系统的初始化，如中断方式的设置，开中断，存储单元的清零等。
在中断子程序中完成，按键查询等，其它的如数码管的显示，键盘的响应，转动电机的控制，延时等均由相应的子程序来完成
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