基于STC12单片机和直流电机的五层电梯模型控制系统设计.docx
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基于STC12单片机和直流电机的五层电梯模型控制系统设计
摘要
设计并制作了基于STC12单片机和直流电机的五层电梯模型控制系统，具体阐述了系统的总体结构、硬件设计和软件调试。
系统实现了题目要求的各种基本功能人机交互性良好，较为真实的模拟出一台单厢电梯模型控制系统的运行状况，对实际电梯的控制系统设计有一定借鉴意义。
关键词：
电梯模型、直流电机控制、STC12单片机、控制系统
Abstract
STC12-baseddesignandproductionofsinglechipandafive-storyelevatormodelofDCmotorcontrolsystem,thesystemisdescribedindetailtheoverallarchitecture,hardwaredesignandsoftwaredebugging.Systemimplementsthebasicfunctionsofthevarioustopicsrequiredofgoodhuman-computerinteraction,themorerealisticsimulationofthemodelofasingle-carelevatorcontrolsystemoperatingconditions,theactualdesignoftheelevatorcontrolsystemwillprovideexperience.
Keywords:
Theelevatormodel,DCmotorcontrol,STC12icrocontroller,controlsystem
一、系统设计要求
1.1任务
设计并制作一个电梯控制模型。
示意图如图1所示。
图1电梯控制模型
图1中：
电梯间竖井模型部分可由有机玻璃粘成无上盖板的六面体ABCDEFGH，高度AE为1.2m；电梯轿厢模型J通过滑轮悬挂并由电动机M牵引，可在电梯间竖井模型的空间内上下运动。
电梯间竖井模型间隔均为24cm自下向上分成5层，其楼层编号如图1所示。
1.2 要求：
1.2.1 基本要求：
1. 当某层有呼叫并有呼叫信号显示时，轿厢模型作相应的运动，并准确平层，平层的位置误差£5mm。
2. 平均每层运行时间不超过4秒，平层结束时给出提示信号。
3. 当有多层呼叫时，轿厢模型将按说明中的电梯模型运行规则作相应的运动，并依次在呼叫的楼层停留3～8秒；
4. 增设模拟轿厢内表示乘客欲到达层数的按钮，轿厢模型将按照电梯模型运行规则作相应的运动
5. 能显示轿厢模型当前到达的楼层编号。
1.2.2扩展要求：
1. 增设可以延长和缩短轿厢楼层停留时间的按钮（用于延长开门时间或缩短开门时间）；
2. 停电时紧急操作。
当市电电网停电时，用备用电源将电梯运行到最近楼层待机并开门。
3. 播放语音提示，包括报告楼层、电梯运行方向、问好等。
4.采用适当的人机界面（如采用触摸屏、语音辨识等），使界面与用户的交互性良好，操作简易，运行迅速，适合各类人群。
1.3 题目要求的说明
1、 控制电机类型不限，其安装位置及安装方式自定。
2、 要电路板、关键电路版必须是自行制作的模块。
3、 电子版论文必须附完整的程序代码、电路原理图（PROTEL格式）、元器件清单等相关文件；
4、 电梯竖井间部分也可简化，由一垂直平面代替，如图2所示。
5、 平层的要求是以轿厢模型J的底平面（或自定标志）与表示楼层的标志线平齐。
6、 要有措施保证平层过程中轿厢模型J移动方向保持不变。
7、 要有措施保证轿厢模型J起动、停止时不出现震荡。
8、 关于电梯模型运行规则的说明：
（1）电梯有两种类型的按钮：
第一种为各楼层上的“向上”、“向下”按钮；第二种为电梯轿厢内表示要到达楼层编号的数字按钮。
实际制作时，按钮的安装位置不作任何限制。
（2）各按钮呼叫时应有指示灯显示，电梯响应该按钮的呼叫后，其指示灯应自动熄灭。
（3）电梯运行时响应按钮的优先顺序如下：
① 方向优先：
电梯按某方向运行时，优先响应该运行方向的按钮；
② 距离优先：
同一方向有多个按钮呼叫时，优先响应最近的楼层。
二、系统方案设计
2.1模型设计
2.1.1轿厢
方案1：
箱体+导轮
优点：
利用导轮与导轨，能使轿厢产生竖直方向上的定向滑动，滑动摩擦小。
缺点：
导轮成本高，难以买到合适的导轨。
方案2：
箱体+孔
优点：
制作简单
缺点：
由于圆柱形导轨不一定完全竖直，两导轨间的距离有微小差距，重心的偏移会照成摩擦过大，实际测试发现电机难以保证其运行速度，且箱体与导轨间产生极大噪音
方案3：
箱体+槽+孔
优点：
制作简单，与导轨间摩擦小，实际运行产生噪音小，受重心影响小
缺点：
轿厢运动过程中会有些许振动
我们把几种方案做了下测试，由于方案1导轮装配过程复杂，与买回的导轨不能很好匹配，因此选择方案3。
2.1.2滑轨
方案1：
用常见的角铝，轿厢限制在4根角铝中间，可自由上下运动
优点：
最简单的设计，安全性高，角铝强度足够支撑起整个模型。
缺点：
四个角的接触面大，摩擦较大，轿厢重心稍有偏移，会产生较大噪音
方案2
槽铝+不锈钢管，减少箱体与导轨的接触面
优点:
摩擦小
经过多次试验，发现方案1偶尔会使轿厢卡死现象，方案2明显更优
2.1.3配重
方案1：
直接使用电机绕线方式，利用电机自身扭力拖动轿厢
优点：
制作简单，节省成本
缺点：
电机负荷过大，绕线增多会使线与电机转轴的力矩增大，速度也会有误差
方案2
电机加配重
优点：
电机负荷减小，符合当前的电梯设计要求，实现节能，只需较小电流即能运行，速度能够达到很好控制
选择2.
2.1.4电梯总体外观设计
方案1
参照观光电梯，轿厢及竖井采用有透明机玻璃制作
方案2
整体外形用木板设计，竖井及轿厢，配重箱均用透明有机玻璃
在制作过程中，由于木板加工方便，相对方案1，方案2的设计总体结构更加稳固，而且外形更加美观，故选方案2
电梯局部模型
2.2电控方案选择和论证
根据题目要求，系统可以划分为厢外楼层呼叫检测部分、电机拖动控制部分、厢内人机交互部分、电源稳压及切换和数据通信五部分。
其中，厢外楼层呼叫检测部分包括主控制器模块、电梯按键模块和数码管显示模块；电机拖动控制模块包括直流电机驱动模块、平层监测红外模块两部分部分；厢内人机交互部分包括了语音提示模块、TFT显示和触摸模块；电源包括市电和蓄电池两路电源，含稳压和电源切换模块
为了较好的实现各个模块的功能，分别作几种不同的设计方案并进行论证。
2.2.1控制器选择
方案一：
采用可编程控制器（PLC）作为系统控制器。
PLC作为目前电梯常用的控制器件，具有控制能力强、稳定度高和使用方便等特点。
但是PLC随IO点数量的增加价格随之提高，本系统中较多的按键及数码管等需要大量的IO点来控制，若采用PLC则成本过高。
方案二：
采用AT89S52单片机作为系统控制器。
单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，各个领域应用广泛。
但其运算速度比较低，较难实现对电机的实时控制。
方案三：
采用ATMega16单片机作为系统控制器。
此单片机不仅具有51型号单片机的各种优点，而且单片机内集成了丰富的外设。
运算速度较快，适合本系统的运算。
并且，芯片引脚少，外配元件少，在硬件很容易实现。
但现已停产并且价格因商家囤积而奇高。
方案四：
采用STC12系列的增强型51单片机，其功能媲美AVR单片机，且价格低廉。
在本设计中，综合考虑，选择AT89S52单片机作为厢外楼层呼叫检测控制机，STC12C5A60S2作为电机拖动控制机，STC12LE5A60S2作为厢内人机交互控制机。
2.2.2厢内楼层显示模块
方案一：
采用电梯专用按键显示一体模块，方便美观，但价格高昂
方案二：
采用薄膜触摸，需订做
方案三：
采用数字和方向数码管，通用并且价格便宜
考虑价格和可获取性，本厢内楼层显示模块设计采用方案三
2.2.3电机
方案一：
采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机能够将数字脉冲信号转化为角位移，步进电机每转一步，角度为1.8度。
但是其力矩较小，不易负载可变控制。
方案二：
采用交流伺服控制，可实现精确转速和紧急抱死等高精度控制，但需配专用驱动器，价格高昂。
方案三：
采用直流电机作为本设计的执行元件，直流电机工作是让线圈始终交替地处于稳定状态和非稳定状态，通过两个半圆环形电枢将线圈的稳定平衡状态消除。
这样，在流线圈在磁场中就会一直地转动下去。
直流电机是现代电梯的执行元件，配合光电平层，可以实现高精度、变负载的稳定可靠控制。
方案三已能满足系统设计要求，因而，选择直流电机作为本设计的执行元件。
2.2.4电机驱动模块
方案一：
使用光耦和场效应管搭起控制平台，此方案适用于大电流驱动，但分立元件搭建的电路稳定性较差。
方案二：
适用专用电机驱动芯片，此方案驱动电流不大，但集成IC，电路稳定。
本设计中，驱动电流不大，故使用方案二（电机驱动芯片）作为电机驱动模块，选用基于H桥的MC33886，驱动电流达5A。
2.2.5平层检测模块
方案一：
每一层选用反射型红外对管作为检测，在轿厢一侧加一小挡板，接收管通过检测到从挡板反射过来的红外光，给单片机反馈轿厢当前位置。
此方案价格低廉，但元件易受外界光源影响而误判。
方案二：
采用超声波模块定位，但厢内回波反射，容易判断失误
方案三：
使用对射型光电开关。
经过测试比较，发现反射型光电开关的灵敏度跟周围光照强度有关，由于电梯模型是用有机玻璃板搭建而成，光可直接透射，会造成错误检测，而利用对射型的光电开关受到光的干扰极小，稳定性高，故选方案三。
2.2.6厢内呼叫检测及显示模块
方案一：
采用按键和数码管，成本低廉，控制简便。
方案二：
采用TFT触摸屏实现显示和输入，操作简单，人机交互性能好。
根据设计要求，设计方案采用方案二。
2.2.7语音提示和识别模块
方案一：
采用ISD2560语音芯片，这种类型的芯片能录音和放音，外部电路较简单，但是音质和放音的局限较大。
方案二：
采用ISD1700系列的语音芯片，这种类型的芯片是在ISD2560语音芯片的基础上研制的。
各种性能指标均比ISD2560的要好。
而且可以软件和手动录音，音质好。
方案三：
采用RSC360语音识别，ISD1700播放语音，实现良好的人机交互性。
为实现良好的人机交互，本设计采用方案三。
2.2.8电源供电稳定及切换模块
考虑到电梯运行的可靠性和稳定性，必须提供稳定而且可靠的电源。
参考实际电梯的设计，本电梯模型有两个供电电源，分别为市电电源和蓄电池电源。
在正常工作时，使用市电供电，在遇到紧急情况停电时候，使用备用电源。
为了向模型电梯提供稳定的电源输入，三个电源均需经过电源稳压模块。
一般的电源稳压模块为L1117系列的稳压模块，考虑到系统功耗较大，此系列的稳压模块功耗较大，不利于系统的工作。
本系统稳压模块采用小功耗的稳压芯片LM2576，电源输出稳定，用于驱动电机，LM117系列的用于控制器稳压。
2.2.9通信模块
方案一：
采用PT2262\PT2272无线通信模块。
该模块是一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路。
但通信效果不稳定，易受干扰，每次只可传输4bit数据，
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