智能电梯控制系统.docx

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智能电梯控制系统

智能电梯控制系统

RevisedonNovember25,2020

智能电梯控制系统

Intelligentelevatorcontrolsystem

摘要

电梯控制系统是一个相当辅肋的逻辑控制系统，系统要同时对几百个信号进行接收处理。

随着科学技术的进步，基于FPGA、单片机、PLC等微机化控制已经被广泛应用于电梯电路的设计与控制的各方面。

我设计构想是：

不采用微控制器编程实现（如单片机，PLC等），而采用逻辑门芯片和分立模拟器件实现。

利用八线-三线优先级编码器7414&译码器CD4511及比较器CD4585、计数器CD4510等来实现其电梯控制功能。

电路使用555的定时功能来控制上一层楼或下一层楼所用的时间，利用数码管来显示所到楼层数，并用四个发光二极管来表示四层楼。

以此来设计了一个八层电梯控制系统。

关键词:

译码器CD4511；优先编码器74148；数码管

ABSTRACT

Asanauxiliarylogiccontrolsystem,elevatorcontrolsystemreceivesanddealswithhundredsofsignalsatthesametime.Inthewakeofdevelopmentsinscienceandtechnology,microcomputer-basedcontrolsuchasFPGA,single-chipmicrocomputerandPLCallhavebeenwidelyappliedinelevatordesign,circuitcontrolandotherrespects.Myconcepthereinthistextis:

notoadoptmicrocontrollerfortheprogramming（suchassingle-chipmicrocomputerandPLC,etc）buttouselogicgatechipanddiscretesimulatortofulfillourtask.Tobespecific,weuse74148EightLine-Third-Linepriorityencoderasacontrolbutton（namelytriggeringlevel）,decoderCD4511,comparatorCD4585andcounterCD4510toachieveitscontrolfunctions.Andweusethecontrolfunctionof555tocontrolthetimingongoingupanddownstairs,digitaltubetodisplaythestoreywegetandfourluminousdiodestorepresentthefourfloorsrespectively,thusfulfillingthetaskofdesigningafour-layerelevatorcontrolsystem.

KeyWords:

DecoderCD4511；PriorityEncoder74148；DigitalTube

第一章绪论

课题的背景简介

电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。

随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的可靠性、舒适感和美学等方面的要求也有了更高要求。

电梯是集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、舒适感和美学等问题。

而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。

事实上，电梯上已经采用了多项安全保护措施。

在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取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、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位，承扌日安装调试、定期维修和检查试验，从而为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。

掘资料统计，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。

课题的开发环境简介

（-）ProteusISIS仿真软件

ProteusISIS是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。

它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：

①实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。

具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

②支持主流单片机系统的仿真。

目前支持的单片机类型有：

68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。

③，提供软件调试功能。

在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilC51uVision2等软件。

④具有强大的原理图绘制功能。

总之，该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大。

（二）电路图制作软件ProtelDXP2004

ProtelDXP2004是Altium公司于2004年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计知道输出生产数据以及之间的所有分析验证和设计数据的管理。

当前比较流行的Protel98.Protel99SE,就是当前的前期版本。

ProtelDXP2004已经不是单纯的PCB（印制电路板）设计工具，而且由多个模块组成的系统工具，分别SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、AutoRouter（自动布线器）和FPGA设计等.覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。

该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多管道设计、拓扑自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。

与较早的版本——Protel99相比，ProtelDXP2004不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了VHDL和FPGA设计系统，其功能大大加强了。

第二章系统总体方案设计

课题的意义

本电路并没有采用微控制器编程实现（如单片机，PLC等），而采用逻辑门芯片和分立模拟器件来实现。

本设计主要采用COMS相关电路和芯片，COMS电路具有制造工艺简单’成本低，功耗小，输入阻抗高，集成度高，电源电压范围宽等优点。

设计要求

1、基本要求（只能采用逻辑门芯片和分立模拟器件实现）

（1）电梯内部：

开、关门键，楼层选择键，报警键，楼层显示，超重报警（重量可手动调节电位器模拟，大于设定值报警）。

（2）电梯外部：

上、下楼键，楼层显示。

外部呼梯信号可存储。

（3）楼层识别电路，开门关门到位信号，可利用人工模拟。

（4）当关门信号到位，楼层选择完毕，超载称重检测无误，可驱动电机动作（即功能控制板输出信号）。

运行方向可用两个指示灯表示（上行可用红发光

管，下行可用绿发光管）。

开到选择楼层后，电机停止（即输出无信号）。

（5）超载称重检测，若发生超载，发警报（发光管指示）,电机不得动作（即功能控制板输出无动作）。

2、发挥部分（发挥部分可任选器件）

（1）在PC机建立电梯运行历史表格，该表格显示该部电梯5分钟内运行情况。

（内容包括楼层数及运行时间）

（2）按报警键后，PC机可显示故障内容，包括：

电梯门开不到位，关不到位。

（3）电源质量检测，单相电源应在180-240V,为正常，否则报警。

图2-2上行方向循环显示

图2-3行循环显示

第三章ProteusISIS操作方法及应用

仿真软件的应用

经过一段时间的资料收集和方案论证后，我开始焊接电路，在焊接之前，为了保证电路无误，在电脑上我使用ProteusISIS软件对电路仿真°

首先双击桌面上的ISIS7Professional图标或者单击屏幕左下方的“开始"―“程序"—►"Proteus7Professional”—"ISIS7Professional”，出现如图1-1所示屏幕，表明进入ProteusISIS集成环境。

进入ISIS7Professional工作界面，如下图所示：

图3-1ISIS7Professional工作界面

接下就可以开始绘制电路图了，在左边一小条边框，如下图所示，会看到绘图工具栏，相应的按钮对应相应的元件库。

1、首先将所需元器件加入到对象选择器窗口。

PickingComponentsintotheSchematic单击对象选择器按钮曰，如图所示

弹出MPickDevices"页面，在“Keywords"输入四位数值比较器4585,系统在对象库中进行搜索查找，并将搜索结果显示在“Results"中，如图所示。

图3-2pickDevices

在“Results"栏中的列表项中，双击“4585”，则可将“4585”添加至对象选择器窗口。

接着在“Keywords”栏中重新输入7SEG,如图所示。

双击“7SEG-COM-AN-GRN",则可将7SEG-COM-AN-GRN"（it阳7段LED显示器）添加至对象选择器窗口。

图3-3Keywords

同样，在“Keywords”栏中重新输入RES、CAP、74148、CD4585、CD4511等芯片，在“Results”栏中获得相应的搜索结果。

并双击添加至对象选择器窗口。

图3-4

经过以上操作，在对象选择器窗口中，已有了优先编码器74148、四位数值比较器4585、RES、CAP、计数器4510、双D触发器4013等元器件对象，若单击4073,在预览窗口中，见到4073的实物图，如图所示。

此时，我们已注意到在绘图工具栏中的元器件按钮匪处于选中状态。

图3-4

2、放置元器件至图形编辑窗口PlacingComponentsontotheSchematic

图3-5

在对象选择器窗口中，选中74148,将鼠标置于图形编辑窗口该对象的欲放位置、单击鼠标左键，该对象被完成放置。

同理，将各元件放置到图形编辑窗口中。

如图所示。

若对象位置需要移动，将鼠标移到该对象上，单击鼠标右键，此时我们已经注意到，该对象的颜色已变至红色，表明该对象已被选中，按下鼠标左键，拖动鼠标，将对象移至新位置后，松开鼠标，完成移动操作。

3、放置电源、接地至图形编辑窗口

单击绘图工具栏中的按钮吕，分别选择POWER、GROUNDo将鼠标置于图形编辑窗口，单击鼠标左键，放置电源和接地。

4、元器件之间的连线WiringUpComponentsontheSchematic

Proteus的智能化可以在你想要画线的时候进行自动检测。

下面，我们来操作将单片机XTAL1引脚连接到电容C1右端。

当鼠标的指针靠近XTAL1引脚的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“X”号，表明找到了XTAL1引脚的连接点，单击鼠标左键，移动鼠标（不用拖动鼠标），将鼠标的指针幕近电容C1右端的连接点时，跟着鼠标的指针就会出现一个“X”号，表明找到了电容C1右端的连接点，同时屏幕上出现了连接，单击鼠标左键确认此连接。

连接过程中线形自动变成了90。

的折线，这是因为我们选中了线路自动路径功能。

Proteus具有线路自动路径功能（简称WAR）,当选中两个连接点后，WAR将选择一个合适的路径连线。

WAR可通过使用标准工具栏里的“WAR”命令按钮辰来关闭或打开，也可以在菜单栏的“Tools”下找到这个图标。

同理，我们可以完成其它连线。

在此过程的任何时刻，都可以按ESC键或者单击鼠标的右键来放弃画线。

图3-6

至此，我便完成了整个电路图的绘制。

单击仿真运行开始按钮匚匸i,我们能清楚地观察到每一个引脚的电频变化，红色代表高电频，蓝色代表低电频。

在数码管显示器上，显示1。

图3-7仿真图

第四章单元电路的设计方案

按键模块部分

4.1.1目标楼层号按钮编码电路

器件组成：

74148（8—3编码器），八个限流电阻，八个开关。

74148是一个八线-三线优先级编码器。

如图所示的是八线-三线编码器74148的惯用符号及管脚图引脚图。

功能说明：

74148优先编码器为16脚的集成芯片，除电源脚VCC（16）和GND（8）外，其余输入、输出脚的作用和脚号如图中所标。

其中10-17为输入信号，A2,A1,AO为三位二进制编码输出信号，IE是使能输入端，OE是使能输出端，GS为片优先编码输出端。

1.Ill74148真值表可列输出逻辑方程为：

A2=（I4+I5+I6+I7）IE

Al=（I2I4I5+I3I4I5+I6+7）・IE

AO=（I1I2I4I6+I3I4I6+I5I6+I7）・IE

2.使能输出端OE的逻辑方程为：

0E=10•II•12・13・14•15•67・IE

当使能输入IE二1时，禁止编码、输出（反码）：

A2,A1,AO为全1（如表第一行所示）o

当使能输入IE二0时，允许编码，在10〜17输入中，输入17优先级最高，其余依次为：

16,15,14,13,12,10,10等级排列。

0E为使能输出端，它只在允许编码（IE二0）,而本片乂没有编码输入时为0（如表中第二行所示）。

3.扩展片优先编码输出端GS的逻辑方程为：

GS=（I0+I1+I2+I3+I4+I5+I6+I7）・IE

GS为片优先编码输出端，作为与逻辑起动控制的一个输入控制信号，它在允许编码仃E二0）,且有编码输入信号时为0（如表中第三至笫十行）；若允许编码而无编码输入信号时为1（如表第二行）；在不允许编码（IE=1）时，它也为1（如表第一行）。

GS二0表示“电路工作，而且有编码输入”

4.功能表如下（74148优先编码器真值表）：

表1

输入

输出

IE

10

11

12

13

14

15

16

17

A2

A1

A0

Gs

Oe

1

X

X

X

X

X

X

X

X

1

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

X

X

X

X

X

X

X

0

0

0

0

0

1

0

X

X

X

X

X

X

0

1

0

0

1

0

1

0

X

X

X

X

X

0

1

1

0

1

0

0

1

0

X

X

X

X

0

1

1

1

0

1

1

0

1

0

X

X

X

0

1

1

1

1

1

0

0

0

1

0

X

X

0

1

1

1

1

1

1

0

1

0

1

0

X

0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

电路图如下:

VCC|—1

31

-<

）6

1

KJ

16

2

15

2

15

3

14

3

14

13

4

ll

13

12

5

12

]]

6

11

10

二二

10

9

8

9

VCC

SWDIP-8

ResPack4

s

z

U3-74）48

4585

图4-1目标楼层号按钮编码电路

4.1.2比较制动电路

器件组成:

CD4585

功能说明：

CD4585为四位数值比较器，输入端十号接A0,七号接A1,二号接A2,十五号接A3oAO、Al、A2、A3分别接八进制可逆讣数器的输出端。

输入端^一号接B0,九号接B1,—号接B2,十四号接B3。

BO、Bl、B2分别接编码器的输出端，B3接地。

A与B进行比较，输出端F（A>B）作为与三位二进制可逆计数器中的异或门控制输入端，F（A二B）通过与非门与上述起动控制中的与门相连作为制动信号。

当A二B时使八进制可逆计数器停止计数并保持。

脉冲发主器的清零端有效，停止产生脉冲并保持。

三位可逆计数器复位。

输出端（A>B）（A

为了输出F（A二B）的输出控制信号，应使输入端的A〈B接地，A>B,A二B接高电平。

电路图如下：

图4-1CD4585

补充说明：

CD4585是四位数字比较器，可比较他的两个输入，比较后在A>B,A二B,A

功能表如下：

表2

INPUTS

OUTPUTS

COMPARING

CASCADING

A3,

B3

A2,

B2

Al,

Bl

AO,

BO

A

A二B

A>B

A

A二B

A>B

A3>B3

X

X

X

X

X

1

0

0

1

A3二B3

A2>B2

X

X

X

X

1

0

0

1

A3二B3

A2=B2

A1>B1

X

X

X

1

0

0

1

A3二B3

A2=B2

A1=B1

A0>B0

X

X

1

0

0

1

A3二B3

A2=B2

A1=B1

AO=BO

0

0

1

0

0

1

A3二B3

A2=B2

A1=B1

AO=BO

0

1

X

0

1

0

A3二B3

A2=B2

A1=B1

AO二BO

1

0

X

1

0

0

A3二B3

A2=B2

A1=B1

AO

X

X

X

1

0

0

A3二B3

A2=B2

AKBl

X

X

X

X

1

0

0

A3二B3

A2

X

X

X

X

X

1

0

0

A3

X

X

X

X

X

X

1

0

0

X二Don'tCarelogic1二highlevellogic0二Lowlevel

4.1.3与逻辑起动控制

器件组成：

CD4073（三三与门）、CD4069（六反相器）、开关、限流电阻。

功能说明：

按钮起动控制、编码电路输出表示GS有效与比较制动电路A二B不成立，三者均满足时，与逻辑起动控制输出为高电平，控制D触发器构成的三位二进制可逆计数器的清零端，和555定时器组成的和6S周期脉冲发生器的清零端。

当此与逻辑起动控制的输出为高电平时，脉冲发生器产生正常脉冲，三位二进制可逆计数器正常计数。

当此与逻辑起动控制的输出为低电平时，脉冲发生器停止产生脉冲，并保持，三位二进制可逆计数器停止计数，并保持。

开关闭合为高电平有效。

电路图如下：

图4-3与逻辑起动控制电路

启动控制电路的设计

本部分我采用与门逻辑设计，与门的两端分别连接系统工作指示电路和过载报警指示电路，当有当电路工作指示开关闭合，同时确保不过载的前提下才允许电路工作，当楼梯过载时致使与门的一个输入端为0,楼梯不能正常运转，同时驱动后面的电压比较器做出报警指示。

数码管显示模块

4.3.1显示译码器组成电路

组成器件：

CD4511显示译码器、LED（数码管）显示器

图4-4CD4511

CD4511是一个用于驱动共阴极LED（数码管）显示器的BCD码一一七段码译码器，特点是：

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。

CD4511芯片图及引脚如下：

一、CD4511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是怎么样的，七段数码管都会处于消隐也就是不显示的状态。

LE：

锁定控制端，当LE二0时，允许译码输出。

LE二1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE二0时的数值。

LT：

3脚是测试信号的输入端，当BI二1,LT二0时，译码输出全为1,不管输入DCBA状态如何，七段均发亮全部显示。

它主要用来检测数7段码管是否有物理损坏。

Al、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。

a、b、c、d、e、f、g：

为译码输出端，输出为高电平1有效。

CD4511的里面有上拉电阻，可直接或者接一个电阻与七段数码管接口。

CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反向器作输出级，通常用以驱动LED。

各引脚名称：

其中7、1、2、6分别表示A、B、C、Do5、4、3分别表示LE、BI、LTo13、12、11、10、9、15、14分别表示&、b、c、d、e、f、go左边引脚表示输入，右边引脚表示输出，还有两个引脚8、16分别表示的是接地和VDD.

二、CD4511的工作原理

1.译码

CD4511译码器用两级或非门担任，为了简化电路先用二输入端与非门对输入数据B、C进行组合，得出00、01、10、11（用二进制对B、C编码）四项，然后将输入的数据A、D—起用或非门译码。

2.锁存功能

译码器的锁存电路山传输门和反向器组成，传输门的导通或截止山控制端LE的电平状态。

当LE为低电平导通时，TG2截止；当LE为高电平时，TG1截止，TG2导通，此时有锁存作用。

3.消隐

BI为消隐功能端，该端施加低电平后，迫使七段数码管均处于熄灭状态，不显示数字，即字形消隐。

消隐输出J二（B+OD+BI。

如不考虑消隐BI项，便得J=（B+C）Do根据上式,当输入BCD代码从1010——1111时，J端都为高电平，从而使显示器中的字形消隐。

8421BCD码对应的显示图如下：

图4-5

4.3.2CD4510（可逆计数器）组成电路

器件组成：

CD4510（可逆计数器）

功能说明：

CD45