自动升降电梯控制系统单片机毕业设计.docx
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自动升降电梯控制系统单片机毕业设计
毕业设计论文
论文题目：
自动升降电梯控制系统
【摘要】本设计采用单片机技术来模拟电梯控制系统，使用80C51为最小系统，通过外部扩展8255A芯片来当做按键模块，并使用了74LS373芯片来驱动数码显示管和控制指示灯的亮暗，采用直流电机标志机箱的运行情况和电梯门的运行情况。
系高统采用C语言来编写的，加快了设计的进度。
根据以上的设计，本设计实现了电梯的自动控制和效运行。
【关键字】自动升降；单片机；按键；模块；80C51
1课题的背景和概述
1.1电梯的发展历史
历史上最高的一部电梯是美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯发明的，他在1854年展示了第一部安全升降电梯，从此升降电梯在世界范围的各个领域都等到广泛的使用。
自动升降从这一时刻慢慢的发展起来了。
人民生活水平的提高，工业的发展，科技的进步，电梯也一直在进步，电梯的技术也一直在进步。
经过上百年的发展，电梯在材质上有黑白的到彩色的，运行方式有垂直式到倾斜式的，在操控方面也出现了很多方式，例如：
人机对讲，集选控制，信号控制，按键控制，手柄控制等等；很多台电梯还实现了智能群控并联控制；双控机箱电梯体现出了节省井道空间，提升了运输能力的优势，变速式的自动人行电梯很大一定程度节省了乘客的时间；电梯的外形也分为很多种，有圆形、半菱形、三角形、扇形、等等，圆形观光电梯则使身处其中的乘客的视线不会受到约束。
现在以美国的奥的斯公司为主的世界各个大著名电梯公司各战风资，一直在进行研究新产品的电梯，不断地在完善电梯的维修和保养服务系统。
一款款崭新的电梯一直在问世，使得冷冰冰的建筑因此出现人行而温馨的感觉，人们的生活也过得越来越好了。
中国历史上最早出现了是在上海，是由美国的奥的斯公司在1901年安装的。
美国的奥的斯公司在1932年在天津顺德酒店安装了一步电梯至今还在运行着。
在1951年，中共党中央提出要在天安门安装一部由我国自己制造的电梯，天津的从庆生电机厂荣幸接此任务，经过四个月的努力，顺利完成了任务。
十一届三中全会后，改革时代的到来，我国的电梯行业进入了飞速发展的阶段。
现今，在我国任何一个大小城市，电梯都会被广泛应用着。
电梯会给人们带来生活的便利，工业的发展，也为了我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障和推动力量。
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。
电梯的应用很广泛，可用于宾馆、酒店、办公大厦、商场、娱乐场所、工地以及住宅等。
在经济高速发展的社会中，电梯已经成为人类必不可少的运输交通工具。
1.2电梯的分类
根据电梯使用的环境和客流量来决定采用何种电梯，在当今社会中的电梯基本上分为以下几种方式：
1.2.1根据电梯的用途分类
观光型电梯，机箱壁需要采用透明的材料，电梯的速度不能太快，最好采用圆形的外形，这样使得游客可以慢慢观赏。
乘客型电梯，主要是接送乘客到所要求的目的地，应具有完善的安全保障措施以及一定的内部装修装饰。
载货型电梯，主要实现了接送货物的电梯，一般都需要有人伴随在电梯里面。
医用型电梯，主要是为了运送医用车、病床、担架等等而设计的电梯，机箱具有长而窄的特点。
杂物型电梯，一般都使用在饭馆、图书馆、办公楼用于运送食物、图书、文件等。
船舶型电梯，一般都是使用在船舶上的电梯。
建筑施工型电梯，一般指着的建筑工地上使用的电梯。
其它类型的电梯，除了以上所讲述的电梯之外，还有很多特殊的电梯，如冷库型电梯、防爆型电梯、矿井型电梯、消防员专用型电梯等等。
1.2.2根据驱动方式分类
交流型电梯，是用交流感应的电动机作为驱动力的电梯，根据拖动驱动的方式一般可分为交流单速、交流双速、交流调压调速=交流变压变频调速等等。
直流型电梯，是用直流电动机作为驱动力的电梯。
这种类型的电梯额定速度一般都是在2.00m/s以上。
液压型电梯，一般都是利用电动泵驱动液体流动的，由柱塞促使机箱升降的电梯。
齿轮型电梯，将运输路线弄成齿条行的，机箱装上与齿条相吻合的齿轮，电机带动齿轮的旋转，从而使得电梯的升降。
螺杆型电梯，是将电梯的柱塞加工成矩形螺纹，再用带有推力推力轴承的大螺母安装于油缸顶，在经过电梯经减速机带动螺母旋转。
从而使得电梯的升降。
直线型电梯，一般是采用直线电机直接驱动电梯，使得电梯升降的。
在电梯问世初期时，也采用过了蒸汽机、内燃机等作为动力能源来直接驱动电梯，如今已经都不适用了。
1.2.3根据速度分类
电梯的速度分类没有严格区分，中国习惯上按下面的方法进行分类：
时速在1.00m/s以下的速度的电梯一般分为低速型电梯；
时速在1.00～2.00m/s的电梯一般分为中速型电梯；
时速在2.00m/s以上的电梯一般分为高速型电梯；
时速在5.00m/s以上的电梯一般分为超高速型电梯；
在电梯技术的不断发展时代中，电梯的速度越来越高，区分低、中、高型速度的电梯也应回会对地高值进行比较。
1.2.4根据电梯有无司机分类
有司机的电梯，电梯的运行方式有专职的司机进行操纵。
无司机的电梯，电梯的运行方式根据乘客的要求进行运行，乘客必须按键操纵盘上面所显示的按键，电梯才会运行到所要达到的目的层，这种电梯一般都具有集选功能。
有司机的电梯和无司机的电梯，电梯是可变换控制电路，乘客流动量小的是由乘客自行操纵，在乘客流动量大的时候有必须有司机进行操纵。
1.2.5根据操纵控制方式分类
手柄开关操纵型电梯，是由电梯里面的司机按机箱内的控制操纵手柄开关进行操作，让电梯启动、上升、下降、开门、关门等等运行状态。
按键控制型电梯，是一种常用比较简单的自动控制电梯，具有自动平层运行的功能，常见的有机箱外按键控制、机箱内按键控制两种控制方式。
信号控制型电梯，是有司机的自动控制程度比较高的电梯。
除了具有自动平层运行功能之外，还有自动开关门功能之外，还有机箱命令登记的功能，每层召唤功能，自动停止功能等等。
集选控制型电梯，是在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯，与信号控制型电梯的主要区别是不用司机的操纵。
并联控制型电梯，一般是指有2～3台电梯的控制线路并联在一起进行逻辑控制，共用每层召唤按键，电梯本身也有集选的功能。
群控型电梯，是采用微型控制和统一控制多台集中并列的电梯，群控型电梯有梯群的程序控制、梯群智能控制等等形式。
1.2.6其它分类方式
按机房位置分类，则有机房在井道顶部的（上机房）电梯、机房在井道底部旁侧的（下机房）电梯，以及有机房在井道内部的（无机房）电梯。
按机箱尺寸分类，则经常使用“小型”、“中型”、“大型”等抽象词汇表示。
此外，还有双层轿厢电梯等。
1.2.7特殊电梯
（1）斜行型电梯，轿厢在倾斜的井道中沿着倾斜的导轨运行，是集观光和运输于一体的输送设备。
特别是由于土地紧张而将住宅移至山区后，斜行电梯发展迅速。
（2）立体停车场用型电梯，根据不同的停车场可选配不同类型的电梯。
（3）建筑施工型电梯，是一种采用齿轮齿条啮合方式（包括销齿传动与链传动，或采用钢丝绳提升），使吊笼作垂直或倾斜运动的机械，用以输送人员或物料，主要应用于建筑施工与维修。
它还可以作为仓库、码头、船坞、高塔、高烟囱的长期使用的垂直运输机械。
（4）消防型电梯，在发生火警时,用来运送消防人员,乘客和消防器材等等。
（5）冷库型电梯，在大冷库或制冷车间,运送冷冻货物.但是需要满足门扇及导轨等活动处密封,浸水等要求。
（6）矿井型电梯，供矿井运送人员及货物之用。
（7）特殊型电梯，供特殊环境条件下使用,如防爆,防腐,耐热等特殊用途的电梯。
（8）滑道型电梯，在建筑物内配置,常与建筑物,人行道平行使用。
（9）运机型电梯，能不机库中几十吨或者上百吨重量的飞机,垂直提升到飞机场跑道上。
（10）门吊型电梯，在大型门式起重机的门腿中,运送在门机中的工作人员及检修机件等。
（11）自动型扶梯。
（12）座椅型电梯，人坐在电动机驱动的椅子上,控制椅子手柄上的按扭,使椅子下部的动力驱动装置驱动人椅,沿楼梯扶栏的导轨上下运动。
1.3课题的研究内容
本课题主要完成电梯的自动升降的功能，即根据每个楼层不同的乘客的按键要求，使电梯做出合理的判断，正确高效地完成各项任务，从而实现电梯的高效、安全运行。
依据课题的任务，本课题需要研究的内容有：
1、收集系统的相关资料，并进行实地调查；
2、根据系统技术的要求，进行系统硬件的总体设计；
3、学习和完善单片机的相关知识，并且加以运用；
4、巩固C语言编程知识，并且规定电梯的工作规则，本设计编程语言采用的是C语言实现；
5、对软件和硬件进行调试，完成课题任务。
1.4设计思路与比较
1.4.1思路
系统主要是为了实现电梯的自动控制和高效运行，根据具体要求和实地考察，最后确定了总体的思路。
使用80C51为最小系统，采用C语言进行编写程序，系统采用的外部中断0的方式进行对按键的处理，采用LED灯来表示按键响应情况，LED亮表示当前的按键被按下，LED灭表示当前的按键被处理完毕或者按键无响应，通过八段数码管来同步显示当前机箱所处在的位置，为了进一步形象的表示出电梯的运行情况，系统采用了两个电机来表示电梯的运情况，电机1正传表示电梯上升，反转表示电梯下降，电机2正传表示开门，反转表示关门。
由于系统的按键比较多，故本采用8255A才扩展用于按键中。
1.4.2设计比较
在系统的设计中总会出现一些争议，为什么要使用C语言而不使用汇编语言来编写程序呢？
为什么选择80C51作为最小系统等等这些都是值得探讨的一个问题。
下面就根据系统的存在的一些争议问题进行详细的说明。
1、C语言和汇编语言在开发中的优缺点。
汇编语言是用文字助记符来表示机器指令的符号语言，是最近于机器码的一种语言。
主要的优点是占用的资源少、程序的执行的效率高。
但是不同的CPU，汇编语言可能存在某些差异，所以汇编语言比较不容易移植。
C语言是一种编译型程序设计语言，并具备汇编语言的功能。
C语言有丰富的库函数、运算速度快、编译效率高、良好的移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。
C语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。
C语言还具有完善的模块化程序结构，在软件编写的时候采用模块化程序设计提供了有力的保障。
C语言主要的优点是可读性好，移植比较容易，不太需要考虑外界因素，是普遍使用的一种计算机语言。
缺点是占用资源比较多，执行效率没有汇编的高。
根据以上的对比，故此系统才用的是C语言进行程序编写，只要是C语言的在进行程序设计的时候会大大缩短设计的周期，并且增加了软件的可读性，便于改进和扩充，系统还可以进行更新等，从而使系统的性能更为强大。
2、最小系统的选择
在选择最小系统的控制核心、价格、性能、稳定性、能否满足本系统的要求为主才进行选择的，本系统采用的80C51为最小系统，性能价格和稳定性都满足了系统的要求，故选择了80C51为最小系统。
3、按键的处理方式
按键是实现人机交互的主要设备，按键的处理方式在一定程度上会影响倒系统的性能，故选择一个合适的处理方式还是很重要的。
按键的处理方式一般分为三种：
程控扫描方式、定时扫描方式、中断扫描方式。
程控扫描方式首先是判断按键是否有按键，如果在进行逐行逐列的判断，还要进行按键消抖的处理，最终才能读出按键的值，而且还需要编写一大推的程序进行按键的判断，占用了很多CPU。
定时扫描方式是CPU每隔一段时间对按键扫描一遍，当有发现按键按下的时候就进行按键操作，读去按键值，定时器时间间隔由单片机内部定时/计数器产生，这样可以减少计算机扫描按键的时间，减少CPU的开销。
中断扫描方式当有按键响应时就向CPU申请中断，CPU响应中断后立刻转到中断的服务程序对按键进行扫描，进行按键值的读取。
此系统对实时性的要求很高，所以CPU的占用时间要尽量的少才是主要的，在以上三种处理方式中程控扫描方式占用的CPU最多，定时扫描方式占用的CPU相对比较少，而中断扫描方式占用的CPU是最少的，故本系统采用中断扫描方式对按键进行处理。
4扩展芯片的选择
由于很系统的特点，需要较多的按键，故需要扩展I/O口，在开发中一般都是使用8255A作用I/O扩展的芯片。
8255A在一定程度上满足的本系统的要求。
5电机的选择
按电梯的驱动方式有很多种如直流电梯、液压电梯、齿轮齿条电梯、螺杆式电梯等等，但是此设计是采用仿真来实现的，没有办法真正实，故在本系统中采用用的是直流电机驱动的方式来模拟电梯的自动运行。
1.5课题的设计步骤
根据课题的研究内容，本课题的设计方案步骤：
硬件部分：
对实际电梯控制系统进行模拟，一般情况下，一个标准的电梯都应该具备相关按键，数码显示管，拖动电机，机箱等等。
由于采用的软件仿真方式，有很多无法实现的功能，如自动检测超载，安装监控等相关功能等。
本课题只是实现了电梯的自动升降，在硬件方面选择了80C51为主芯片，晶振采用12MHZ，按键部分采用8255A扩展，显示采用了八段数码管显示和LED灯显示，并采用74LS373进行输出数据锁存。
软件部分：
根据实地考察，并对电梯的流程进行了严格的反复思考，完成了电梯的软件设计部分。
假设机箱要上就要上升要上响应的最高层，下就要下降到下响应的最底层，这样才能实现电梯的高效运行，才不会出现电梯运行的复杂化。
硬件设计和软件设计是密不可分的，二者是相辅相成的，硬件是根据软件才验证的，软件是根据硬件才实现的，经过长期的研究，发现问题，解决问题，最终完成了电梯的设计。
1.6课题的开发环境介绍
1.6.1Proteus7.0软件
Proteus软件是由英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件。
Proteus软件是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。
Proteus软件不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，且还能仿真单片机及外围器件。
Proteus软件是至今最好的仿真单片机及外围器件的工具。
Proteus软件从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。
在编译方面，Proteus软件也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
Proteus软件在中国的推广比较晚，但是已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的学习和开发的良好工具。
Proteus软件的主要特点：
（1）互动的电路仿真
用户甚至可以实时采用诸如AD，ROM，RAM，马达，LCD，DA，键盘，LED，部分IIC器件，部分SPI器件。
（2）仿真处理器及其外围电路
可以仿真PIC、ARM、51系列、AVR等等一些常用主流单片机。
还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果，并且系统配置了示波器、虚拟逻辑分析仪等，Proteus软件可以建立一个完备的电子设计开发环境。
Proteus软件功能模块：
（1）独特的单片机协同仿真功能；
（2）智能原理图设计；
（3）完善的电路仿真功能；
（4）实用的PCB设计平台。
Proteus软件资源丰富：
（1）Proteus软件可提供的仿真仪表资源：
交直流电流表、交直流电压表、模式发生器、信号发生器、I2C调试器、SPI调试器、虚拟终端、逻辑分析仪、示波器。
在原理上同一种仪器可以在一个电路中任意的使用。
（2）除了现实存在的仪器外，Proteus还提供了一个图形显示功能，可以将线路上变化的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。
这些虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。
这些都尽可能减少了仪器对测量结果的影响。
（3）Proteus软件可提供的仿真元器件资源：
仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元器件，有30多个元件库。
（4）Proteus软件可提供的调试手段：
Proteus提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试。
这些测试信号包括数字信号和模拟信号。
Proteus软件与其它单片机仿真软件不同的是，它不仅能仿真单片机CPU的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。
因此在仿真和程序调试时，关心的不再是某些语句执行时单片机寄存器和存储器内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
对于这样的仿真实验，从某种意义上讲，是弥补了实验和工程应用间脱节的矛盾和现象。
本系统采用Proteus7.0版本进行硬件的构造，根据以上所阐述的Proteus软件的功能和用途，在加上有强大的外围设备，在一定程度上已经满足了系统研究的需要了。
1.6.2Keil程序研发软件
开发过程中除了必要的硬件之外，还需要软件。
汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是机器汇编，另一种是手工汇编。
机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。
Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境将这些部份组合在一起。
Keil也有一定的硬件配置要求，运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。
Keil软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编，PLM语言和C语言的程序设计，界面美观，易学易用，是编写软件与系统调试的好软件。
所以在编写程序的时候采用Keil软件进行编写程序的工具。
1.7功能要求
本课题是设计一个八层的自动升降电梯控制系统，使得电梯能够合理高效地运行，完成每个楼层的接送任务。
具体的说是满足不同楼层乘客的不同需求，作出合理高效的判断，让所有乘客在整体运用时间最短的条件下达到所要到达的楼层。
本设计采用的是Proteus软件仿真，用Keil软件编写程序，严格按照两个原则：
一是高效性，二是人性化。
然而实际中，电梯还存在很有很多比较复杂的情况，在仿真中没有办法完成，这是本设计存在的瓶颈。
总体来说本系统设计合理，效果不错。
2课题总体设计
2.1系统总设计框图
本设计是利用80C51为最小系统，采用外部中断0，80C51的P0口接8255A扩展芯片，P1口两个八段数码管，用于显示响应楼层的情况，P2.0和P2.1接8255A的A0和A1，P3.6和P3.7分别8255A的读与写端口，P2.7通过非门与8255A的CS相连，用于片选8255A，P2.2、P2.3、P2.4、P2.5用于74LS373的控制选择端口，P3.0、P3.1、P3.4、P3.5用于两个电机的控制。
系统刚开始运行的时候，电梯处在第一层。
其总设计框图如图2-1所示。
图2-1系统总设计框图
2.2系统元器件清单
在硬件的设计的时候，要很据实际情况选择相应的元器件，在现实中可能要考虑到很多问题，如成本问题，功率问题，环境问题等等，这些都是在开发中存在的一些细节问题，但是在仿真中就没有那么的要求，所以在选择元器件的时候有多种方案，现在的一些模拟型器件在仿真中也是没有办法实现的，所以在选择元器件的时候还是要根据实际情况，选择相应的元器件。
表2-1为本设计的元器件清单。
表2-1系统元器件清单
元器件
型号
数量/个
用途
单片机
80C51
1
控制核心
晶振
CRYSTAL（12MHZ）
1
晶振电路
电容
CAP
2
晶振电路
电容
CAP-ELEC
1
复位电路
集成电阻
RESPACK-8
2
上拉电阻
按键
BUTTON
23
按键电路、复位电路
非门
NOT
1
用于选中8255A
锁存器
74LS373
4
数码管、LED灯显示电路
8255A
8255A
1
按键电路
与门
AND_3
1
用于中断
与门
AND_8
3
用于中断
数码管
7SEG-COM-CATHODE
2
数码管显示
LED灯
LED-RED
22
LED灯显示电路
电机
MOTOR
2
电机驱动电路
电阻
RES
1
复位电路
电机驱动芯片
L298
1
电机驱动电路
2.3必备知识点
·单片机复位电路工作原理及设计
·单片机晶振电路工作原理及设计
·按键电路设计
·LED灯和数码管的使用方法
·80C51的使用方法
·单片机C语言及程序设计相关知识
·电机驱动电路的原理（L298专用芯片）
·8255A的使用方法
·74LS373的使用方法
·与门的使用方法
2.4相关芯片说明
2.4.1最小系统80C51
80C51单片机属于MCS-51系列单片机，由Intel公司开发，其结构是8048的延伸，改进了8048的缺点，增加了如乘（MUL）、除（DIV）、减（SUBB）、比较（PUSH）、16位数据指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和5个中断源。
采用40引脚双列直插式DIP（DualInLinePackage），内有128个RAM单元及4K的ROM。
80C51有两个16位定时计数器，两个外中断，两个定时计数中断，及一个串行中断，并有4个8位并行输入口。
80C51内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电容外接，本系统中采用12MHz的晶振频率。
由于80C51的系统性能满足系统数据采集及时间精度的要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故采用来作为控制核心，基本构架如图2-2最小系统80C51引脚图。
当输入口不够的话可以采用8255A进行扩展。
图2-2最小系统80C51引脚图
2.4.2扩展芯片8255A
8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，有3个8位并行I/O口。
具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。
其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。
8255A可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路，也可以与其他系列的微处理器配套使用。
由于8255A的通用性强，与微型计算机借口方便，且可通过程序制定完成各种不同输入和输出操作，因此获得非常广泛的应用。
8255A是可编程的并行输入输出接口芯片，它具有三个8位并行端口，分别为A口、B口和C口，且具有40个引脚，双列直插式封装，采用+5V供电，其引脚与功能示意图如图2-38255A引脚分布图所示。
图2-3为8255A引脚分布图
D0～D7：
三态双向数据总线，8255A与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。
A1，A0；地址选择线，用来选择8255A的PA口，PB口，PC口和控制寄存器。
A1，A0；地址选择线，用来选择8255A的PA口，PB口，PC口和控制寄存器；
当A1=0，A0=1时，PB口被选择；
当A1=1，A0=0时，PC口被选择；
当A1=1，A0=1时，控制寄存器被选择。
/CS：
芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时，即/CS=0时，表示芯片被选中，允许8255A与CPU进行通讯；/CS=1时，8255A无法与CPU做数据传输。
/RD：
读信号线，当这
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