模拟电梯模型设计总结及报告.docx
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模拟电梯模型设计总结及报告
目录
1.系统方案设计与论证2
1.1设计要求2
1.2系统基本方案3
1.2.1系统硬件结构设计3
1.2.2总体实现方案的选择和论证3
1.2.1.1各个模块方案选择和论证4
1.2.1.1.1主控制器模块4
1.2.1.2电机驱动模块4
1.2.1.3平层检测模块4
1.2.1.4通信模块5
1.2.1.5备用电源模块5
1.2.1.6语音提示模块5
1.2.1.7人机交互模块5
2.系统硬件设计与实现5
2.1逻辑控制部分6
2.2后台监测控制部分7
2.2.1人机交互7
2.3通信7
2.4备用电源7
3.系统软件设计与实现7
3.1电梯运行逻辑8
4.系统测试及实现功能10
5.结语10
附录11
附录1各部分原理图以及PCB图11
附录2部分程序清单13
摘要：
电梯系统是运用于高层建筑的复杂运输设备。
它涉及机械工程、电子技术、电力电子技术、自动控制理论、微机技术、MCU技术和土建工程等多个科学领域。
目前，我国是世界最大的新装电梯市场和最大的电梯生产国，而且还有着巨大的潜在市场和发展空间。
因此，深入学习和研究电梯控制系统有着重要的现实意义。
设计并制作了基于三个AVR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。
本着系统控制的理念，稳定可靠的原则，系统实现了题目要求的各种基本功能，在保证系统稳定性和可靠性的基础上，电梯模型实现了语音提示、语音命令、电源切换等拓展功能。
各项测试结果表明该电梯模型系统可靠性高、系统成本低、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。
ABSTRACT:
Theelevatorsystemisutilizesinthehigh-riseconstructioncomplextransportvehicle.Itinvolvesthemechanicalengineering,theelectronictechnology,theelectricpowerelectronictechnology,theautomaticcontroltheory,themicrocomputertechnology,theMCUtechnologyandthecivilengineeringandsoonmanyscientificfields.Atpresent,ourcountryistheworldbiggestnewclothingelevatormarketandthebiggestelevatorproducercountry,moreoveralsohasthegiantpotentialmarketandthedevelopmentopportunities.Therefore,thethoroughstudyandtheresearchliftcontrolsystemhasthevitalpracticalsignificance.
designedandhasmanufacturedbasedonthreeAVRmonolithicintegratedcircuitsanddirectcurrentmachine'sfiveelevatormodelcontrolsystem,elaboratedsystem'sgrossstructure,thehardwaredesignandthesoftwaredebuggingspecifically.Inlinewithsystemscontrol'sidea,thestablereliableprinciple,thesystemhasrealizedtopicrequesteachkindofbasicfunction,int
1.系统方案设计与论证
1.1设计要求
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。
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。
当市电电网重新送电后，切除备用电源，使用市电，电梯恢复正常运行。
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。
1.2系统基本方案
1.2.1系统硬件结构设计
本着节能环保的理念，设计一个具有现代理念的电梯。
其硬件框架借鉴现代电梯的结构设计。
结构包括轿厢、配重、导轨、拖动滑轮、支架结构几部分。
结合实际情况，我们设计了如下的实物图：
电梯具有配重可调节，金属导轨引向的突出特点。
实际制作的结构结实、可靠，为整个模型的运行调试提供了坚实基础。
1.2.2总体实现方案的选择和论证
根据题目要求，系统可以划分为逻辑控制部分、拖动控制部分、后台监测控制和电源稳压及切换四部分。
其中，逻辑控制部分包括主控制器模块、电梯按键模块和数码管显示模块；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；后台监测控制包括了语音提示模块、语音命令和人机交互；电源稳压及切换包括市电电源转化以及稳压电路。
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。
1.2.1.1各个模块方案选择和论证
1.2.1.1.1主控制器模块
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：
采用一个I/O口多的单片机如ATMEGA128控制所有的按键、LED、数码管显示、电动机的转动、传感器经A/D转换后输出的信号，等等。
并对以上所有信号进行处理。
这样做的优点是电路比较简单，工作量小。
但是此方案的缺点也很明显：
由于只有一片单片机，从功能上看虽然比较强大，但编著程序量显然复杂的多；又输出部分比较多会显得电路十分零乱；再加上整机调试过程时纠错和调试都比较麻烦，故不采用本方案。
方案三：
随着计算机硬件和软件技术的发展，CPU价格不断下降。
采用合理的CPU控制，充分利用CPU众多的扩展外设。
将电梯系统作为一个嵌入式控制系统，采用目前流行的嵌入式开发技术，通过高级语言设计开发控制核心，进一步降低了产品的硬件成本以及软件开发成本，提高产品市场竞争力。
本模型系统采用3片廉价单片机ATMEGA16作为主控制中心。
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。
一片控制电梯运行及LED显示，另外一片处理按键输入，第三片作为后台控制及监控用。
1.2.1.2电机驱动模块
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。
基于上述分析，我们采用方案二。
1.2.1.3平层检测模块
方案一：
位置闭环。
采用红外反射式一体传感器。
用6个传感器分别置于各楼层间，在电梯达到对应的楼层时，输出检测信号。
以此判断轿厢的实际位置。
本方案具有判断准确有点，但是容易出现误判断，稳定性不高。
方案二：
电机附带码盘测速,这种方法可以精确,但编程要求太高.
基于上述分析，我们采用了两种方案的优点，将两种方案相结合，达到较高的控制精度和运行的稳定性。
1.2.1.4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，不能满足本设计通信要求。
方案二：
采用nrf24l01无线通信模块。
该模块由nrf24l01芯片开发而成，是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道过程序进行配置。
具有自动应答和自动再发射功能，片内自动生成报头和CRC校验码，确保信息传递准确无误。
故本系统选用此方案。
方案三：
采用两线串行接口TWI。
TWI是简单但是强大而灵活的通讯接口，只需要两线通信，且支持主机和从机操作，支持多主机仲裁，并有较高的传输速率。
本系统采用方案三，解决了多设备之间的通信问题。
1.2.1.5备用电源模块
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。
参考实际电梯设计的需要，本电梯模型有两个供电电源，分别为市电电源、蓄电池电源、。
在正常工作时，由市电电源为系统供电，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，两个电源均需经过电源稳压模块。
一般的电源稳压模块为LM7800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，可靠性高。
1.2.1.6语音提示模块
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。
基于上述的分析，我们采用方案二。
1.2.1.7人机交互模块
本次设计在电梯轿厢中及楼层间的按键采用了行列式键盘，楼层显示使用数码管；后台监控的采用了PS/2键盘及12864液晶。
使得整个系统的运行安全性能高，可靠性好。
2.系统硬件设计与实现
本电梯控制模型硬件采用了模块化的设计，各模块间通过TWI总线及24L01无线模块进行通信。
根据题目要求，系统可以划分为逻辑控制部分、拖动控制部分和后台监测控制三部分。
其中，逻辑控制部分包括主控制器模块、电梯按键模块和数码管显示模块；拖动控制模块包括红电机驱动、平层监测两部分；后台监测控制包括了语音命令、数控控制和人际交互等。
2.1逻辑控制部分
逻辑控制部分电路的主要功能为：
为主控单片机提供最小工作系统，驱动数码管和LED，并构成行列式键盘。
本电路采用八段共阴数码管。
由于楼层间及轿厢内（共6个）数码管显示的内容相同，故将它们并接于同一片74HC595的输出端，单片机通过74HC595移位寄存器即可控制数码管显示的内容，这种设计在极大的程度上节省了单片机的IO口。
另外，在每个数码管的共阴极连接了8050，以提供足够大的电流，保证了每个数码管的亮度。
本电路中用于楼层间按键提示和电梯运行方向显示的LED共为10个，同样采用74HC595来实现对它们的控制。
5层电梯所需的按键（包括轿厢内和楼层间）总数为18个，本电路中采用4×5行列式键盘，占用了PB（0~7）口和PA0共9个IO口，为系统提供了20个按键，满足了系统对按键的要求。
红外平层电路如下：
2.2后台监测控制部分
2.2.1人机交互
数码管显示当前楼层，led红绿表示方向。
语音模块凌阳单片语音录放电路，该芯片音质好，电压范围宽，应用灵活。
2.3通信
要想使电梯系统的各个部分联系起来，并协调稳定地工作，就必须使用快速可靠的通信方式。
本系统采用两线串行接口TWI实现各单片机之间的通信，采用AVR单片机的通用同步和异步串行接收器和转发器（USART）实现测重模块与后台监控单片机的数据通信。
TWI通信协议支持多主机仲裁，只需将个单片机的PC0和PC1口相连，硬件结构十分简单。
通用同步和异步串行接收器和转发器（USART）是一个高度灵活的串行通讯设备，其独立的串行接收和发送寄存器支持全双工操作。
2.4备用电源
我们采用两个二极管的或方式连接。
3.系统软件设计与实现
系统采用C语言编程实现各项功能。
C语言本身带有各种函数库，算术运算能力较强，而本系统的软件设计中运算有较多且比较复杂，利用C语言编程的优势完全可以体现出来。
程序是在WindowsXP环境下采用ICCAVR软件编写，结合AVRStudio4以及Proteus软件进行仿真测试。
3.1电梯运行逻辑
电梯响应呼叫的顺序应遵循：
同向优先，其次就近。
本程序遵循上述原则，将上行和下行方向须到达的层数存储在up和down两个uchar型变量的前六位，通过对这两个变量的扫描获知电梯需要到达的下一目标层。
例如，第五层有向上的呼叫请求，则将up的第二位置0，当在上行过程中发现up的第5位为0，则控制电梯移动到五层，并将up第5位置1。
程序运行时，通过数码管显示当前的层数，进行对行列式键盘的扫描，获取按键信息并按照上述方法计算目标层。
运行过程中，会即时地将目前电梯的位置写入单片机的EEPROM中，若出现短时掉电，则可从EEPROM中读取当前层数。
流程图如下：
主函数流程
计算下一目标层子函数为本算法的核心，（原创版）流程图如下：
Y
4.系统测试及实现功能
经过测试，本系统很好地完成了题目中所涉及到的基本功能及扩展功能，具体如下：
基本功能：
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4mm。
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．短时停电操作。
轿厢运行时，将模型停电10秒后再重新送电，电梯应运行到最近楼层（期间不接收所有楼层呼叫），到达平层位置后，重新接收楼层呼叫并可正常运行。
6．能显示轿厢模型当前到达的楼层编号。
扩展功能：
1．增设可以延长和缩短轿厢楼层停留时间的按钮（用于延长或缩短开门时间），同时还可以通过后台修改等待时间。
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。
当市电电网重新送电后，切除备用电源，使用市电，电梯恢复正常运行。
3．播放语音提示，报告楼层、电梯运行方向、问好等。
4．在电梯运行及待机过程中，采取其他措施起到有效的节能作用。
本系统电梯在静止待机达一定时间后，会自动关闭轿厢内的照明灯具，以达到节能的效果，若有新的请求则照明灯自动重启。
5．采用适当的人机界面，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。
本系统加入语音命令，使得操作方便快捷，适合多种人群。
5.结语
经过这将近一个月的比赛，我们确实学到了不少东西，有了新的提升，特小结如下：
（1）进一步巩固了使用VisualC++进行逻辑仿真的方法，使得整个硬件调试过程得以顺利完成，同时，我们也注意到了VisualC++与AVR的编译器还是有些区别，一些原来在VisualC++上运行正确的却在硬件调试中出现了错误，这提醒我们在进行设计的时候应做到严谨问题、考虑的全面性、注意更多的细节，以避免不必要的错误。
（2）我们小组成员彼此之间建立了深厚的友谊，团队意思有所增强。
在这不到一个月的时间，我们三位同学较好地分工，除了独立完成了自己负责的部分，还共同将软件、模型、硬件等模块的整合，同时，对于不熟悉的模块一起讨论、比较方案及调试，形成了较好的默契，使得电梯模型得以顺利完成。
（3）其实比赛工程最艰难的不是技术方面的问题，而是我们能否坚持下去。
临近期末，大家都开始着手准备期末考，
而我们还需在空余时间投入比赛。
尤其是做到一半的时候，出现的问题比较多，我们动摇了，不知道这值不值得我们付出。
最终，我们还是克服了困难坚持下来。
我想，无论是做什么事，最难的同时也是最重要的就是坚持。
（4）经过参加此次比赛，培养了我们对电子设计和制作的兴趣。
用单片机和用可编程逻辑器件编著的程序结合可以使电路和设计非常简单；系统的功能也比较稳定且容易控制；软硬件的结合无疑是这几年并且是今后相当长一段时间内的主流，对于今后的电子设计与制作的发展前景，我们充满信心。
附录
附录1各部分原理图以及PCB图
1.主控制器逻辑电路原理图
2.电机控制及驱动电路原理图
3.485接口通信电路
4.按键接口板电路
5.电机驱动H桥电路
附录2部分程序清单
#include
#include
//#include"usart0.c"
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definemclk8000000
//8MʱÖÓ
#pragmainterrupt_handleruart_rx:
12
#defineamount3
#defineact_flaginbox[0]&BIT（5）
ucharkeys_L;
ucharkeys_H;
unsignedcharsend[amount];/
unsignedcharinbox[amount];//
unsignedcharflag=0;//
unsignedcharflag1=0;//
unsignedcharrn=0;
uchartemp1;//
uchartemp;
uchararm_layer;
ucharcurrent_layer;
//½ÓÊÕÊý¾Ý¼Ä´æÆ÷
ucharfrst_send1=0b00000101;//
sb5sb4sb3sb2sb1sb0
//µØÖ·µØÖ·ÊÇ·ñÐèÒª¶¯×÷´
ucharfrst_send2=0b00000110;
USART_INIT（）
{
UCSRB=0x00;
UCSRA=0x00;//¿
UCSRC=（1<UBRRL=0x19;//²
UCSRB|=（1<SREG|=BIT（7）;
}
voiduart_send（）
{
unsignedcharn;
UCSRB|=（1<（1）;for（n=0;n{
while（!
（UCSRA&（BIT（UDRE））））;//µÈ´ý·¢ËÍ»º³å¼Ä´æÆ÷ÏÐ״̬
UDR=send[n];
while（!
（UCSRA&（BIT（TXC））））;//µÈ´ý·¢ËÍÍê
UCSRA|=BIT（TXC）;
//Ϊȷ±£½ÓÊÕ»úÄDZßÄÜ˳Àûת´æÍê±Ï£¬ÕâÀï¼ÓµãÑÓʱ
;;;//Èý¸ö·ÖºÅ£¬Èý¸ö¿Õ²Ù×÷
}
UCSRB&=~（1<DDRD&=~BIT
（1）;
}
voiduart_rx（）
{
UCSRB&=~BIT（RXCIE）;
temp1=UDR;//UDR²»Äܱ»Öظ´¶ÁÁ½´Î
if（rn!
=0||（temp1&0X0F）==0X03）//×Ô¶¨ÐÒ飺¸øÖ÷»úµÄµÚÒ»¸ö×Ö½ÚÊý¾Ý±ØÐëÊÇX3£»
{
inbox[rn]=temp1;//ÒòΪ·¢ËÍÒ»Ö¡Êý¾ÝÓÐÈô¸É¸ö×Ö½Ú£¬ÒªÆô¶¯Öжϼ¸´Î
//ËùÒÔ±ØÐëÈ·±£½ÓÊչرյ½¿ªÆôµÄʱ¼äСÓÚ·¢ËÍ×Ö½Ú¼ä¸ôʱ¼ä
rn=rn+1;
if（rn==3）//ÒÔÕâÑùµÄ·½Ê½À´´æ·ÅÊý¾ÝÓÐΣÏÕ£¡
{
rn=0;
flag=1;
}//¼ÙÈçij¸öÊý¾Ý¶ªÊ§£¬¾Í»á³ÖÐø´í룬ÄÑÒÔµ÷Õû»ØÀ´
}
UCSRB|=BIT（RXCIE）;
}
voiddelay（unsignedintums）
{
unsignedinti,j;
for（i=0;i{
for（j=0;j<1411;j++）;
}
}
voidsystem_init（）//
{
delay（100）;
}
voidto_machine1（）///¸ú1ºÅ´Ó»úͨÐÅ£¬ÒªÇó»Ø¸´°´¼üÐÅÏ¢
{
//frst_send1|=0x05;//¸ø1ºÅ»ú£¨°´¼ü»ú·¢ÐÅÏ¢£©
send[0]=frst_send1;
send[1]=keys_L;
send[2]=keys_H;//ÿ´Îµ÷Ó÷¢Ëͺ¯Êý¶¼ÊÇ·¢ËÍÈý´Î£¬Ã¿´ÎÒ»¸ö×Ö½ÚÈý¸ö×Ö½Ú
while（!
flag）//µÈ´ý´Ó»ú»ØÓ¦
{
uart_send（）;
delay
（1）;
}
}
voidto_machine2（）
{
send[0]=frst_send2;
send[1]=arm_layer;
send[2]=current_layer;
while（!
flag）//µÈ´ý´Ó»ú»ØÓ¦
{
uart_send（）;
delay
（1）;
}
}
voidmain（）
{
uchari;
DDRA=0XFF;//µ÷ÊÔÓÃ
PORTA=0X00;
USART_INIT（）;
system_init（）;//ϵͳ³õʼ»¯£¬°ÑÕâÀï¿´×öÕâ¸öϵͳµÄ¸´Î»µã£¬ÄãÓ¦¸Ã¸æËßÁ½¸ö´Ó»ú³õʼÈÎÎñ£¬À
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