电梯控制系统设计设计说明.docx

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电梯控制系统设计设计说明

电梯控制系统设计设计说明

编号：

毕业设计说明书

题目：

电梯控制系统设计

院（系）：

电子工程与自动化学院

专业：

电子信息科学与技术专业

学生姓名：

学号：

0900840218

指导教师：

李莉

职称：

讲师

题目类型：

理论研究实验研究工程设计√工程技术研究软件开发

2013年5月20日

摘要

本设计主要利用AT89S52单片机，实现电梯控制系统的设计。

单片机与电机驱动电路的结合完成了电梯基本的升降、楼层停靠、方向选择、时间控制等基本功能，研究并实现了在上位机的模式下通过LABVIEW的远程监测的方法，完成了系统样机的设计与制作。

本设计参照了通用电梯的设计标准，有良好的操作界面和通用的外部接口，具有人性化设计，实现较好的外设兼容性。

同时在系统样机中完成的其它设计研究还包括，利用LED和蜂鸣器组成的简单电路实现电梯意外声光报警、利用数码管实现电梯楼层显示，利用4x4矩阵键盘实现电梯楼层按键选择，利用LED实现目的楼层的指示，利用MAX232串口电路实现串口通信，来监测电梯实时状态。

样机使用的主要器件包括低功耗、高性能的AT89S52单片机，低功耗、低成本、低电压的MAX232，双全桥电机专用驱动芯片L298，共阴极八段数码管，4x4矩阵键盘等，通过比较合理的设计使样机系统基本达到了任务要求，并具有很高的性价比，硬件设计简单可靠。

软件部分使用keil软件进行C语言程序编写，用proteus7软件进行仿真调试。

本设计中综合使用了数字电路、模拟电路、高频电路、单片机及编程、硬件逻辑描述、LABVIEW及其应用以及计算机辅助设计（CAD）等多方面的知识，软硬件结合，很好地完成了本科毕业设计任务要求并取得了良好的学习效果。

关键词：

AT89C52；单片机；电梯控制系统；C语言

Abstract

AT89S52microcontroller,thedesignofthemainuseoftheelevatorcontrolsystemdesign.Combinationofmicrocontrollerandmotordrivercircuitcompletedbasicliftingoftheelevatorfloorstop,thechoiceofdirection,timecontrolbasicfunctionssuchasresearchandinthemodeofthehostcomputerthroughtheLabVIEWremotemonitoringmethod,thesystemprototypedesignandproduction.

Thedesignwithreferencetothegenericelevatordesignstandards,gooduserinterfaceandacommonexternalinterface,withuser-friendlydesign,betterperipheralcompatibility.SystemprototypedesignresearchalsoincludestheuseofLEDandbuzzersimplecircuitelevatoraccidentsoundandlightalarm,useofdigitalcontrolelevatorfloordisplay4x4matrixkeyboardelevatorfloorbuttontoselecttheuseoflight-emittingdiodedestinationfloordisplay,theMAX232serialcircuitserialcommunicationtomonitorthestateoftheelevator.Prototypedeviceincludesalow-power,high-performancesingle-chipAT89S52,low-power,low-cost,low-voltageMAX232,queenbridgemotordriverchipL298Ncommoncathodeeightdigitaltube,4x4matrixkeyboard,bycomparingtherationaldesignoftheprototypesystembasicallyreachedthemissionrequirements,andhighlycost-effective,simpleandreliablehardwaredesign.ThesoftwarepartusingkeilsoftwarewritteninClanguageprogramming,debugusingproteus7softwaresimulation.Thedesignoftheintegrateduseofdigitalcircuits,analogcircuits,high-frequencycircuit,microcontrollerandprogramming,hardwarelogicdescription,LABVIEWanditsapplicationsaswellascomputer-aideddesign（CAD）andotheraspectsofknowledge,acombinationofhardwareandsoftware,welldonegraduatedesigntaskrequirementsandhaveachievedgoodlearningresults.

Keywords：

AT89C52;MCU;Elevatorcontrolsystem;Clanguage

引言1

1系统设计要求2

1.1系统功能2

1.2总体方案2

2设计论证3

2.1主控芯片选择3

2.2楼层显示模块4

2.3声光报警模块4

2.4电机模块5

2.5电机驱动模块5

3系统硬件设计6

3.1矩阵键盘电路6

3.2单片机和人机接口模块8

3.3显示电路设计9

3.4声光报警电路设计9

3.5电机驱动电路设计10

3.6目的楼层指示电路设计10

3.7串口通讯电路设计11

4系统软件主流程11

4.1软件整体设计11

4.2分析键值设计14

4.3电梯运行方向的判决14

5系统调试和功能测试16

5.1调试使用仪器16

5.2调试过程16

5.2.1硬件仿真16

5.2.2硬件调试17

5.2.3软件调试18

5.3功能测试18

6结论20

谢辞21

参考文献22

附录23

引言

随着现代高科技的发展，住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。

电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。

因此电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。

电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备,更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。

由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。

采用这种控制线路,存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。

从技术发展来看,这种系统将逐渐被淘汰。

而单片机价格相当便宜，由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级，因此这种实现方法可能是以后发展的一种趋势。

电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理技术、系统工程学等多科学和技术分支于一体的机电设备，它是建筑中永久垂直交通工具。

电梯作为生产生活的典型运载工具使用已十分普及，其控制信号类型多，关系复杂，要求的控制性能特别高。

随着经济的发展高层建筑越来越多对电梯的运行速度和控制性能也提出了更高的要求。

而在我国于八十年代初至九十年代初投入使用的电梯,其中绝大部分采用继电器—继电器阵列结构该结构体积大、接线复杂、噪音大、触点易磨损、故障率高、维护工作量大，已无法满足现代社会的需要。

自上世纪80年代以来，微机控制系统得到了极大的发展，现已深人到我国工农业生产的各个方方面面，随着电力电子技术和微电子技术的发展,使得以微机为核心的控制系统得到广泛应用。

尤其是单片机的开发与应用，其深度和广度越来越大。

微机应用于电梯控制系统，与传统的采用继电接触逻辑控制系统相比，具有很大优越性，一方面，它使整个系统的体积减小，可靠性提高，使用寿命延长；另一方面，它还简化了安装调试和维护维修的工作量，使整个电梯的运行成本降低。

更突出的优点是微机具有灵活的算术和逻辑运算功能，具有很强的通信和可扩展功能，实现更完善的自动控制。

常用的微机控制主要的有两种技术：

基于PLC控制和基于单片机控制两大技术。

可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。

但是由于PLC的针对性较强，每一台PLC都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。

而单片机价格相当便宜，也不像PLC那么有针对性，可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。

基于单片机控制的电梯可以大大的降低成本而且运行也较可靠，采用单片机来实现老式电梯控制系统的改造无疑是最佳方案。

由于单片机具有体积小、线路简单、无噪音、可靠性高、维护方便,是一种少投入、高回报的方案。

同时能方便实现多台电梯的群控,并通过通讯接口与楼宇自动化系统联接，实施对电梯的监控。

本设计主要利用包括低功耗、高性能的AT89S52单片机，低功耗、低成本、低电压的MAX232，双全桥电机专用驱动芯片L298，共阴极八段数码管，4x4矩阵键盘等器件，实现了电梯基本的升降、楼层停靠、方向选择、时间控制等基本功能等基本功能的电梯系统设计。

样机有良好的操作界面和通用的外部接口，实现较好的外设兼容性。

同时在系统样机中完成的其它设计研究还包括，利用LED和蜂鸣器组成的简单电路实现电梯意外声光报警、利用数码管实现电梯楼层显示，利用4x4矩阵键盘实现电梯楼层按键选择，利用LED实现目的楼层的显示，利用MAX232串口电路实现串口通信，来监测电梯状态等技术。

通过比较合理的设计使样机系统基本达到了任务要求，并具有很高的性价比硬件设计简单可靠。

软件部分使用keil软件进行C语言程序编写，用proteus7软件进行仿真调试。

本设计很好地完成了本科毕业设计任务要求并取得了良好的学习效果。

1系统设计要求

利用AT89S52单片机作为电梯控制系统的检测和控制核心，L298芯片驱动电机，键盘扫描，串口通信及外部接口电路设计电梯系统，实现基本的电梯升降功能，电梯内有意外声光报警，有远程监测系统，实现对电梯状态的远程监测等功能。

要求熟练掌握硬件电路设计制作，单片机和串口通信的使用，以及电路的调试及测试方法。

1.1系统功能

1、电梯停在1F或2F时，按3F按钮呼叫，电梯上升到3F才停止

2、电梯停在2F或3F时，按1F按钮呼叫，电梯下降到1F才停止

3、电梯停在1F时，按2F按钮呼叫，电梯上升到2F停止

4、电梯停在3F时，按2F按钮呼叫，电梯下降到2F停止

5、电梯停在1F时，2F和3F均有按钮呼叫，电梯先上升到2F，暂停2S，然后上升到3F停止

6、电梯停在3F时，2F和1F均有按钮呼叫，电梯先下降到2F，暂停2S，然后下降到1F停止

7、电梯上升或下降途中，任何反方向按钮呼叫均无效

8、每层楼之间到达时间应在12S内完成，否则电梯停机

9、电梯内有意外，有声光报警

10、有远程监测系统，实现对电梯状态的远程监测（选做）

1.2总体方案

图1.1是系统的总体框图，由图将系统分成七个部分分别设计论证。

第一部分是呼叫输入模块，采用4x4矩阵键盘，实现对楼层的呼叫信号。

第二部分是单片机和人机接口模块，包括括单片机最小系统、ISP下载口及电源；第三部分是显示模块，由共阴极八段数码管来实现楼层显示；第四部分是声光报警模块，由一个LED和一个蜂鸣器组成，实现电梯意外声光报警功能。

第五部分是电机驱动模块，由双全桥电机专用驱动芯片L298作为本系统所使用的直流电机的驱动；第六部分电梯模型，由直流电机和电梯机箱及外壳等组成，来展示本系统功能的具体实现；第七部分是系统软件，由单片机内的各模块驱动组成，包括数码管驱动、键盘驱动、发光二极管及蜂鸣器驱动、查询系统等。

图1.1系统总框图

2设计论证

上节已经将系统的主要组成列举，以下将除软件系统的部分进行分别论证。

软件系统将另行设计论证。

2.1主控芯片选择

方案一：

继电器控制方案。

电梯继电器控制的优点：

（1）所有控制功能及信号处理均有硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握；

（2）系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器；

（3）大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；

（4）多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已经形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。

电梯继电器控制的缺点：

（1）系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高；

（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；

（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；

（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；

（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大。

费用高；而且检查故障困难，费时费工。

总之，电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘客人员带来不便和惊扰。

且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。

所以目前电梯的继电器控制已经很少使用了。

方案二：

多片单片机控制方案。

这种方案是使用多片AT89S52单片机，其中一片作为核心控制控制芯片，另外设置了轿厢控制系统，控制轿厢的开关，每一层的控制系统分别由一个单片机来控制，然后通过单片机主机和从机之间串口通讯，实现电梯系统的控制。

这种方案的控制系统结构简单明了，每个系统实现起来比较容易，各个系统之间相互独立，便于安装、维护和修检。

所以根据功能要求需要选用6片AT89S52单片机就可以实现该电梯的功能。

不过单片机与单片机之间的通讯较多，同时还有单片机与PC机之间也存在通信，在目前通讯是个难点，可能导致最后不能实现或者虽然实现了但是电梯运行过程不够稳定，从而设计的系统没有稳定性。

方案三：

采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）器件作为控制中心，对整个系统的运作进行统一管理。

它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。

几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。

但这种方案要求平时有很多的知识积累和较强的专业水平，实现起来比较困难且器件较贵，不符合经济要求，而且电机的升降控制，运行时间的测量、显示、远程监测等还需要单片机的配合。

方案四：

用一片AT89S52单片机为主控制器的方案，即用一个AT89S52单片机控制所有的按键、数码管显示、电动机的转动、声光报警、目的楼层指示灯等，并实现与PC机进行串口通信，用LABVIEW在上位机上实现远程监测，同时AT89S52对以上所有的信号进行处理。

这种方案的控制系统相对复杂，有很大的工作量，只适用于较简单的电梯控制系统，而这次的设计的内容就是5层电梯控制系统，所以选用这种方案。

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。

同时结合专业知识，学习并运用过单片机，使用起来更加得心应手。

权衡以上方案的分析，采用方案四。

2.2楼层显示模块

模拟方案一：

采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关数据以及信息。

点阵式液晶显示器属于低功耗、低电压驱动、结构空间小、有效面积大、构造简单器件，不仅可以显示各种字符、数字，还可以显示各种图形、曲线和汉字,可以实现屏幕上下左右滚动，并且具有动画、翻转、闪烁灯功能，用途十分广泛，但相对于八段数码管来说，其价格较贵，驱动电路及编程复杂。

方案二：

采用传统的八段共阴极数码管（LED）显示电梯实时所到的楼层。

虽功耗大，但其软件驱动简单，硬件电路调试方便，价格便宜，亮度大，显示清晰，能满足本设计的要求。

方案三：

采用LED点阵显示模块。

LED点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种。

静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。

但是LED点阵显示价格相对高，编程控制比较复杂，硬件电路也较麻烦。

以上两种方案中，选择方案二。

2.3声光报警模块

本作方案一：

采用美国ISD公司的2590语音芯片，该语音芯片录放时间为90秒。

ISD2500系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。

它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K，所以录放时间长；有10个地址输入端，寻址能力可达1024位；最多能分600段；设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。

2590语音虽然能提高强大的功能，但是芯片的硬件驱动电路相对复杂，软件驱动电路相对麻烦，价格较贵。

方案二：

采用蜂鸣提示音提示当轿箱内有意外情况时，蜂鸣器响，提示乘客有意外情况。

其软件驱动（只需要一个I/O口控制）、硬件电路调试非常简单方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。

以上两种方案中，选择方案二。

2.4电机模块

本系方案一：

采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机无需编码器等反馈器件即可实现转速与转角（即位置）的控制（即开环控制），这是步进电机最大的特点。

步进电机可实现精确定位控制，广泛应用于位移精确定位系统中，但是控制相对于直流电机较复杂。

步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。

常用的步进电机每转一步，角度转1.8°，在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。

但步进电机的旋转是一个高速重复的“启—停—启—停”过程，所以转动平滑性不如直流电机。

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平衡状态，通过AT89S52单片机控制电流的方向可以实现电机的正反转。

直流电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用到。

同时，直流电机的驱动电路相对步进电机来说相对简单，软件驱动更加容易编写。

此题目中电机要带动的负载，对升降精度要求不是很高，所以采用方案二。

2.5电机驱动模块

方案一：

小功率驱动电路可以采用如图2.1所示的H桥开关电路。

UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。

开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。

当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管（BG1和BG3）的基极电平偏移问题。

图2.2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。

但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。

       图2.1H桥开关电路（Ⅰ）               图2.2H桥开关电路（Ⅱ）

另外虽然H组成的电路成本较低，但是硬件电路复杂。

方案二：

采用集成电机驱动控制芯片L298。

L298是一种高电压、大电流电机驱动芯片。

主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298芯片驱动电机，该芯片内部包含有两个集成H桥，能同时驱动两路5到24伏范围电源的直流电机，且电路及控制简单。

由于本设计只有一个直流电机，理论上已改用方案一，但是实际工作中，方案一的H桥由于涉及到功率三极管，其组成的电路带动电机的过程中很容易发热烧坏，所以本设计采用方案二。

3系统硬件设计

3.1矩阵键盘电路

矩阵键盘电路如图3.1所示：

由于输入电路所需按键比较多，AT89S52单片机的I/O接口有限，为了节省AT89S52单片机的I/O口，故选用行列式矩阵键盘。

本设计采用的是4×4矩阵键盘，用8个I/O口控制16个键盘，分为电梯外部按钮跟电梯内部按钮两部分。

电路如图3.1所示，P20-P27是接单片机的P2端口，单片机采用行和列扫描法来判别这16个按键中哪个键按下，并将其信号进行储存，然后根据每个按键设置的功能来通过AT89S52单片机控制电机的正转、反转及停止，从而控制电梯的运行。

下面将每个按键的功能说明一下：

图3.1模拟调理电路

S2:

一楼向上呼叫按键，按下此按键表示一楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S3:

二楼向上呼叫按键，按下此按键表示二楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S4:

三楼向上呼叫按键，按下此按键表示三楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S5:

四楼向上呼叫按键，按下此按键表示四楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S6：

二楼向下呼叫按键，按下此按键表示二楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S7：

三楼向下呼叫按键，按下此按键表示三楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S8：

四楼向下呼叫按键，按下此按键表示四楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以