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电梯系统毕业设计
摘要
本文介绍了美国INTEL公司MCS-51系列单片机在多层电梯系统设计中的应用。
本文通过查询相关资料及对系统设计要求和电梯定向逻辑的分析，结合MCS-51的使用特点提出了一套系统实现的软、硬件方案，并通过MCS-51开发装置实现了该设计方案的基本功能，对电梯系统设计进行了一种经济、有效的尝试。
关键词：
电梯桥箱运行控制规则定向逻辑服务队列源层目标层上行请求（响应）下行请求（响应）
第一章引言3
第二章系统设计5
§2.1设计要求5
§2.2设计方案5
§2.2.1硬件实现方案5
§2.2.2软件实现方案8
§2.3主要技术分析9
§2.3.1键盘、显示器方案9
§2.3.2电梯运行控制规则分析13
第三章系统实现16
§3.1MCS-51硬件资源16
§3.1.1中断系统与定时器/计数器16
§3.1.2并行I/O口及其基本应用20
§3.1.3串行口的结构及工作方式23
§3.2硬件实现25
§3.3软件实现26
§3.3.1功能模块介绍26
§3.3.2软件实现说明34
第四章总结37
§4.1心得体会37
§4.2系统改进38
参考文献40
附录41
第一章引言
电梯在国民经济和社会生活中有着广泛的应用。
由于可编程控制器（PLC）构成的系统具有故障率低，可靠性高，维修方便等优点，所以实际的电梯控制多采用PLC实现。
本文旨在根据实验条件和我们所学知识，在分析电梯逻辑的前提下，进行更为经济而有益的尝试，即用MCS-51开发装置“TDN86/51二合一微机教学实验系统”（以下简称TDN86/51系统）实现电梯的运行规则。
电梯根据外部呼叫以及自身控制规律等运行，实际上是一个人机交互的控制系统。
而且电梯外部呼叫是随机的，单纯用顺序控制或逻辑控制难以满足控制要求，因此多采用随机逻辑方式控制。
MCS-51把微型计算机的主要部件都集成在了一块芯片上，使得数据传送距离大大缩短，可靠性高，运行速度快。
由于属于芯片化的微型计算机，各功能部件在芯片中的布局和结构达最优化，抗干扰能力加强，工作亦相对稳定。
因此在工作控制系统中，使用单片机是最理想的选择。
单片机属于典型的嵌入式系统，所以它是低端控制系统最佳器件。
另外，MCS-51的开发环境要求较低，软件资源丰富，介绍其功能特性的书籍和开发软件随处可取，只需配备一台PC机（对电脑的配置基本上无要求），一台仿真编程器即可实现产品开发，早期的开发软件多使用DOS版本，随着Windows视窗软件的普及，现在几乎都使用Windows版本，并且软件种类繁多，琳琅满目。
在众多的单片机品种中，MCS-51的环境资源是最丰富的，这给MCS-51用户带来了极大的便利。
第二章系统设计
2.1设计要求
本系统要求使用MCS-51的软硬件实际实现一个多层电梯的运行逻辑。
设计中要求电梯以每4秒升或降一层的速度运行，到达指定楼层，电梯开门5秒后自动关闭，并且与实际电梯系统一样，正确显示电梯当前运行状态、电梯当前所处楼层、电梯到达指示，记录用户的响应请求、自动判断电梯运行方向等。
2.2设计方案
2.2.1硬件实现方案
一、功能模块
根据系统设计要求以及51开发装置的硬件资源，我们考虑系统硬件可由键盘和显示两大模块组成，如图2.1所示。
通过这两大模块，我们可以模拟电梯系统用户请求和响应请求的全过程。
键盘模块
显示模块
图2.1
其中，键盘模块主要实现各楼层用户信号的输入，该信号包括两类：
一类是电梯外用户的上、下行请求信号，对应图2.1中用户请求Ⅰ模块，一类是电梯桥箱内用户的目标层请求信号，对应图2.1中用户请求Ⅱ模块。
显示方式也有两种，一种是数码管显示，一种是发光二极管显示。
其中，数码管可用于显示用户所在楼层、是上行还是下行请求、电梯当前所处楼层、电梯运行目标楼层等，发光二极管可用于指示电梯的某种状态，如上升、下降、暂停、开门、关门等。
二、各类信号的设置与安排
根据对系统功能和开发装置使用的分析，我们对各类输入输出信号作如下的设置与安排：
（一）、输入信号：
设置电梯外用户的上、下行请求信号、电梯桥箱内用户的目标层请求信号；输出信号：
电梯当前楼层指示信号、用户请求信号、电梯运行状态指示信号（上升、下降、暂停、开门、关门）。
（二）、根据开发装置的配置，我们拟实现一个五层电梯系统的设计。
TND86/51系统2×4键盘的配置如图2.2所示。
“4”/五楼下行
“5”/二楼下行
“6”/三楼下行
“7”/四楼下行
“0”/一楼上行
“1”/二楼上行
“2”/三楼上行
“3”/四楼上行
图2.2
图示说明如下：
1.键值“0”、“4”分别用于一楼和顶（五）楼用户的上行请求和下行请求；
2.键值“1”、“5”分别用于二楼的上行请求和下行请求；
3.键值“2”、“6”分别用于三楼的上行请求和下行请求；
4.键值“3”、“7”分别用于四楼的上行请求和下行请求；
（三）、显示方案
TDN86/51开发装置提供四个数码管和八个发光二极的显示。
其中，设计四个数码管从右到左分别显示：
电梯当前楼层、桥箱内用户的目标层（只显示最近请求）、呼叫用户所在楼层、上行或下行请求标志（“1”表示上行请求，“0”表示下行请求）。
发光二极管（8个）用于指示电梯当前状态、上升、下降、暂停、开门或关门。
2.2.2软件实现方案
软件实现方面，我们需对电梯运行控制规则进行充分分析。
如第一章引言中所叙，电梯系统应采取随机逻辑方式进行控制，那么，如何合理而有效地实现随机逻辑控制正是我们软件设计方案所要解决的问题，为此，我们设计了一个服务队列的结构。
该服务队列记录了电梯内外的所有请求信号，每个请求信号保留到执行以后清除。
程序根据该队列提供的信息，可实现按照电梯运行的控制规则对信号进行分批响应。
队列结构设计如下：
上、下楼标志
源层（S）
目标层（D）
随机逻辑的控制实现将在第三章的软件实现中具体介绍。
2.3主要技术分析
2.3.1键盘、显示器方案
键盘、显示器的设计实现主要有两种方式：
一种是并行口扩展的键盘、显示器，一种是串行口扩展的键盘、显示器。
其消抖动和判断键值都要依靠软件实现。
下面对这两种实现方式分别进行介绍。
一、并行口扩展的键盘、显示器
并行口扩展的键盘可以有两种形式，一种是矩阵式键盘，矩阵式键盘也称为行列式键盘。
行线通过上拉电阻接到＋5V电源上，列线上逐列给低电平，如果有键按下，相对应的行线就能够接收到低电平，据此就可以判断出相应的键值。
采用矩阵式键盘，可以节约系统I/O口线。
矩阵式键盘是我们比较常用的一种键盘。
还有一种形式是每个按键对应一个I/O口，按键一端接高电平，一端接低电平，平时I/O口接高电平，有键按下时，相应的I/O口输入为低电平，据此就可以判断出相应的键值。
显然，这种方式占用的I/O口线较多，当按键数很多时就不可行了，其优点是键值判断简单。
并行口扩展的显示器是动态显示，即一位一位轮流点亮各位的方法（扫描）。
二、串行口扩展的键盘、显示器
利用串行口方式0（串行口的工作方式将在下章介绍）可以同时扩展矩阵式键盘和数码管显示器，并节约硬件资源，即可以用这种方式将空闲的串行口充分利用起来，将节省下来的并行口（或可编程芯片8155、8255）用到更需要的地方。
在使用串行口扩展键盘时，要注意扩展键盘的个数不宜多，当扩展键盘的个数较多时，所用移位寄存器74LS164芯片增多，功耗增加，所占用的口线也会增加。
串行口扩展的显示特点是静态显示。
静态显示的特点是亮度大，数码显示不闪烁，且CPU不必频繁地为显示服务，软件设计比较简单，从而使单片机有更多的时间处理其他事务。
三、TDN86/51系统的单元电路
TDN86/51系统中单片机实验涉及到的8155芯片已形成单元电路，其引脚全部以排针形式引出供实验使用，其线路图如图2.3所示：
图2.3
TDN86/51系统中键盘及LED显示实验单元由四个共阴数码管、两行四列键盘和LED驱动器电路构成，其线路图如图2.4所示：
图2.4
一个好的硬件设计应体现为在动作可靠的前提下硬件最少。
因此，本着硬件尽量简单的原则，我们利用这两个单元电路构成8155扩展的键盘、显示器，循环扫描判断键值、数码管动态显示。
实现电路如图2.5所示。
其中，画圈的线需要用导线或排针在线路板上连接，其它的线由于是现成的单元电路，在板子上均已连接好。
图2.5
另外，显示模块中还有发光二极管显示部分，这部分电路我们通过串行口实现，如图2.6所示，图中用74LS164作为串入并出移位寄存器，输出口接到发光二极管上。
图2.6
2.3.2电梯运行控制规则分析
一、电梯定向逻辑
电梯的定向是根据电梯的上行请求信号、下行请求信号、电梯轿箱内请求信号、电梯当前所处位置等信号来确定电梯继续运行的方向。
电梯的定向是电梯控制中的重要逻辑。
电梯的方向只有上升、下降两个方向，但电梯也可能由于没有任何的上升或者下降请求信号而处于停止状态。
在电梯的方向处理过程中，电梯只能在上升状态和停止状态或者下降状态与停止之间转换，例如当电梯由上升状态转为下降状态时必须先由上升状态转换为停止状态以后再由停止状态转为下降状态。
这样的处理方式对电梯的运行是很有意义的。
以往的电梯控制系统中，当电梯响应完某个方向上的所有信号后，若所有剩余的信号都是反方向的，电梯立刻改变方向，此时，在原方向前方若出现新的呼叫信号，电梯将不会立刻应答，只是记忆该呼叫信号，而去响应换向后的方向上的呼叫信号，这样既不符合电梯选层的优先原则，又不能有效的节约能源。
采用图2.8所示的状态转换方式，电梯在响应完某个方向上的所有信号后并不是立刻反向，而是保持该状态等待一段时间后进入停止状态，然后再反向响应相反方向的呼叫信号。
对保持时间进行合理的选择，可以做到既不会使得电梯的换向过程显得迟钝，又能有效的响应同方向的新呼叫信号。
图2.8
二、电梯运行控制规则
根据电梯定向逻辑，设定具体运行控制规则如下：
（一）、电梯处于上升状态
在该状态下，电梯仅响应当前楼层以上位置的上行请求信号、电梯轿箱内当前楼层以上的目标层请求信号，依次执行，直到最后一个请求执行完毕；然后经过一段定时时间后进入暂停状态。
（二）、电梯处于下降状态
在该状态下，电梯仅响应当前楼层以下位置的下行请求信号、电梯轿箱内当前楼层以下的目标层请求信号，依次执行，直到最后一个请求执行完毕；然后经过一段定时时间后进入暂停状态。
（三）、电梯处于暂停状态
在该状态下，当前楼层之上有上、下行的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前楼层的上面则置电梯为上升状态；相反，若在当前楼层之下有上、下行的请求信号或者电梯轿箱内楼层请求信号在当前楼层的下面则置电梯为下降状态。
即假设电梯当前楼层为A，电梯运行的目标层为B，则当
A＜B电梯上升状态
A＞B电梯下降状态
A＝B电梯开门
第三章系统实现
3.1MCS-51硬件资源
3.1.1中断系统与定时器/计数器
一、中断系统
中断是指当CPU正在执行程序的过程中，如有外部事件请求CPU处理时，CPU暂时中止当前的执行程序，转入必要的处理程序，并在处理完毕后，立即返回到原来被中止程序的间断处继续执行。
在单片机应用系统中，为了提高CPU的效率，多采用这种中断方式。
为了实现中断功能而配置的软件与硬件，称为中断系统。
中断源是中断申请的来源。
MCS-51单片机有五个中断源，即两个外部中断INT0、INT1；两个片内定时器/计数器T0、T1的溢出中断源；一个串行口中断。
见表3-1。
表3-1MCS-51单片机中断系统表
中断源
说明
外部中断INT0
从P3.2引脚引入的外部中断申请
定时器T0中断
定时器T0溢出发出中断申请
外部中断INT1
从P3.3引脚引入的外部中断申请
定时器T1中断
定时器T1溢出发出中断申请
串行口中断
一次串行发送/接收完成后，发出中断申请
8051通过对四个特殊功能寄存器TCON、SCON、IE和IP的设置来进行中断允许、中断申请方式和中断优先级的控制。
其中，TCON是定时器/计数器及外部中断控制寄存器，SCON是串行口控制寄存器，IE是中断允许控制寄存器，IP是中断优先级控制寄存器。
二、定时器/计数器
8051单片机内有两个16位定时器/计数器T0和T1，它们都有定时和对外部事件计数的功能。
（一）、定时器/计数器的结构
定时器/计数器T0和T1都是16位加1计数器。
其中T0由两个8位特殊功能寄存器TH0和TL0构成，T1由两个8位特殊功能寄存器TH1和TL1构成。
每个定时器都可由软件设置为定时功能或计数功能。
定时器/计数器T0的结构示意图如图3.1所示。
定时器/计数器T1结构与T0相同。
定时
外部计数
图3.1定时器T0结构示意图
当作为定时器使用时，T0（T1）对单片机机器周期进行计数，计数器计满溢出时，发出中断申请信号。
定时时间的长短与系统时钟以及定时器初值有关。
当作为计数器使用时，通过引脚P3.4（P3.5）对外部输入脉冲计数。
定时器/计数器T0（T1）启动运行后，会按设定的工作方式独立进行计数，不再占用CPU时间。
当计数器T0（T1）计满溢出时，TF0（TF1）置1，向CPU发出中断请求信号。
定时器/计数器T0、T1由两个寄存器TMOD和TCON来设定其工作方式及工作状态。
TMOD的字节地址为89H，用于设置T0和T1的工作方式，TMOD不能按位寻址。
低半个字节用于设置T0，高半字节用于设置T1。
各位的定义格式如下：
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
用于设置T1
用于设置T0
定时器/计数器控制寄存器TCON字节地址为88H，每位名称及位地址如下，TCON除可进行字节寻址外，还可进行寻址操作。
8051复位时，TCON的所有位被清零。
TCON
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
位地址
8FH
8EH
8DH
8CH
8BH
8AH
89H
88H
（二）、定时器/计数器的工作方式
对于8051单片机的定时器/计数器，可通过软件对寄存器TMOD中的控制位C/T进行设置，选择定时或计数功能。
对M1、M0两位的设置可在每种功能下选取4种工作方式，即工作方式0、方式1、方式2和方式3。
8051定时器/计数器T0（T1）为16位计数器，其4种工作方式特点见表3.2。
表3.2定时器/计数器工作方式及特点
工作方式
定时器长度（位）
最大定时时间/ms（系统晶振6MHz）
说明（X=0，1）
方式0
13
16
13位定时器,使用THX（8位）、TLX（低5位）
方式1
16
131
16位定时器，使用THX（8位）、TLX（8位）
方式2
8
0.5
自装初值方式。
THX为源，TLX为计数器，TLX溢出后，THX送入TLX
方式3
8
0.5
2个独立的8位定时器。
T1无工作方式3
3.1.2并行I/O口及其基本应用
一、P0～P3口的功能
MCS-51单片机有32条I/O口线，分为4个8位双向端口P0、P1、P2、P3。
每个端口均由锁存器、输出驱动电路和输入缓冲器组成，每一组I/O口线均能独立的进行输入输出操作，但4个端口的结构不尽相同，因此它们的功能和用途也不相同。
（1）P0口P0口是双向I/O口，可作为通用I/O口使用，也可以作为数据/地址线使用。
（2）P1口P1口是一个准双向I/O口，它只能作为通用I/O口使用，没有第二功能。
（3）P2口P2口是一个准双向I/O口。
当系统有外部扩展存储器或I/O口时，P2口作为地址高8位信号线，此时P2口只能作地址线使用，而不能做其它用。
（4）P3口P3口是一个准双向I/O口，除可作为通用I/O口使用外，还具有第二功能
MCS-51单片机中P0、P2和P3口具有第二功能，而P1口不具有第二功能。
P0口是三态输出，其每个管脚均可以驱动8个TTL，而P1、P2和P3口的输出级均有上拉电阻，每个管脚可驱动4个TTL。
对于每个并行口，如果作为一般的输入输出口，均可定义一部分管脚为输入脚，另一部分管脚为输出脚，没有使用的管脚可以悬空。
当系统复位后，P0、P1、P2和P3口均输出高电平。
二、8155的应用
8155芯片内包含有256B的RAM，两个可编程的8位并行口PA和PB，一个可编程的6位并行口PC，以及一14位减法定时器/计数器。
其引脚图如图3.2所示：
图3.28155引脚图
CPU可对8155的RAM单元和I/O口寻址，当IO/M=0时，CPU对8155的256B的RAM寻址；当IO/M=1时，选中8155片内3个I/O接口及命令/状态寄存器和定时/计数器，见表3.3。
表3.38155片内I/O口及命令字地址
地址
选中寄存器
A7
A6
A5
A4
A3
A2
A1
A0
×
×
×
×
×
0
0
0
命令/状态寄存器
×
×
×
×
×
0
0
1
A口（PA0—PA7）
×
×
×
×
×
0
1
0
B口（PB0—PB7）
×
×
×
×
×
0
1
1
C口（PCO—PC5）
×
×
×
×
×
1
0
0
定时器/计数器低8位寄存器
×
×
×
×
×
1
0
1
定时器高6位及2位方式字寄存器
8155内部的命令寄存器和状态寄存器使用同一个端口地址。
命令寄存器只能写入不能读出，状态寄存器只能读出不能写入。
8155I/O口的工作方式由CPU写入寄存器的控制命令字决定。
8155一般应用硬件电路如图3.3所示。
根据该电路图8155的命令字端口地址为7F00H，A口地址为7F01H，B口地址为7F02H，C口地址为7F03H。
3.1.3串行口的结构及工作方式
一、单片机串行口的结构
MCS—51单片机由两个独立的接收缓冲寄存器、发送缓冲寄存器SBUF、发送控制器、接收控制器、输入移位寄存器、输出移位寄存器和输出控制门、波特率发生器等组成。
与串行口有关的特殊功能寄存器有SBUF、SCON、PCON，与串行口中断有关的特殊功能寄存器有IE、IP。
SUBF是两个在物理上独立的接收、发送缓冲器，可同时发送、接收数据。
两个缓冲器共用一个字节地址99H，可通过指令对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。
执行指令MOVSBUF，X，可完成写串行口缓冲器，启动串行口发送功能。
执行指令MOVY，SUBF，可完成读串行口缓冲器，把接受到的8位串行数据读入功能。
X可以是累加器A、寄存器Rn、间接寻址寄存器@Ri、直接地址direct或立即数#data。
Y可以是累加器A、寄存器Rn、间接寻址寄存器@Ri或直接地址direct.
SCON是可以进行位寻址的8位控制寄存器，地址为98H。
SCON各位的定义如下：
SCON.7
.6
.5
.4
.3
.2
.1
SCON.0
SM0
SM1
SM2
REN
TB8
RB8
T1
RI
二、串行口的四种工作方式
单片机串行口有4种工作方式，用特殊功能寄存器SCON中的SM0、SM1两位进行设定，见表3.4
表3.4SM0、SM1确定的4种工作方式
SM0
SM1
工作方式
功能
波特率
0
0
0
8位移位寄存器方式（用于I/O扩展）
fOSC/12
0
1
1
8位异步串行通信（每侦发送10位）
可变（T1溢出率×2SMOD/32）
1
0
2
9位异步串行通信（每侦发送11位）
fOSC/64或fOSC/32
1
1
3
9位异步串行通信（每侦发送11位）
可变（T1溢出率×2SMOD/32）
3.2硬件实现
系统硬件整体电路如图3.3所示，其主要电路的工作原理分述如下：
图3.3完整电路
一、键盘显示电路
其具体工作原理如下：
设置PA0～PA3为输出口，PC0、PC1为输入口，平时PC0、PC1接至高电平，输入信号均为“1”，当有键按下、需要判断键值时，PA0～PA3循环送出信号“0”，键值按下的地方同时接通了某个PA输出口和PC输入口，即使得PC0或PC1输入为低电平。
综合PA0～PA3和PC0、PC1值就可判断出键值。
二、数码管动态显示
其工作原理为：
PA口从左到右依次选通四个数码管的显示，由于是共阴极数码管，所以PA0～PA3应依次为“0”，其余为“1”，配合PB口送出需要显示的内容，该内容由软件转换成共阴数码管的显示编码，动态地显示出正确的系统信息。
3.3软件实现
3.3.1功能模块介绍
根据软件的功能要求，我们将软件的实现划分为五大模块，现分别进行说明。
其中：
●设电梯当前层为A，电梯运行目的层为B
●设置电梯状态标志：
暂停、上行响应、下行响应、上升状态、下降状态
●服务队列结构：
上下行请求标志、用户所在层（源层S）、用户请求层（目标层D）
一、主程序：
系统初始化时，设电梯为暂停状态，处于第一层，并清空服务队列；当用户请求来时，首先将该请求送服务队列，然后根据用户请求的类型，将电梯状态标志由暂停态转置为上行响应或下行响应状态；最后将用户所在层与电梯当前层进行比较，确定电梯的运行方向，转相应子程序处理。
平时，当电梯处于暂停状态时，根据服务队列中记忆的用户请求或当前请求及电梯当前位置决定电梯是转入上升状态还是下降状态。
其流程图如图3.4所示。
图3.4主程序流程图
二、电梯上升子程序
电梯上升以4秒计一个楼层，上升过程中可响应当前楼层以上位置的上行请求信号、电梯轿箱内当前楼层以上的目标层请求信号，依次执行，直到最后一个请求执行完毕。
其流程图如图3.5所示。
图3.5上升子程序流程图
三、电梯下降子程序
电梯下降以4秒计一个楼层，下降过程中可响应当前楼层以下位置的下行请求信号、电梯轿箱内当前楼层以下的目标层请求信号，依次执行，直到最后一个请求执行完毕。
其流程图如图3.6所示。
图3.6下降子程序流程图
四、电梯开门子程序
电梯开门有两种情况，一种是响应用户的呼叫请求，一种是到达用户指定的目标层。
若是响应用户的请求，则将该请求送进服务队列；若是到达指定的目标层，则表明该项请求执行完毕，需将其从服务队列中删除。
其流程图如图3.7所示。
图3.7开门子程序流程图
五、取目的层子程序
取目的层子程序是实现电梯运行规则和定向逻辑的关键。
在电梯上升和下降时都需要调用该子程序以实现电梯运行过程中的响应及状态转换，即上升过程中可响应当前楼层以上位置的上行请求信号、电梯轿箱内当前楼层以上的目标层请求信号，下降过程中可响应当前楼层以下位置的下行请求信号、电梯轿箱内当前楼层以下的目标层请求信号。
所有上行请求或下行请求执行完，系统转入暂停状态；在暂停态转为运行态时，本系统实现的原则是取上行请求的最低层或下行请求的最高层。
其流程图如图3.8所示，其中指针指的是队列指针，
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