51双核控制的电梯系统设计.docx

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51双核控制的电梯系统设计

摘要

本组从学习电梯控制的角度出发，运用了AT8952芯片进行设计制作的模拟电梯原理图，并本次设计旨在利用双芯片驱动，并实现了两块芯片的顺畅通信，一块芯片来制作电梯升降，一块芯片采用触屏友好交互界面，语音系统提示相关信息的系统设计。

熟悉掌握好电梯的功能原理及所起的作用，按照选题利用所选芯片的特点来进行绘制CAD原理图与PCB板图，使得达到电梯升降的作用。

关键词：

双芯片，89S52，电梯运行控制，触屏交互界面，电梯运行控制

绪论

电梯作为高层建筑中的重要交通工具，它与一般交通工具不同。

电梯运行的安全舒适、高效、节能等都是对电梯本身提出的严格要求。

良好的电梯控制技术是电梯高质量运行的重要保证。

电梯系统是机—电一体化的，运用于高层建筑的复杂运输设备。

它涉及到多个方面，包括：

机械工程、电子技术、电力电子技术、电机与拖动理论、自动控制理论、电力拖动自动控制系统、微机技术、MCU技术和土建工程等多个科学领域。

目前电梯的生产情况和使用数量成为一个国家现代化程度的标志之一。

1.1电梯的起源和发展

电梯是垂直运行的电梯（通常也简称为电梯）、倾斜方向运行的自动扶梯、倾斜或水平方向运行的自动人行道的总称。

它是高层建筑不可缺少的垂直交通工具。

有了电梯，摩天大楼才得以崛起，现代城市才得以长高。

据估计，截止2002年，全球在用电梯约635万台。

电梯已成为人类现代生活中广泛使用的人员运输工具。

人们对电梯安全性、高效性、舒适性的不断追求推动了电梯技术的进步。

很久以前，人们就使用一些原始的升降工具来运送人和货物。

公元前1100年左右，我国古人发明的辘轳，它采用卷筒的回转运动完成升降动作，增加提升物品的高度。

这可以看作是一个原始的电梯装置了。

公元前236年，古希腊数学家Archimedes设计制作了由绞车和滑轮组构成的起重装置。

这些升降装置的驱动力一般是人力或畜力。

19世纪初，在欧美开始使用蒸汽机作为升降工具的动力。

1845年，威廉汤姆逊开始研制出1台液压驱动的升降机，其液压驱动的介质是水。

尽管升降工具被一代代富有革命精神的工程师们进行不断改进，然而被工业界普遍认可的升降机仍然未出现，直到1852年世界第1台安全升降机诞生。

1889年，升降机开始采用电力驱动，真正出现了电梯。

电梯在驱动控制技术方面的发展经历了直流电机驱动控制、交流单速电机驱动控制、交流双速电机控制、直流有齿轮、无齿轮调速驱动控制、交流调压调速驱动控制、交流变压变频调速驱动控制、交流永磁同步电机变频调速驱动控制等阶段。

19世纪末，采用沃德-伦纳德系统驱动控制的直流电梯出现，使电梯的运行性能明显改善。

20世纪初，开始出现交流感应电动机驱动的电梯，后来的槽轮式（即曳引式）驱动的电梯代替了鼓轮卷筒式驱动的电梯，为长行程和具有高度安全性的现代电梯奠定了基础。

20世纪上半叶，直流调速系统在中高速电梯中占有较大比例。

1967年，晶闸管用于电梯驱动，交流调压调速驱动控制的电梯出现。

1983年，变压变频控制的电梯出现，由于其良好的调速性能、舒适感和节能等特点迅速成为电梯的主流产品。

1996年，交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯出现，电梯技术又一次革新。

由于曳引机和控制柜置于井道中，省去了独立机房，节约了建筑成本，增加了大楼的有效面积，提高了大楼建筑美学的设计自由度。

这种电梯还具有节能、无油污染、免维护和安全性高等特点。

电梯在操纵控制方式方面的发展经历了手柄开关操纵、按纽控制、信号控制、集选控制等过程，对于多台电梯出现了并联控制、智能群控。

如今，世界各国的电梯公司还在不断地进行电梯新品的研发，维修保养服务系统的完善，力求满足人们的对现代建筑交通日益增长的需求。

1887年，美国奥梯斯公司制造出世界上第一台电梯，这是一台以直流电动机传动的电梯。

它被装设在1889年纽约德玛利斯大厦。

这座古老的电梯，每分钟只能走10米左右。

当初设计的电梯纯粹是为了省力。

1900年，以交流电动机传动的电梯开始问世。

1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采用全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。

随着超高层建筑的出现，电梯的设计、工艺不断得到提高，电梯的品种也逐渐增多。

1900年，美国奥梯斯公司制成了世界上第一台电动扶梯。

1950年又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯，使乘客能在电梯运行中清楚地眺望四周的景色。

1.2电梯的组成

1．曳引系统

曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。

曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

2.导向系统

导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。

导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

3.轿厢

轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。

轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

4.门系统

门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。

门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

5.重量平衡系统

重量平衡系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。

重量平衡系统主要由对重和重量补偿装置组成。

6.电力拖动系统

电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。

电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

7.电气控制系统

电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。

电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏（柜），平层装置，选层器等组成。

8.安全保护系统

保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。

安全保护系统主要由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。

1.3我国电梯的情况

据统计，我国在使用的电梯约34.6万多台，每年还以约5～6万台的速度增长。

电梯服务中国已经有100多年的历史了，而我国在使用电梯数量的快速增长却是发生在改革开放以后，目前我国电梯技术水平已经与世界同步。

100多年来，我国电梯行业的发展经历以下几个阶段：

（1）对进口电梯的销售、安装、维护阶段（1900～1949年），这一阶段我国电梯拥有数量仅约1100多台；

（2）独立自主、艰苦研制、生产阶段（1950～1979年），这一阶段我国共生产安装电梯约1万台；

（3）建立三资企业，行业快速发展阶段（自1980年至今），这一阶段我国共生产安装电梯约40万台。

目前，我国已经成为世界最大的新装电梯市场和最大的电梯生产国。

并且还有着巨大市场和发展潜力空间。

2002年，中国电梯行业电梯年产量首次突破6万台。

中国电梯行业自改革开放以来第3次发展浪潮正在掀起。

第1次出现在1986～1988年，当时适逢我国高层建筑业的大规模浪潮的第1次兴起。

第2次出现在1995～1997年。

应该说，随着我国经济的增长，电梯市场一直保持着旺盛的需求。

随着我国经济平稳持续的发展，尤其是住宅产业作为国民经济新增长点的提出，为电梯业的发展提供了良好的机遇。

今后几年，我国将年建住宅3.5亿平方米，公建项目1.2亿平方米。

随着城市向大型化、高层化的发展，我国每年将需要电梯在40000台以上，5年后将达到50000台，如此大的市场需求，将是电梯业再创辉煌的最好契机。

2方案选择及论证

2.1主控单片机的选择

方案一：

基于STM32的主控系统

STM32系列32位闪存微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核，该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求。

Cortex-M3在系统结构上的增强，让STM32受益无穷；Thumb-2®指令集带来了更高的指令效率和更强的性能；通过紧耦合的嵌套矢量中断控制器，对中断事件的响应比以往更迅速；所有这些又都融入了业界领先的功耗水准。

    在Cortex-M3内核开发期间，意法半导体是ARM公司的一个主要合作伙伴，现在也是第一个领先的MCU供应商宣布基于这个核的产品面世。

    STM32系列给MCU用户带来了前所未有的自由空间，提供了全新的32位产品选项，结合了高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时保持了高集成度和易于开发的优势。

STM32控制器的主要优点：

使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核。

●哈佛结构。

●1.25DMIPS/MHz和0.19mW/MHz。

●Thumb-2指令集以16位的代码密度带来了32位的性能。

●单周期乘法指令和硬件除法指令。

●内置了快速的中断控制器，提供了优越的实时特性，中断间的延迟时间降到只需6个CPU周期，从低功耗模式唤醒的时间也只需6个CPU周期。

●与ARM7TDMI®相比运行速度最多可快35%且代码最多可节省45%。

但是，与本次项目中的需求相结合，虽然STM32可以得到很好的满足，但是在其编程复杂度和成本方面都具有极大的劣势。

方案二：

基于89S52的主控系统

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

更重要的是，相对于本次项目，其强大的功能已经可以完全满足要求，而且其便捷的编程方法、低廉的价格，更是其他单片机所无法比拟的优势。

虽然其I/O口较少，但只要通过两块89S52就完全可以解决这个问题。

所以，综合多方面的情况考虑，我们决定采用双芯驱动电梯系统。

2.2系统硬件电路的设计

根据系统设计功能的要求，初步确定系统由6大模块组成：

1）核心控制单元AT89S52模块；2）语音芯片模块；3）触屏控制模块；4）楼层控制模块；5）电机控制模块；6）平层检测模块；

其中，触屏控制模块和楼层控制模块共同组成了内招外选模块。

系统原理框图如图2-1所示。

图2-1系统原理框图

2.3核心控制单元——AT89S52模块

2.3.1AT89S52概述

AT89S52单片机是一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。

该器件采用Atmel公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的80C51指令集兼容。

片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或用同用的非易失性存储器改写。

通过把通用的8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上，AT89S52便成为一个高效的微型计算机。

它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。

其结构框图如图2-3-1所示。

图2-3-1AT89S52结构框图

2.3.2AT89S52单片机特性

AT89S52的主要特性如下：

兼容MCS51产品

8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存

4.0V到5.5V的工作电源范围

全静态工作：

0Hz～24MHz

3级程序存储器加密256字节内部RAM

32条可编程I/O线3个16位定时器/计数器

8个中断源

UART串行通道

低功耗空闲方式和掉电方式

通过中断终止掉电方式

看门狗定时器

双数据指针

灵活的在线编程（字节和页模式）

2.3.3AT89S52引脚功能与封装

图2-3-3AT89S52封装引脚图

按照功能，AT89S52的引脚可分为主电源、外接晶体振荡或振荡器、多功能I/O口、控制和复位等。

多功能I/O口

AT89S52共有四个8位的并行I/O口：

P0、P1、P2、P3端口，对应的引脚分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，共32根I/O线。

每根线可以单独用作输入或输出。

P0端口，该口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

在作为输出口时，每根引脚可以带动8个TTL输入负载。

当把“1”写入P0时，则它的引脚可用作高阻抗输入。

当对外部程序或数据存储器进行存取时，P0可用作多路复用的低字节地址/数据总线，在该模式，P0口拥有内部上拉电阻。

在对Flash存储器进行编程时，P0用于接收代码字节；在校验时，则输出代码字节；此时需要外加上拉电阻。

P1端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P1口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P1口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在对Flash编程和程序校验时，P1口接收低8位地址。

另外，P1.0与P1.1可以配置成定时/计数器2的外部计数输入端（P1.0/T2）与定时/计数器2的触发输入端（P1.0/T2EX），如表1-1所示。

表2-3-3-1P1口管脚复用功能

端口引脚

复用功能

P1.0

T2（定时器/计算器2的外部输入端）

P1.1

T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）

P1.5

MOSI（用于在线编程）

P1.6

MISO（用于在线编程）

P1.7

SCK（用于在线编程）

P2端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P2口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

在对Flash编程和程序校验期间，P2口也接收高位地址或一些控制信号。

P3端口，该口是带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口，P3口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，此时可用作输入口。

P3口作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。

在AT89S52中，同样P3口还用于一些复用功能，如表1-2所列。

在对Flash编程和程序校验期间，P3口还接收一些控制信号。

表2-3-3-2P3端口引脚与复用功能表

端口引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

（外部数据存储器写选通）

P3.7

（外部数据存储器读选通）

RST复位输入端。

在振荡器运行时，在此脚上出现两个机器周期的高电平将使其单片机复位。

看门狗定时器（Watchdog）溢出后，该引脚会保持98个振荡周期的高电平。

在SFRAUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽这种功能。

DISRTO位的默认状态，是复位高电平输出功能使能。

ALE/

地址锁存允许信号。

在存取外部存储器时，这个输出信号用于锁存低字节地址。

在对Flash存储器编程时，这条引脚用于输入编程脉冲PROG。

一般情况下，ALE是振荡器频率的6分频信号，可用于外部定时或时钟。

但是，在对外部数据存储器每次存取中，会跳过一个ALE脉冲。

在需要时，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置为“1”，从而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令执行时ALE才被激活。

在单片机处于外部执行方式时，对ALE屏蔽位置“1”并不起作用。

程序存储器允许信号。

它用于读外部程序存储器。

当AT89S52在执行来自外部存储器的指令时，每一个机器周期PSEN被激活2次。

在对外部数据存储器的每次存取中，PSEN的2次激活会被跳过。

/Vpp外部存取允许信号。

为了确保单片机从地址为0000H～FFFFH的外部程序存储器中读取代码，故要把EA接到GND端，即地端。

但是，如果锁定位1被编程，则EA在复位时被锁存。

当执行内部程序时，EA应接到Vcc。

在对Flash存储器编程时，这条引脚接收12V编程电压Vpp。

XTAL1振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。

XTAL2振荡器的反相放大器输出。

2.4触屏（TFT）控制模块

TFT技术是二十世纪九十年代发展起来的，采用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技术，是液晶（LC）、无机和有机薄膜电致发光（EL和OEL）平板显示器的基础。

TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上（当然也可以在晶片上）通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路（LSIC）。

采用非单晶基板可以大幅度地降低成本，是传统大规模集成电路向大面积、多功能、低成本方向的延伸。

在大面积玻璃或塑料基板上制造控制像元（LC或OLED）开关性能的TFT比在硅片上制造大规模IC的技术难度更大。

对生产环境的要求（净化度为100级），对原材料纯度的要求（电子特气的纯度为99.999985％），对生产设备和生产技术的要求都超过半导体大规模集成，是现代大生产的顶尖技术。

其主要特点有：

（1）大面积

九十年代初第一代大面积玻璃基板（300mm×400mm）TFT-LCD生产线投产，到2000年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了680mm×880mm），最近950mm×1200mm的玻璃基板也将投入运行。

原则上讲没有面积的限制。

（2）高集成度

用于液晶投影的1.3英寸TFT芯片的分辨率为XGA含有百万个象素。

分辨率为SXGA（1280×1024）的16.1英寸的TFT阵列非晶体硅的膜厚只有50nm，以及TABONGLASS和SYSTEMONGLASS技术，其IC的集成度，对设备和供应技术的要求，技术难度都超过传统的LSI。

（3）功能强大

TFT最早作为矩阵选址电路改善了液晶的光阀特性。

对于高分辨率显示器，通过0-6V范围的电压调节（其典型值0.2到4V），实现了对象元的精确控制，从而使LCD实现高质量的高分辨率显示成为可能。

TFT-LCD是人类历史上第一种在显示质量上超过CRT的平板显示器。

现在人们开始把驱动IC集成到玻璃基板上，整个TFT的功能将更强大，这是传统的大规模半导体集成电路所无法比拟的。

（4）低成本

玻璃基板和塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路的成本问题，为大规模半导体集成电路的应用开拓了广阔的应用空间。

（5）工艺灵活

　除了采用溅射、CVD（化学气相沉积）MCVD（分子化学气相沉积）等传统工艺成膜以外，激光退火技术也开始应用，既可以制作非晶膜、多晶膜，也可以制造单晶膜。

不仅可以制作硅膜，也可以制作其他的Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体薄膜。

（6）应用领域广泛

以TFT技术为基础的液晶平板显示器是信息社会的支柱产业，也技术可应用到正在迅速成长中的薄膜晶体管有机电致发光（TFT-OLED）平板显示器也在迅速的成长中。

TFT-LCD系统的一般结构

TFT-LCD系统由两个部分组成：

LCD控制模块和LCD面板模块。

实际应用中液晶面板又分两种，传统面板和智慧整合型面板，结构如图2.-4-1所示。

图2-4-1TFT-LCD系统结构框图

TFT-LCDMonitor系统包括模数转换器，处理PC显卡输出的模拟信号、数字视频接口、视频解码器（处理视频信号）、TMDS接收器、在屏显示、控制单元、时序控制器、背光Source驱动器、Gate驱动器等组成。

TFT-LCD显示器工作时，前端部分的控制电路模块主要工作是将PC主机或是影音装置（如DVDPlayer）输出的讯号进行转换，例如由PC显示

卡输出的模拟讯号，经由ADC组件的转换，成为数字讯号；类似地，影音讯号则经由VideoDecoder的转换，成为相同的数字讯号，这些讯号再经过ScalerIC作放大或缩小的动作，并进行数字影像处理，再由cable线传输讯号到液晶模块，然后通过时序控制器产生所需要的时序控制信号驱动纵向的驱动Ic和横向的驱动IC，其中纵向的驱动IC负责控制数据的写入，由横向的驱动IC控制晶体管的开/关，并配合其它组件，如供电模块，即可正确显示图像。

2.5平层检测模块

光电对射管平层电路是五个独立的电路模块，安装于每层楼固定位置。

电路中，采用锁相环电路（由一片CD4046构成）产生40kHz左右的振荡脉冲，通过光电管发射，另一侧接收管接收到信号后再由锁相环锁定，在平层信号脚给出低电平。

由于是同一锁相环电路发射与接收，所以锁定非常可靠，而具体频率可以不用十分准确。

当轿厢运动到目的楼层时，光电对射管先被轿厢后面的挡板挡住，锁相环失锁；当轿厢运动到平层位置，挡板的开口（设计预留）再一次让对射管对射，锁相环重新锁定，并将锁定信号发置控制单片机，系统得到平层信息后，命令电机停止，实现平层。

具体电路如下：

图2-5光电对射管平层电路

2.6电机控制模块

本系统模型目标楼层共5层，与实际电梯相对应，每个楼层均有一个外召界面（外部呼梯选择板），共5个外召模块。

每个楼层的外召模块需要完成的功能有：

总线功能，轿厢升降，当前楼层的显示，轿厢呼叫功能。

具体路如下：

图2-6外召模块电路

内选模块（电梯轿厢内控制器）需要完成的功能有：

轿厢升降，当前楼层的显示，目的楼层的选定（1－5键）以及立即运行控制（无数字键）。

外召，内选模块电路相对比较简单，和前面的各个模块电路电路也有些相同之处，所以在这不再详细分析。

2.7本章小结

本章主要介绍了系统硬件电路的设计，对系统硬件构成的主机模块，主控台模块，电机驱动模块，触屏模块以及外召内选模块进行了较为详细的分析设计，力求给出一个系统的概貌。

3软件设计

3.1软件系统概述

系统采用串行总线结构，由一片主机负责整个系统的数据采集，处理，分发。

各个模块的任务是：

1）将模块内的状态参数发送给主机；2）根据主机发送来的信息对模块内的部件进行控制。

这样，相当于把数据处理和功能执行相互分开，使模块之间在一定程度上得以独立起来，实现了各个模块内部的独立控制，而整个系统又得以协调工作。

这样使得系统结构更加清晰，一方面给编程带来了方便，另一方面也提高了系统的稳定性。

本系统软件设计中一个很关键的思想是：

通信与操作分离，两者之间通过发送缓存区，接收缓存区进行协调。

具体阐述如下：

所有通信均由主机发起，主机对各个模块进行控制通信。

主机收集数据时，先让从机进入中断，在中断中把从机发送缓存区中的数据取走，进行综合处理，所以，从机主程序中只要根据模块的当前状态不断刷新发送缓存区即可。

主机发送数据时，也是让从机进入中断，然后把处理后的数据写入从机的接收缓存区中，同样，从机主程序中也是不断的查询接收缓存区，并根据接收缓存区中的数据做相应操作。

本系统的串行通信采用单片机标准的多机通信协议，主机中，通信通过调用收发子程序来实现，掌握主动权。

从机中的通信由于具有时间不确定性，故只能用中断实现。

系统串行通信采用先发出校验信息，如果返回的信息正确，则继续发送数据位，反之，则再次发送校验信息，直至正确位置。