电梯控制模型22.docx
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电梯控制模型22
电梯控制模型
摘要本电梯控制系统采用双单片机并行处理结构，其中以ATmega128为核心处理器件控制电梯各楼层呼叫及响应，由AT89S52控制步进电机运转实现桥厢升降。
光电传感器用于判断楼层位置，并将采集到的数据传送至单片机处理。
由此，单片机对电梯的运行速度进行精确控制，达到起步过程由慢到快，平层准确的效果。
系统还实现了电梯的调度，距离及方向优先。
电梯到达楼层由数码管准确显示。
关键词：
电梯模型；步进电机；红外传感器
AbstractTheproposedelevatorcontrolsystemusedparallelprocessingstructurewithtwosingle-chips,whereATmega128wasusedascoreprocessortocontrolelevatoraccordingtoinstructionofeachfloor.AT89S52wasusedascoprocessortocontrolthesteppingmotorstomaketheelevatorupanddown.Photoelectricsensorwasadoptedtojudgetheelevatorlocationandsendtheresultdatatorelevantprocessor,whichthendeterminedthenextactiontheelevatortook.Inthisway,theoperatingspeedofelevatorcouldbepreciselycontrolled,withasmoothrationalspeedingprocessatstartupandaccuratelocalizationatstop.Systemalsoachievedelevatorscheduling,consideringprioritybasedondirectionanddistance.Besidesthese,numericalcodetubeaccuratelydisplayedthenumberoffloors.
Keywords:
Elevatormodel;Steppingmotor;Infraredsensor
一、方案设计
1、系统总方案设计
根据设计要求，系统主控模块有以下两个方案。
方案一：
采用FPGA实现系统的整体控制，运算速度快，系统稳定性好，但成本较高。
方案二：
采用AVR单片机和51单片机分别控制。
AVR单片机负责当多层楼层呼叫时桥厢响应优先级等复杂的逻辑处理。
51单片机控制步进电机正转、反转、步进速度等动作。
由于C语言编程的灵活性，使得题目所要求的功能都较容易实现，系统更具可扩展性。
经过比较，本系统采用方案二。
根据本题的要求，我们将系统分为若干个模块，以AVR单片机为核心，完成多项功能。
AT89S52单片机连接电机驱动模块，控制电机的正常运转，满足电梯上升下降变速的功能。
ATmega128单片机与定位平层模块通信，控制桥厢运行距离，响应呼叫请求，处理数码显示。
系统结构如图1所示。
图1系统结构图
2、电机的比较与选择
方案一：
采用直流电机。
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，稳定性好。
但直流电机转动速度与角度不易控制，定位性能差。
方案二：
采用步进电机。
步进电机在定位性能方面十分优越。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
因此，步进电机广泛应用于数控领域。
本设计中要求平层的位置误差小于10mm，对升降精度要求很高，所以使用的电机要求具有较高的定位性能，因此选择方案二。
3、电机驱动模块
方案一：
采用四路三极管放大电路驱动，将控制信号通过三极管放大从而驱动步进电机。
该方案电路复杂，可靠性不高。
方案二：
采用专用步进电机控制芯片L298。
该芯片能放大四相0到5V控制信号，控制5~24V范围的电源驱动步进电机，且该芯片能通过使能端同时控制四路的工作状态。
基于上述方案分析，选择方案二。
4、显示模块
方案一：
采用数码管显示。
电梯模型较大，大规格的数码管显示清楚易读，驱动电路简单且成本低。
方案二：
采用LCD液晶屏显示。
显示信息量大，低功耗且界面友好，但成本高。
基于方案一硬件电路简单且调试方便，显示醒目，故采用方案一。
5、定位平层模块
方案一：
采用金属接近开关检测电梯层数。
在桥厢安装金属片，并在各个楼层设置金属接近开关，当桥厢运动到相应楼层，接近开关探测到金属片，其输出发生变化。
单片机通过接近开关输出的变化判断桥厢所处的楼层。
该方案中，在各楼层安装接近开关成本较高，且安装不便。
方案二：
采用红外发射接收一体管TCRT5000检测电梯层数。
在各个楼层设置TCRT5000，在桥厢右侧安装挡光片，挡光片需在桥厢运动时能正好遮挡红外发射接收一体管。
当桥厢运动到特定楼层时，红外管接收到反射回来的红外线，由此输出发生变化，单片机通过该变化判断电梯运动的位置。
TCRT5000体积小、功耗低、容易安装。
二、理论分析计算
1、系统控制基本原理及算法
图2电梯控制模型
如上图所示，本电梯模型共有六层，每层间隔20cm，即运动一层所需伸缩的绳子长度为20cm。
当桥厢上升时，步进电机缩短绳子，当桥厢下降时，步进电机伸长绳子。
因本系统采用的步进电机的步距角为1.8°，故需给步进电机200个脉冲才能使步进电机转动一周。
设步进电机转柱直径为d，则绳子移动的最小长度为：
（2-1）
所以步进电机所需脉冲数为：
（2-2）
为绳子变化的长度。
这就是系统控制的基本原理。
有上述可知，控制桥厢运动的关键是根据当前层和目标层的距离
计算出步进电机所需要转动的步数。
2、定位平层原理
题目要求定位平层误差小于10mm，若采用绳子伸缩变化来控制电梯桥厢的位置，会产生累计误差，因此，我们采用在每层底部安装光电传感器的方法来尽量避免累计误差，使定位平层准确。
当相应楼层上的传感器检测到挡光片时，将信号反馈给单片机后，即可得到当前楼层的编号。
3、系统误差的理论分析及系统的改善
系统涉及一些物理量的测量以及其他一些近似处理，它们都会对系统的性能有所影响。
以下是系统中可能产误差的几个方面。
①步进电机转轮直径的测量。
由（2-1）式可知，步进电机转轮的直径跟绳子移动的最小长度直接相关，因此，它对系统性能有所影响。
②单片机计时误差。
由于没有采用专门的计时芯片，故计时上有细微误差，但对整个系统的运行几乎无影响。
以上可能存在的误差可通过多次试验测试，找出规律，然后在程序中进行适当的补偿来消除。
三、各模块具体实现原理及电路
1、步进电机驱动电路
步进电机驱动电路见附录二，采用的芯片是L298。
步进电机是本设计中重要的执行元件，它通过单片机的控制，把脉冲数转换成角位移，实现正转、反转和速度变化。
2、红外传感器电路
图3是红外传感器电路，使用的光电管是TCRT5000，它由一个红外反射管和一个红外接收管组成，淡蓝色为发射管，黑色为接收管，发射管经过特殊处理，抗干扰能力强，感应距离在12mm左右。
在电路图中，我们利用R1与R2的数值来控制产生的电压在白色反射下大于0.7V，在黑色反射下小于0.7V，使下一级的三极管导通或截止，在NE555的6号管脚上输出5V或0V。
再将输出信号连接到AVR单片机的IO口完成信号传送。
图3红外传感器电路
3、各楼层控制电路
各楼层采用独立制板，每个楼层上安装一块控制显示板。
第一层和第六层单独制作，各安装一个按键，因为底层只有向上信号，顶层只有向下信号。
其余四层各有两个按键，产生向上或向下信号。
按键连接LED发光二极管用于观察按键响应情况。
另控制板上还有数码管显示当前电梯所处的楼层。
电路图如下图所示。
图4楼层控制电路
4、主控电路
主控电路上包括Atmega128单片机的转接底座、AT89S52单片机、一只用于显示当前楼层的大数码管、一只用于计时的小数码管、1~6层楼的按键等。
桥厢位置检测、计时等功能的实现均由软件完成。
电路图见附录二。
5、电源电路
图5电源电路
四、软件设计
本系统以Atmega128单片机为主控芯片，在WINAVR开发环境中，采用C语言对单片机进行编程。
主程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统协调稳定的运作。
系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。
同时，由AT89S52单片机控制电机运转，完成桥厢的升降。
1、主程序流程图
图6Atmega128程序流程（左）和AT89S52程序流程（右）
2、呼叫请求响应程序
电梯控制程序的一个难点是多层呼叫排序问题。
在本程序编写过程中，呼叫响应服从方向优先，距离优先的原则。
举例1：
电梯停在3楼，有人进，厢内请求到达6楼，电梯开始向上运动。
此时，1、2、4、5楼均有呼叫请求。
排序时，将与运动方向一致的呼叫信号归为一类，即将4、5、6楼归为一类，升序排列；1、2楼归为一类，降序排列，电梯按序在4、5、6楼停止，返回时，按序在2、1楼停止，遵循方向优先原则。
举例2：
电梯停在2楼，1楼和6楼均有呼叫请求，电梯首先响应1楼请求，遵循距离优先原则。
五、系统测试
1、方向优先测试
电梯按某方向运行时，优先响应该运行方向的按钮。
假设：
测试初始时，桥厢位于一楼，按下二楼，四楼的上下按呼叫，和五楼的向下呼叫。
按键顺序可随意。
测试结果：
表1方向优先测试表
停止楼层
电梯方向
显示
2
上
2楼上呼叫注销
4
上
4楼上呼叫注销
5
上
5楼下呼叫注销
4
下
4楼下呼叫注销
2
下
2楼下呼叫注销
测试结果表明，电梯在运行过程中遵循方向优先原则。
2、距离优先测试
同一方向有多个按钮呼叫时，优先响应最近的楼层。
假设：
测试初始时，电梯位于任一层，如二楼。
此时三楼和四楼分别向上呼叫。
测试结果：
先响应三楼呼叫，再响应四楼呼叫。
测试结果表明，电梯在运行过程中遵循距离优先原则。
3、综合测试
假设：
电梯位于1楼，进入三人，其中一人要到3楼，另两人到5楼。
电梯运行后，3楼和4楼有人向上呼叫欲到6楼，3楼有人向下呼叫到1楼。
测试结果：
表2综合测试表
停止楼层
电梯方向
显示
3
上
3楼内部和向上呼叫注销。
内部6楼呼叫
4
上
4楼向上呼叫注销
5
上
5楼内部呼叫注销
6
下
6楼内部呼叫注销
3
下
3楼向下呼叫注销，内部1楼呼叫
1
下
内部1楼呼叫注销
由测试结果可以看到，本系统很好地完成了设计要求。
经过反复实际测试，未出现响应错误。
4、运行时间测试
桥厢内无加载重物时，电梯从一楼到六楼的上升时间为7.1秒，从六楼到一楼的下降时间为7.0秒。
符合赛题要求。
桥厢模型单层运行时间约为2秒。
符合赛题要求。
经过反复测试，上升与下降时间平均偏差小于0.05ms。
六、总结
本系统主要以单片机（Atmega128和AT89S52）为主要控制、计算芯片。
采用了L298驱动芯片实现电机控制。
在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势，编程灵活方便来满足系统的要求。
在制作模型时，考虑到红外传感器的稳定性，特意为电梯桥厢划定了轨道，并且选择了双滑轮来解决打滑问题。
经过反复测试，基本上完成了题目中所有的基本要求和发挥部分。
参考文献
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北京航空航天大学出版社,2006.1
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人民邮电出版社,2006.1
[3]松井邦彦.传感器应用技巧141例[M].2006年1月第1版.北京:
科学出版社,2005
附录一
元器件清单
序号
元器件
型号或参数
数量
备注
1
有机玻璃
1
2
单片机一
Atmega128
1
3
单片机二
AT89S52
1
4
晶振
1M
1
5
锁存器
4LS147
1
6
按键
17
7
光电传感器
TCRT5000
6
8
变压器
1
9
7805
2
10
7815
1
11
数码管
8
12
发光二极管
8
13
三极管
9013
9
14
步进电机
1
15
电机驱动芯片
L298N
1
16
覆铜板
1
17
电阻
10K/0.25W
若干
18
电容
10uF/25V、2200uF/50V、30pF
若干
19
二极管
1N4007
若干
20
NE555
6
21
杜邦线
若干
22
其它
502、透明胶带、热融胶等
若干
附录二
图7桥厢内部控制电路
图8步进电机驱动电路
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