基于单片机电梯控制系统设计.docx

基于单片机电梯控制系统设计.docx

《基于单片机电梯控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机电梯控制系统设计.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机电梯控制系统设计

基于单片机的五层电梯控制系统设计

摘要

随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生必不可少的代步工具电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能有安全可靠。

传统的电梯控制系统采用的是继电器逻辑控制电路，这种控制易出故障，维护不便，运行寿命短，占地空间大，正逐步被淘汰。

本文设计了基于单片机的电梯控制系统，硬件部分主要由单片机最小系统模块、电梯内外电路按键矩阵模拟检测模块、电梯外请求发光显示模块、楼层显示数码管模块、电梯上下行及开关门模拟显示等部分组成。

该系统采用单片机（AT89C51）作为控制核心，内外使用按键按下与否引起的电平改变，作为用户请求信息发送到单片机单片机控制电动机的转动，单片根据楼层检测结果控制电机停在目标楼层。

软件部分采用汇编语言，利用查询方式来检测用户的请求信息，根据电梯运行到相应楼层时，引起的电平变化，送到单片机计数来确定楼层，并送到数码管进行显示，硬件设计简单可靠，结合软件，基本实现了五层电梯运行的模拟。

关键词：

AT89C51，LED数码显示，矩阵式按键，电梯控制

Microcontroller-basedfive-storyelevatorcontrolsystemdesign

ABSTRACT

Withthedevelopmentofmodemcities,anincreasingnumberofhigh-risebuilding,elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thequalityofthelifeperformanceoftheimpactonpeople’slivesbecomingmoreandmoreobvious,itmuststrivetoimprovetheperformanceofelevatorsystems,andensuretheoperationofthelifeissafe,reliableandenergyefficient.Thetraditionalelevatorcontrolsystemuseslogicoftherelaytocontrolcircuit,thiskindofcontrolseasilytobecrash,maintainsinconveniently,themovementlifeisshort,andthatoccupyingalargeareaofspace,itbeingeliminatedgradually.

Thispaperdesigntheelevatorcontrolsystembasedonsingle-chipmicrocontrollerhardwarepart,mainlybyminimumsystemmodule,elevatorinternalandexternalcircuitsimulationtestsmodule,buttonsmatrixlight-emittingdisplaymoduleelevatoroutsiderequest,floorshowsdigitaltubemodule,elevatordownlinkandopenclosedmodelshowsthatcomponents.ThesystemUSESthemonolithic（AT89C51）ascontrolcore,internalandexternalusekeyspressedornotcauselevelchange,asusersrequestinformationsenttosingle-chipmicrocontrollercontrolmotorrotation,monolithicaccordingtofloordetectionresultsintargetfloorcontrolmotorstops.Softwarepartadoptsassemblylanguage,usinginquiresthewaytotestusers,accordingtorequestinformationtotheappropriateelevatorrunning,accordingtofloorlevelchangescausedbythekeys,todeterminethefloortoSCMcount,andsenttodigitaltubedisplay,hardwaredesignissimple,reliable,combiningsoftware,basicallyachievedsimulationofelevatorrunningfivefloors.

KEYWORDS：

AT89C51,LEDdigitaldisplay,Matrixbuttons,Elevatorcontrol

第一章绪论

1.1研究的背景与意义

电梯进入人们的生活已经150年了。

一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升人类生活质量的承诺。

生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。

150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭[1]。

如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。

调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用，一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好[2]。

中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。

1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。

1951年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生电机厂荣接此任，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。

十一届三中全会后，沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。

在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。

电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。

电梯是高层建筑中安全、可靠、垂直上下的运载工具，对改善劳动条件、减轻劳动强度起到很大的作用[3]。

电梯的应用范围很广，可用于宾馆、饭店、办公大楼、商场、娱乐场所、仓库以及居民住宅大楼等。

在现代社会中，电梯已成为人类必不可少的垂直运输交通工具。

1.2本文主要研究内容及设计步骤

本课题的主要任务是完成一个电梯系统的调度模块，即根据每个楼层不同顾客的按键需求，让电梯做出合理的判断，正确高效地知道电梯完成各项载客任务。

根据此任务，本课题需要研究的内容有：

1、根据系统的技术要求，进行系统硬件的总体方案设计；

2、学习单片机的相关知识，并且加以运用；

3、研究汇编语言编程，并且规定电梯的工作规则，用汇编语言加以实现；

4、对软件和硬件进行调试，让其协调工作，完成指定任务。

设计步骤如下：

关于硬件部分

首先，对实际的电梯系统进行模拟，一般情况下，一个电梯应该具备相关按键、二极管、数码管等，由于这是一个调度模块，故没有设计具体的轿厢等机械部分。

然后，结合这些实物，选择恰当的芯片，并分成若干模块，安排好各自之间的关系。

由于其有诸多按键和显示环节，而单片机的I/O口管脚资源实在有限，故需要I/O口扩展，用以管理二极管；同时要有专门的按键控制芯片，从而便于按键管理。

在此，我选择了8255和74ls48芯片。

接着，要完成电路图的设计.

关于软件部分：

处于最底层的是对两个芯片的寄存器读写工作，完成后方可进行更高层的应用程序调试。

然后是关于电梯调度时所遵循的原则作出规定，其必须基于高效与人性化两个原则。

最后是使用汇编语言将规定程序化，以便电梯真正的运作。

当然，二者的关系并不是分离的，它们是相辅相成，硬件依据软件来验证，软件依据硬件来调试。

经过一个个的发现问题、一个个的解决问题，最终做出完美的电梯调度模块。

第二章方案设计

2.1电梯控制系统原理

电梯应用中大多采用交流变频电机拖动原理，其厢体由一曳引钢缆连接，由安装在顶层的曳引轮和曳引电机拖动，电机的功率随着曳引重量的不同大小不等。

其主要的拖动及控制系统有：

（1）外呼内选系统，外部呼叫信号和指示以及厢体内选层和指示系统；

（2）平层换速系统，电梯快速到达指定楼层之前切换为慢速并到达平层位置停车；

（3）厢体状态指示系统，随着显示厢体所在位置；

（4）开关门控制系统，平层开门，关门行车；

（5）安全保护系统，含有上下限位、消防、满载、门电锁等功能；

电梯运行的基本过程是：

由外部呼叫信号给出呼叫，控制系统判断厢体目前所处位置并与呼叫楼层进行对照，同方向还是反方向。

若反方向，则改变方向到呼叫层，如同方向，直接运行到呼叫楼层。

在方向上，以同方向呼叫优先，且具有最远方向接车功能。

厢体的运行方式：

启动→慢速→快速，到达指定楼层之前则是快速→慢速→平层停车。

在所有呼叫中，消防优先级最高。

一旦消防呼叫，电梯就近平层，然后直接返回基站，不在响应任何外呼叫信号，只响应内选操作，以保证消防工作的使用。

2.2总体方案设计

2.2.1设计原理

设计采用AT89C51单片机作为核心，配以适当接口作为输出通道。

之所以选用AT89C51单片机作为设计的核心，是因为其在一小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，包括一个八位的微处理器，数据和程序存储器，4个并行的输入∕输出口，两个定时∕记数器，完善的中断控制系统，一个全双工的串行输入∕输出口，精确的时钟产生电路和具有掉电保护的复位电路，而且该芯片是用静态逻辑来设计的，是一种低功耗∕低电压、高性能的八位单片机，价格合理，可方便地应用在各种控制领域[4].设计采用AT89C51单片机作为核心，配以适当接口作为输出通道。

采用4×4按键矩阵开关电路作为外呼内选呼叫控制，而后通过74LS48从串口驱动数码管显示楼层数。

当电梯到达所选层，电梯开门延时等待进人并选层，然后延时关门执行请求，若无请求则停在本层等待请求。

软件部分使用汇编语言，利用查询方式来检测用户请求的按键信息，采用74LS245芯片驱动发光二极管[5]。

2.2.2设计方框图

本设计方框图如图2-1所示，电路由复位电路复位后，电梯初始位置在一楼，通过软件设置显示电路显示1，AT89C51将楼层感应电路的来的数据通过74LS48驱动显示电路显示出来；如有用户在厢外呼叫，经过呼叫电路把信号输入单片机，由楼层感应电路判断电梯为上升还是下降状态，若方向一致则打开电梯门，用户进入后关门执行操作。

用户通过选层电路把目的层告知AT89C51，控制电机把用户送至目的层，而后系统等待下次呼叫。

系统的正常工作由时钟电路来保证，显示电路实时显示电梯所在楼层位置。

图2-1电路总体方框图

2.3硬件芯片的选择

合理的硬件设计是一个设计成功的基石，所以在设计之初，我便把自己的主要任务集中于筹划硬件的搭建工作，当然其中需要兼顾软件设计的需求。

由于本设计所模拟的楼层共有五层，其中所需要控制的器件较多，如每层都需有两个上下的指示灯，电梯轿厢内也需有去几层的指示灯等，而现有单片机的管脚资源无法满足需求，故第一步需要想法扩展单片机的I/O口管脚资源。

在此，我选择了扩展I/O口最典型的芯片82C55。

其可把一组八位I/O管脚扩展为PA、PB、PC三组管脚，并通过寄存器对各组管脚进行配置，从而满足了本次设计的要求。

考虑到电梯会有多个按键，而传统的依据单片机自身的I/O口布局键盘的方法显然也是不可行的，故本设计选择了典型的键盘式按键，其重要意义不仅在于减轻了单片机I/O口的开支负担，而且可以代替单片机完成各个按键的键值编写工作，单片机只要从其FIFO寄存器中直接读取键值即可得知哪个按键被按下，进而进行相应的操作。

另外，电路板上还有一些扩展的子电路模块，并考虑到电路板的面积与价格问题，一些芯片与二极管、电阻等用的是贴片封装。

2.4软件的使用

2.4.1电路图制作软件proteus7.5sp3

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年即将增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：

multisim）的功能。

这些功能是：

（1）原理布图

（2）PCB自动或人工布线

　（3）SPICE电路仿真

　　革命性的特点

（1）互动的电路仿真

　　用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

（2）仿真处理器及其外围电路

　　可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型

加上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

2.4.2C51的程序开发软件Keil

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。

机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。

运行Keil软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M以上空闲的硬盘空间、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选（目前在国内你只能买到该软件、而你买的仿真机也很可能只支持该软件），即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。

KeilC51软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，易学易用

2.5本章小结

本章介绍了课题设计的总体方案，其中包括课题用到的部分软件和硬件，还介绍了课题的基本方框图

第三章系统的硬件设计

3.1单片机的最小系统模块

3.1.1AT89C51简介

　AT89C51是一种带4字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[6]。

外形及引脚排列如图所示3-1

图3-1AT89C51单片机的引脚排列

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[7]。

（1）单片机的主要特性：

　　与MCS-51兼容，4K字节可编程FLASH存储器，寿命：

1000写/擦循环，数据保留时间：

10年，全静态工作：

0Hz-24MHz，三级程序存储器锁定，128×8位内部RAM

32可编程I/O线，两个16位定时器/计数器，5个中断源，可编程串行通道，低功耗的闲置和掉电模式，片内振荡器和时钟电路[8]

（2）单片机的管脚说明：

　　VCC：

供电电压。

　　GND：

接地。

　　P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

　　P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。

P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

　　P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

　　P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

　　P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

　　口管脚备选功能

　　P3.0RXD（串行输入口）

　　P3.1TXD（串行输出口）

　　P3.2/INT0（外部中断0）

　　P3.3/INT1（外部中断1）

　　P3.4T0（记时器0外部输入）

　　P3.5T1（记时器1外部输入）

　　P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

　　P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

　　P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

　　RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

　　ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6[9]。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

　　/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

　　/EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

　　XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

　　XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

　（3）振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.2最小系统模块

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。

同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。

而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。

在本设计中，最小系统应该包括：

单片机、晶振电路、复位电路等。

如图3-2所示，晶振电路由C1与C2和晶振组成，晶振是给单片机提供工作信号脉冲的。

它的速率就是单片机的工作速率，简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。

并在晶振的两引脚处接入两个10pF-50pF的瓷片电容接地用来削减偕波对电路的稳定性的影响。

复位电路采取的为手动按键复位电路，由电容，电阻和开关RESET组成，当单片机的复位引脚RESET出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

每次复位后，单片机的程序都会从第一条开始从新执行。

另外，还额外设计了滤波防干扰电路，电源先经过它们再接入单片机的Vcc，可以有效的减少其中的杂波带来的干扰。

图3-2单片机最小系统电路

3.2可编程I/O扩展芯片82C55模块

8255是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片[10]，有3个8位并行I/O口。

具有3个通道3种工作方式的可编程并行接口芯片（40引脚）。

其各口功能可由软件选择，使用灵活，通用性强。

8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。

其芯片与与单片机的连接方式如图3-3所示。

图3-38255与单片机得连接方式

D7～D0（databus）：

三态、双向数据线，与CPU数据总线连接，用来传送数据。

∕CS