电梯控制模型.docx

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电梯控制模型

电梯控制模型

设计人员:

魏磊胡浩博王品  指导老师:

张丹沈小丰等

摘要

本系统采用两片单片机（89C52）作为内外招信号的检测和控制核心。

内外招使用按键按下与否带来的电平的改变来控制对应的单片机输入或输出口工作。

楼层检测使用反射式红外传感器；轿厢负载采用精密压力传感器；速度控制采用易控的步进电机外加微小误差转子；在竖井的侧面固定了轨道以防止轿厢的晃动。

基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了电机在运动和加速经及减速过程的精确控制。

本设计的主要特色：

软件部分设置一个自学习过程，让单片机识别楼层的高度和各个平层的位置。

步进电机靠程序和反射式传感器双重控制，组成一闭环系统。

轿厢在有轨道的滑槽内运动，减小了轿厢的摆动和它与轨道的摩擦。

仿天平的称重原理，再加上精密压变片使称重精确度很高。

数码管、发光二级管和液晶的显示，使运动状态和响应一目了然。

优化的软件设计算法，智能化的自动控制，定位精确。

电梯控制模型

总体方案设计与论证

方案一：

采用可编程控制器（PLC）作为主要器件来控制电机的运动、电梯内外按键的响应、按键后的电路显示等等。

用PLC编程较简单，电路也不复杂，但此方案的各个模块的费用都比较高，考虑到我们组员对PLC的控制和编程都不太熟悉。

故我们决定不采用本方案，而采用我们熟悉的且价格比较低的单片机实现本系统。

方案二：

采用一个单片机控制所有的按键、LED、数码管显示、电动机的转动、传感器经A/D转换后输出的信号，等等。

并对以上所有信号进行处理。

这样做的优点是电路比较简单，工作量小。

但是此方案的缺点也很明显：

由于只有一片单片机，从功能上看虽然比较强大，但编著程序量显然复杂的多；又输出部分比较多会显得电路十分零乱；再加上整机调试过程时纠错和调试都比较麻烦，故不采用本方案。

方案三：

本方案采用两个系统板来控制。

见图：

当外部人为操作电梯的指令发出，经过A/D转换和系统板二的处理后发出信号到系统板一，系统板一通过指令来控制步进电机的工作从而带动轿厢的运动。

由于控制步进电机的程序比较复杂，故专门用一片系统板。

系统板二则负责按键的控制、LED、数码管的显示、电动机的转动、传感器经A/D转换后输出的信号的处理等等。

此方案虽比方案一多一个系统板，但结构清晰，便于调试，故我们经过讨论决定选择本方案。

本方案特色1）本方案采用模块化设计，方便后面检错和调试

     2）采用二个系统板，则两个系统板可以分开控制：

其中系统板二专用来响应外界输入的信号并对其进行处理。

另一个单片机（系统板一）可以解放出来专门控制电机和系统板二发过来的信号。

     3）系统板二可以固定在轿厢内，专门对轿厢内和电梯外部上下楼按键信号进行处理。

系统板一放在外部，对整个系统进行控制。

     4）两片系统板，便于以后系统功能扩展。

单元电路的设计与论证

由上面的分析可知，此系统的各个模块可以简化如图1所示：

单片机最小系统

本系统的系统板主要由MCS51系列单片机AT89C52组成。

AT89C52有8K字节的片内ROM、256字节的片内RAM、3个16位定时器和六个中断源，其有8K字节的ROM足够本系统中的编程部分。

此最小系统除了具有一般单片机最小系统的功能如地址锁存、输入输出控制外，另外它的主要特点是它的输出口部分接有液晶显示，可以数字显示各要输出的状态和数据，系统板的P1，P2，P3口经过三级管和发光二级管相接，可以显示各口线的实时工作状态。

关于单片机最小系统的连接图和电路，由于教材上已介绍的很详细，在这里我们不再多述。

电机及驱动调速模块：

方案一：

电机选用直流电机。

驱动部分采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

再加上一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

更为主要的问题是一般电动机如直流电机很难使其立即停止，达不到电梯的在定点停止的效果。

方案二：

电机选用直流电机。

驱动部分采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的速度进行调整。

这个方案的优点是电路较简单，缺点除了继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高外，还有方案一中的主要问题也不能克服。

方案三：

直接用步进电机及其驱动器BY-2HB03M。

由于参赛时间有限，再加上货源不足，又由于是电机的负载只有一公斤左右，满足条件的直流电机很少，又因直流电机在断电的时候很难控制其速度，容易出现电机不能快速停止的情况。

用步进电机再加上程序控制基本上可克服上述困难。

又由于货源的问题我们选用的步进电机驱动电流为2A左右，在一般的实验情况下很难达到要求，又由于安全性问题，故我们决定采用此步进电机和其配套的驱动器。

）报警模块

   方案一、直接采用单片机控制输出口电平产生的高频方波信号来控制蜂鸣器的发声与否。

这样做的优点是电路比较简单，控制也较简单，但缺点是使本来复杂的编程部分更为复杂。

方案二、签于方案一，本方案采用555做成的多谐振荡器产生的方波信号来控制小功率的蜂鸣器工作，电路如图所示。

工作原理：

当电梯未到达指定的楼层或未超重时，555的第4脚一直处于低电平状态，当到达指定楼层或因为负重过大而超重时，555的第四脚将转向高电平，此时振荡器开始工作，产生高频的方波，从而使蜂鸣器发声。

电路分析：

我们知道，只要将555定时器的Vi1和Vi2接在一起可以接成施密特触发器。

我们把施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回到它的输入端，就构成了多谐振荡器。

在电路的设计过程中，为了减轻555中的门G4的负载，我们特在电路中将TD与R1接成了一个反相器，它的输出与原输出在高低电平状态上完全相同。

将其输出经R2和C组成的积分电路接到施密特触发器的输入端。

详具体电路见图。

由图分析计算可知此多谐振荡器的周期理论上为：

故其频率为：

）重力传感器模块

）重力传感器部分我们采用典型的压力测量电路,电路如图示：

电路中，我们选择OP07作为仪用放大电路的放大器件，参数与通用运放NE5532比较如下：

共模抑制比（CMRR）

噪声电压

供电电压

OP07D

90~110

±3V~±18V

UA741CP

70

~

±7V~±36V

由于传感器输出信号是用于A/D采样，所以要求精度较高的放大器，而且输出信号的噪声电压在10mV以内，输出信号峰峰值在0~5V之间，通过对桥式传感电路的测试，放入500g的砝码，可以得到100mV的电压，放大400倍，即可用于A/D采样。

选用OP07D组成两极反相放大器。

第一级U10A，U10B，U11A组成仪用放大器。

第二级U11B为反相放大器，放大倍数为20倍。

C28，C31，C30是输出去耦，AN0为输出端，由于电路中积累了电荷，使得AN0电压变化缓慢，所以在AN0端接入R=10K的电阻作负载。

电路中的D5、D6组成限幅器，C7，C8，C2，C1是电源去耦电路。

电压放大倍数计算如下：

即整个电路的放大倍数约为400倍。

   ）机械部分：

我们在实际调试过程中发现：

由于砝码与应变片的接触面积较大，导致应变片的形变不能正确反应出砝码的质量。

故我们经过讨论后决定采用天平称重部分的原理，特制做一个托盘。

这样砝码与应变片就可以进行“点”接触，称重的误差较小。

具体示意图如图所示：

其中的竖直挡板用于防止在运动过程中砝码的掉落，水平挡板上加一个较软的皮片，防止托盘晃动。

A/D转换模块

芯片选择：

本系统主要有二个A/D转换模块，将传感器得到的信号转换为单片机可以处理的数字信号。

本系统的A/D转换我们选用的芯片为MAX191。

MAX191是12位低功率的转换器，它的平均转换时间为~,即采样速率可以达到120K左右，而我们以前常用的A/D0809的平均转换时间只有90~115us,采样速率远小于MAX191。

另MAX191除了具有上述优点外，它自身带有触发脉冲，和状态位，可以进行状态查询，这些都是ADC0809所没有的性能，故我们选择MAX191作为本实验用的A/D转换器。

关于此A/D的转换部分，我们仍采用查表法编著程序。

设计思路如下图示：

光传感器模块

  我们在轿厢底部装置光传感器，用于检测轿厢是否到达指定的位置。

关于光传感器的选择，有以下方案：

方案一：

采用外部光感应式光电传感器。

在要定位的位置安装发光装置，如发光二级管等，光电传感器感应发光装置发出的光并使其转换为电信号。

但由于外界因素的影响，此方案并不能准确感应到光信号。

但也可以用红外线等不可见光来消除此影响，但干扰也一定很大，且红外线发射装置价格较高，不且实际，故不采用本方案。

方案二：

采用单光束反射取样式光电传感器如ST138。

ST138由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，它的检测距离可调整范围大，采用非接触检测方式，非常适合我们系统中移动的轿厢对定点位置的检测。

签于以上优点，我们决定采用本方案。

ST138的参数如下：

我们把光电传感器固定在轿厢的底部，并在竖井的对应位置放置反光的薄板。

这样

当轿厢到达我们定义的位置时，将会有光被反射回来，这样光电传感器将会接收到，并将其转换为低电平，再由电路传至单片机中，从而控制轿厢的制动。

软件部分

整个系统工作过程如所示：

电源打开时，电梯轿厢停靠在任意位置。

此时要判断是否有外招或内招，即判断是否应该工作。

若有，则电机即要开始转动到指定位置，期间要继续检测是否还有外招或内招。

若有，先判断是否在其工作的范围，若在其范围内，响应；若不在范围内，不响应。

期间光电信号一直检测，看是否到达目的的，当到达时，即可停止。

平层在停止的位置，一直等下一个内招或外招来临。

各个功能的软件部分具体思路和算法如下：

）电机控制部分：

轿厢运行部分：

我们知道，任何从静止开始的运动过程都要经过加速和减速的过程。

故我们在程序的设计过程中把电机的运行过程分为加速、匀速和减速三个阶段。

我们调节方波的频率大小来控制步进电机的转速，调节方波信号的个数来控制步进电机的转过的角度，达到控制轿厢移动高度。

整个电机的运行过程大致如图所示：

平层部分

本部分特色：

自学习

自学习过程即电梯在划定每层的高度之前，程序控制部分可以控制电机在整个竖井之间来回运动，光耦可以测试出各个楼层所在的位置，并将所得的数据记录入特定的表中。

当程序运行时，通过查表可以定位电机的制动位置。

这样做的优点是电梯并不仅仅局限于我们所做的竖井模型。

任何竖井，只要上面具有我们轿厢底部可以感应到的光耦就可以在指定位置制动，从而达到平层的目的。

平层过程由两个部分控制：

A）程序控制电机的步长

  a）自学习阶段：

1）让电机从楼顶到楼底，再从楼底到楼顶来回运动几个回合，查询出竖井的高度和上下边界，记录入TABLE，方便后面使用。

2）让电机再来回运行几个回合，通过光耦查询出每层楼的高度和光耦所在的位置，记录入TABLE。

示意图如下：

b）实际控制阶段：

    在自学习阶段测试完整个竖井的高度和每层楼的高度后，将其数据记录入一个专用的表TABLE中。

实际程序执行时，程序自动查阅TABLE，找出所要转动的长度，再计算出步进电机要转动的圈数，然后再经过电机的驱动对电机控制。

电机的详细控制详见<电机控制部分>。

    C）程序对速度的设定：

    在实际编程的过程中，我们通过设定每秒钟的脉冲数多少来控制电机的转速。

我们所用的电机平均转一周绳子所掠过的长度为。

结合步进电机的特点，我们把加速过程设置15个速度跳变来达到加速的目的，15个速度跳变我们程序设置的时间分别为7800us,6000us,5400us,4800,4200us,3600us,3000us,2400us,2100us,1800us,1500us,1200us,900us,600us,500us,400us,350us,170us。

即每秒的脉冲数分别达到128个脉冲/S,167个脉冲/S,185个脉冲/S,218个脉冲/S,238个脉冲/S,278个脉冲/S,330个脉冲/S,417个脉冲/S,476个脉冲/S,556个脉冲/S,668个脉冲/S,833个脉冲/S,1110个脉冲/S,1670个脉冲/S,2000个脉冲/S,2500个脉冲/S,2860个脉冲/S,5880个脉冲/S。

这样整个加速时间就会达到46717us。

又我们在编程时把电机的转速设置为1转/400个脉冲，即400个脉冲。

综上，也即我们设定的是在467170个微秒的时间内电梯加速运行了。

由公式

得此电梯设定的加速度为 

。

电梯加速之后的匀速过程是速度为加速过程的最大速度值，程序设定其为

。

           这样可得此电梯从底层到最高层一共耗时++=;单独运行一层楼所要的时间为：

++=。

而题目的要求为每层运行时间不超过5秒，单程运行时间不超过12秒。

我们设计的算法远优于题目要求的性能。

         程序设计思路如下：

B）光传感器接收到的信号经过处理后进行制动

我们在电梯内的轿厢底部装置单光束反射取样式光电传感器ST138，对平层进行控制，当轿厢到达后会有反射光使ST138的电平改变。

其具体工作原理详见<光传感器模块>

平层过程工作如图所示：

）显示及报警部分：

楼层显示：

楼层显示部分命令由系统板一控制实现，由传感器的感应次数来对显示数字的变化进行控制。

另外，此部分加了锁存器，对显示的楼层数据进行锁存，以保证电梯显示指定的楼层。

电梯外部按键显示：

由于此部分只要求每层只显示上下标志，所以我们采用一般的发光二级管。

发光二级管电路简单，易于控制。

此外，由于一楼和五楼只能分别上和下，故我们在一楼和五楼都只安装一个发光二级管。

超重报警

当重力传感器检测到超重时，经系统处理后会发出一个持续的高电平，使图中的多谐振荡器工作，最终驱动蜂鸣器工作。

电路及原理详见<报警部分>。

    ）防冲顶和防撞底

         我们在轿厢顶快接近竖井顶部和位置和轿厢底快接近竖井底部的位置也同样放置反光片，用于对电梯进行保护——防冲顶和防撞底。

当轿厢在超过规定的楼层内感应到光后，程序设定其马上制动。

具体电路和编著的程序和平层部分相差不大。

系统测试

） 竖井模型的制作和测试：

竖井我们采用有机玻璃粘成的无上盖的六面体，其高度为。

根据要求，我们把此六面体分成5层，从下到上的楼层编号分为1~5层，其中每层的高度为20cm。

为防止轿厢在竖井内晃动，我们在竖井其中的两个对称的侧面做了一对轨道，使轿厢可以在轨道内按轨道运行，这样轿厢运动过程中的误差会比较小，也便于系统的控制。

竖井模型有轨道面如下图所示：

注：

轿厢内设有滑轮，且轨道很光滑，轿厢可以在轨道内顺利滑动。

）电梯运行情况的测试：

中国的国家标准《GB/T10058---电梯技术条件》对电梯运行过程中的加速度，速度和振动作了一些限制性要求：

电梯启动加速度和制动减速度最大值均不应大于s2。

当乘客电梯额定速度为s到s范围内时,其平均加、减速度不应小于/s*s。

乘客电梯额定速度为s到s范围内时,其平均加、减速度不应小于/s*s。

但本电梯模型的速度不能达到此要求，此模型的高度只有，若要均速范围为s到s速度会太快，不容易平层和控制。

在不同的高度之间来回运行的时间不同，在实际测量中电梯运行的层数和运行的时间如下表所示：

电梯运动层数

1

2

3

4

5

要求运动时间

≤5s

╳

╳

╳

<=12s

设定运行时间

实测运动时间

误差

+

+

+

由于不同的距离，其所需的加速和减速过程不同。

不同楼层之间的各个运动状态的设定值、实测和误差详细列表如下：

轿厢运动层数

1

2

3

4

5

设定or实测

设定

实测

设定

实测

设定

实测

设定

实测

设定

实测

加速度（加速）

匀速部分

加速度（减速）

但由电梯整个运行过程的总体分析，可得出电梯运行过程中的速度状态大致下图所示：

）轿厢加载重物测量和显示

  详细电路设计见<质量测量电路>。

在实际测量过程中我们经过多次试验，总结如下：

所加重物g

0

100

200

300

400

显示质量g

0

197

295

390

要求误差

0

实际误差

0

%

%

%

%

）报警信号频率测试：

由555做成的多谐振荡器产生的高频信号驱动蜂鸣器发声，其原理及电路图详见<报警模块>。

经过实际调试，最终振荡器的频率和理论上相差不大，具体如下表所示：

理论频率（KHZ）

实际频率（KHZ）

误差

数值

1．65

1．61

2．4%

附电路输出波形MULTISIM防真

小结

我们小组的三个人经过协力合作，精细分工，日夜奋战，终于完成了此系统。

我们除了完成要求的功能外，还在精确度上有所提高外，功能上还有部分增加：

如数字显示电梯负重、指示电梯安全工作状态并在工作不正常是报警等等，现特小结如下：

系统要求性能和实际性能比较：

功能

要求

实际系统

显

示

部

分

呼叫显示（外招）

√

√

当前楼层显示

√

√

楼层停留时间显示

5s

5s

电梯运行时间显示

√

√

负重显示

╳

√

控

制

部

分

平层

误差≤10mm

误差约为3mm

平均每层运行时间

≤5s

约2S

往返时间之差

≤1s

〈100ms

内部按键响应（内招）

╳

√

超重报警

╳

√

防冲顶防撞底

╳

√

由以上比较可以看出，我们制作的实物模型无论从功能，还是从性能上，都比要求的要高很多。

总体来说此系统还比较成功。

但由于时间有限，元器件货源不足，我们有些功能没能扩展：

如电梯运动速度显示、掉电保护、轿厢内设报警键等等。

经过这将近四天的奋战和赛前的准备和培训，我们确实学到了很多东西，特小结如下：

（1）我们小组的同学建立了很深的友谊，团队协作精神和意识有很大提高。

短短不到4天时间，我们从题目讨论、方案选择、电路设计、元器件选择等到软硬件的设计及实现，再到最终的整机测试和调试，以及最终的文稿整理等众多工作，没有团队协作是不可能在这么短的时间内完成的。

从开始进入电子设计大赛培训班，到后来自己制作实物，再到后来参加电子设计大赛，我们都一直在一起学习和生活。

在这期间，我们建立了很深的友谊。

（2）我们在理论和实际动手能力方面有很大提高。

经过赛前的培训和这将近四天的实际制作，我们学会了很多关于电子方面的软件：

如PROTEL、MULTISIM、EWB、MAXPLUSII等。

了解到了一个模型从项目选择、方案选择和论证电路设计、元器件选择等到软硬件的设计及实现，再到最终的整机测试和调试整个工作过程，了解并掌握了系统设计时软件、硬件以及软硬件联合设计、制作和调试，为以后工作和开发打下了坚实的基础。

（3）经过此系统的设计和制作，又提升了我对电子设计和制作的兴趣。

用单片机和可编程逻辑器件编著的程序结合可以使电路和设计非常简单；系统的功能也比较稳定且容易控制；软硬件的结合无疑是这几年并且是今后相当长一段时间内的主流，对于今后的电子设计与制作的发展前景，我们充满信心。

总之，经过此次大赛，我们学到了很多在其他地方所学不到的东西。

在此，我们特别感谢各位老师对我们的信任，让我们参加此次大赛。

也在此真心感谢各位老师在赛前对我们的指导和培训。