电梯控制模型系统设计论文0.docx
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电梯控制模型系统设计论文0
1引言
我国已经成为全球最大的电梯市场。
上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大，2004年总产量超过了11万台，且呈持续上涨趋势。
全世界平均1000人有1台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。
因此，我国的电梯远未达到饱和的程度，发展前景广阔。
世界知名电梯公司的进入，增强了我国电梯行业的竞争能力。
据统计，美国奥的斯、瑞士迅达、芬兰通力、德国蒂森、日本三菱、日立、东芝、富士达等13家大型外商投资公司在国内的市场份额达到了74%，先进技术和先进管理的引进对国内电梯企业产生了强大的推动作用。
在整机厂不断上规模的同时，一些专业化的配套件生产企业逐步形成。
目前，全行业有32家企业通过了ISO／9000系列质量认证；V梯速达4m／s的高速电梯、自主开发的微机控制系统、全露天自动扶梯、电梯远程监控系统等相继通过国家组织的技术鉴定。
有一大批新型电梯配件产品申请了国家专利，我国电梯行业已经有能力提供一流水准和一流质量的电梯产品。
国产电梯、自动扶梯不但较好地满足了国内经济建设的需求，而且有了批量的出口，初步显示了他们在国际市场上的竞争力。
国产电梯的技术水平和产品质量正在稳步提高。
自1985年我国参加了国际标准化组ISO/TC178以来，先后等同或等效采用了一批国际标准和先进国家的标准。
标准的高起点带来技术上的有利地位，兼之成本低廉，我国电梯行业赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。
为了与当前现状接轨，紧跟电梯发展状况，了解电梯应用技术，也为了让所学专业知识得到综合应用，我经过多方查阅资料，制定了一套自己的电梯控制模型系统设计方案。
2系统方案设计
2.1系统基本方案
根据题目要求，系统可以划分为智能控制部分和显示部分。
其中智能控制部分包括单片机控制模块、电机驱动模块、传感器检测模块以及选层电路模块，其中选层模块包括指示灯电路及开关电路两部分；显示部分包括检测模块，选层电路模块，显示模块[1]，系统基本框图如图2-1所示。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
图2-1系统基本框图
2.1.1各模块方案选择和论证
（1）检测模块
光电检测部分的作用是检测电梯是否到达平层位置并将此信号转换为单片机可以接收的电信号，以使电梯正确选向运行，在运行的途中不能超出导轨。
考虑到轿厢设计的模型，宜采用能分辨光强度的传感器进行检测。
对传感器的选择有以下方案。
方案一：
采用热探测器。
热探测器接收到红外辐射后，会引起温度的变化，温度的变化引起电信号的输出，且输出的电信号与温度的变化成比例，当红外线被黑线吸收时，温度会减小，电压变低，而红外线没有被吸收时，电压不变，单片机可以根据电压的变化来判断导轨的状态。
由于温度变化是因为吸收热辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长无关，即对红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境的影响比较大。
方案二：
采用光电探测器。
光电探测器吸收红外辐射后，由于红外光子直接把材料的束缚态电子激发成传导电子，由此引起电信号输出，信号大小与所吸收的光子数成比例。
且这些红外光子的能量的大小必须满足一定的要求（即红外光还必须满足一定的波长范围），才能激发束缚电子，起激发作用。
否则不能被吸收，所以受外界影响比较小，抗干扰比较强。
基于以上分析，考虑到系统的稳定性以及设计模型需要，拟定方案二，采用光电开关进行检测。
（2）选层模块
方案一：
利用单片机I/O口直接控制开关和灯，，充分利用AVR单片机I/O口，使用软件方式实现选层功能，不仅节省硬件开支而且控制直接方便。
方案二：
采用D触发器对每层信号进行锁存控制，实现选层功能[1]。
此种方法虽能实现电梯呼梯信号锁存，但是硬件要求复杂，而且占用I/O资源较多。
经比较，方案一更具实用性，调试工作量小，易于实现，因此决定采用方案一实现选层功能。
（3）电机驱动模块
电机的驱动电路主要通过电机的正转和反转实现物电梯的方向选择。
对于电机驱动的电路有下面的几种方案。
方案一：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对轿厢的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械构造结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案二：
采用三极管组成的开关PWM电路[2]。
采用三极管代替继电器，如图2-2所示，这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调整范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击还可以频繁的无级快速启动和反转等优点。
但是由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。
图2-2功率放大器驱动电路原理图
方案三：
采用直流电机，其转速恒定，电流随负载而变化，利用L293D直接驱动[3]，输出电压最高可达50V，而且电路简单，可以直接通过电源来调节输出电压；直接用单片机的I/O口提供信号；通过输入高低电平即可实现电机的正转以及反转，物体运行速度均匀，输出功率大、动态特性好。
根据题目要求，对以上方案进行比较，使用L293D芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动直流电机，且价格不高，故选用L293D驱动电机。
而使用L293D时，可以用L297来提供时序信号，节省单片机I/O口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号。
由于控制并不复杂，故选用方案三直接用单片机模拟出时序信号。
图2-3为单片机控制直流电机的原理框图。
图2-3单片机控制直流电机原理框图
（4）显示模块
在轿厢运行过程中，系统需要对运行层数及方向作必要的显示。
经考虑有以下三种显示方案。
方案一：
数码管LED显示，采用此种方式只能显示非常有限的符号和数码字，轿厢位置可显示出来，但耗电量大，显示不够灵活，不生动，而且字体不易改变，具有局限性。
对于本设计功能实现是不相适应的。
方案二：
点阵式LED显示，利用点阵显示可以显示较为清晰的数字，用户自定义输入选择余地大，而且非常方便，界面清晰亲切，能够满足实时显示要求。
方案三：
使用液晶显示屏显示。
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小，低耗电量，可视面积大，平面直角显示分辨率高以及稳定不闪烁等优势。
但由于只需显示楼层这样的数据，信息量比较小，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。
在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。
因此，采用方案二，利用点阵显示楼层数。
该方案可以同时实现楼层显示，而且数据信息量少，编程方便，成本合理，适于安放在电梯层门边。
（5）电源模块
考虑到电机功率、轿厢载重、摩擦力及芯片能否正常工作问题，电源分别使用+5V、+12V供电。
2.2.2系统各模块的最终方案
经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下。
（1）检测模块：
采用光电检测开关；
（2）选层电路模块：
采用AVR单片机I/O口直接控制；
（3）电机驱动模块：
采用永磁直流减速电机；
（4）显示模块：
采用点阵LED；
（5）电源模块：
采用+5V、+12V供电；
3系统的硬件设计与实现
3.1系统硬件的基本组成部分及原理图
本系统是一个光、机、电一体的综合设计，在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。
根据控制方式及系统组成，电梯控制系统可分为智能控制部分、显示部分[1]。
智能控制部分：
系统中控制器件根据由传感器输出的电信号进行逻辑判断，控制电梯的电机运转，完成轿厢准确平层及选向运行等各项任务。
控制部分包括4个主要单元电路：
单片机控制电路、传感器检测电路、选层电路以及电机驱动电路。
其中，传感器检测部分包括1个单元电路：
光电检测电路。
它是利用光电开关将检测到的一系列的外部信息转化为可被控制器件辨别的电信号。
选层电路包括两个单元电路:
内部选层电路与外部选层电路。
内部选层电路通过74ls138进行译码进行指示灯亮灭选择，开关由单片机I/O口直接进行控制；外部选层电路中的开关以及指示灯直接由单片机I/O口进行控制。
电机驱动电路由电机驱动芯片L293D与直流电机组成。
显示部分：
系统控制器件通过单片机检测到平层信号和开关信号后控制驱动芯片74ls244完成显示功能，显示部分包括3个主要单元电路：
传感器检测电路、开关电路以及点阵显示电路。
智能控制部分系统原理图如图3-1所示。
图3-1智能控制部分系统原理图
3.2主要单元电路的设计
3.2.1智能控制部分的单元电路设计
（1）控制电路的设计
图3-2ATmega8515的最小系统及外围电路
单片机接收从各部分电路输入的逻辑信号和脉冲信号，并将输入的信号进行处理运算，以控制电流或电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要求。
单片机ATmega8515[4]外接检测电路、开关以及显示灯电路、直流电机驱动电路。
光电传感器信号由PC0-PC4口控制，直流电机以及内部选层指示灯由PB2-PB7口控制，外部选层信号由PD0-PD7口控制。
内部选层信号由PA0-PA4口控制，PC0-PC4口、PD0-PD7口用于两个单片机之间的信号连接，即单片机1、2双方都对控制信号与开关信号进行检测与判断。
各口分配见图3-2所示。
（2）光电检测电路的设计
该部分电路主要利用光电开关检测电梯是否到达平层位置[5]，若电梯运行在楼层之间，光电开关未被挡住，光电开关输出信号为“0”，经过非门74ls04反相后将信号转变为标准TTL电平，即为“1”信号，PNP三极管作为开关使用，此时不导通；如果电机运行到某层，光电开关被挡住，有信号检测到，即为“1”信号，经过非门74ls04反相后将信号转变为标准TTL电平输入到三极管，再利用三极管开关作用将信号输出到单片机进行检测，从而判断出电梯要到哪层去执行指令。
原理如图3-3所示：
图3-3光电检测电路
（3）电机驱动电路的设计
本系统使用永磁式直流减速电机，采用简单的硬件电路即可实现系统的驱动功能，L293D为电机驱动芯片，是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
有16个引脚，内部结构如图3-4所示。
其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达12V；Vs电压最大值也是12V，但经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。
电机运行速度可以通过调节Vs控制。
方法为在电源输出端串接电阻，通过调节电阻实现电机运行速度的控制[6]。
图3-4L293D内部结构电路图
当芯片使能端置高电平，两输入端通过相应的电平设置即可实现电机的正转、
反转[7]。
L293D运行表如表3-1示。
表3-1电机驱动--L293D运行表
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运行情况
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2（IN4）
同IN1（IN3）
刹车
L
X
X
停止
由于题目要求轿厢模型在加载400克的条件下，从1层到5层和从5层到1层的往返时间相等，单程时间不超过12秒，往、返时间之差不大于2秒，根据我们采用的直流减速电机参数，如表3-2所示。
表3-2直流减速电机参数
额定电压
12VDC
空载转速
6000r/min
空载电流
260mA
额定负荷
140gf.cm13.72mN.m
负荷电流
1300mA
符合转速
4500R/min
方向
CW/CCW
电机的减速比为1：
100[8]，经理论计算得：
有载转速
（3-1）
——v为有载转速，V为空载转速，n为减速比
=6000/100（r/min）
=60（r/min）
=1（r/s）
电机带动轴（模型中使用圆木做成，表面包有黑色胶皮）直径为3.5cm,电机转一圈形成
（3-2）——l为电机转动一圈的距离，d为电机带动轴直径
=10.99cm
速度
（3-3）——v’为电机转动速度
=10.9（cm/r）/1（r/s）=10.99cm/s
电梯模型高为1.2m，运行时间
（3-4）——t为电梯运行时间，h为电梯模型高度
=120cm/10.99（cm/s）
=10.9s<12s,符合要求。
电机驱动电路[9]如图3-5所示。
其中，使能端EN2为高电平，输入信号IN3、IN4分别由PB1、PB2控制，输出端OUT3、OUT4接直流电机两端，电压输入分别为+5V、+12V。
图3-5电机驱动电路
（4）内部选层电路的设计
内部选层电路由内部选层开关以及内部指示灯组成，由于考虑端口问题，采用74LS138[10]进行扩展，当内部开关按下时，即轿厢内部有请求时，内部相应楼层指示灯亮，电梯到达所选之层时，指示灯灭。
其电路图如图3-6所示。
图3-6内部选层电路图
表3-374LS138真值表
INPUTS
OUTPUTS
H
L
LLH
LLH
LLH
LLH
LLH
LLH
LLH
LLH
LLL
HLL
LHL
HHL
LLH
HLH
LHH
HHH
HHHHHHHH
HHHHHHHH
HHHHHHHH
LHHHHHHH
HLHHHHHH
HHLHHHHH
HHHLHHHH
HHHHLHHH
HHHHHLHH
HHHHHHLH
HHHHHHHL
H=HIGHVoltageLevelL=LOWVoltageLevelX=Don’tCare
根据表3-3中74LS138的真值表[11]，74LS138的E1、E2端接地，通过PB5口控制74LS138的E3端，当E3为高时，74LS138开始正常工作。
输出Y控制发光二极管。
PA0-PA4口用来控制内部5层选层开关，其对应关系如表3-4、3-5所示。
表3-4发光二极管开关状态对应表
外部楼层
LLH
LLL
第一层
LLH
HLL
第二层
LLH
LHL
第三层
LLH
HHL
第四层
LLH
LLH
第五层
表3-5开关状态对应表
端口
内部楼层
PA0
第一层
PA1
第二层
PA2
第三层
PA3
第四层
PA4
第五层
3.2.2显示部分的单元电路设计
（1）显示电路的设计
所到楼层采用分布在电梯外部5个楼层及内部的8X8点阵显示，显示原理如图3-7所示[12]，本部分采用独具创新的软件技术，，通过对AVR单片机的编程，创造性地实现了检测、选层等电路与单片机之间的接口技术，外部硬件仅使用两片74LS244[13]驱动点阵完成，通过该接口，使硬件更灵活、更方便使用。
实现了电梯运行系统与手动控制系统的数据传递，这正符合当今时代所追求的“尽量使用软件实现硬件”的原则，大大降低了外设硬件的成本。
显示电路采用两片74ls244驱动六个点阵进行显示，74ls244内部有8个三态缓冲门，采用8路输出，一片用于控制点阵行扫描，由单片机的PA0-PA7口控制，另一片用于控制点阵列扫描，由单片机的PC0-PC7口控制，检测信号通过PD0-PD4口与单片机1的检测控制端口PC0-PC4口连接，经单片机控制用来判断楼层信号[14]，外部向上请求按键信号经过或门74ls32连接到单片机2的PB6、外部向下请求按键信号经过或门74ls32连接到单片机2的PB7口，当有按键按下时，按键信号变为1，经过或门后信号为1，只要PB6、PB7口检测到按键请求信号“1”，信号送入单片机，经单片机处理后执行相应操作进行显示。
图3-7楼层及运行方向显示电路
（2）电源电路的设计
系统中电机驱动采用+5V、+12V供电，其他电路模块一般采用5V供电。
变压器的输出功率为30W，而电梯整机在工作时的消耗功率约为16W左右，此功率主要以电机消耗功率为主，电机的负荷功率为15W，所以变压器足以为电梯控制系统供电。
稳压电源一般由变压器、整流器、滤波器和稳压器四大部分组成，电源设计电路如图3-8所示。
变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。
桥式整流器把交流电变为直流电。
经滤波器后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。
其中C1、C2为输入低频滤波电容，C5、C6为输入高频滤波电容，C7、C8为输出低频滤波电容，C3、C4为输出高频滤波电容[15]。
图3-8电源电路
4系统的软件设计
4.1开发软件及编程语言简介
系统采用汇编语言按模块化方式进行设计，并将各模块集成于ATmega8515芯片中，然后通过AVRStudio4.0软件开发平台，对设计文件进行编译、仿真，采用并口ISP高速下载，通过PonyProg将程序下载到ATmega8515中，实现系统的设计要求。
4.2软件实现方法
4.2.1选层控制程序
选层控制部分主要用来控制电梯的外部请求按键、内部请求按键、外部指示灯、内部指示灯，以及电梯位置检测、电机运行。
程序流程图[1]如图4-1所示。
图4-1选层控制程序流程图
4.2.2显示程序
显示部分主要用来显示电梯运行层数，当电梯到达某一层时，系统检测到平层信号后开始显示楼层数，该楼层数一直保持显示状态，直到电梯运行到下一个楼层后才开始显示下一个楼层的数值[16]。
程序流程图如图4-2所示。
图4-2显示程序流程图
4.2.3显示子程序
显示子程序是电梯运行到某层时，楼层数的显示原理。
程序流程图[4]如图4-3所示：
图4-3显示子程序流程图
4.2.4其他子程序
延时子程序完成延时功能，程序流程图略。
5系统调试
为了确定系统与设计要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。
5.1测试仪器
测试使用的仪器设备如表5-1所示
表5-1测试使用的仪器设备
序号
名称、型号、规格
数量
备注
1
VP-5220D双踪示波器
1
————
2
54600B数字存储示波器
1
————
3
DF1647信号发生器
1
————
4
DF1731SD3A直流稳压电源
1
————
5
XL9205A数字万用表
1
深圳新乐电子仪器厂
6
秒表
1
宁波中策电子有限公司
7
卷尺（5m）
1
天津市开利达控制技术有限公司
5.2指标测试
5.2.1检测部分的测试
检测电路由五个光电开关组成的检测电路组成，分别负责各层轿厢位置的检测，首先对其中一个电路进行调试，当传感器感光部分未被挡住时，输出信号为低，经非门反相后为高；当传感器感光部分被挡住时，输出信号为高，经非门反相后为低[18]。
但是由于经非门前输出高电平仅有2.4V，此电压不足以使单片机读为高电平，即单片机I/O口检测不到信号。
考虑到该问题，采用了非门将信号变为标准的TTL电平。
PNP三极管其开关作用。
这样就将检测到的信号转化为单片机可以接受的信号，提高了系统的稳定性。
5.2.2开关以及指示灯测试
开关包括外部请求按键以及内部指令按键，当外部有请求时，外部指示灯亮，按下内部指令按键后，内部指示灯亮，电梯判断轿厢位置开始运行。
到达指令楼层后停梯。
为使开关与灯正常工作，8个开关用单片机PD口加以控制，外部上行指示灯和下行指示灯分别用PB0、PB1口控制。
内部指令按键由PA口控制，由于端口不够用，内部指示灯由PB2、PB3、PB4、PB5经74ls138端口外扩后加以控制。
按下上行按键，外部上行指示灯全亮，反之，按下下行按键，外部下行指示灯全亮。
按下内部指令按键，内部各层相应指示灯亮。
首先对按键按下后各I/O口电压进行测试，用万用表两端分别测按键按下先后电压的变化。
确定各个按键电压变化正确后，再对74ls138进行调试，各部分调试无误，最后将程序下载到单片机中进行验证[19]。
5.2.3电机驱动电路测试
此部分电路主要采用L293D进行驱动，将该部分电路与其它部分隔离，电路检查无误后，用万用表测各点输入电压用单片机编程控制驱动芯片的输入端，检测电机能否正常实现正转及反转。
经调试成功后，将此部分电路与其相关控制部分电路连接，再对其进行编程调试。
测试所得电梯运行时间及载重参数如表5-2所示
表5-2电梯运行时间及载重参数表
载
重
上行
时间1
下行时间1
上行
时间2
下行时间2
上行
时间3
下行
时间3
平均
上行
时间
平均
下行
时间
总运行时间
400g
9s/9s
10s/9.5s
9.6s/9.4s
9.5s
9.3s
18.8s
500g
10.8s/9.5s
10.5s/9s
10.2s/10s
10.2s
9.5
19.7s
450g
10.6s/9s
10.3s/9.2s
10s/9.7s
10.3s
9.3s
19.6s
经过计算，电梯运行时间满足要求，即在载重400g条件下,上下运行时间基本相等，单程时间不超过12秒，往、返时间之差不大于2秒，而且满足桥厢模型能够加载0～500克的重物，误差在±10%以内。
5.2.4显示部分测试
显示部分测试主要是模拟轿厢运行到某层时的楼层数显示，首先进行点阵测试，用万用表测量点阵块能否正常工作，然后下载仅显示数字的程序到单片机进行验证，确认点阵显示模块能够正常工作后，再编程下载系统显示程序，此程序不包括运行方向显示，经过编译、仿真、下载，程序无误后，在原有程序基础上添加运行方向显示程序，经编译、仿真后下载验证[20]。
最后对两片单片机进行整机调试。
显示功能能够加以实现。
5.2.5机械部分测试
根据硬件设计结构，电梯运行在井道中时，由于要考虑重心问题，需要对机械部分进行调整，调整的原则是，电梯模型上方卷轴位置要与轿厢重心位置在一条直线上，轿厢由绳子跨过卷轴系在由电机带动的横杆上，卷轴位置基本确定后，再调整轿厢的重心，即对轿厢上所系绳子位置进行调整，最终确定双方准确位置，然后对轿厢上遮光部分铝片位置进行调整，加大遮光范围，最后减小井道中导轨之间距离，使电梯正好在其间运行，防止电梯在运行过程中因阻力抛出轨道，最终达到电梯运行的平稳度要求。
5.2.6系统实现的功能
系统实现的功能有：
当某层有呼叫并有呼叫信号显示时，桥厢模型作相应的运动，并准确平层
当有多层呼叫时，桥厢模型将按说明中的运行规则作相应的运动，并依次在呼叫的楼层停留5秒
能自动记录、显示桥厢模型当前到达的楼层编号
桥厢模型在加载400克的条件下，从1层到5层和从5层到1层的往返时间相等，单程时间不超过12秒，往、返时间之差不大于2秒，并自动记录楼层数
模拟桥厢内表示乘客欲到达层数的按钮，桥厢模型将按照电梯模型运行规则作相应的运动
轿厢能够加载0～500克的重物
能够实现运行方向显示
6总结
本系统以单片机AVRATmega8515作为核心部件，利用光电检测技术并配合一套独特的软件算法
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