定稿论文0511.docx

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定稿论文0511

2013届本科生毕业设计分类号：

题目：

滚动电梯节能安全控制系统设计

作者姓名：

孙海中

学号：

2011080128

院（系）：

机械与电子工程学院

专业：

电子信息工程

指导教师：

唐永刚、司志良

指导教师职称：

副教授、工程师

2013年4月20日

Year2013BachelorGraduationAssignment

Title:

Thedesignforthesystemofenergy-savingandsafety

ocontrollmentofscrollelevator

Author:

SunHaizhong

StudentID:

2011080128

Department:

CollageofMechanicalandElectronicEngineering

Major:

ElectronicandInformationEngineering

Instructor:

TangYonggang、SiZhiliang

ProfessionalTitle:

AssociateProfessor、Engineer

April20th,2013

摘要

本毕业设计设计并制作了滚动电梯节能安全控制系统。

节能控制系统组成包括单片机最小系统、语音模块、激光检测模块、交流电机驱动模块、继电器模块等。

电梯入口处和出口处分别设一组和两组激光，当有人进入口处时，激光被阻断，入口计数器便自加，单片机控制晶闸管BTA41的导通角，从而实现对电机调速的控制（缓慢加速之正常速度）；当乘客出出口时，第一组激光被阻断，出口计数器1便自减1，直至计数器减为零，电机减速至停止。

紧接着定时器开始定时，若出口处第二组激光长时间未被阻断，单片机会给语音模块触发信号，语音芯片WTV020工作并驱动扬声器播报“出口处，请勿逗留”,此时如果出口第二组激光被阻断,出口计数器2自减1，直至减为0，语音停止播报。

出口计数器的初值等于入口计数器终值。

防倒转控制系统由单片机最小系统、电机正反转检测模块、语音模块、继电器模块、交流电机驱动模块等组成。

霍尔传感器检测电机的正反转，一旦检测到电机发生倒转:

首先，防倒转控制模块的单片机会给该模块中用作开关的三极管的基极高电平。

其次，继电器模块的12V供电电路和电机驱动模块的供电电路开路。

最后，电机会停止运转，同时语音播报“系统故障，请勿慌张”。

通过制作出来的实物验证，本设计达到了预期的目的。

关键词：

滚动电梯；节能；安全；单片机；激光；语音；防倒转；霍尔传感器

ABSTRACT

Thisgraduationassignmentdesignandmakethesystemofenergy-savingandsafetyofthescrollelevator.

Energy-savingcontrolsystemconsistsoftheminimumsystemofMCU,voicemodule,laserdetectionmodule,ACmotordrivemodule,relaymodule.Theentranceandexitofelevatorarerespectivelyprovidedwithagroupandthetwogroupoflaser.Whensomeoneenterstheentrance,thelaserisblockedandthecounterofentrancesums,andMCUcontrolconductionangleofBTA41soastocontrolthespeedofthemotor（Themotor’sspeedslowlyincreasetothenormal.）Whenthepassengersoutofexportandthefirstgroupoflaserisblocked,thenumber1exportcounterminus1untilthecounterisreducedtozerosoastothemotorrangesfromslowspeedtostop.Thenthetimerbeginstiming,MCUwillgivevoicemoduletriggersignal,andvoicechipWTV020anddrivetheloudspeakertobroadcast"Exit,donotstay"iftheexitofthesecondgroupsoflaserisnotblockedforalongtime.Meanwhile,ifthesecondsetsofexitlaserisblocked,thenumber2exitcounterminus1untilitreducedto0,avoicestoppedbroadcasting.Theinitialvalueoftheexitcounterisequaltotheendvalueoftheentranceofcounter.

ThecontrolsystemofpersistingreversedactionconsistsoftheminimumsystemofMCU,motorreversingdetectionmodule,voicemodule,relaymodule.Holzersensorforthedetectthepositiveandnegativeactionofthemotor,onceitdetectedthereversalsofthemotor:

Firstly,MCUwillgivehighleveltothebaseleveloftriodewhichactsasswitchinthemoduleofresistingreversal.Secondly,The12VpowersupplycircuitofrelaymoduleandthepowersupplycircuitforACmotordrivemoduledisconnect.Finally,themotorwillstoprunning,atthesametime,voicebroadcast"Systemfailure,donotpanic".

Throughphysicalverificationtomakeout,thisdesignachievestheexpectedintention.

Keywords:

ScrollElevator;Fuel-Saving;Safety;MCU;Laser;Voice;Anti-reversing;TheHolzerSensor

目录

绪论……………………………………………………………………………………1

1系统设计方法概述…………………………………………………………………3

2硬件实现……………………………………………………………………………6

2.1单片机最小系统电路………………………………………………………6

2.1.1单片机部分……………………………………………………………6

2.1.2复位电路………………………………………………………………8

2.1.3时钟电路………………………………………………………………8

2.1.4串行通信电路…………………………………………………………8

2.1.5电源接口电路…………………………………………………………9

2.2功能电路部分……………………………………………………………9

2.2.1节能安全控制和防倒转控制模块……………………………………9

2.2.2激光模块……………………………………………………………13

2.2.3语音模块……………………………………………………………14

2.2.5继电器和电机驱动模块……………………………………………16

2.2.6电机正反转检测模块………………………………………………21

3软件实现…………………………………………………………………………23

4测试及结果………………………………………………………………………24

结论…………………………………………………………………………………25

参考文献……………………………………………………………………………26

附录一程序代码……………………………………………………………………27

附录二节能控制模块PCB…………………………………………………………41

附录三防倒转控制模块PCB………………………………………………………42

附录四语音模块PCB………………………………………………………………43

附录五继电器模块PCB……………………………………………………………44

附录六交流电机驱动PCB…………………………………………………………45

附录七电机正反转检测模块PCB…………………………………………………46

致谢…………………………………………………………………………………47

绪论

在火车站、地铁、商场等公共场所常常会使用滚动电梯，它的方便大家有目共睹。

但我们也经常看见，即使没有人乘坐，电梯仍会工作。

这样不仅降低电梯使用寿命，而且极大的浪费电能。

如何能够有效的节约电能，这是本系统设计的一大初衷。

使电梯在没有乘客时不工作是十分有效的节能方法，在电梯入口处和出口处各放置一组激光探测装置。

通过激光探测此时电梯上是否有人，只有在有人时电机才会工作，不仅能达到节能的目的，而且也能提高电梯的使用寿命。

安全可靠始终是设计滚动电梯控制系统的最根本出发点。

一方面，电机启动至完全运行需要一个过渡的过程，这样可避免乘客乘电梯时因电梯突然运行而带来的不适感。

另一方面，防倒转也是我们考虑的重点。

特别是最近两年频发由滚动电梯逆行而引发的事故。

例如，北京时间2011年7月5日早9：

36，北京地铁四号线动物园站A口上行电扶梯发生设备故障，原本是上行的电梯突然下滑，很多人防不胜防，人群纷纷跌落，导致踩踏事件的发生，事故造成1人死亡，2人重伤，26人轻伤（事故现场如下图所示）。

北京地铁四号线电梯事故现场图片

在离电梯入口2米出设置一组激光，当乘客碰到它时，电机会启动，待乘客上电梯时，此时的电梯已经完全启动。

此外，在电梯上安装倒转检测装置，一旦电梯发生倒转，即刻切断电机电源，并使电梯缓慢停止。

单片机技术发展多年，而且简单易行。

滚动电梯是十分常见的，其系统相对简单，用STC89C52RC等单片机能十分有效的对其进行控制。

信号采集部分使用激光检测技术和霍尔传感技术。

用单片机对获得的信号进行分析、处理，实现对电梯的节能控制和防倒转控制。

以语音播报形式提示乘客”电梯出口处，请勿逗留。

”，“系统故障，请大家不要慌张”。

本设计所需硬件设备虽较少，但能有效的实现目的，达到令人满意的效果。

1.系统设计方法概述

1.1简要方案

根据绪论所产生的设想及方案构思，产生了以下的设计方案。

在电梯入口处和出口处分别设有一组和两组激光（滚动电梯及激光分布示意图如图1-1所示），每组激光都与单片机的I/O相连，一般情况下，I/O口成高电平。

当有人经过时就会阻断激光，使I/O口呈现低电平。

单片机就会对产生的信号进行处理，控制电梯电机的运转和语音播报系统。

此外，由霍尔传感器检测到的电机正反转信号，经单片机处理、分析，此时单片机同样会发出控制电机运转和语音播报系统的信号。

由上我们将要实现的功能原理图分为七个模块，最后要刻成六个电路板：

（1）激光模块。

（2）继电器模块。

（3）语音模块。

（4）节能安全控制模块。

（5）防倒转控制模块。

（6）电机正反转检测模块。

（7）电机驱动模块。

其中功能模块的方框图如图1-2所示

图1-1滚动电梯及激光分布示意图

图1-2功能模块的方框图

1.2设计需求

设计需求简要框图如图1-3所示。

（1）在电梯入口和出口处分别设置一组和两组组激光装置，当电梯上没有人时，计数器值为零，电梯平缓减速至停止；

（2）当有人通过入口前的激光装置时，计数器值不为零，单片机对产生的信号进行处理，然后控制电机缓慢启动至平稳速度；

（3）如果有人长时间停留在出口处，系统提示“电梯出口处，请勿逗留”；

（4）为了保证电梯上乘客的安全，只要计数器的值不为零，电机就不能停止工作。

（5）如果检测到电机倒转，系统提示“系统故障，请勿慌张”，并切断电机电源。

图1-3设计需求简要框图

2.硬件实现

2.1单片机最小系统电路

2.1.1单片机

本课题使用的单片机芯片为STC89C52RC，如图2-1所示。

图2-1单片机芯片示意图

其引脚按其功能可分为如下3类：

（1）电源及时钟引脚：

VCC、GND、XTAL1、XTAL2。

（2）控制引脚：

、ALE/

、

/VPP、RST（RESET）

（3）I/O口引脚：

P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口

2.1.1.1电源及时钟引脚

（1）VCC（40脚）：

+5V电源。

（2）GND（20脚）：

数字地。

2.1.1.2时钟引脚

（1）XTAL1（19脚）：

片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路输入端。

用作片内振荡器时，该脚接外部石英晶体和微调电容。

外接时钟源时，该脚接外部时钟振荡器的信号。

（2）XTAL2（18脚）：

片内振荡器反相放大器的输出端。

当使用片内振荡器，该脚连接外部石英晶体和微调电容。

当使用外部时钟源时，本脚悬空。

2.1.1.3控制引脚

（1）RST（RESET，9脚）

复位信号输入，该引脚加上持续时间大于2个机器周期的高电平，可使单片机复位。

正常工作，此脚电平应≤0.5V。

当看门狗定时器溢出输出时，该脚将输出长达96个时钟振荡周期的高电平。

（2）

/VPP（EnableAddress/VoltagePulseofPrograming，31脚）

：

引脚第一功能，外部程序存储器访问允许控制端。

=0，在PC值不超出0FFFH（即不超出片内4KBFlash存储器的地址范围）时，单片机读片内程序存储器（4KB）中的程序，但PC值超出0FFFH（即超出片内4KBFlash地址范围）时，将自动转向读取片外60KB（1000H-FFFFH）程序存储器空间中的程序。

=1，只读取外部的程序存储器中的内容，读取的地址范围为0000H～FFFFH，片内的4KBFlash程序存储器不起作用。

VPP：

引脚第二功能，对片内Flash编程，接编程电压。

（3）ALE/

（AddressLatchEnable/Programing，30脚）

ALE：

引脚第二功能,ALE为CPU访问外部程序存储器或外部数据存储器提供地址锁存信号，将低8位地址锁存在片外的地址锁存器中。

：

引脚第二功能，对片内Flash编程，为编程脉冲输入脚。

（4）

（ProgramStrobeENable，29脚）

片外程序存储器读选通信号，低电平有效。

2.1.1.4并行I/O口引脚

（1）P0口：

8位，漏极开路的双向I/O口

当外扩存储器及I/O接口芯片时，P0口作为低8位地址总线及数据总线的分时复用端口。

P0口也可用作通用的I/O口，需加上拉电阻，这时为准双向口。

作为通用I/O输入，应先向端口写入1。

可驱动8个LS型TTL负载。

（2）P1口：

8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

准双向I/O口，作为通用I/O输入时，应先向端口锁存器写1。

P1口可驱动4个LS型TTL负载。

P1.5/MOSI、P1.6/MISO和P1.7/SCK可用于对片内Flash存储器串行编程和校验，它们分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。

（3）P2口：

8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

当单片机扩展外部存储器及I/O口时，P2口作为高8位地址总线用，输出高8位地址。

P2口也可作为普通的I/O口使用。

当作为通用I/O输入时，应先向端口输出锁存器写1。

P2口可驱动4个LS型TTL负载。

（4）P3口：

8位，准双向I/O口，具有内部上拉电阻。

可作为通用的I/O口使用。

作为通用I/O输入，应先向端口输出锁存器写入1。

可驱动4个LS型TTL负载。

P3口还可提供第二功能。

第二功能定义见表2-1，应熟记。

表2-1P3口第二功能定义

引脚第二功能说明

P3.0RXD串行数据输入口

P3.1TXD串行数据输出口

P3.2

外部中断0输入

P3.3

外部中断1输入

P3.4T0定时器0外部计数输入

P3.5T1定时器1外部计数输入

P3.6

外部数据存储器写选通输出

P3.7

外部数据存储器读选通输出

2.1.2复位电路

无论是单片机刚开始接上电源，还是断电后或者发生故障后都要复位。

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。

复位电路由电容串联电阻组成，由图并结合“电容电压不能突变”性质，可以知道当系统一通电，RST引脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定，典型的单片机当RST引脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位。

电路图如图2-2所示。

图2-2复位电路

2.1.3时钟电路

时钟电路用于生产单片机工作所需要的时钟信号。

在MCS-51系列单片机内部有一个高增益反向放大器，其输入端引脚为XTAL1，其输出端引脚为XTAL2。

一般的，电容C1、C2取30pF左右，晶振振荡频率越高，系统时钟频率越高，单片机的运行速度也越快。

在通常情况下，使用频率为6MHz或12MHz的晶振。

本系统中使用了单片机的串行口通信，一般晶振的频率采用11.0592MHz，两个电容采用22pF。

电路图如图2-3所示。

图2-3时钟电路

2.1.4串行通信电路

本部分的主要作用是单片机与PC机的信息交互。

使编好的程序能下载到单片机中，使所设计的系统能按照预先的设想工作，其电路图如图2-4所示。

图2-4串行通信电路

2.1.5电源接口部分

本部分的作用是给整个单片机系统供电，使其正常运转。

电路图中DC为电源接口，可接入电源。

通过连线将电源接入电路。

电路图如图2-5所示。

图2-5电源接口电路

2.2功能电路部分

2.2.1节能控制和防倒转控制模块

2.2.1.1滚动电梯节能控制模块

该模块是主控模块，它通过接口将其他模块与之连接在一起，是整个滚动节能安全控制系统的中枢。

具体包括单片机最小系统、语音接口、激光接口、交流电机控制接口、控制电机处于反转状态的接口等。

该模块的单片机对上述接口送来的信号进行分析，并对应发出控制信号，从而实现对电机的控制和播报语音。

该模块的电路原理图、对应的PCB图以及实物图分别如图2-6、附录二以及图2-7所示。

图2-6节能安全控制模块原理图

图2-7节能安全控制模块实物图

2.2.1.2防倒转控制模块

该模块包括单片机最小系统、电机正反转检测模块接口、语音模块接口、切断继电器模块供电电源控制电路等。

一旦正反转模块检测到电机反转，该模块单片机会接收到反转信号，并切断控制电机驱动模块的继电器模块电源。

并控制语音模块发出播报信息。

该模块的电路原理图、PCB图以及实物图分别如图2-8、附录三和图2-9所示。

图2-8防倒转电路原理图

图2-9防倒转控制模块实物图

2.2.2激光模块

本模块用于检测是否有人出入电梯，用于信息的采集。

本设计系统中，在电梯入口处安装一组激光，出口处安装一组激光，离出口两米处再安装一组激光。

一般情况下，没有人员阻断激光，激光正常导通，与单片机的I/O引脚相连表现为高电平状态。

当有人阻断激光是，电平由高变低。

一开始没有人在电梯上，电梯电机处于不工作状态。

当有人从入口处进入时，电机开始工作。

当人离开电梯时，分两种状况。

一是人出电梯但逗留在电梯出口处，此时语音提示乘客“请勿在电梯出口处逗留”；另一种是人出电梯直接离开电梯，语音系统不会播报提示，此时电梯才停止工作，从而达到节能的目的。

其具体工作情况如下：

（1）当没有人员阻断激光时，激光正常导通，与单片机的I/O引脚相连表现为高电平状态。

（2）当有人阻断激光时，电平由高变低，计数器计数。

（3）在入口处计数器为加，出口处为减。

（4）没有人在电梯上时，电梯电机处于不工作状态。

当有人从入口处进入时，计数器计数，其数值不再为零，电机开始工作，直到计数器数值变为零时，电机才停止工作。

从而达到节能的目的。

其电路图如图2-10所示。

图2-10激光模块接口

2.2.3语音模块

本模块用于提示乘客下电梯了不要在电梯出口处逗留以及电机倒转时提示乘客请勿惊慌。

AMS1117的作用是为语音芯片提供3.3V的电压，两端的电容是为了电压，去除微小电压的干扰。

语音芯片（插在J3上）WTV020是双线串口控制。

工作电压为DC2.8V～5.5V。

语音芯片工作，LED灯亮；否则LED不亮。

其接口电路图、PCB图以及实物图分别如图2-11、附录四和图2-12所示。

图2-11语音模块接口图

图2-12语音模块接口实物图

2.2.4继电器和电机驱动模块

2.2.4.1继电器模块

本模块用于控制电机，从而控制电梯的运转与停止。

采用继电器驱动，启动充电控制。

由于继电器控制端线圈工作电流比较大，所以不能用单片机驱动继电器，而需要在单片机的输出端加上一个ULN2004。

模块的每个输出端能够提供较大的负载电流，能增加单片机输出端口带负载的能力。

当ULN2004的一个输入端为高电平时，它对应的输出端是低电平，它连接的继电器线圈就得电，相应线圈就有电流通过。

在继电器的两端并联了阻容滤波电路，用来吸收继电器吸合、关断时产生的瞬时高压。

其原理图、PCB图以及实物图如图2-13、附录五和图2-14所示。

图2-13继电器模块原理图

图2-14继电器模块实物图

2.2.4.2交流电机驱动模块

它主要由三角波波产生电路、加法器、PWM波输出电路、DA转换电路等组成。

电路中若干芯片功能简述如下：

（1）PCF8591：

晶闸管单片移相触发集成电路，是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bitCMOS数据获取器件。

PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I2C总线接口。

PCF8591的3个地址