基于单片机控制电梯的控制系统设计.docx

1、基于单片机控制电梯的控制系统设计摘 要 电梯是现在高层建筑中的垂直运输工具，更是一种标志着现代物质文明建设发展的机电一体化的复杂运输设备。它涉及到了电子技术、机械工程、电力电子技术、微机技术、电力拖动系统和土建工程等多个科学领域。因此电梯的生产情况和使用数量已成为一个国家现代化程度的标识之一。随着现代化城市的高速发展，一幢幢高楼拔地而起，每天都有大量人流及物流需要输送，为了节约用地和适应经贸事业的发展，而这些高层建筑的垂直运输就成为了一个突出问题，电梯作为解决这一问题的主角在人们的工作和生活中的地位就变得更加的凸显了。本设计就是对电梯这一垂直运输工具的运送规律的一种简单的模拟。设计中采用AT8

2、9C51单片机为核心控制元件及外围硬件电路构成了一个四层电梯控制系统的模型。通过对各楼层用户按键状态的检测，作为用户请求信息送到单片机，然后单片机通过改变端口的状态控制步进电机，实现了电机的调控功能，使电梯能够准确的停靠在请求楼层。软件部分使用汇编语言，利用中断方式来检测用户请求的按键信息，模拟按键引起的电平变化，送至单片机来确定楼层位置及请求方式，当电梯运行到各个楼层时，楼层数送数码管显示。硬件设计简单可靠，与软件相结合，基本实现了电梯的基本功能。关键词：单片机；电梯；步进电机；控制Based on single-chip microcomputer controling the eleva

3、tor s control system designationAbstractNow the elevator is the vertical transportation tool of the high building, but also a marked about the modern material civilization construction development integration of machinery complex transportation equipment. It involves electronic technology, mechanica

4、l engineering, power electronic technology, microcomputer technology, electric driving system and civil engineering and so on many fields of science. Therefore elevator production condition and used quantity has become one of the logoes of the national modernization degree. With the rapid developmen

5、t of modern city, every day there are lots of people and logistics need to be saved by the transportation, and adapt to the economic and trade development of the cause of the ground, tall buildings have sprung up, but the vertical transportation became a prominent problems, the status of the elevato

6、r to solve this situation as the leading role in peoples work and life has becoming more highlights.This design is a simple simulation about the transport rule of the vertical transportation of elevator. Using AT89C51 microcontroller as the core control components and peripheral hardware circuit con

7、stituted a four layers of elevator control system model in the designation. On each floor by detecting state of user buttons, and users request information is sent to microcontroller, then the state by changing the port of the MCU to control stepping motor, achieve the motor control function, so tha

8、t elevator can accurate docked at request floor. Software part use assembly language, using interrupt mode to detect users request key information, simulate keystrokes cause level change, sent to the microcontroller to determine the floor position and request way, when elevator running to each floor

9、, the sign of the floor is sent to digital tube to display. Hardware design is simple, reliable, and unifies software, basically achieved the basic function of the elevator. Keywords: SCM; Elevator; Motor-stepper; Controling1 绪论1 .1 电梯概述1.1.1电梯的定义与分类电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物，也有台阶式和踏步板装

10、在履带上连续运行（俗称自动电梯）的形式。电梯按额定速度分为低速电梯（1/以下）、快速电梯(12/)和高速电梯(2/以上)等；按用途分类分为乘客电梯、载货电梯、观光电梯等；按驱动方式分为交流电梯、直流电梯、液压电梯等，按操控方式分为手柄开关操纵控制电梯、按钮控制电梯、信号控制电梯等。1.1.2电梯的组成 现代电梯主要由曳引机（绞车）、导轨、对重装置、安全装置(如限速器、安全钳和缓冲器等)、信号操纵系统、轿厢与厅门等组成。这些部分分别安装在建筑物的井道和机房中。具体划分为以下几个系统：（1）曳引系统曳引系统的主要功能是：输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组

11、成。（2）导向系统导向系统的主要功能是：限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨做升降运动。导向系统主要由导轨、导靴和导轨架组成。（3）轿厢轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。（4）门系统门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门、层门、开门机、门锁装置组成。（5）重量平衡系统 系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重的量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。 系统主要由对重和重量补偿装置组成。（6）电力拖动系统电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机、供电系统、速度反馈装

12、置、电动机调速装置等组成。（7）电气控制系统电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置、位置显示装置、控制屏(柜)、平层装置、选层器等组成。（8）安全保护系统保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由限速器、安全钳、缓冲器、端站保护装置组成。1.1.3 电梯的国内外发展史我国最早的一部电梯是在上海出现的，是由美国奥蒂斯公司于1901年安装的。1932年美国奥蒂斯公司又在天津利顺德酒店安装了一台电梯，并且至今还在安全的运行转着。1951年，党中央提出了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，并且不辱使命，顺利的完成了任务。在

13、十一届三中全会以后，沐浴着改革开放的春风，电梯业在我国更是飞速发展，进入了一个全新的时期。在国外19世纪中期就采用了液压电梯，至今仍在一些低层建筑物上应用着。比如在1852年，美国的E.G.奥蒂斯就研制出钢丝绳提升的安全升降机；80年代，驱动装置又有了进一步的改进，如电动机通过蜗杆传动带动缠绕卷筒；19世纪末，又采用了摩擦轮传动，这样大大增加了电梯的提升高度。随着科技的发展，时代的进步，相信未来的电梯将会发展的更加完美、节能。群控系统的智能化，高速电梯的速度越来越高，蓝牙技术的广泛应用，绿色电梯的普及等等，这些在未来的电梯业中将不再是新奇。2 设计说明2.1 课题的设计思路2.1.1 硬件部分

14、首先，对实际的电梯系统进行模拟。一般情况下，一个电梯应该具备按键、显示二极管、数码管等部件。由于本设计是一个模拟系统，故没有设计具体的轿厢等机械部分。其次结合实物特征，选择恰当的芯片，先设计好模块，再整体布局，以使设计整齐美观。例如在设计时用到了很多按键，而单片机的I/O口有限，因此在设计时用25键盘来进行按键请求管理，并用两个独立按键来控制电梯的开始和停止，这样分配大大降低了软件编程的难度；设计显示部分时，对楼层数字显示用CD4511芯片驱动，而厢外按键请求显示用一片74系列芯片统一管理。 2.1.2 软件部分 采用汇编语言编写程序。在编写时对键盘采用中断方式，每隔50扫描一次按键的状态，并

15、将扫描结果存进约定的存储空间。对电机调速模块采用改变相邻两次脉冲信号之间的时间间隔，即可改变脉冲信号的频率。设计中采用这种软硬件结合的方式，硬件电路简单明了，不需要进行I/O口扩展，并且还可以降低软件编程的难度，实现设计要求，完成设计任务。2 .2 课题的开发环境2.2.1 电路图绘制软件PROTUESProtues软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件，并可实现单独仿真。在用Protues绘制好原理图后，调入已编译好的目标代码文件：*.HEX,可以在Protues原理图中看到模拟的实物运行

16、状态和过程，是一种很直接的仿真调试软件。因此在教学和实验中应用广泛，鉴于本人对此软件相对熟悉，因此设计中采用了此软件设计硬件电路图。2.2.2 程序调试软件WAVE Wave软件是南京韦福实业有限公司生产的单片机开发系统仿真软件。它自身具有以下的优点：（1）Wave6000及Keil uVision双平台。Wave 6000 IDE环境，中/英文界面可任选，用户源程序的大小不再有任何限制。仿真器同时还可以直接工作于Keil uVision调试环境下，适应不同的用户操作习惯。（2）双工作模式。软件模拟仿真（不用仿真器也能模拟运行用户程序）和硬件仿真。（3）真正集成调试环境。集成了编辑器、编译器、

17、调试器、源程序编辑、编译、下载、调试等功能，并且可以全部在一个环境下完成。可仿真MCS-51系列，MCS196系列，Microchip PLC系列CPU。（4）多语言多模块混合调试。支持ASM(汇编)、PLM、C语言多模块混合源程序调试，在线直接修改、编译、调试源程序。如果源程序有错，还可直接定位错误所在行。（5）强大的书签、断点管理功能。书签、断点功能可快速定位程序，为编写、查找、比较程序提供帮助。 鉴于此软件的强大功能和适用性，以及对它的熟悉，所以在设计中采用WAVE仿真软件调试源程序。2.3 设计要求本设计模拟的是一个四层电梯设计调度系统，能够完成各楼层乘客的接送任务。形象地说，就是要对

18、不同楼层乘客的不同需求，作出合理高效的判断，使所有顾客在整体运用时间最短的条件下将其运往各自的目的地。具体设计要求如下：（1）电梯运行受开始键的控制，只有控制此键有效时电梯才会运行。（2）电梯在上升过程中，响应经过楼层或高出目的楼层的同向呼叫，停靠同一方向的所选楼层，不响应其他呼叫。（3）电梯在下降过程中，响应经过楼层或低于目的楼层的同向呼叫，停靠同一方向的所选楼层，不响应其他呼叫。（4）电梯中途停靠，需延时一段时间（设计中设定为5s）作为上下客时间，并通过开关门指示灯颜色的变换提醒时间到达。（5）电梯的上下行通过控制反应式步进电机的正反转来模拟。（6）电梯在响应楼层请求时受电机转速控制，即通

19、过电机调速实现快速响应请求的设计要求。（7）电梯在上升或下降的过程中停靠期间，其上升或下降指示灯灭。（8）如果无任何键按下，电梯不运行处于等待状态，并有指示灯指示。（9）能实现超重报警。在电梯中途停靠进出乘客时若出现超重，则电梯就不能关门，蜂鸣器响报警提示；当重量减轻时，报警自动消失，电梯门关闭。（10）在电梯运行过程中一旦按下停止按键，电梯下降到一楼就停止运行，直到再次按下开始键。2.4 总体设计2.4.1 设计方案 本设计采用AT89C51单片机作为核心控制器件，配以适当的外围器件完成设计任务。硬件部分设计时如果每个选层按钮都采用独立的按键设置，虽然可以很大程度上简化扫描按键程序，采集信号

20、也容易得多，但是由于单片机接口有限，模拟电梯自动控制系统所需按键较多，如此会有接口不足的问题，所以在本设计中采用了25矩阵键盘实现电梯内部四个选层按钮和电梯外六个上下行按钮的按键请求，正好十个按钮。但是在设计时为了降低编程难度，电梯的开始、停止仍采用独立按键控制。显示部分由于CD4511驱动显示方便，所以显示楼层电路采用CD4511驱动数码管。虽然是模拟设计，但是为了更接近实际的电梯控制系统，设计中又添加电梯厢外上下行请求显示，可用六个发光二极管表示请求按键是否按下，有则亮，无则暗，另外用两个发光二极管的亮灭来指示电梯上下行的方向。发光二极管需要采用驱动单元来驱动，可以采用三级驱动管电路，但是

21、由于要驱动的发光管较多，所以设计时采用74LS245芯片作为驱动，使硬件电路简单、美观、整齐。另外考虑单片机的驱动能力很弱，无法直接驱动步进电机，因此在设计步进电机调速模块时使用L298专用驱动芯片来驱动电机。软件部分采用的是中断方式来检测用户的请求信息。但是要想准确的采集按键请求状态，就必须时时刻刻查询键盘的状态。2.4.2 设计方框图设计方框图如图2-1所示， 主要由单片机的最小系统电路，键盘电路，楼层显示电路，按键指示电路，电机调控电路，超重报警电路，厢门控制电路等模块组成，各模块实现不同的控制要求，相互协调实现控制要求。图2-1 总体框图3 硬件器件介绍3.1 单片机概述3.1.1 单

22、片机的介绍 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、I/O口和中断系统、定时器/计数器（还包含有显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）等集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。早期的单片机都是4位或8位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠、性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS-51系列单片机系统。这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产

23、品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随后随着ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。当代单片机系统已经不再是只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统已被广泛应用。单片机是靠程序运行控制端口状态的，并且程序可以修改，因此可以通过编写不同的程序实现不同的功能，尤其是一些独特的功能。单片机对成本也是极其敏感的，因此目前占统治地位的软件仍是汇编软件。3.1.2 单片机的硬件特性（1）与MCS-51 兼容；（2）4K字节可编程闪烁存储器； （3）全静态工作：0Hz-24Hz； （4）三级程序存储器锁定；（5）128*8位内部RAM； （6）32可编程

24、I/O线；（7）两个16位定时器/计数器； （8）4个中断源；（9）可编程串行通道； （10）低功耗的闲置和掉电模式；（11）片内振荡器和时钟电路； （12）寿命：1000写/擦循环；（13）数据保留时间：10年。3.1.3 单片机的引脚及功能单片机的引脚图如图3-1所示：图3-1 单片机引脚图管脚说明：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P1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

25、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

26、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口将输出电流这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚第二功能如下所示：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4

27、T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（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低字节。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。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SF

28、R-8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。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，则在此期间只访问外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。当/EA端保持高电平时，此间访问内部程序存储器4KB的地址范围。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

29、入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.2 步进电机概述3.2.1 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。它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，从而达到调速目的。3.2.2 步进电机的工作原理通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

30、该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度，转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。因此可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。3.2.3 步进电机的分类常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）和混合式步进电机（HB）三种。 （1）永磁式步进电机 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为或。永磁式步进电机输出力矩大，动态性能好。 （2）反应式步进

31、电机反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为，但噪声和振动都很大。它的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电机结构简单，生产成本低，步距角小，但动态性能差。 （3）混合式步进电机混合式步进电动机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它分为两相和五相，两相步进角一般为而五相步进角一般为。3.2.4步进电机的特点 步进电机的特点如下：（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2）步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首

32、先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点。一般来讲，磁性材料的退磁点都在130以上，有的甚至高达200以上，所以步进电机外表温度在80-90完全正常。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势，频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。（4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频