电梯控制模型22.docx

1、电梯控制模型22电梯控制模型摘要 本电梯控制系统采用双单片机并行处理结构，其中以ATmega128为核心处理器件控制电梯各楼层呼叫及响应，由AT89S52控制步进电机运转实现桥厢升降。光电传感器用于判断楼层位置，并将采集到的数据传送至单片机处理。由此，单片机对电梯的运行速度进行精确控制，达到起步过程由慢到快，平层准确的效果。系统还实现了电梯的调度，距离及方向优先。电梯到达楼层由数码管准确显示。关键词：电梯模型；步进电机；红外传感器 Abstract The proposed elevator control system used parallel processing structure w

2、ith two single-chips, where ATmega128 was used as core processor to control elevator according to instruction of each floor.AT89S52 was used as coprocessor to control the stepping motors to make the elevator up and down. Photoelectric sensor was adopted to judge the elevator location and send the re

3、sult data to relevant processor,which then determined the next action the elevator took. In this way, the operating speed of elevator could be precisely controlled,with a smooth rational speeding process at start up and accurate localization at stop.System also achieved elevator scheduling,consideri

4、ng priority based on direction and distance. Besides these,numerical code tube accurately displayed the number of floors.Key words: Elevator model; Stepping motor; Infrared sensor一、方案设计1、 系统总方案设计根据设计要求，系统主控模块有以下两个方案。方案一：采用FPGA实现系统的整体控制，运算速度快，系统稳定性好，但成本较高。方案二：采用AVR单片机和51单片机分别控制。AVR单片机负责当多层楼层呼叫时桥厢响应优先

5、级等复杂的逻辑处理。51单片机控制步进电机正转、反转、步进速度等动作。由于C语言编程的灵活性，使得题目所要求的功能都较容易实现，系统更具可扩展性。经过比较，本系统采用方案二。根据本题的要求，我们将系统分为若干个模块，以AVR单片机为核心，完成多项功能。AT89S52单片机连接电机驱动模块，控制电机的正常运转，满足电梯上升下降变速的功能。ATmega128单片机与定位平层模块通信，控制桥厢运行距离，响应呼叫请求，处理数码显示。系统结构如图1所示。 图1 系统结构图2、 电机的比较与选择方案一：采用直流电机。直流电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用到，稳定性好。但直流电机转动速度与角度

6、不易控制，定位性能差。方案二：采用步进电机。步进电机在定位性能方面十分优越。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；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。因此，步进电机广泛应用于数控领域。本设计中要求平层的位置误差小于10mm，对升降精度要求很高，所以使用的电机要求具有较高的定位性能，因此选择方案二。3、 电机驱动模块方案一：采用四路三极管放大电路驱动，将控制信号通过三极管放大从而驱动步进电机。该方案电路复杂，可靠性不高。方案二：采用专用步进电机控制芯片L298。该芯片能放大四相0到5V控制信号，控制524V范围的电源驱动步进电机，且该

7、芯片能通过使能端同时控制四路的工作状态。基于上述方案分析，选择方案二。4、 显示模块方案一：采用数码管显示。电梯模型较大，大规格的数码管显示清楚易读，驱动电路简单且成本低。方案二：采用LCD液晶屏显示。显示信息量大，低功耗且界面友好，但成本高。基于方案一硬件电路简单且调试方便，显示醒目，故采用方案一。5、 定位平层模块方案一：采用金属接近开关检测电梯层数。在桥厢安装金属片，并在各个楼层设置金属接近开关，当桥厢运动到相应楼层，接近开关探测到金属片，其输出发生变化。单片机通过 接近开关输出的变化判断桥厢所处的楼层。该方案中，在各楼层安装接近开关成本较高，且安装不便。方案二：采用红外发射接收一体管T

8、CRT5000检测电梯层数。在各个楼层设置TCRT5000，在桥厢右侧安装挡光片，挡光片需在桥厢运动时能正好遮挡红外发射接收一体管。当桥厢运动到特定楼层时，红外管接收到反射回来的红外线，由此输出发生变化，单片机通过该变化判断电梯运动的位置。TCRT5000体积小、功耗低、容易安装。二、理论分析计算1、 系统控制基本原理及算法图2 电梯控制模型如上图所示，本电梯模型共有六层，每层间隔20cm，即运动一层所需伸缩的绳子长度为20cm。当桥厢上升时，步进电机缩短绳子，当桥厢下降时，步进电机伸长绳子。因本系统采用的步进电机的步距角为1.8，故需给步进电机200个脉冲才能使步进电机转动一周。设步进电机转

9、柱直径为d，则绳子移动的最小长度为： （2-1） 所以步进电机所需脉冲数为： （2-2）为绳子变化的长度。这就是系统控制的基本原理。有上述可知，控制桥厢运动的关键是根据当前层和目标层的距离计算出步进电机所需要转动的步数。2、 定位平层原理题目要求定位平层误差小于10mm，若采用绳子伸缩变化来控制电梯桥厢的位置，会产生累计误差，因此，我们采用在每层底部安装光电传感器的方法来尽量避免累计误差，使定位平层准确。当相应楼层上的传感器检测到挡光片时，将信号反馈给单片机后，即可得到当前楼层的编号。3、 系统误差的理论分析及系统的改善系统涉及一些物理量的测量以及其他一些近似处理，它们都会对系统的性能有所影响

10、。以下是系统中可能产误差的几个方面。步进电机转轮直径的测量。由（2-1）式可知，步进电机转轮的直径跟绳子移动的最小长度直接相关，因此，它对系统性能有所影响。单片机计时误差。由于没有采用专门的计时芯片，故计时上有细微误差，但对整个系统的运行几乎无影响。以上可能存在的误差可通过多次试验测试，找出规律，然后在程序中进行适当的补偿来消除。三、各模块具体实现原理及电路1、 步进电机驱动电路 步进电机驱动电路见附录二，采用的芯片是L298。步进电机是本设计中重要的执行元件，它通过单片机的控制，把脉冲数转换成角位移，实现正转、反转和速度变化。2、 红外传感器电路图3是红外传感器电路，使用的光电管是TCRT5

11、000，它由一个红外反射管和一个红外接收管组成，淡蓝色为发射管，黑色为接收管，发射管经过特殊处理，抗干扰能力强，感应距离在12mm左右。在电路图中，我们利用R1与R2的数值来控制产生的电压在白色反射下大于0.7V，在黑色反射下小于0.7V，使下一级的三极管导通或截止，在NE555的6号管脚上输出5V或0V。再将输出信号连接到AVR单片机的IO口完成信号传送。 图3 红外传感器电路3、 各楼层控制电路 各楼层采用独立制板，每个楼层上安装一块控制显示板。第一层和第六层单独制作，各安装一个按键，因为底层只有向上信号，顶层只有向下信号。其余四层各有两个按键，产生向上或向下信号。按键连接LED发光二极管

12、用于观察按键响应情况。另控制板上还有数码管显示当前电梯所处的楼层。电路图如下图所示。 图4 楼层控制电路4、 主控电路主控电路上包括Atmega128单片机的转接底座、AT89S52单片机、一只用于显示当前楼层的大数码管、一只用于计时的小数码管、16层楼的按键等。桥厢位置检测、计时等功能的实现均由软件完成。电路图见附录二。5、 电源电路 图5 电源电路四、软件设计 本系统以Atmega128单片机为主控芯片，在WINAVR开发环境中，采用C语言对单片机进行编程。主程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统协调稳定的运作。系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现。同时，由AT89S52单片机控

13、制电机运转，完成桥厢的升降。1、 主程序流程图 图6 Atmega128程序流程（左）和AT89S52程序流程（右） 2、 呼叫请求响应程序电梯控制程序的一个难点是多层呼叫排序问题。在本程序编写过程中，呼叫响应服从方向优先，距离优先的原则。举例1：电梯停在3楼，有人进，厢内请求到达6楼，电梯开始向上运动。此时，1、2、4、5楼均有呼叫请求。排序时，将与运动方向一致的呼叫信号归为一类，即将4、5、6楼归为一类，升序排列；1、2楼归为一类，降序排列，电梯按序在4、5、6楼停止，返回时，按序在2、1楼停止，遵循方向优先原则。举例2：电梯停在2楼，1楼和6楼均有呼叫请求，电梯首先响应1楼请求，遵循距离

14、优先原则。五、系统测试1、 方向优先测试电梯按某方向运行时，优先响应该运行方向的按钮。假设：测试初始时，桥厢位于一楼，按下二楼，四楼的上下按呼叫，和五楼的向下呼叫。按键顺序可随意。测试结果：表1 方向优先测试表停止楼层电梯方向显示2上2楼上呼叫注销4上4楼上呼叫注销5上5楼下呼叫注销4下4楼下呼叫注销2下2楼下呼叫注销 测试结果表明，电梯在运行过程中遵循方向优先原则。2、 距离优先测试同一方向有多个按钮呼叫时，优先响应最近的楼层。假设：测试初始时，电梯位于任一层，如二楼。此时三楼和四楼分别向上呼叫。测试结果：先响应三楼呼叫，再响应四楼呼叫。 测试结果表明，电梯在运行过程中遵循距离优先原则。3、

15、 综合测试假设：电梯位于1楼，进入三人，其中一人要到3楼，另两人到5楼。电梯运行后，3楼和4楼有人向上呼叫欲到6楼，3楼有人向下呼叫到1楼。测试结果：表2 综合测试表停止楼层电梯方向显示3上3楼内部和向上呼叫注销。内部6楼呼叫4上4楼向上呼叫注销5上5楼内部呼叫注销6下6楼内部呼叫注销3下3楼向下呼叫注销，内部1楼呼叫1下内部1楼呼叫注销 由测试结果可以看到，本系统很好地完成了设计要求。 经过反复实际测试，未出现响应错误。4、 运行时间测试桥厢内无加载重物时，电梯从一楼到六楼的上升时间为7.1秒，从六楼到一楼的下降时间为7.0秒。符合赛题要求。桥厢模型单层运行时间约为2秒。符合赛题要求。 经过

16、反复测试，上升与下降时间平均偏差小于0.05ms。六、总结 本系统主要以单片机（Atmega128和AT89S52）为主要控制、计算芯片。采用了L298驱动芯片实现电机控制。在设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件设计的优势，编程灵活方便来满足系统的要求。在制作模型时，考虑到红外传感器的稳定性，特意为电梯桥厢划定了轨道，并且选择了双滑轮来解决打滑问题。经过反复测试，基本上完成了题目中所有的基本要求和发挥部分。参考文献1 佟长福. AVR单片机GCC程序设计M.北京:北京航空航天大学出版社,2006.12 张义和,陈敌北. 例说8051M.北京:人民邮电出版社,2006.13 松井邦彦. 传

17、感器应用技巧141例M.2006年1月第1版.北京:科学出版社,2005附录一元器件清单序号元器件型号或参数数量备注1有机玻璃12单片机一Atmega12813单片机二AT89S5214晶振1M15锁存器4LS14716按键177光电传感器TCRT500068变压器1978052107815111数码管812发光二极管813三极管9013914步进电机115电机驱动芯片L298N116覆铜板117电阻10K/0.25W若干18电容10uF/25V、2200uF/50V、30pF若干19二极管1N4007若干20NE555621杜邦线若干22其它502、透明胶带、热融胶等若干附录二图7 桥厢内部控制电路图8 步进电机驱动电路