基于51單片機的電梯控制系統(tǒng)設計與測試分析目錄TOC\o"1-3"\h\u6634一、緒論 I【摘要】電梯是隨著高層建筑而發(fā)展起來的一種垂直運輸工具。多層廠房和多層倉庫需要有貨梯；高層住宅需要有住宅梯；百貨大樓和賓館需要客梯、自動扶梯??。在現(xiàn)代社會，電梯已象汽車、輪船一樣，成為人類不可缺少的交通運輸工具。據(jù)統(tǒng)計，世界各國每天乘電梯的人次多于乘其他交通工具的人數(shù)。當今世界，電梯的使用量已經成為衡量現(xiàn)代化程度的標志之一。電梯作為現(xiàn)代人必不可少的交通工具，在我們的學習、生活、工作中占據(jù)著舉足輕重的作用。本文主要通過一定的技術設計，來實現(xiàn)一個電梯的自動控制?！娟P鍵詞】單片機、電梯，系統(tǒng)控制。一、緒論（一）開發(fā)背景自從19世紀美國人奧的斯發(fā)明世界上第一臺電梯后，高樓便不再是人們望而卻步的對象。人們對于電梯的態(tài)度由剛開始的不信任，逐漸變得越來越依賴。為了適應人們的不同需求，人們開發(fā)出不同用途的電梯，如防爆梯、觀光梯、汽車電梯和別墅電梯等。隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展。住房和辦公用樓都已經逐漸向高層發(fā)展。電梯是高層賓館、商店、住宅、多層倉庫等高層建筑不可缺少的垂直方向的交通運輸工具。無論何種電梯，都離不開電梯控制系統(tǒng)，這是乘梯人員與電梯交互的工具，也是引導人們正確乘梯的關鍵。電梯控制系統(tǒng)能夠清晰直觀的告訴人們當前樓層位置，并當乘客到達樓層后立即發(fā)出聲光報警，提醒乘客即時下梯,從而保障電梯的高效和乘梯人員的人身安全。目前，可編程控制器、PLC、或微型計算機組成的電梯運行邏輯控制系統(tǒng)，正以很快的速度發(fā)展著?？删幊炭刂破?，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器。是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計算機，它有良好的抗干擾性能。適應很多工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境、所以現(xiàn)在的電梯控制系統(tǒng)主要還是由可編程控制器控制。但是由于PLC的針對性較強。每一臺PLC都是根據(jù)一個設備而設計的。所以價格比較昂貴。而單片機的價格相當便宜，如果在抗干擾功能上有所提高的話完全可以代替PLC實現(xiàn)對工控設備的控制。當然單片機并不像PLC那么有針對性、所以由單片機設計的控制系統(tǒng)可以隨著設備的更新而不斷修改完善，更完美的實現(xiàn)設備的升級。在科技的不斷發(fā)展下、單片機控制系統(tǒng)很快可以解決抗擾性。成為方便有效的電梯控制系統(tǒng)。本課題的主要任務是完成一個電梯系統(tǒng)的智能控制模塊、即根據(jù)每個樓層不同顧客的按鍵要求。讓電梯做出合理的判斷，正確高效的指導電梯完成各項載客任務。設計基于單片機的電梯智能控制系統(tǒng)的硬件電路與軟件程序。給出硬件系統(tǒng)的電路原理圖與PCB圖。對硬件電路與軟件分別進行調試。得到調試成功的基于單片機的電梯智能控制系統(tǒng)。（二）國內外研究現(xiàn)狀目前來看，電梯行業(yè)發(fā)展進度緩慢，新技術較少。國內電梯制造廠商質量良莠不齊，很多制造商使用還在使用比較傳統(tǒng)的電梯運行邏輯控制系統(tǒng)，對于電梯控制系統(tǒng)的創(chuàng)新設計更是止步不前。但像國內的一些大型電梯公司，普遍采用更安全穩(wěn)定的PLC和微機組成的電梯運行邏輯控制系統(tǒng)。像通力的電梯，把電梯控制系統(tǒng)做的多元化，加入語音播報、天氣提醒、熱點新聞等功能，讓人們在乘梯時享受更多的便捷服務?？偛课挥谔K州的東南電梯，這是一家專門生產制造特種電梯大的公司。近年來人均GDP水平不斷提高，人們對于生活質量的要求也逐步提高。東南電梯生產別墅電梯開始進入人們的視野。別墅電梯因為其特殊屬性，電梯控制系統(tǒng)的設計也更加定制化。在屏幕上顯示近期備忘錄，提醒主人要做的事；智能家居方便人們的生活，主人在乘坐電梯時就可以即時控制智能家居的使用情況，更加快捷高效，節(jié)約資源。國外多數(shù)電梯廠商更加傾向于群控系統(tǒng)。這也導致顯示變得更加簡潔，直接只顯示上下方向，不顯示樓層。群控系統(tǒng)讓電梯使用效率更高，或者平均候梯時間更短。當乘客按下上或下按鍵時，系統(tǒng)自動匹配空閑的電梯來工作。也許有電梯離乘客更近，但此時正在工作，那么這部電梯會優(yōu)先完成自己的工作，不會響應臨時增加的任務。也就是說，過站不停是群控的必然現(xiàn)象。所以,為了避免乘客產生焦躁情緒，從群控的角度來說，電梯制造商不會讓乘客看到電梯過站不停的情況。此時不顯示電梯當前樓層是最好的辦法。這樣的電梯控制系統(tǒng)，雖然乘客看不見電梯運行狀態(tài)，一旦系統(tǒng)接到信號，其響應速度會比較快[13]。（三）主要任務與目標本次畢業(yè)設計將基于單片機的電梯控制系統(tǒng)設計作為研究課題，主要任務及目標為：充分了解并學習電梯方面的相關知識。熟悉和掌握單片機的基本結構和使用方法，使用Keil軟件進行程序編寫，并對電路進行程序仿真，從而實現(xiàn)程序的平穩(wěn)運行。考慮各種使用中出現(xiàn)的突發(fā)情況，并嘗試改善。電梯控制系統(tǒng)在引導人們乘梯中起到了很大的作用，本課題旨在設計一種基于單片機的電梯控制系統(tǒng)。該顯示屏能夠清晰直觀的告訴乘客當前所處樓層，以及在電梯運行時，顯示屏通過不斷滾動的箭頭提示乘客當前電梯的狀態(tài)。當電梯到達乘客指定樓層后，發(fā)出聲光報警，提醒乘客下梯，同時電梯門迅速打開。（四）本文所作的工作(1)查閱資料，了解單片機工作原理、控制要求和工作流程；(2)確定電梯控制系統(tǒng)的設計方案，如上行過程、下行過程和停止過程的設計；(3)繪制基于單片機的電梯控制系統(tǒng)的工作流程圖；(4)對基于單片機的電梯控制系統(tǒng)的硬件選型。(5)設計基于單片機的電梯控制系統(tǒng)的軟件流程；(6)使用Proteus畫出程序圖以及仿真。二、系統(tǒng)總體設計方案該設計采用單片機AT89S52實現(xiàn)基本的簡易電梯模型，由于其功能的實現(xiàn)主要通過軟件編程來完成，那么就降低了硬件電路的復雜性，而且更能體現(xiàn)智能思維，AT89S52是低功耗、高性能的CMOS型8位單片機。片內帶有8KB的Flash存儲器，且允許在系統(tǒng)內改寫或用編程器編程。另外，AT89S52的指令系統(tǒng)和引腳與8051完全兼容，片內有128B的RAM、32條I/O口線、2個16位定時計數(shù)器、5個中斷源、一個全雙工串行口等，完全滿足該課題的需要。作為小型化的電梯模擬裝置，其控制器的設計應遵循簡單可靠以及成本低、維護方便等原則?？刂破鞯奶幚砥鞑捎昧?位單片機，外圍擴展鍵盤采用矩陣鍵盤輸入、位置檢測采用反射式紅外光電傳感器，并配以LED顯示當前運行信息。電梯模擬器的機械部分采用了絲杠傳動加直流電機配以減速齒輪驅動，距離移動十分精確，無運行積累誤差?？傮w設計框圖如下圖圖2-1電梯控制系統(tǒng)總體設計框圖三、硬件系統(tǒng)設計（一）單片機芯片選擇(1)STC89C52方案STC89C52完全兼容5l系列單片機的所有功能實現(xiàn)，具有集成度高、處理速度快、簡單結構、拓展面廣、性價比高優(yōu)良控制功能以及支持在軟件編程器實現(xiàn)快速閃爍操作等優(yōu)點。通過外部的按鍵設備的接入實現(xiàn)對自動自動供暖裝置系統(tǒng)溫度控制，并可以通過LED管進行動態(tài)顯示。使用STC89C51系列單片機為硬件支持核心。在存儲方面89C51單片機具有4KB的ROM存儲內存，同時具有大存儲空間的EPROM的設置且下載方便?？偟膩碚f，該方案使用的控制芯片兼容所有51系列單片機的功能實現(xiàn)，并具備足夠大的存儲空間，作為開發(fā)設計是理想之選。(2)AT89S52方案AT89S52可兼容MCS-52系列產品功能，作為一種耗能、性能處理高的高能芯片，它可以與8位控制字節(jié)系統(tǒng)編輯快閃體。在空閑模式下停止中央處理器，而是采用系統(tǒng)的存儲器進行與定時器的串行端口，在當前掉電模式下，不可以進行嘗試復位。結合以上分析兩種控制芯片的特點、以及都可以滿足設計的實現(xiàn)功能，綜合多方面分析STC89C52系列單片機在成本上相較于AT89S52單片機較低，同時具有下載便利的特點，系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為核心控制片來完成設計。圖3-1單片機最小系統(tǒng)（二）控制模塊控制模塊原理圖如圖主控制器采用AT89C52。AT89C52是一個低電壓。高性能CMOS8位單片機帶有4K字節(jié)的可反復擦寫的程序存儲器。PENROM。它具有4K字節(jié)閃爍存儲器，128字節(jié)隨機存取數(shù)據(jù)存儲器。32個I/O口、2個16位定時/計數(shù)器、1個5向量兩級中斷結構，1個串行通信口，片內震蕩器和時鐘電路。在本設計中，P1口用于對電梯按鈕的控制、連接輸入設備。P3口用于對LED點陣顯示器的控制。P0口用于連接鎖存器74LS245、以保護單片機的輸出端口。在本設計中。P1口用于對電梯按鈕的控制，連接輸入設備。P3口用于對LED點陣顯示器的控制。P0口用于連接鎖存器74LS245、以保護單片機的輸出端口。圖3-2控制模塊（三）按鍵模塊電梯轎廂的樓層按鍵采用八個獨立按鍵控制，分別對應樓層的一樓到八樓。按鍵接單片機的P1口，另一端接地。當單片機上電后，按鍵保持高電平，當樓層按鍵按下，觸發(fā)低電平信號，單片機立即響應指定樓層。如圖3-3為按鍵檢測模塊。圖3-3按鍵模塊（四）LED顯示模塊點陣的內部結構由大量的發(fā)光二極管組成，每個二極管放置在行線和列線的交叉點上。采用共陽極接法時，在共陽端置高電平，共陰極端置低電平時，點陣內部發(fā)光二極管導通。只要控制相應的二極管被點亮，便可以實現(xiàn)上下箭頭和數(shù)字的顯示。如圖3-4所示為一個8*8LED點陣的內部結構。圖3-48*8LED點陣結構考慮到電梯轎廂顯示的效果，本次設計沒有采用8*8的點陣屏，而是采用擁有256個高亮度發(fā)光二極管，組成了16行16列的發(fā)光點陣。如圖3-5所示為一個16*16LED點陣的組成結構。圖3-516*16點陣的構成LED點陣屏一般使用掃描式顯示，主要分為點掃描、行掃描和列掃描三種方式。當采用點掃描時，為了能夠符合人視覺暫留效應，掃描頻率要很大。以16*16點陣屏為例，點掃描時，其頻率要大于32X256=8192Hz,周期小于1ms。這對于單片機的運行效率和響應速度影響較大，對于單片機的性能要求較高。若采用行掃描和列掃描，頻率比點掃描時小很多，周期也較大，普通單片機也可使用。豎直方向掃描，即逐行輪流掃描。采用逐行掃描方式，在驅動電路連接時可以實現(xiàn)多行的同名列共用一套列驅動器。以16×16點陣為例，采用共陽極接法，把同一行的發(fā)光管的陽極連在一起。在掃描時，系統(tǒng)會對第一行的發(fā)光管進行亮滅操作，同時系統(tǒng)對數(shù)據(jù)鎖存。然后控制第一行的二極管常亮一段時間，再熄滅；然后控制第二行的發(fā)光管重復第一行二極管的操作，以此類推，一直重復到第十六行，然后重新回到第一行，再做相同的動作，這樣便完成了第一輪的掃描。當掃描速度足夠快時，由于人眼的視覺暫留效應，就能看到點陣屏上穩(wěn)定的圖形。由于數(shù)據(jù)傳輸采用串行傳輸，控制電路只使用一根信號線，在硬件成本和維護方面是十分可靠的。圖3-6為點陣電路在仿真圖中與緩存器的連接：圖3-6點陣電路（五）電源電路單片機的電源電路，使用一個自鎖開關控制通斷，工作電壓一般為+5V。如圖3-7為自鎖開關實物圖。自鎖開關一共六個引腳，當未按下狀態(tài)時，引腳2和6接通，引腳1和5接通；當按下自鎖開關時，引腳4和6接通，引腳1和3接通，如圖38所示。圖3-7自鎖開關圖3-8引腳圖四、軟件系統(tǒng)設計（一）樓層顯示屏主程序設計基于單片機的電梯控制系統(tǒng)設計主要包括單片機、按鍵掃描檢測、樓層上下和位置顯示三個部分。單片機作為核心控制元件，接收按鍵發(fā)出的低電平信號，并通過緩存器驅動點陣屏顯示，同時發(fā)出聲光報警提示。圖4-1為主程序流程圖圖4-1系統(tǒng)總體結構當接通電源后，首先單片機系統(tǒng)初始化，重置所有的功能。然后對按鍵進行掃描，如果按鍵沒有按下，系統(tǒng)會一直對按鍵進行掃描。一旦檢測到有低電平輸入，系統(tǒng)便會做出響應，確定是哪一層的按鍵被觸發(fā)，然后再進行上行或者下行的操作。此時點陣屏便會做出相應變化，如果是上行，點陣屏便會顯示上行圖形，到達指定樓層后，聲光報警提示到達樓層，此時電梯打開門，乘客下梯，系統(tǒng)會重新掃描按鍵，直到再次檢測到按鍵觸發(fā)信號。（二）樓層按鍵檢測模塊設計樓層按鍵檢測模塊主要是對按鍵不斷的掃描，一旦接收到觸發(fā)信號，迅速判斷樓層位置是上行還是下行，然后做出相應動作。圖4-2為樓層按鍵模塊流程框圖。圖4-2按鍵檢測模塊結構系統(tǒng)接通電源后，按鍵模塊初始化。如果一直沒有按鍵被觸發(fā)，系統(tǒng)便一直保持初始化狀態(tài)。一旦有按鍵被按下，觸發(fā)低電平，系統(tǒng)會進行確認，如果相同的按鍵再被按下，系統(tǒng)會立即終止本次操作，恢復到初始化狀態(tài)。在按鍵被按下，并且沒有再次被觸發(fā)時，系統(tǒng)會立即響應本次操作，執(zhí)行主程序中相應的內容。（三）樓層顯示模塊設計樓層顯示模塊主要是對樓層位置做出判斷，乘客所選樓層是否與當前所處樓層沖突，若沖突，系統(tǒng)自動取消本次操作；若不沖突，判斷是上行還是下行。圖4-3為樓層顯示模塊流程圖。圖4-3樓層顯示模塊結構首先系統(tǒng)會打開T0中斷，系統(tǒng)初始化。然后將數(shù)組按照大小排列，然后進行計數(shù)，當計數(shù)沒有計滿時，會重新進行數(shù)組大小排列。當計數(shù)計滿后，進入到T0中斷，此時開始檢測按鍵是否被觸發(fā)，當按鍵被觸發(fā)時，進入外部中斷存入按鍵的值，并判斷上升還是下降，系統(tǒng)進入T0中斷。判斷是否上行，如果上行，點陣進行上行顯示，然后當?shù)竭_指定樓層時，led燈亮起，蜂鳴器報警。五、系統(tǒng)測試程序仿真是檢測設計電路能否正常運行的關鍵，仿真圖也稱為接線圖，是模擬電路連接情況，是設備生產前必做的工作。（一）仿真軟件現(xiàn)在主流的仿真軟件是Proteus軟件，該軟件有英國一家公司生產，是最常用的仿真軟件。具備原理布圖、PCB布線和電路仿真功能。對主流的單片機和元件收錄較全。圖5-1為ISIS7.8Professional的工作界面。圖5-1仿真軟件工作窗口（二）仿真過程及結果根據(jù)單片機端口和緩存器、點陣屏的原理和使用方法，進行合理連接和布線。同時注意電阻的阻值大小，經過不斷的調試，最終完成了仿真工作。仿真結果符合設計的基本要求，樓層顯示和聲光報警能夠即時相應。1.模擬一樓狀態(tài)單片機接通電源后，系統(tǒng)首先上電復位。此時點陣屏顯示樓層初始位置為一樓。led燈點亮，表示此時電梯處于靜止狀態(tài)。單片機不斷對按鍵進行掃描。如圖5-2為電梯位于1樓時的仿真截圖。圖5-2一樓狀態(tài)2.電梯上行狀態(tài)當在電梯轎廂內按下第六層按鍵時，系統(tǒng)做出判斷，當所選樓層大于當前所處的二層樓時，為上行，上行過程中點陣屏不斷向上滾動顯示箭頭，當?shù)竭_第六層后，led燈亮起，同時蜂鳴器報警。如圖5-3為電梯停在二樓的狀態(tài)，圖5-4為上行箭頭不斷向上滾動，圖5-5為電梯到達六層后，蜂鳴器報警，led燈亮起。圖5-3上行初始狀態(tài)圖5-4電梯處于上行狀態(tài)圖5-5電梯到達六樓3.電梯下行狀態(tài)當在電梯轎廂內按下第四層按鍵時，系統(tǒng)立即響應，判斷所選樓層小于當前第八層時，為下行，下行過程中點陣屏不斷向下滾動顯示箭頭，當?shù)竭_四層后，led燈亮起，同時蜂鳴器報警。如圖5-6為電梯初始位置在八樓。圖5-7為電梯處于下行狀態(tài)，箭頭不斷向下滾動，圖5-8為電梯下行到達四層的狀態(tài)。圖5-6下行初始狀態(tài)圖5-7下行狀態(tài)圖5-8下行到站狀態(tài)六、總結本文主要是根據(jù)在?？茖W習中涉及到的一些電梯方面的知識和問題，結合本科學習的單片機和電力電子方面的知識，來進行相關問題的設計。在經過網上查閱大量資料，咨詢老師和同學后，著手設計基于單片機的電梯控制系統(tǒng)的工作。在設計之初，首先是方案的設計，經過反復論證比較，最終選擇了一項符合自己設計理念和能力的方案。接著是硬件的選型，單片機的型號有很多，功能也很多，但本著實用性和經濟成本考慮，最終選擇了一款功能可以滿足需求，并且經濟成本最高的。其他的元件也本著這個理念，最終確定了下來。選型只是一方面，真正要做到的還是如何使用。所以又在網上查閱相關的元件使用說明書和一些使用實例的視頻，真正做到弄懂這個元件的工作原理和使用方法。在選擇選擇課題時，挑選了自認為熟悉的電梯領域，但經過后期細致的分析，發(fā)現(xiàn)想要養(yǎng)成本課題并不簡單。由于電梯行業(yè)屬于特種設備，在機械行業(yè)比較特殊，平時接觸到的能夠到的也比較少，所以很多人不了解。在網絡上搜集到的資料也比較有限。在硬件部分設計時，單片機種類繁多，給硬件選型帶來一定的困難。剛開始選用的8*8點陣屏搭配74ls245芯片使用，雖然能夠滿足電梯上下運行顯示，但過于簡單。點陣屏顯示過于粗糙，箭頭和數(shù)字顯示間距過大，導致觀感很差。后來選用更加密集的16*16點陣屏，搭配74hc595緩存器。同時增加聲光報警電路，當?shù)竭_指定樓層后，能夠及時提醒乘客下梯，進一步提高電梯運行效率。在軟件方面，由于采用了更加復雜的點陣屏，對于程序的編寫帶來了更大的挑戰(zhàn)，尤其是判斷上下和樓層的數(shù)字顯示方面。對于數(shù)組的編寫耗費了大量的精力，力求運行更加完美，對于運行時間和速度進行了調整優(yōu)化。在仿真方面，由于用到的緩存器比較多，點陣屏的接口也比較多，在剛開始的仿真設計時，由于端口的連接錯誤，花費了不少時間，最終在查閱元件相關使用說明，才成功實現(xiàn)仿真。最大的困難出現(xiàn)在原理圖繪制，由于從沒接觸過原理圖繪制工作，在軟件學習的使用上，花費了很多精力。最終學會了元件的封裝和元件庫建立和導入。雖然很多都是學習過的知識，但自己動手設計，卻困難重重。有些設計方案過于理想化，導致設計中途發(fā)現(xiàn)問題很多，不得已放棄研究，浪費時間和精力。這讓我懂得了列綱領的重要性，做研究不能堂而皇之的感覺自己可以設計出來，而忽略一些現(xiàn)實的問題。比如