基于单片机的电梯控制系统.docx

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基于单片机的电梯控制系统

毕业论文（设计）

题目名称：

基于单片机的电梯控制系统

题目类型：

毕业设计

学生姓名：

院（系）：

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班

指导教师：

辅导教师：

时间：

至

基于单片机电梯控制系统

学生：

，电子信息学院

指导老师：

，电子信息学院

【摘要】本文介绍了以80C51单片机为核心控制器件的电梯自动控制系统，包括课题概述、方案论证、硬件设计、软件设计、系统调试等几个部分。

该系统采用单片机作为控制核心，通过扫描内外按键按下与否引起的电平的改变，作为用户请求信息发送到单片机，控制电动机转动，单片机根据楼层检测结果控制电机停在目标楼层。

硬件部分主要由单片机最小系统模块、楼层检测模块、层位数码管显示、电动机驱动模块、按键扫描模块、报警模块、上下行呼叫指示电路等部分组成。

楼层检测使用光电传感器，电梯运行到相应楼层时，光电传感器产生电平变化，送到单片机来确定楼层数，电动机控制部分采用直流电机及H桥驱动电路。

软件部分介绍了系统程序设计思路、程序功能分析，着重介绍了主程序的逻辑结构，还分别介绍了报警、演示功能、按键扫描、层位读取、显示、电梯控制逻辑等子程序的结构和功能。

软件部分使用C语言，利用中断方式来检测楼层的检测信息，并送到数码管进行显示。

硬件设计简单可靠，结合软件，基本实现了五层电梯运行的模拟。

【关键词】AT89S51；按键扫描；数码管显示；电梯控制；

ElevaterControlSystemBasedOnMCU

Student:

MaWei,InstituteofElectronicsandInformation

Tutor:

GaoXiuE,InstituteofElectronicsandInformation

[Abstract]Thispaperintroducesthe80C51microcontrollerasthecorecontroldeviceoftheelevatorcontrolsystem,includingtheissuesoutlined,programfeasibilitystudies,hardwaredesign,softwaredesign,systemdebugging,andseveralotherparts.Thesystemusesamicrocontrollerasthecontrolcentre,Firstly,itisbyscanningtheinternalandexternallevelchangecausedbykeyboardtobeauserrequestsinformationtothemicrocontroller,Thenextisthatthesinglechipcontrolsthemotorbasedontestresultsfloorsstoppedinthetargetfloor.Hardwarepartmainlyaremadeofthemicrocontroller,floordetectionmodule,leveldigitaldisplay,electricmotordrivemodule,keyscanmodule,alarmmodule,circuitdirectionsupanddownthelinecallsandothercomponents.Floordetectionusesopticalsensors.Whenelevatorgoestotheappropriatefloor,Photoelectricsensorsproducelevelchangessenttothemicrocontrollertodeterminethefloor,.ThepartofmotorcontrolusesHBridgetypecircuittocontroltheDCmotor.SoftwarecomponentsintorduceSystemprogrammingdesignideas,procedures,functionalanalysis.Itisnotonlyfocusingonthelogicaldesignofthemainstructurebutalsoseparatelyintroducedthewarningfunction,thedemonstrationfunction,thepressedkeyscanning,thepositionread,thedemonstration,theliftcontrollogicsmallsteelyardprocedurestructureandthefunction.SoftwarecomponentsuseClanguage.ThisrealizationwayistheuseofInterruptmodetodetecttheinformationofthefloorsenttotheDigitaltube.Thehardwaredesignofthesystemcombinedwiththesoftwareissimpleandreliable.SoItisbasicallytoachievesimulationofelevatorrunningfivefloors.

[Keywords]AT89C51;DCmotor;infraredsensor;elevatorcontrol;

基于单片机的电梯控制系统

1前言

随着人们生活水平的不断提高和国内经济的迅速发展。

各大城市建筑物在不断向高层化发展。

因此电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。

电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备,更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。

2008年奥运会和2010年世博会在中国的举办，将有力的带动电梯革命的节能环保化发展，电梯产业的前景和走势也随着社会的需求悄然发生着改变。

市场对新一代的绿色电梯、节能电梯和智能电梯的需求越来越旺盛。

国内外电梯企业顺应市场需要，加大研发投入，都准备在未来新概念电梯产业发展中占得先机。

1.1课题的提出及研究意义

电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理技术、系统工程学等多科学和技术分支于一体的机电设备，它是建筑中永久垂直交通工具。

电梯作为生产生活的典型运载工具使用已十分普及，其控制信号类型多，关系复杂，要求的控制性能特别高。

随着经济的发展高层建筑越来越多对电梯的运行速度和控制性能也提出了更高的要求。

而在我国于八十年代初至九十年代初投入使用的电梯,其中绝大部分采用继电器—继电器阵列结构该结构体积大、接线复杂、噪音大、触点易磨损、故障率高、维护工作量大，已无法满足现代社会的需要。

自上世纪80年代以来，微机控制系统得到了极大的发展，现已深人到我国工农业生产的各个方方面面，随着电力电子技术和微电子技术的发展,使得以微机为核心的控制系统得到广泛应用。

尤其是单片机的开发与应用，其深度和广度越来越大。

微机应用于电梯控制系统，与传统的采用继电接触逻辑控制系统相比，具有很大优越性，一方面，它使整个系统的体积减小，可靠性提高，使用寿命延长；另一方面，它还简化了安装调试和维护维修的工作量，使整个电梯的运行成本降低。

更突出的优点是微机具有灵活的算术和逻辑运算功能，具有很强的通信和可扩展功能，实现更完善的自动控制。

常用的微机控制主要的有两种技术：

基于PLC控制和基于单片机控制两大技术。

可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。

但是由于PLC的针对性较强，每一台PLC都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。

而单片机价格相当便宜，也不像PLC那么有针对性，可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。

基于单片机控制的电梯可以大大的降低成本而且运行也较可靠，采用单片机来实现老式电梯控制系统的改造无疑是最佳方案。

由于单片机具有体积小、线路简单、无噪音、可靠性高、维护方便,是一种少投入、高回报的方案。

同时能方便实现多台电梯的群控,并通过通讯接口与楼宇自动化系统联接，实施对电梯的监控。

1.2国内外电梯系统技术的发展现状

在现代社会和经济活动中，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。

特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输工具。

电梯作为垂直运输的升降设备，其特点是在高层建筑物中所占的面积很小，同时通过电气或其它的控制方式可以将乘客或货物安全、合理、有效地送到不同的楼层。

基于这些优点，在建筑业特别是高层建筑飞速发展的今天，电梯行业也随之进入了新的发展时期。

电梯的存在，使得每幢大型高楼都可以成为一座垂直的城市。

在纽约的前世界贸易中心大楼里，除每天有5万人上班外，还有8万人次的来访和旅游，因此250台电梯和75台自动扶梯的设置和正常运行，才使得合理调运人员、充分发挥大楼的功能成为现实。

中国第一高楼、坐落在上海浦东的金茂大厦，高度420.5m，主楼地上88层，建筑面积220000㎡，集金融、商业、办公和旅游为一体，其中60台电梯、18台扶梯的作用是显而易见的。

20世纪初，美国出现了曳引式电梯，其结构见图1。

从图中可见，钢丝绳悬挂在曳引轮上，一端与轿厢连接，而另一端与对重连接，随曳引轮的转动，靠钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦力，使轿厢与对重作一生一降的相反运动。

显然，钢丝绳不用缠绕，因此钢丝绳的长度和股数均不受控制，当然轿厢的载重量以及提升的高度就得到了提高，从而满足了人们对电梯的使用需求。

因此，近一百年来，曳引电梯一直受到重视，并发展沿用至今。

图1曳引式电梯示意图

1—轿厢2—曳引轮3—对重

在后来的几十年里，电梯的自动平层控制系统已经通过变换电动机级数的调速方法来调整电梯运行速度的技术相继研制成功，1933年，世界上第一台运行速度为6m/s的电梯被安装在美国纽约的帝国大厦。

第二次世界大战后，建筑业的发展促使电梯进入了高峰发展时期，代表新技术的电子技术被广泛应用于电梯领域的同时，陆续出现了群控电梯、超高速电梯。

随着电力电子技术的发展，晶闸管变流装置越来越多地用于电梯系统，使电梯的拖动系统简化，性能提高。

同时交流调压调速系统的研制和开发，使交流电梯的调速性能有了明显的改善。

进入20世纪80年代，通过控制电动机定子供电电压与频率调整电梯运行速度的调压调频技术研制成功，出现了交流变压变频（VVVF）调速电梯，开拓了电梯拖动的新领域。

1993年，日本生产了12.5m/s的世界最高速交流变压变频调速电梯，结束了支流电梯独占高速电梯领域的历史。

电梯发展到今天，在使用需求和新技术应用方面都到了全面发展的时期。

随着智能化、信息化建筑的兴起与完善，要求电梯不只是完成垂直运输的基本功能，还应以人为本，提高舒适度，特别从电梯运行的控制智能化角度考虑，电梯的优质服务不再是单一的“时间最短”问题，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳模式、合理的配置与使用、远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等。

1.3课题研究的内容

随着科技的发展，微型计算机领域的不断进步，将使得将来电梯的体积大大减小，功能不断完善，过程的控制更平稳、可靠、抗干扰性能增强、机械与电气部件被机结合在一个设备内，把仪表、电子和计算机的功能综合在一起。

因此微型计算机控制技术将会成为电梯运行中的关键技术。

本次设计的主要内容是以单片机为主控制器的电梯控制系统。

本来电梯系统是一个相对复杂的系统，由于能力和经验有限，所以只能实现基本的功能如：

层站呼叫、自动停层、轿厢命令响应等。

通过单片机输出电压通过驱动电路然后控制电梯拖动。

在此，本文以五层电梯为研究对象，选用51单机（该机芯片选为AT89S52）作为其控制器，研究微机控制梯系统的设计方法。

根据问题的提出、意义和文献综述，本课题研究的具体内容包括以下四个方面：

（1）对电梯系统常用的控制方法的研究

（2）电梯控制系统硬件组成及其原理

（3）电梯的单片机系统软件设计

（4）电梯在信号传输中遇到的问题

2方案论证

2.1主控芯片选择

方案一：

多片单片机控制方案。

这种方案是使用多片单片机，其中一片是作为主控制器，另外设置了轿厢控制系统，每层的控制系统分别由一个单片机控制，然后通过主控制器和副控制器之间的通讯，实现电梯系统的控制。

这种方案的控制系统的结构简单明了，各个系统之间相互独立便于维护和修检。

所以根据功能要求需要选用5片AT89C2051单片机就可以实现该电梯的功能。

不过单片机之间的通讯较多，在目前通讯是个难点，可能导致电梯运行过程不够稳定。

方案二：

采用CPLD器件作为控制中心，对整个系统的运作进行统一管理，但这种方案要求平时有很多的知识积累和较强的专业水平，实现起来比较困难且器件较贵，不符合经济要求，而且升降电机的控制，运行时间的测量、显示等还需要单片机的配合。

方案三：

一片单片机为主控制器的方案。

MCU采用一个单片机控制所有的按键、数码管显示、电动机的转动、传感器的输出信号等，并对以上所有信号进行处理。

这种方案的控制系统相对复杂，只适用于较简单的电梯控制系统，因为这次的设计的内容是5层电梯控制系统，所以选用这种方案。

单片机技术目前较为成熟，自身资源丰富，硬件设计简单，成本低，可靠性高，结合软件完全可以实现电梯运行状况的简单模拟。

权衡以上方案的分析，采用方案三。

2.2定位平层模块

方案一：

采用金属接近开关检测电梯层数。

在轿厢安装金属片，并在竖井各个楼层设置金属接近开关，当轿厢运动到特定位置，竖井上的金属接近开关探测到金属片，其输出发生变化。

单片机通过金属接近开关输出的变化知道电梯轿厢的位置。

该方案安装的金属片会加重轿厢重量，并且金属接近开关体积较大、安装不便、成本较高。

方案二：

采用红外发射对管检测电梯层数。

在竖井各个楼层设置红外发射对管。

当接通电源时，红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置（即楼层位置），红外线接收头接收到红外线输出发生变化，单片机通过红外线接收头输出的变化知道电梯轿厢的位置。

该传感器的响应时间为2.5ms，且体积小、功耗低、容易安装。

基于上述方案的分析，选择方案二。

2.3楼层显示模块

方案一：

采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关数据以及信息。

点阵式液晶显示器属于低功耗器件，但其价格较贵。

方案二：

采用传统的7段数码管（LED）显示电梯实时所到的楼层。

虽功耗大，但其软件驱动简单，硬件电路调试方便，价格便宜，亮度大，能满足本设计的要求。

以上两种方案中，选择方案二。

2.4声音提示模块

方案一：

采用美国ISD公司的2590语音芯片，该语音芯片录放时间为90秒。

ISD2500系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。

它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K，所以录放时间长；有10个地址输入端，寻址能力可达1024位；最多能分600段；设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。

方案二：

采用蜂鸣提示音提示当轿箱到达所需的楼层时，蜂鸣器响，提示乘客到达了所需的楼层，另外可以作为紧急停止时的报警提示信号，其软件驱动、硬件电路调试非常简洁方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。

以上两种方案中，选择方案二。

2.5电动机模块

方案一：

采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机在定位性能方面十分优越。

步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。

常用的步进电机每转一步，角度转1.8°，在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息，升降精度很高。

方案二：

采用直流电机作为本设计的执行元件，直流电机工作是让线圈始终交替地处于稳定状态和非稳定平衡状态，通过两个半圆环形电枢将线圈的稳定平衡状态消除掉。

这样，载流线圈在磁场中就会一直地转动下去。

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。

此题目中电机要带动的负载较大，对升降精度要求不是很，所以采用方案二。

2.6电动机驱动模块

我们使用的是直流电机，比较以下两种方案实现对直流电机的驱动。

方案一：

 小功率驱动电路可以采用如图2所示的H桥开关电路。

UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。

开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。

当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管（BG1和BG3）的基极电平偏移问题。

图3中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。

但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。

       图2H桥开关电路（Ⅰ）               图3H桥开关电路（Ⅱ）

方案二：

采用集成电机驱动控制芯片L298，该芯片内部包含有两个集成H桥，能同时驱动两路5到24伏范围电源的直流电机。

由于本系统只有一路直流电机，且功率较小，所以采用方案一中图2方案。

3硬件设计

3.1总体方案设计

本次设计的基本思想是采用AT89S52单片机作为核心，利用其丰富的I/O接口与外围电路配合进行控制。

采用8位LED静态显示来实时显示电梯所在楼层，并用4511来驱动LED显示。

采用行列式键盘矩阵作为外呼内选电路，由于是5层楼，故选用4×4矩阵键盘，键盘矩阵共16个按键，其中8个按键是各层楼外呼按键，5个表示电梯内部的选择键，另外设有紧急停止按键，启动按键和电梯演示按键。

电梯状态是通过两个发光二极管显示的，左边灯亮表示电梯在向上运行，右边灯亮表示电梯在向下运行，另设有一灯灯亮表示开门状态，灯熄表示关门状态。

电梯的系统PCB图见附录二图22、图23。

电梯模型效果图如图4所示：

图4电梯模型效果图

总体方框图如图5所示：

图5总体方框图

3.2单片机最小系统

单片机采用ATMEL公司的AT89S52，最小系统包括复位电路和时钟电路两部分，其中复位电路采用按键手动复位和上电自动复位组合，电路如图6（左）所示：

其中9脚为单片机的复位端，电容C5按键RESET构成上电复位和手动复位电路。

时钟电路如图3（右）所示：

晶振采用的是12MHZ的，C1、C2为30p瓷片电容，XATL2和XATL1分别为单片机的18和19脚。

路

图6最小系统电路

3.3各模块设计

3.3.1按键电路

由于本电路所需按键较多，为了节省单片机的I/O口，故选用行列式键盘矩阵。

本电路采用的是4键盘矩阵。

电路如图7所示，P2.0-P2.3是接单片机的P2端口，单片机采用行和列扫描法来判别这16个按键中哪个键按下，然后可根据每个按键的功能来通过单片机控制电梯的运行。

键盘电路如图7所示：

图7键盘电路

各按钮开关说明：

按钮开关1：

轿厢内一楼呼叫开关；按钮开关2：

轿厢内二楼呼叫开关；

按钮开关3：

轿厢内三楼呼叫开关；按钮开关4：

轿厢内四楼呼叫开关；

3.3.2显示电路

数码管显示，电梯的基本功能具备显示电梯当前的楼层，所以设计中在轿厢和每个楼层中都设置了一个数码显示管，用来显示当前电梯所在的层数，数码管显示电梯所到达的楼层数。

接线图如图8所示，图中共有1个数码管，通过对8根数据线进行写操作进行楼层显示。

图8显示部分接线图

3.3.3电机正反转指示

在本次设计中电机正反转用两个发光管来表示，如图9所示：

用单片机的P1口做输出口来驱动发光管，其中L1亮表示电机正转、L2亮表示电机反转、L3亮表示电机停转，同时电梯开门。

L3灭表示电梯关门，L3亮表示电梯开门，电梯运行时L1和L2必须有一个亮，来表示电梯的上行和下行。

图9电机状态指示

3.3.4电源模块

本系统采用L7805稳压电路提供电压+5V，对各部分电路供电，电源可以采用USB接口的方式输入，也可以采用标准的电源输入头输入，另外电源可以直接通过P13口对电机进行供电。

图10电源模块

在降压电路中应注意以下事项：

1、输入输出压差不能太大，太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；

2、输出电流不能太大，1.5A是其极限值。

大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；

3、输入输出压差也不能太小，太小效率很差。

3.3.5红外发射接收电路

在竖井各个楼层设置红外发射接收管，在轿厢上下运动的过程当中红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置，竖井上的红外线接收头收到红外线，其输出发生变化。

单片机通过红外线接收头输出的变化知道电梯轿厢的位置。

图11红外发射对管图12红外对管电路图

图11所示为反射式红外线发射-接收器的示例。

调整发射管的限流电阻（200Ω），可以调整灵敏度，但是注意不能让电流超过50mA，以免烧毁发射管。

输出侧的10k电阻是提供“0”电平时的接地电阻，如果电路里已经有信号输入的接地电阻，则可以省略本处的10kΩ电阻。

此电阻阻值不能太小，否则高电平输出会达不到3.5V以上。

只要在红外线发射－接收管前插入一件对红外光有反射作用的物质，图示的输出端口“OUT”的电平立即从低变成高。

只要在红外线发射－接收管前插入一件对红外光有无反射作用的物质，图示的输出端口“OUT”的电平立即从高变成低。

如果该反射或无反射物质是循环连续动作的话，就是一种非常好的无触点信号源位置检测。

3.3.6电机驱动电路

电机驱动部分采用常用的H桥电路，如下图所示。

在P2.4口输入PWM信号对整个电路进行选通，通过调节PWM的占空比，实现电机运动过程的加速和减速的过程，从而完成电机的停止、平层操作。

P2.5口为电机的正反转控制，当P2.5为高电平时，Q3、Q2管导通，并通过电机构成回路，实现电梯的反转，当其为低电平时，Q1、Q4管导通，通过电机构成了H桥的另一边反向回路，实现了电梯的正转，从而完成电机的正反转控制。

驱动电路PCB图见附件二图24、图25。

仿真图如图13所示：

图13H桥电路仿真图

3.3.7按键指示

由于此部分只要求每层显示上下标志，所以我们采用一般的发光二级管。

此外，由于一楼和五楼只能分别上和下，故我们在一楼和五楼都只安装一个发光二级管。

由于单片机IO口资源有限，我们通过74HC573锁存器实现电梯外部的八个发光二极管与矩阵键盘的P3口复用，通过P0.6选通，当需要对八个发光二极管进行操作时，需要先将P0.6置1进行选通，改变P3口数值，再置0对P3进行锁存。

图14电梯外部按键指示复用电路

3.3.8紧急报警

轿厢内设紧急报警按钮，当电梯突然发生故障使轿箱内的人被困时，可以通过按下紧急停止按钮，清除所有呼叫信号，并将电梯直接运行至一楼，并发出报警信号。

由于这个部分要求电梯的任何运行状况下都要有效，为保险起见，我们将此作为一个独立的模块。

图15蜂鸣器报警原理图

4软件设计

本设计由于采