电梯控制模型.docx

电梯控制模型.docx

《电梯控制模型.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电梯控制模型.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

电梯控制模型

电子设计报告

摘要

本电梯控制系统采用单片机并行处理结构，AT89C52单片机作为核心器件实现对电梯模拟轿厢的自动控制。

用按键代替电梯的上下指示，每一个按键旁边连接一个小灯泡。

按下电键灯泡亮，表示有呼叫。

单片机根据程序控制电机的转动方向和转动圈数来控制模拟电梯的上下和应到达的楼层。

在到达目的地后，单片机给蜂鸣器一信号使之发出声响给出提示。

单片机与各部分的联系都是通过编译器实现的。

另外本系统在箱内部分用黄灯表示向上运行，用绿灯表示向下运行。

在平层过程中没有象他人那样采用光电传感器来判断是否平层或到达那一层。

我们采取用记录电机转动的圈数来计算电梯运行的距离，来判断是否平层或到达某一层，因为每一层的距离是相等的。

但这样做的不足是使误差变大。

1.总体方案设计与论证

方案一：

采用可编程控制器（PLC）作为主要器件来控制电机的运动、电梯内外按键的响应、按键后的电路显示等等。

用PLC编程较简单，电路也不复杂，但此方案的各个模块的费用都比较高，考虑到我们组员对PLC的控制和编程都不太熟悉且所学知识不够全面。

故我们决定不采用本方案，而采用我们熟悉的且价格比较低的单片机实现本系统。

方案二：

采用一个单片机控制所有的按键、LED、数码管显示、电动机的转动等等。

并对以上所有信号进行处理。

这样做的优点是电路比较简单，工作量小。

系统将变得更为简洁且稳定，题目所要求的所有功能都较易实现，而且片机的优越性，可以增加许多其他的功能。

综合二者，本系统采用单片机作为控制核心。

2．单元电路的设计与论证

由上面的分析可知，此系统的各个模块可以简化如图1.1.2所示：

图1

2.1）单片机系统

AT89C52单片机的系统结构框图如图2

图2

图3为AT89C52单片机引脚图

图3

关于AT89C52单片机的最小系统的连接图和电路及AT89C52单片机芯片内部结构相关教材上已介绍的很详细，在这里我们不再赘述。

2.2）电机及驱动模块

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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

本系统采用42BYGH永磁感应子步进电机。

1．电机结构与原理：

    电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。

    0、1/3て、2/3て,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以て表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3て，C与齿3向右错开2/3て，A'与齿5相对齐，（A'就是A，齿5就是齿1）下面是定转子的展开图：

                     ;             

图4

如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。

    如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3て，此时齿3与C偏移为1/3て，齿4与A偏移（て-1/3て）=2/3て。

    如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3て，此时齿4与A偏移为1/3て对齐。

    如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3て

这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3て,向右旋转。

如按A，C，B，A……通电，电机就反转。

2．电机控制系统：

  使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：

图5

1）脉冲信号的产生

   脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2）信号分配

   感应子式步进电机以二、四相电机为主，本机采用四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,（步距角为0.9度）。

3）连接图形

2．3）按键输入模块

1．灯泡的控制

输入部分由按键和灯泡组成。

我们在按键旁边配一个灯泡用作指示灯，以对按键做出回应，其结构原理如下：

图6灯泡控制电路

当按键闭合时,电路接通,在a处产生响应,通过编译器编码传到单片机,经过分析,单片机给出指令.通过译码器解码使b处变为低电平,电路接通,灯泡亮。

当电梯到达指定位置后，再由单片机给出指令，b处还原成高电位。

电路断开，灯泡熄灭。

2．多个按键输入

在有较多按键输入的情况下，通常会使用矩阵式扫描方法来完成，例如对于16个按键输入的场合，会使用4×4矩阵键盘，这需要占用较多的I/O口（如8个），而对于单片机来说，其I/O口资源非常有限，当I/O口资源紧缺时，只好选用成本更高的具有更多I/O口的单片机来使用，这里我们设计了一种用两个I/O口实现多按键输入的方法。

单个I/O口电路如下图所示。

图6

在无键按下时，I/O口端电压为电源电压Vcc，当S1键按下时，I/O口端电压最低，是电阻R1和R2的分压，当S2键按下时，I/O口端电压变高，是电阻R1和（R2+R3）的分压，同理，当S3、S4按下时，电压会更高，通过对该I/O口端电压的大小进行判断，就可以得知所按下的哪一个键。

2．4）显示模块

两个数码管显示

按照题目要求需要显示电梯到达的楼层和运行时间，因此本系统用一个数码管来显示楼层号，一个来显示时间。

同时在电机每停一次时时间归零，在下一次启动时重新开始记时。

两个数码管采用并行接法，如图7所示

图7数码管接法

2．5）语音提示模块

要达到题目中的要求，即在平层结束后给出信号，本系统采用添加一个蜂鸣器的办法。

就是在平层后由单片机给它发出一指令，使其发出声音，当作提示。

其连接方法如下图所示

图8蜂鸣器连接电路

2．6）称重模块

这里我们采用了电阻应变式称重传感器，其原理是：

弹性体（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。

由此可见，电阻应变片、弹性体和检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。

下面就这三方面简要论述。

1．电阻应变片

电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。

他的一个重要参数是灵敏系数K。

我们来介绍一下它的意义。

设有一个金属电阻丝，其长度为L，横截面是半径为r的圆形，其面积记作S，其电阻率记作ρ，这种材料的泊松系数是μ。

当这根电阻丝未受外力作用时，它的电阻值为R：

R=ρL/S（Ω）（2—1）

当他的两端受F力作用时，将会伸长，也就是说产生变形。

设其伸长ΔL，其横截面积则缩小，即它的截面圆半径减少Δr。

此外，还可用实验证明，此金属电阻丝在变形后，电阻率也会有所改变，记作Δρ。

对式（2--1）求全微分，即求出电阻丝伸长后，他的电阻值改变了多少。

我们有：

ΔR=ΔρL/S+ΔLρ/S–ΔSρL/S2（2—2）

用式（2--1）去除式（2--2）得到

ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L–ΔS/S（2—3）

另外，我们知道导线的横截面积S=πr2，则Δs=2πr*Δr，所以

ΔS/S=2Δr/r（2—4）

从材料力学我们知道

Δr/r=-μΔL/L（2—5）

其中，负号表示伸长时，半径方向是缩小的。

μ是表示材料横向效应泊松系数。

把式（2—4）（2—5）代入（2--3），有

ΔR/R=Δρ/ρ+ΔL/L+2μΔL/L

=（1+2μ（Δρ/ρ）/（ΔL/L））*ΔL/L

=K*ΔL/L（2--6）

其中

K=1+2μ+（Δρ/ρ）/（ΔL/L）（２--７）

式（2--6））说明了电阻应变片的电阻变化率（电阻相对变化）和电阻丝伸长率（长度相对变化）之间的关系。

需要说明的是：

灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间；其次K值是一个无因次量，即它没有量纲。

在材料力学中ΔL/L称作为应变，记作ε，用它来表示弹性往往显得太大，很不方便

常常把它的百万分之一作为单位，记作με。

这样，式（２--６）常写作：

ΔR/R=Kε（2—8）

2．弹性体

弹性体是一个有特殊形状的结构件。

它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变棗电信号的转换任务。

以托利多公司的SB系列称重传感器的弹性体为例，来介绍一下其中的应力分布。

设有一带有肓孔的长方体悬臂梁。

肓孔底部中心是承受纯剪应力，但其上、下部分将会出现拉伸和压缩应力。

主应力方向一为拉神，一为压缩，若把应变片贴在这里，则应变片上半部将受拉伸而阻值增加，而应变片的下半部将受压缩，阻值减少。

下面列出肓孔底部中心点的应变表达式，而不再推导。

ε=（3Q（1+μ）/2Eb）*（B（H2-h2）+bh2）/（B（H3-h3）+bh3）（2--9）

其中：

Q--截面上的剪力；E--扬氏模量：

μ—泊松系数；B、b、H、h—为梁的几何尺寸。

需要说明的是，上面分析的应力状态均是“局部”情况，而应变片实际感受的是“平均”状态。

3．检测电路

检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。

因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。

因为全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。

2．7）发声报警模块

用P1.0输出1KHz和500Hz的音频信号驱动扬声器，作报警信号，要求1KHz信号响100ms，500Hz信号响200ms,交替进行，P1.7接一开关进行控制，当开关合上响报警信号，当开关断开告警信号停止。

1．电路原理图

图4.6.1

2．系统板上硬件连线

（1．把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPKIN端口上；

（2．在“音频放大模块”区域中的SPKOUT端口上接上一个8欧的或者是16欧的喇叭；

（3．把“单片机系统”区域中的P1.7/RD端口用导线连接到“四路拨动开关”区域中的K1端口上；

三．软件部分

通过对单片机的编程设计，可实现对轿厢的速度、运行方

向、时间、距离，以及对电机的一系列动作的控制。

并且还可

实现重量的测量、输出的显示等功能。

工作流程图如图9：

图9

四．调试过程

我们先对电机进行调试，在开始时电机轮子的转动很不规则，不按程序运行，多次测试都是这样。

最后找到卖方才发现我们把蓝线和绿线没有分清楚，导致电机转动出错。

接下来我们调试电键和灯泡，最初在接通电源后，所有灯泡要么一齐亮要么一齐不亮，不受电键的控制。

后来又只受一个电键的控制，其他的电键不起作用。

经过检查程，我们发现一个循环语句出现了错误。

在这里也让我更清楚的认识到if语句和while语句的差别！

在把while换if成后，得到了我们想要的结果。

接下来发现数码管显示出了问题，2，3显示错误，经过检查我们在接电路时没有分清共阴与共阳两种管子的一个差别。

将f,g两个接口接反。

最后我们做的是测定电机转动几圈能穿过一个楼层，每两层之间的距离是200毫米，电机轴承带动的轮子的直径是27毫米。

所以每上或下一层电机转动的圈数为：

n=200/3.14*13.5*2=2.4而步进电机的步距角为0.9度，因此一圈需要400个脉冲。

由此推之，每打400*2.4个脉冲，电梯上或下一层。

五．结束语

通过此次对电梯模型的设计，使我们对单片机的使用，C语言编程,软件AdobeAudition1.5的应用，电路中各元件的布局以及印刷电路板的设计有了进一步的了解，极大地提高了我们的动手能力，培养了我们的实践操作技能以及相互协作的工作精神。

但由于时间的匆忙和制作组成员本身知识的不足，本系统还存在很多不够完善的地方。

六．参考文献

[1]李华等，《MCS-51系列单片机实用接口技术》，北京航空航天大学出版社，1993年8月；

[2]张友德，涂时亮，《单片微机MCS51用户手册》，复旦大学出版社

[3]徐爱钧彭秀华；单片机高级语言C51Windows环境编程与应用，电子工业出版社。