基于单片机的电梯轿厢控制系统的设计Word格式.docx
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毕业设计（论文）任务书
题目：
基于单片机的轿厢电梯控制系统的设计
姓名郭小强系电气与信息学院专业自动化专业班级0702班学号02
指导老师李晓秀职称教授教研室主任李晓秀、赵葵银
一、基本任务及要求：
设计一个以MCS-51单片机为控制核心的电梯桥箱控制系统，采用液晶显示，具有辨识呼叫、平层、速度控制等功能。
设计的主要任务是：
查阅相关资料确定总体设计方案；
根据课题要求确定硬件方案；
软件设计，并利用单片机学习机调试呼叫、平层等部分功能；
④完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书及设计说明书的撰写工作。
二、进度安排及完成时间：
①12月20日，指导指导老师布置任务、下达设计任务书；
②第1—3周：
查阅资料、撰写文献综述及开题报告，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义。
③第4-5周：
毕业实习
4第6-7周：
根据自己研究的方向，确定自己的总体设计方案，根据对象特性进行各种算法的研究，并进行硬件电路的设计和参数计算，元件的选型。
5第8-14周：
硬件设计、软件设计。
6第15-16周：
整理资料，撰写毕业设计论文。
第17周：
毕业论文审定、打印，答辩。
摘要：
电梯的应用越来越广泛，电梯成为垂直运输不可替代的工具。
电梯控制是一种复杂的逻辑控制系统，系统要求在很短的时间内对大量信号进行检测和处理。
通过对几种常用的拖动方案和控制方案的比较，确定了电梯拖动系统和控制系统的设计方案。
基于单片机来做电梯控制系统，既能满足控制要求，又能节约大量成本。
按照任务书中提出的设计要求，完成了电梯拖动系统和控制系统的硬件和软件部分的设计工作，使电梯拖动系统和控制系统达到了任务书中规定的设计要求。
电梯拖动系统和控制系统的设计工作主要包括两个部分：
电动机调速和选层。
本设计论文主要论述在电梯选层方面所做的设计工作。
关键字：
电梯；
控制方案；
拖动系统；
控制系统；
单片机
Thedesignofelevatorboxcontrolsystembasedonsinglechip
Abstract:
Theapplicationofelevatorsarebeingmoreandmore，elevatorhasbeentheirreplaceabletoolusedasanuprightconveyance.
Elevatorcontrolisacomplicatedlogiccontrolsystem;
itneedstobedetectedandprocessedalotofinformationinverylittletime.Bythefactthatdraggingincommonusemovestheschemeandthecomparisoncontrollingascheme’stotheseveralkinds.Asthedevelopmentofthetechnology,theanti-jammingabilityofthesinglechipisbecomingstrongerandstronger,and,thesinglechipisverycheaply-priced.Theelevatorcontrolsystembasedonsinglechipofthisdesigncanmeetthechallengeofcontrolneed,alsosavescostsalot.
Accordingtodesigndemandbroughtforwardbymissionbookmiddle,havingaccomplishedanelectricelevatordragsthejobmovingsystemandcontrollingsystematichardwareandsoftwarepartdesign,makesanelectricelevatordragthedesigndemandstipulatingthatinthebookmovingsystemandcontrollingsystemhavingreachedamission.
Theelectricelevatordragsthejobmovingsystemandcontrollingsystematicdesignincludingtwopartsmainly:
theelectricmotorexchangesspeedandchoosesatier.Designthatthethesisdiscussesthedesignjobchoosingwhattierofaspectdeliversalectureintheelectricelevatormainlyoriginally.
Keyword:
elevator;
controlblueprint;
controlsystem;
dragmovesystem;
singlechip
第1章绪论
1.1概述
在目前高楼大厦林立的现代都市里，作为垂直运输工具的电梯得到了广泛的应用。
由于电梯应用，因而大大的改善了劳动条件，减轻了劳动强度。
可以这么说，当今世界电梯的使用量已成为衡量现代化程度的重要标志之一。
随着我国现代化进一步的改革，在高速社会发展中，高层建筑的大量兴建，海底勘探及底下建筑的不断兴建，垂直运输工具越来越显的重要，电梯便成为现代化社会中作为垂直运输工具中其他交通工具不能替代的重要设备。
电梯作为高层建筑物的重要交通工具与人们的工作和生活日益紧密联系。
PLC作为新一代工业控制器，以其高可靠性和技术先进性，在电梯控制中得到广泛应用，单片机价格相当便宜，如果在抗干扰功能上有所提高的话完全可以代替PLC实现对工控设备的控制。
本论文主要介绍电梯总的发展状况，电梯的基本原理结构、电梯的设计的基本轮廓及具体组成部分、电梯的安装调试及维护。
1.1.1电梯总的发展状况
电梯的雏形是公元前1115年至1079年间我国劳动人民发明辘轳。
1852年，世界上第一台在德国柏林电梯诞生了，采用电动机拖动。
以后，美国出现以蒸汽机为动力的客梯。
美国人奥的斯研究出电梯的安全装置，开创了升降机工业或者说电梯工业新纪元。
1765年瓦特发明了蒸汽机，把它作为提升设备的动力是在1858年，首次应用于美国纽约市的一台客梯上。
接着阿姆斯特朗发明的水压梯替代了蒸汽机梯。
随着科技的发展，新的动力设备不断出现并替代了旧的动力设备，例如用液压泵和液压控制阀等。
1857年，世界第一台载人电梯问世，为不断升高的高楼提供了重要的垂直动输工具。
法拉第于1881年发明发电机后50年，美国率先采用直流电动机作为电梯升级的驱动单元，并为今天的电梯发展奠定了基础。
1889年奥的斯公司在纽约试制成功第一台电力驱动蜗轮减速的电梯，这一设计思想为现代化的电梯奠定了基础，它的基本结构至今仍被广泛使用。
1903年美国生产了不带减速器的无齿轮高速电梯，并把卷筒式传动改进为曳引槽轮式传动，从而为今天高层的大行程电梯奠定了基础。
在动力问题得到解决之后，美国着手研制电气控制及速度调节等方面课题，并获得成功。
1915年美国成功设计了自动平层控制系统以及高速电梯（6m/s）。
电梯是机械、电气结合的机电一体化产品。
其电气控制系统包括拖动系统和控制系统两部分。
电梯的质量好坏在很大程度上是由拖动系统和控制系统两部分决定的。
电梯技术包括电梯电机的拖动技术和电梯运行的控制技术，本文着重研究单片机在电梯控制技术中的应用。
国产电梯控制技术过去一直是以继电器、接触器为核心，系统庞大、复杂,所用控制柜很大。
随着电脑技术的发展，微机在抗扰能力有所提高，并且单片机相对PC机要便宜的多，所以由单片机设计的控制系统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。
电梯的拖动系统经历了从简单到复杂的过程。
目前用于电梯的拖动系统主要有：
单、双速交流电动机拖动系统；
交流电动机定子调压、调速拖动系统；
直流发电机－电动机、晶闸管励磁拖动系统；
晶闸管直接供电拖动系统；
VVVF变频变压调速拖动系统。
经过考虑选择了设计：
电梯的运行是一个复杂的过程，为了实现安全、方便、舒适、高效和自动化运行，除了需要良好的拖动系统以外，还必须要有一套完善、可靠的控制系统。
随着科技的发展，各种微型计算机控制系统，尤其是可编程序控制器（PLC）控制系统逐步取代了传统的继电器－接触器控制系统，从而大大简化了控制线路，提高了运行可靠性和自动化程度。
因此，可编程序控制器（PLC）应用于电梯的控制系统已经成为了当今的主流。
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，如果在抗干扰功能上有所提高的话完全可以代替PLC实现对工控设备的控制。
1.1.2单片机技术
单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力（如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理）的微处理器（CPU），随机存取数据存储器（RAM），只读程序存储器（ROM），输入输出电路（I/O口），可能还包括定时计数器，串行通信口（SCI），显示驱动电路（LCD或LED驱动电路），脉宽调制电路（PWM），模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小,然而完善的计算机系统。
这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。
由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。
然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑（PC机）有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。
不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。
这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。
软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出特性及对电源的要求等等。
开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件（包含可支持开发应用程序的软件资源）及硬件资源。
要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。
单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。
诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。
是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。
1.2设计的指导思想
电梯设计要注重电梯使用的安全性与可靠性，电梯的安全与设计、制造、安装调试及检修各环节都有密切联系。
任何一个环节出了问题，都可能造成不安全的隐患，以造成事故，因此该系统的设计尤为重要。
本课题是应用单片机对交流变频电梯进行控制。
该系统必须可靠的实现：
开门、关门、选层、定向、起动、加速、稳定运行、减速、爬行、平层、停靠、开门这一运行过程。
同时必须满足下述要求：
层站数为八层楼、拖动电机用交流双速电机（1000转/分、250转/分）、运行速度为1.0米/分、停靠误差为±
0.1米、可以实现手动运行、自动运行、检查运行、火警专用服务及优先服务工作方式，自动关门、自动平层、定时开关电梯、故障报警、超时驶回基站、同时须有完善的保护措施、并便于维修。
1.3设计的主要内容
设计一基于单片机的轿厢电梯控制系统。
（1）分析确定总体方案，软硬件协调综合分析及硬件资源分配。
（2）硬件电路设计及元器件参数计算，选型。
（3）系统结构部分设计：
控制柜、层楼显示及呼叫、按键盒等。
（4）软件设计。
（5）电路安装调试。
（6）程序调试与系统运行调试。
第2章总体方案设计
2.1电梯单片机控制系统的基本结构
电梯的电气控制系统主要由信号控制系统和拖动控制系统两大部分组成，电梯单片机控制系统的基本结构，主要硬件包括单片机及扩展、机械系统、轿操作盒、厅外呼梯、指层器、门电机调速装置与主拖动系统。
电梯单片机控制系统的基本结构如图2.1所示。
系统控制核心为单片机，操纵盒、呼梯盒、井道及安全保护信号通过单片机输入接口送入单片机，储存在单片机存贮器由单片机软件运算处理,然后经输出接口分别接指示层器及外呼指示灯发出外部显示信号,控制主拖动和门机系统。
系统控制核心为单片机、操纵盒、井道发出控制信号。
图2.1电梯单片机控制系统的基本结构
2.2信号控制系统
电梯信号控制基本由单片机软件实现。
输入到单片机的控制信号有:
运行方式选择（如手动、自动、检修、优先服务等），运行控制、内呼、外呼、安全保护、井道信息、开关门及限位信号、门区或平层信号等，输出控制信号:
有楼层显示、呼楼及选层显示、方向指示、开关门控制、拖动控制信号等。
信号控制系统的所有功能如呼信号登记，轿厢位置判断，选层定向、顺向截梯、反向截梯、信号及保护、换速、平层、开关门、电梯自动运行过程均为程序控制实现。
2.3拖动控制系统
交流双速电梯拖动控制系统原理图如图2.3所示。
快加速及减速制动电阻切换的时间控制均由单片机内部定时器，单片机程序控制信号定向、快速起动运行、慢速减速制动。
图2.3交流双速电梯控制框图
2.4拖动部分的确定
分析本课题，其电气控制系统包括了拖动系统和控制系统：
对于拖动部分而言，有在第一章所提到的几种拖动系统。
直流电动机具有调速性能好，调速范围大的特点，但是机组的结构体积太大、耗电大、维护的工作量大，且造价高，所以只应用于对速度和舒适感要求较高的建筑物中。
晶闸管直接供电系统在工业上应用很早，但要用于电梯就必须解决舒适感的问题，当然比直流发电机-电动机组形式的直流电梯有很多优点。
如机房占地可以节省，重量可以减轻，并可以节能。
变频变压（VVVF）的系统控制的电梯，它采用交流电动机驱动，然而就可以达到直流电动机的水平,它的体积小、重量轻、效率高、节省能源，几乎包括了以往电梯的所有优点，已成为目前最新的电梯拖动系统。
但成本比较高，且技术要求也很高，它主要应用于调速范围较大的场合。
交流双速电动机拖动系统虽然具有舒适感较差的却点，但却具有结构紧凑、维护简单的特点，又是采用开环控制方式，线路简单，价格较低，因此得到了广泛的应用。
随着自动理论与微电子技术的发展，交流双速电梯的拖动方式与控制手段均得到了很大的改善，将涡流制动、能耗制动等方式应用于交流电梯上，就能得到满意的舒适感和平层正确度，因而更增加了它的普遍适用性。
所以通过对这几种拖动方式的比较，并结合课题的特点及需要达到的要求，确定此拖动系统部分用交流变频电动机拖动。
2.5控制部分的确定
另外,对其控制部分进行分析，电梯信号控制系统主要有继电器控制和计算机两种控制方式。
计算机控制方式又可以分为PLC控制与微机控制方式。
电梯的运行的确是一个复杂的过程，为了实现其安全、方便、舒适、高效和自动化运行，除了有良好的拖动系统外，还必需有一套良好的控制系统，它主要包括继电器控制、微机控制、PLC控制。
对于继电器，由于控制线路复杂、触点多，因此故障率特高，可靠性差和体积庞大及自动化程度不高，同时维修保养一点都不方便，所以已有淘汰之势。
由于可编程序控制器（PLC）软件简单易学，使用和维护方便，运行稳定可靠，设计施工周期短等优点，因此广泛应用于工业生产中。
而单片机成本低，开发周期短，应用范围广，因此本设计选用单片机来作为电梯的控制器。
第3章电梯的硬件设计
3.1电梯的机械系统
电梯的机械系统主要由电机曳引系统、轿厢、对重装置、厅轿开关门系统、轿厢导轨、对重块导轨、机械安全系统等组成，其中各个系统由若干个部件组成如图3.1所示。
图3.1电梯的机械系统图
3.1.1对重装置
本次设计中，根据设计要求及一般情况选定载客量为16人，按每人65公斤计算。
额定负载为1040公斤，轿箱自重为2900千克，其底面积设计为405平方米。
此
设计中，采用1：
1吊索无轮对重架。
其重量可算得：
P=G+QKp{P=（1-Kp）QV}{P=Q+Kp}{P=G+QKp}
P--对重；
G—轿箱净重；
Q--额定载重量；
Kp--平衡系数（一般为0.45-0.5）
则P=2900+0.5*1000=3400Kg。
3.1.2电梯驱动装置设计
本设计采用无齿轮曳引电机，其机械总效率为0.8。
据经验公式：
P=（1-Kp）QV/102Y
式中：
P--曳引电机轴功率。
Kp--电梯平衡系数。
Q--电梯轿箱额定载重量级。
Y--电梯机械总效率。
V--电梯运行速度。
KP=0.5Q=1000Y=0.8V=1m/sP=RE
实选电机为11KW和JWD系列交流电机参数，查电机参数如下：
电机型号：
JTD-430型。
同步转速为：
1000/250转/分。
功率：
11.2Kw电压：
380V电流：
30.6sa平均转速960转/分。
COSa为0.84，可选轮直径为620mm，钢丝绳直径为5*13mm。
梯门电机DM：
采用直流110SZ56型直流电机，额定电压11V，额定功率120W，额定转速1000转/分，他励励磁，有较大的启动转速和良好的调速性能。
3.1.3轿门、厅门与开关门系统
轿门设计为封闭式中开门，由于轿箱门常处于运行开关过程中，所以客梯的背面要作消声处理，以减少开关过程中由于震动所引起的噪音。
厅门也采用封闭式中开门，并与轿门同步开启。
3.1.4引导系统
该系统包括轿箱引导系统和对重引导系统。
借由导轨、导轨架导靴三机件组成。
（1）导轨
导轨分轿箱导轨和对重导轨，对重导轨用75*75（8-10）MM的角钢制成;
轿箱导轨采用普通碳素钢制成，本设计采用L300-50024Kg/M的T字型导轨。
（2）导靴
导靴装置在轿架上，使轿箱和对重装置顺着导轨上下运行，本设计采用滚动导靴，它能减少导轨之间的磨檫力，节省能量，提高乘坐舒适感等。
3.1.5机械安全保护系统
（1）限速装置和安全铗
根据电梯设计要求，限速装置放在机房里，张紧装置立于井道坑底，用压道板固定在导轨上，限速器与张紧装置之间用钢丝绳接起来，钢丝绳两端分别绕过限速器和张紧装置的绳轮，固定在轿架上梁安全钳的绳头拉手上。
限速器采用甩锤或限时器，电梯运行时，轿箱通过钢丝绳带动限速器绳轮转动起来，轿箱速度生高是，甩锤的离心力增大，达到115时限速器动作。
（2）缓冲器
缓冲器设在井道坑底的地面上，采用弹簧缓冲器。
3.2电梯电气控制系统
3.2.1主电路设计
电气控制系统由控制柜、操纵箱、指层灯箱、呼箱、限位装置、换速平层装置等十几个部件组成，电气控制系统决定着电梯的性能和自动化程度。
在此只介绍主控制电路的设计与基本原理。
对于主电路中的曳引机控制部分，因为采用交流双速电机，所以可以通过利用几个接触器之间的相互切换，来控制曳引机的正反转和快慢速的转换，其具体过程如下:
从电网上接入380V交流三相电源，通过一个空气开关和漏电器作为漏电保护，后接入三熔断器作为过流保护。
然后，通过单片机控制接触器之间的协调动作。
KM1为电机正转接触器，KM3、KM1接通则电机快速正转，即电梯快速上升，KM2为电机反转接触器，当KM3、KM2接通，则电梯快速下行，而且KM1、KM4接通电梯就会慢速上行,KM2、KM4接通电梯就会慢速下行。
电机通过接入两个热继电作为过载保护电路。
门电机是采用直流电动机。
故经过空气开关从主线上接出三线通过熔断器FU1、FU2、FU3接入一380V/110V变压器，变压器输出后接入一个三相桥式整流电路。
通过整流之后变为直流电作为门电机的电源。
门电机也采用接触器来控制，当KM5接通后，门电机慢速正转，当KM6接通后则门电机慢速反转，当KM5、KM7接通后，门电机快速正转，而KM6、KM7接通就会快速反转。
在门电机控制电路上必须并入一个保护回路和调速电器，保护回路由曳引机的两个热继电器的常闭触点及一个单片机输入信号构成。
当主电机发生故障时，保护电路中的常闭触点将断开，那么控制门电机的输入信号将掉电，门电机也就停止。
此外，门电机还需一个调速回路，并入一个可调电阻R1和电感L来调节电机的电压而达到调速的目的。
主控制电路原理图如图3.2。
图3.2主控制电路原理图
3.2.2主电路元件选择
门电机-直流11V，额定输出功率120W，其型号为1105型。
曳引电机-功率11.2KW，电压380V，电流30.6A。
从而可选电路中各元件如下：
自动空气开关-DZ10-100。
（1）接触器：
对电梯只能按电寿命次数来选择接触器的型号：
选快速接触器为CJ-20-60.它的机械寿命为600万次，操作频率为1200次/小时，电寿命为120万次，接通能力为12Ie，分断能力为10Ie，10s耐受过压电流800A，配用熔断流为RT16（NT）-1-250/660。
选慢速接触器为CJ-40，电寿命为100万次，操作频率为1200/小时。
门电机电源接触器选为CJ20-10，机械寿命为100万次，操作频率为1200次/小时，电寿命为100万次，接通能力为12Ie，分断能力为10Ie，10s耐受过载电流为80A，配用熔断器为RT（NT）-00-20/660。
（2）热继电器：
一般热继电器的额定电流Ie.Jr大于或等于热元件的额定电流Ie.J。
热继电器选择时应保持其额定电流I2大于或等于回路的最大长期工作电流Ig，热元件的额定电流一般大于或等于热继电器的整定
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