基于单片机的电梯控制模型设计 精品.docx

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基于单片机的电梯控制模型设计精品

一、前言

单片机技术是现代电子工程领域一门迅速发展的技术，它的应用已经渗透到各种嵌入式系统中。

可以毫不夸张地说：

掌握单片机技术是电子信息类专业学生就业的一个重要条件。

同时单片机技术又是一门实践性很强的学科，课程设计教学环节的设计和实施，在很大程度上决定了学生对单片机技术的掌握程度。

为了更好地完成课程设计这一重要教学环节，我们采用Proteus软件与Keil软件整合构建单片机虚拟实验平台。

学生首先在PC上利用Proteus软件自己搭建硬件电路，并利用系统提供的功能完成电路分析、系统调试和输出显示的硬件设计部分；同时在Keil软件中编制程序，进行相应的编译和仿真，完成系统的软件设计部分。

当系统的设计工作完成后，学生可以在PC上看到最终的运行效果。

最后再通过proteus设计PCB，再完成真正硬件的调试。

采用Proteus软件与Keil软件整合构建单片机虚拟实验平台,有利于促进课程和教学改革，更有利于人才的培养；从经济性、可移植性、可推广性角度讲，建立这样的课程设计平台是非常有意义的；利用仿真系统，可以节约开发时间和开发成本；利用仿真系统，具有很大的灵活性和可扩展性。

二、设计简介

1、设计方案介绍

在工业上，多采用可编程控制器或微型计算机实现电梯逻辑控制，可编程控制器抗干扰性强，但针对性强、价格较贵，为实现电梯控制的模拟，本设计采用单片机为控制中心，针对所在的不同楼层分别进行合理的调度。

设计中按键用于给用户发出服务请求，LED电路用于显示请求状态及电梯运行状态、数码管显示电路来显示实时楼层，而电梯上升或下降的过程则通过定时来模拟。

2、设计任务及要求

三层电梯控制模型的设计。

2.1设计要求

●利用51单片机设计三层电梯的控制模型

●利用按键和数码管实现对电梯的控制和运行模拟

●可实时显示电梯所在楼层；

●按键按下后，相应的LED灯亮；

●可对发出的服务请求进行合理的分析调度并作出正确的响应；

●用户请求得到服务后，可更新状态。

2.2设计思路

本次设计的基本思路是以AT89S51单片机作为核心，利用其I/O接口与外围电路配合进行控制，通过扫描键盘点亮相应的指示灯，采用数码管来实时显示楼层，单片机通过扫描按键指示灯来读取请求，根据所在楼层的不同，进行不同的分析、调度，然后做出正确的响应，更新状态并在指示灯和数码管上显示出来。

系统模拟框图如图所示

三、硬件电路设计

3.1总体电路模块

硬件部分主要由单片机最小系统、系统显示电路、步进电梯驱动模块和按键输入模块等几部分组成。

总体电路原理图如下图所示：

3.2单片机最小系统部分：

单片机最小系统部分由图中的

（1）振荡电路

（2）复位电路（3）AT89C51构成。

3.2.1振荡电路

单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。

在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。

高级的精度更高。

有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。

晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。

通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。

有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。

晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。

如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

AT89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间。

3.2.2复位电路

单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。

当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。

复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。

具体数值可以由RC电路计算出时间常数。

复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。

（1）上电复位：

通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态，这个电阻和电容的典型值为10K和10uF。

（2）按键复位：

按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。

3.2.3单片机AT89C51

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图所示。

主要特性：

（1）与MCS-51兼容

（2）4K字节可编程FLASH存储器

（3）寿命：

1000写/擦循环（4）数据保留时间：

10年

（5）全静态工作：

0Hz-24MHz（6）三级程序存储器锁定

（7）128×8位内部RAM（8）32可编程I/O线

（9）两个16位定时器/计数器（10）5个中断源

（11）可编程串行通道（12）低功耗的闲置和掉电模式

特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：

4k 字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

3.3系统显示电路

3.3.1数码管显示电路

显示电路使用了七段数码管7SEG-MPX1-CC,它是共阴极的，由高电平点亮

3.3.2LED指示电路

3.4按键输入模块

在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据，传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。

本系统采用独立式按键，独立式按键的各按键相互独立，每个按键都有一个输入线，各按键的状态互不影响，CPU需对按键状态分别检测，只适用于按键数量较少的场合。

独立按键与单片机接口电路如图所示。

3.4.1键盘输入的特点

键盘实质上是一级按键开关的集合。

通常，键盘开关利用了机械触点的合、断作用。

3.4.2按键的确认

键的闭合与否，反映在行线输出电压上就呈现高电平或低电平，如果高电平表示键断开，低电平则表示键闭合，通过对行线电平高低状态的检测，便可确认按键按下与否。

为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键有效，必须消除抖动的影响。

3.4.3如何消除按键的抖动

采用软件来消除按键抖动的基本思想是：

在一次检测到有键按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时10MS的子程序后，确认该行线电平是否仍为低电平，如果仍为低电平，则确认为该行确实有键按下。

当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行一段延时10MS的子程序后，检测该行线为高电平，说明按键确实已经松开。

3.4.4与非门的作用

这次的电路加上了7个与门，在有一个按键按下之后，与门的一个输入变为低，最后与门的输出就为低，接在外部中断INT0，该引脚有高变低，下降有触发，触发外部中断。

3.5步进电梯驱动模块

本系统的步进电梯模块由ULN2003A驱动步进电梯构成。

该电路模块如图所示：

本设计是使用ULN2003A芯片来驱动电机，使用步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统。

●脉冲信号的产生

步进电机的驱动电路根据控制信号工作，由于控制并不复杂，故直接用单片机模拟出时序信号。

●控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。

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）。

●控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

●控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。

两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。

调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。

单片机留出来4个口线来与ULN2003A连接，以达到用单片机来驱动步进电动机的运行，上行、以及下行和停止等，具体功能的实现将由软件编程来完成。

其中ULN2003A是高耐压、大电流，内部由7个硅NPN达林顿管组成的驱动芯片在电路中可用于伺服电机、步进电机驱动等电路中。

ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。

它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。

ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。

用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。

采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。

通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。

ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。

四、系统程序的设计

4.1系统主程序的设计

程序流程框图如图所示：

4.2中断程序的设计

程序流程框图如图所示：

五．仿真调试情况

5.1测试结果显示

5.2调试时出现的问题及分析

●电梯在一楼时若同时按下2、3数字键，电梯总是上到2楼不停，到3楼后才回到2楼，推测在到2楼时的判断分析程序有错。

反复检查、修改无改善后，发觉原先把判断分析电梯怎么动作的程序都写在中断服务程序内，故只有电梯到了新的楼层才会得到下一步怎么走的命令，且在中断服务程序中无按键扫描，故刚好到达某一楼层时按下的键无法扫描到，电梯除初始态外，静止在其他楼层时若有按键按下未必能进行合理的分析和处理。

总结以上不足后，把判断电梯该如何动作的分析调度程序改写到主程序中，各个楼层均有一个对应的分析程序，改分析程序内已包含键盘扫描程序，只要电梯未到达新的楼层就始终执行该分析程序。

在分析过程中，发现要让电梯上升或下降时就开中断，在等待中断次数够20次（定时2s）的过程中仍未到达新的楼层，故期间一直在执行该分析程序。

按照以上思路改进后，上述问题得到解决，故障得以排除。

●在进行程序整体联调时发现，多个按键按下时，有时能扫描到所有按下的键，有时不能，且响应了一个请求之后，即使仍有请求灯在亮着，也不再做任何响应，按键也没反应，就像“死机”了一样。

推测可能按键扫描的频率不够高，或者逻辑上不全面，程序进入到一个死循环，故在程序中检查并完善了条件判断语句，几处添加按键检测，只要有键按下就进行行扫描，如此，按键几乎都能扫描到。

六．设计心得体会

通过本次论文设计，使我加深了对单片机的认识，并且熟悉了单片机系统的设计流程，收获丰硕。

功能上基本达标：

时钟与闹钟的显示，调时间和闹钟功能以及闹钟鸣叫功能。

时钟与闹钟显示功能，精确度完全可以满足日常生活显示时间的需要；调时间与闹钟功能，方便快捷。

硬件设施基本合乎要求，软件设计可以配合硬件实现其功能。

技术在不断进步，机械式时钟已经被淘汰，取而代之的是具有高度准确性和直观性且无机械装置，具有更长的使用寿命等优点的电子时钟。

电子时钟更具人性化，更能提高人们的生活质量，更受人们欢迎。

机械时代已经远去，电子时代已经到来。

做为新时代的我们，更应该提高自身能力，适应新时代的发展。

知识来自实践，多从生活中探寻所需要的。

从这次的论文设计中，我真正的体会到，知识的重要性，特别是要理论联系实际，把我们所学的理论知识运用到实际生活当中，要用知识改变一切。

7、主程序

#include

#include

#defineuintunsignedint

#defineucharunsignedchar

ucharcodetable[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f};

sbitS0=P1^0;

sbitS1=P1^1;

sbitS2=P1^2;

sbitS3=P1^3;

sbitS4=P1^4;

sbitS5=P1^5;

sbitS6=P1^6;

sbitS7=P1^7;

uintflag=0;

uinti=0;

sbitA1=P2^0;//定义步进电机连接端口

sbitB1=P2^1;

sbitC1=P2^2;

sbitD1=P2^3;

sbitashow1=P2^4;

sbitashow2=P2^5;

sbitashow3=P2^6;

sbitashow4=P2^7;

#defineCoil_A1{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}//AB相通电，其他相断电

#defineCoil_B1{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}//BC相通电，其他相断电

#defineCoil_C1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}//CD相通电，其他相断电

#defineCoil_D1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//DA相通电，其他相断电

#defineCoil_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部断电

voiddelay（uintz）;

voiddisplay（ucharnow）;

voidbumotor（）;

voidbumotort（）;

ucharnow=1;

voidmain（）

{

EA=1;

ET0=1;

IT0=1;//外部中断0为边沿触发

EX0=1;

ashow1=0;

ashow2=0;

ashow3=0;

ashow4=0;

while

（1）

{

if（flag==0）

{

delay（400）;

display（now）;

delay（400）;

}

elseif（flag==1）

{

for（i=0;i<2;i++）

{

now++;

if（now>=3）

{

now=3;

}

display（now）;

delay（800）;

}

}

elseif（flag==2）

{

for（i=0;i<2;i++）

{

now--;

if（now<=1）

{

now=1;

}

display（now）;

delay（800）;

}

}

if（now==1）

{

ashow1=1;

ashow2=0;

ashow3=0;

ashow4=0;

}

elseif（now==2）

{

ashow1=0;

ashow2=1;

ashow3=1;

ashow4=0;

}

elseif（now==3）

{

ashow1=0;

ashow2=0;

ashow3=0;

ashow4=1;

}

}

}

voidout（）interrupt0

{

uchari=0;

if（now==1）

{

if（S1==0）

{

now=now;

//delay（）;

}

if（S2==0||S5==0||S6==0）

{

now=now+1;

bumotor（）;

}

if（S3==0||S7==0）

{

flag=1;

}

}

if（now==2）

{

if（S1==0）

{

now=now-1;

bumotort（）;

}

if（S3==0||S7==0）

{

now=now+1;

bumotor（）;

}

}

if（now==3）

{

if（S2==0||S5==0||S6==0）

{

now--;

}

if（S1==0||S4==0）

{

flag=2;

}

}

}

/****************************************************

数码管显示函数

****************************************************/

voiddisplay（ucharnow）

{

P0=table[now];

delay（15）;

}

/***************************************************

延时函数

****************************************************/

voiddelay（uintz）

{

uintx,y;

for（x=z;x>0;x--）

for（y=222;y>0;y--）;

}

voidbumotor（）

{

Coil_OFF;

delay（400）;

Coil_A1;

delay（400）;

Coil_B1;

}

voidbumotort（）

{

Coil_OFF;

delay（400）;

Coil_B1;

delay（400）;

Coil_A1;

//delay（800）;

}

八、主要参考文献

●何立民.单片机应用系统设计.北京：

北京航空航天大学出版社，1990

●王晓明.电动机的单片机控制.北京：

北京航空航天大学出版社，2002

●朱善君，孙新亚.单片机接口技术与应用.北京：

清华大学出版社，2005

●吴红星．电机驱动与控制专用集成电路及应用．北京：

中国电力出版社，2006

●王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：

机械工业出版社，2000

●李光弟等.单片机基础.北京：

北京航空航天大学出版社，2001