基于单片机的电梯控制系统设计.doc

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基于单片机的电梯控制设计

目录

摘要 II

ABSTRACT III

1绪论 1

1.1　课题的背景简介 1

1.1.1　电梯的历史与发展 1

1.1.2　基于单片机电梯控制的优势 1

1.2　课题的主要研究内容及设计步骤 2

2单片机概述 3

2.1单片机简介 5

2.2单片机的特点 6

2.3单片机的应用领域 6

2.4单片机的发展趋势 7

2.5单片机的主要生产厂家和机型 8

3硬件系统实现 10

3.1功能模块图 10

3.2AT89S51芯片 10

3.3键盘矩阵电路的设计 14

3.4单片机最小系统设计 15

3.5显示电路设计 16

3.6电机正反转控制 17

3.7设计电路及连线 17

4软件设计 19

4.1软件功能描述 19

4.2流程图设计 20

4.3程序设计 21

4.3.1程序初始化 21

5系统调试 32

5.1硬件调试 32

5.2软件调试 33

致谢 35

参考文献 36

基于单片机的电梯控制设计

摘要

随着现代城市的发展，高层建筑日益增多，电梯成为人们日常生活必不可少的代步工具。

电梯性能的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高电梯系统的性能，保证电梯的运行既高效节能又安全可靠。

传统的电梯控制系统采用的是继电器逻辑控制电路，这种控制易出故障，维护不便，运行寿命短，占地空间大，正逐步被淘汰。

单片机即单片微型计算机（Single-ChipMicrocomputer），是集CPU，RAM，ROM定时，计数和多种接口于一体的微控制器。

其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种,广泛应用于各个领域.电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统工程学等多学科和技术分支于一体的机电设备，它是建筑中的永久垂直交通工具。

本论文选择82C51为核心控制元件，设计了一个六层电梯系统，使用单片机汇编语言进行编程，实现运送乘客到任意楼层，并且显示电梯的楼层和上下行。

利用单片机控制电梯有成本低，通用性强，灵活性大及易于实现复杂控制等优点。

关键词单片机/电梯/控制

DESIGNOFELEVATORCORTROLLING

EQUIPMENTBASEDONSINGLE-CHIPMICROCOMPUTER

ABSTRACT

Withthedevelopmentofmoderncities,anincreasingnumberofhigh-risebuilding,elevatorbecomeanindispensablemeansoftransportofdailylife.Thequalityoftheliftperformanceoftheimpactonpeople'slivesbecomingmoreandmoreobvious,itmuststrivetoimprovetheperformanceofelevatorsystems,andensuretheoperationoftheliftissafe,reliableandenergyefficient.Thetraditionalelevatorcontrolsystemuseslogicoftherelaytocontrolcircuit,thiskindofcontrolseasilytobecrash,maintainsinconveniently,themovementlifeisshort,andthatoccupyingalargeareaofspace,itbeingeliminatedgradually.

Microcontrollerthatmicrocomputer（Single-ChipMicrocomputer）gatheringCPU,RAM,ROM,thetiming,numberandvarietyofinterfaceintegratedmicrocontrollers.51variousSCMSCMisthemosttypicalandmostrepresentativeofawidelyusedinvariousfields.Elevatoristheapplicationoftheprinciplesetmachinery,electricalcontroltechnology,microprocessortechnology,systemsengineeringandothertechnicaldisciplinesandbranchesoftheintegrationofmechanicalandelectricalequipment,whichisbuildingapermanentverticaltransport.

Thispaperchooses82C51controlofthecorecomponents,designedanew8storeyliftsystems,usingsingle-chipassemblylanguageprogramming,transportingpassengersarrivedafloor,italsoshowstheelevatorflooranddownlink.SCMcontrolelevatorslowcost,versatility,flexibilityandeaseoflargecomplexcontroladvantages.

KEYWORDSSingle-Chip，MicrocomputerElevator，control

39

1绪论

1.1　课题的背景简介

1.1.1　电梯的历史与发展

电梯进入人们的生活已经150年了生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。

150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。

如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。

调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用，一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。

中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。

1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。

1951年，党中央提出要在天安门安装一台由我国自行制造的电梯，天津从庆生电机厂荣接此任，四个月后不辱使命，顺利地完成了任务。

十一届三中全会后，沐浴着改革开放的春风，我国电梯业进入了高速发展的时期。

在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。

电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。

电梯是高层建筑中安全、可靠、垂直上下的运载工具，对改善劳动条件、减轻劳动强度起到很大的作用。

电梯的应用范围很广，可用于宾馆、饭店、办公大楼、商场、娱乐场所、仓库以及居民住宅大楼等。

在现代社会中，电梯已成为人类必不可少的垂直运输交通工具。

1.1.2　基于单片机电梯控制的优势

传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。

采用这种控制线路,存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。

目前，由可编程控制器（PLC）或微型计算机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。

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，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。

当然单片机并不象PLC那么有针对性，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。

电梯控制系统是比较复杂的一个大型系统，在计算机诞生的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展做了巨大的贡献，但在性能上和PLC还是有本质上的差距。

在科技的不断发展下，单片机控制系统很快可以解决抗扰性，成为方便有效的电梯控制系统。

1.2　课题的主要研究内容及设计步骤

本课题的主要任务是完成一个电梯系统调度的仿真，即根据每个楼层不同顾客的按键需求，让电梯做出合理的判断，正确有效地知道电梯完成各项载客任务，并施至以单片机上进行模拟仿真。

根据此任务，本课题需要研究的内容有：

1、根据系统的技术要求，进行系统硬件的总体方案设计；

2、学习单片机的相关知识，并且加以运用；

3、研究单片机汇编语言，并且规定电梯的工作规则，加以实现；

4、对软件和硬件进行调试，让其协调工作，完成指定任务。

结合以上内容设计思路可以归纳如下

本次设计的基本思想是采用AT89C51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。

采用定时器延时来控制电梯的位置校验，采用8位LED静态显示来实时显示电梯所在楼层，并用74ls245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6层楼，故选用4×4矩阵键盘。

当电梯到达目的楼层时电机停止，此时即可进、出乘客，乘客进入电梯之后可选择去哪一层，然后电梯根据乘客的选择判断去哪一层，继续运行。

通过单片机控制电梯在上升过程中只响应上升呼叫，下降过程中只响应下降呼叫。

电梯的正常运行通过单片机的控制来实现。

本课题的设计方案步骤如下：

关于硬件部分：

首先，对实际的电梯系统进行模拟，一般情况下，一个电梯应该具备相关按键、二极管、数码管等，由于这是一个调度模块，故没有设计具体的轿厢等机械部分。

然后，结合这些实物，选择恰当的芯片，并分成若干模块，安排好各自之间的关系。

由于其有诸多按键和显示环节，而单片机的I/O口管脚资源实在有限，故需要I/O口扩展，用以管理二极管；同时要有专门的按键控制芯片，从而便于按键管理。

关于软件部分：

处于最底层的是对两个芯片的寄存器读写工作，完成后方可进行更高层的应用程序调试。

为了使硬件简单化，我选择了模拟时序的方法读写寄存器，这比总线操作的方法节省了锁存器。

然后是关于电梯调度时所遵循的原则作出规定，其必须基于高效与人性化两个原则。

最后是使用C语言将规定程序化，以便电梯真正的运作。

当然，二者的关系并不是分离的，它们是相辅相成，硬件依据软件来验证，软件依据硬件来调试。

经过一个个的发现问题、一个个的解决问题，最终做出完美的电梯调度模块。

2单片机概述

单片机全称为单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）,又称为微控制器（MicrocontrollerUnit）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。

它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。

（如图1-1所示）。

随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SOC（SystemonChip）方向发展。

图2单片机结构

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。

2.1单片机简介

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。

2.2单片机的特点

单片机与通用微机相比较,在结构,指令设置上均有其独特之处,其主要特点如下:

单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的.ROM称为程序存储器,只存放程序,固定常数及数据表格.RAM则为数据存储器,用作工作区及存放用户数据.这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中,有较大的程序存储空间,把开发成功的程序固化在ROM中,而把少量的随机数据存放在RAM中.这样,小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内,以加速单片机的执行速度.但单片机内的RAM是作为数据存储器用,而不是当作高速缓冲存储器（CACHE）使用.

采用面向控制的指令系统.为满足控制的需要,单片机有更强的逻辑控制能力,特别是具有很强的位处理能力.

单片机的I/O引脚通常是多功能的.由于单片机芯片上引脚数目有限,为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾,采用了引脚功能复用的方法.引脚处于何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分.

单片机的外部扩展能力强.在内部的各种功能部分不能满足应用需求时,均可在外部进行扩展（如扩展ROM，RAM,I/O接口,定时器/计数器,中断系统等）,与许多通用的微机接口芯片兼容,给应用系统设计带来极大的方便和灵活性.

2.3单片机的应用领域

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

在智能仪器仪表上的应用:

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

在工业控制中的应用:

 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

在家用电器中的应用:

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

在计算机网络和通信领域中的应用:

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

单片机在医用设备领域中的应用:

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

2.4单片机的发展趋势

现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

（1）低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）。

像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。

CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。

所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

（2）微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。

甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。

现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

（3）主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。

所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。

而Microchip公司的PIC精简指令集（RISC）也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。

此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。

在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

2.5单片机的主要生产厂家和机型

目前世界是较为著名的部分8位单片机的生产厂家和部分主要机型如下:

Intel（美国英特尔）公司:

MCS-51/96及其增强系列.

NS（美国国家半导体）公司:

NS8070系列.

RCA（美国无线电）公司:

CDP1800系列.

TI（美国得克萨斯仪器仪表）公司:

TMS7000系列.

Cypress（美国Cypress半导体）公司:

CYXX系列.

Rockwell（美国洛克威尔）公司:

6500系列.

Motorola（美国摩托罗拉）公司:

6805系列.

Fairchild（美国仙童）公司:

FS系列和3870系列.

Zilog（美国齐洛格）公司:

Z8系列和SUPER系列.

Atmel（美国Atmel）公司:

AT89系列.

National（日本松下）公司:

MN6800系列.

Hitachi（日本日立）公司:

HD6301,HD65L05,HD6305系列.

NEC（日本电气）公司:

Ucom87,（upd7800）系列.

Philips（荷兰菲利浦）公司:

P89C51XX系列.

其中Intel公司的MCS-51系列及其增强型系列在8位单片机市场中占的份额最大,达50%左右.

3硬件系统实现

3.1功能模块图

在本设计中需用到AT89S51芯片,1个数码管，一个蜂鸣器，复位电路，8个按键，24个发光二极管。

复位键

输入

时钟电路

AT89S51 单片机

输出

显示

图3.1功能模块

3.2AT89S51芯片

本设计主要采用AT89S51芯片。

AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：

40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。

空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作。

掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位