基于单片机的电梯控制系统的开题报告分析.docx
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基于单片机的电梯控制系统的开题报告分析
石河子大学
毕业论文（设计）开题报告
课题名称：
基于单片机的电梯控制系统设计
学生姓名：
学号：
2010509038
学院：
机械电气工程学院
专业、年级：
电气工程及其自动化2010
（2）班
指导教师：
职称：
副教授
毕业论文（设计）起止时间：
1.10——6.15
一、课题的目的及意义
电梯是标志现代物质文明的垂直运输工具、是机电一体化的复杂运输设备。
它涉及电子技术、机械工程、电力电子技术、微电脑技术、电力拖动系统和土建工程等多个科学领域。
尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构。
从电梯各构件部分的功能上看，可分为八个部分：
曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统，而本次课题内容就是基于单片机的电梯控制系统设计。
随着我国经济的发展，城市中涌现出越来越多的高层建筑，而与之配套的电梯已成为人们日常生活中不可缺少的工具。
同时，由于国家老龄化问题目益突出，低层住宅建筑（一般5层左右）同样也有使用电梯的要求。
所以电梯控制的研究在现代社会有着很重要的作用，作为一名电专业的学生，这些正是自动化专业所学习的内容，又是自己的兴趣所在。
为了以后更好的工作和更深入的理解基于单片机的电梯控制系统，所以选择了该课题。
2、国内外研究现状及单片机的特点
国外：
20世纪初，美国出现了曳引式电梯，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。
在后来的几十年里，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。
国内：
目前，我国国产电梯大部分为继电器、PLC控制方式以及单片机控制方式。
继电-接触系统：
它的优点是线路直观，大部分电器均为常用电器，更换方便，价格较便宜。
但是他触点繁多，线路复杂，电器的电磁机构及触点动作较慢，能耗高，机械动作噪音大，而且可靠性差。
继电器控制系统性能不稳定、故障率高，大大降低了电梯的舒适性、可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员的生活和工作带来了很多不便，因而传统的电梯控制系统的更新势在必行。
PLC（可编程控制器）在电梯控制中得到了广泛的应目前。
PLC在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，使用方便，扩展容易。
它使用了梯形图和可编程指令，易于掌握。
电梯控制器通常由PLC实现基本能力，但是如果要实现电梯智能化，则PLC稍嫌不足。
单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。
单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点。
一、成本低。
本电梯控制由于采用单片机代替了PLC作为主控芯片，同时用PWM驱动直流电机代替了变频调速驱动，从而导致整套系统成本很低。
二、高精度的重量检测及显示。
基于PLC的电梯模型虽然有重量检测，但检测精度较低。
本电梯模型采用高精度的重量传感器和测量电路，配合设计优良的数字处理软件，从而能进行高精度的重量检测和显示．
三、可靠性好，适应温度范围宽。
单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。
四、易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。
单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。
五、可以很方便的实现多机和分布式控制。
六、单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
3、研究内容及目标
1、研究内容（实现的功能）
本课题是五层乘客电梯的模拟控制系统，可实现无司机操作、自动应召服务、自动换向应答、反向厅外召唤等功能。
当无信号时，电梯自动关门停机待命，当某一层有召唤信号时，再自动起动前往应答。
呼梯信号自动存储和删除，自动平层。
轿厢安装有超载装置。
2、我的目标
A、本次设计的基本思想是采用AT89C52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。
采用延时函数来控制电梯的位置校验，采用数码管静态显示来实时显示电梯所在楼层。
采用行列式矩阵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。
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。
本电梯控制模型硬件采用模块化的设计。
硬件主要由供电电源、电梯内外呼梯信号处理、系统键盘、系统信息显示、电梯位置检测、单片机主控等模块组成。
系统硬件结构框图如下：
1）电梯位置检测模块
在电梯控制中，电梯位置的检测是设计中的一个关键环节。
此功能在软件中编程实现更为方便。
2）电机控制模块
电机控制模块完成以下功能：
电机运行方向的控制及电机的速度控制。
3）系统键盘模块
本系统设置了一套有16个键的系统键盘组成矩阵式结构，将相关信息送入单片机进行处理。
本电梯控制模型设计为4层结构，电梯内外呼梯信号的设置与实际电梯基本相同。
每楼设置上、下两个（一楼和四楼除外）呼梯信号，和上下楼梯的楼层数。
这些呼叫信号组成矩阵式键盘结构，并将相应的信息送入单片机进行处理。
4）系统信息显示模块
每个呼梯请求需要有一个对应的指示灯，同时每楼和电梯均应显示此时电梯的运行状态，如上行或下行、电梯目前到达的楼层等信息。
为此设置了若干个发光二极管和数码管作为此模块的显示。
B、拟解决的主要问题：
1、电路的设计、电梯的仿真模拟运行
2、传感器的选择
3、如何控制电梯厢准确定位
4、如何进行楼层按键的存取、优先级判断
5、电机的控制
6、程序的总体调试结合
4、工作方案及进度计划
进一步熟悉课题内容，收集资料，社会考察学习第1周收集资料，制定总体方案，并与指导教师讨论第2周
绘制系统组成框图第3周
绘制单片机程序设计流程图第4周
绘制控制电气原理图第5周
整理有关数据,进行相关部件的调试工作第6周
编制单片机主控程序第7-8周调试完善单片机主控程序第8-9周进行联机系统调试模拟试验第10-11周整理数据，撰写设计说明书（准确，客观）,准备答辩第12周
参考文献
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北京航空航天出版社，2006:
41-47
[2] 房小翠,王金凤.单片机实用系统设计技术[M].北京：
国防工业出版社，1999:
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[3] 阎石.数字电子技术基础（第三版）[M].北京：
高等教育出版社，1989:
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[4] 梁延东.电梯控制技术[M].北京：
中国建筑工业出版社，1997:
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[5]何立民.单片机应用系统设计[M].北京:
北京航空航天出版社,1993:
18-25
[6]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M]上海:
上海工业大学,1991:
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[7]廖晓钟.电气传动与调速系统[M].北京：
中国电力出版社，1998:
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[8]黄俊,王兆安．电力电子技术[M].北京:
机械工业出版社,2001:
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[9]李国栋.谈电梯控制系统的检测问题.中国电梯[J],2002年7月第13卷（第10期）:
38～39
[10]万长建,张莉.用单片机实现高层电梯运行自动控制[J].实验技术与管理,2007,24（5）:
256～261
[11] 张娅莉,曲国峰.单片机在电梯自动控制中的应用[J].《工业控制计算机》,2003,16
（2）:
135～138
指导教师审阅意见：
指导教师（签字）：
年月日
备注：
文献综述
摘要
电梯控制系统设计文献综述
1电梯的定义及历史回眸
1.1电梯的定义
一种以电动机为动力的垂直升降机，装有箱状吊舱，用于多层建筑乘人或载运货物。
也有台阶式，踏步板装在履带上连续运行，俗称自动电梯。
它是服务于规定楼层的固定式升降设备。
具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的刚性导轨之间。
轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。
习惯上不论其驱动方式如何，将电梯作为建筑物内垂直交通运输工具的总称。
1.2电梯的发展历史回眸
电梯技术发展大致分为两个阶段[1]：
（1）电梯的雏形阶段
1785年，英国出现了用蒸汽机驱动的升降机；1900年，以交流电动机传动的电梯开始问世。
1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采用全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。
（2）现代电梯的发展阶段
1903年，美国奥的斯公司生产了不带减速器的无齿轮高速电梯，电梯传动机构采用曳引驱动代替以往的卷筒式，为当今高层的大行程、高速度电梯奠定了基础；1976年，电梯上开始运用微处理机，之后随着大功率晶体管模块的问世，以及微机及数字调节器技术的不断成熟，人们利用调节脉冲宽度来调节电子逆变器，实现了对电梯中电动机的调压调频（VVVF），达到了线性调速的目的；1990年，电梯控制系统由并行信号传输向以串行为主的信号传输过渡，提高了整体系统的可靠性，为实现电梯的群控，智能化和远程监控提供了条件。
1.3我国电梯事业的发展现状[2]
大规模的经济建设尤其是蓬勃发展的房地产业给电梯行业开拓了广阔的市场，2001年我国电梯产量达4.5万台，创造了行业发展史上的一个新的高峰，被业内人士称为“第三次浪潮”。
目前，中国经济建设需求的各类电梯、几乎全部可以在中国生产。
据统计，全世界平均1000人有1台电梯。
我国如果要达到这个水准，还需要新装80万台。
到那时候，每年仅报废更新就需要6万台。
目前房屋建设势头仍然很好，电梯市场供需两旺，前景一片光明。
2电梯技术发展趋势展望[3][4][5][6]
电梯的普及给人们的生活带来了极大的优越性，而电梯技术也只有不断的发展才能更好地满足高层建筑及其群体的需要。
展望未来，电梯的发展趋势应包括以下几点：
2.1无机房电梯
无机房电梯不单单是电梯有无机房的简单局部改进，而是涉及到一系列技术问题，如曳引系统、控制柜、限速器等的安装位置以及轿厢、极限开关、缓冲器等部件，都要进行重新设计，变更部件的尺寸与安装位置也要重新考虑。
它是电梯发展过程中的一次意义深远的变革，它所采用的一些关键技术将会被进一步推广用到其它电梯产品上，进而促进整个电梯行业技术的进步。
2.2绿色电梯
绿色电梯的研究主要在电梯制造、配置及安装、使用过程中节能和减少环境污染等方面。
节能主要体现在以下几个方面：
原材料的充分利用；电梯数量与参数的优化配置；高效的驱动系统；减少机械系统的惯性和摩擦阻力；选用节能照明；客货流量规划等方面。
减小对环境的污染主要体现在两方面：
油污染降至最低；电梯的电磁兼容性问题。
由于电梯是在大厦中频繁启动的大容量电器，由此产生的电磁辐射将对大楼的办公设备构成严重干扰。
2.3远程监控系统
远程监控系统的应用，使得电梯状态监控的智能可以在监控中心就可以监测到电梯的运行状态，监控中心随时可以监控电梯发生的故障，并且可以诊断出故障的类型和发生的位置，使电梯维护更加安全、方便。
2.4全微机化电梯
全微机化电梯的开发和使用，是电梯发展趋势的一个重要方向。
全微机化电梯是指电梯的传动系统及操纵控制系统方面实现微机控制的电梯。
随着现代微机技术的不断进步和完善，全微机化电梯（包括单微机控制电梯、多微机控制电梯及人工智能控制电梯）必将全面满足人们对电梯高质量，高水平，高标准的要求。
2.6太空电梯
1895年前苏联科学家设想坐电梯进入太空，后来一些科学家相继提出了各种解决方案。
2000年，美国国家宇航局（NASA）描述了建造太空电梯的概念，这需要极细的碳纤维制成的缆绳并能延伸到地球赤道上方3.5万km。
为使这条缆绳突破地心引力的影响太空中的另一端必须与一个质量巨大的天体相连。
这一天体向外太空旋转的力量与地心引力抗衡，将使缆绳紧绷，允许电磁轿厢在缆绳中心的隧道穿行。
普通人登上太空这个梦想未来将实现。
除以上几方面外，诸如IC卡的智能管理系统，应用模糊理论和神经网络技术的群管理系统，以及数码技术、声控技术、载波技术等也将在电梯技术领域中得到推广和发展。
4电梯的控制技术[7][8]
4.1电梯系统的控制
电梯的控制从性质上可以分为两个方面，一是其传动系统的控制，二是电梯逻辑控制。
（1）传动系统的控制
它是以速度给定曲线为依据，利用模拟或数字控制装置，针对曳引电机的不同调速方式构成闭环或开环的速度控制系统，从而实现电梯运动状态的控制。
（2）电梯的逻辑控制
电梯作为一种多层站、长距离的垂直交通工具，只对传动系统进行控制还不能满足实际运行的需要，它必须能实时的接受来自厅站、轿厢、井道、机房等不同位置、不同性质的外部信号，将它们按一定的逻辑关系进行综合处理，并将其处理结果反应到传动控制系统中控制电梯运行。
例如，电梯同时接受到不同层站的召唤信号，其中有上行也有下行，那么应本着尽量减少电梯起动次数，缩短乘客侯梯时间的原则，使电梯先响应部分召唤，而把另一部分暂时记忆下来，待电梯响应完前一批召唤后，再响应所一记忆的另一部分召唤信号。
这是电梯控制的另一方面，称为电梯逻辑控制，也称电梯逻辑操纵系统。
（3）电梯逻辑控制的基本功能
轿内指令功能:
由司机或乘客在轿箱内控制电梯的运行方向和到达层站。
厅外呼梯功能:
由乘客或使用人员在厅外呼唤电梯前往该层执行运送任务。
减速平层功能:
电梯达到目的层站前的某一位置时，能自动的使电梯开始减速，当到达目的层站平面时，能自动使电梯停止。
选层、定向功能:
当电梯接受到若干个轿内、厅外指令时，能根据电梯目前的状态选择最合理的运行方式及停靠层站。
指示功能:
能在各层厅站及轿厢中指示电梯当前所处位置，能在某按钮信号被响应时消去其记忆。
保护功能:
当电梯出现异常，如出现超速、断绳、越限、运行中开门、过载等现象时，控制电梯停车或禁用。
检修功能:
有检修开关、检修主令元件，便于检修人员在机房、轿顶或轿内独立控制电梯以检修方式运行。
4.2电梯控制系统[10]
电梯控制系统主要采用以下三种方式：
一是继电器控制系统、二是PLC控制系统、三是微机控制系统。
继电器控制系统由于故障率高，控制方式不灵活及功率消耗大等缺点，目前已逐渐被人们所淘汰。
微机控制系统虽然在智能控制方面有较强大的功能，但也存在一定的不足之处，即抗干扰性差，系统设计较复杂，一般维修人员难以掌握其维修技术，这些都限制了微机控制系统应用的广泛性。
而PLC控制系统由于运行可靠、使用维修方便、抗干扰性强等优越性，成为目前在电梯控制系统中使用最多的控制方式。
4.2.1电梯继电器控制系统的特点及存在问题
（1）系统的触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高。
（2）普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高。
（3）电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高。
（4）系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大。
（5）由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高，而且检查故障困难，费时费工。
（6）电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员带来不便和惊忧。
且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。
4.2.2单片机在电梯控制中的应用特点
单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。
单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点。
一、成本低。
本电梯控制由于采用单片机代替了PLC作为主控芯片，同时用PWM驱动直流电机代替了变频调速驱动，从而导致整套系统成本很低。
二、高精度的重量检测及显示。
基于PLC的电梯模型虽然有重量检测，但检测精度较低。
本电梯模型采用高精度的重量传感器和测量电路，配合设计优良的数字处理软件，从而能进行高精度的重量检测和显示．
三、可靠性好，适应温度范围宽。
单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。
四、易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。
单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。
五、可以很方便的实现多机和分布式控制。
六、单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
参考文献
1魏志精.可编程控制器应用基础【M】．电子工业出版社,2003
2武锋.可编程控制器PLC的基本原理及应用[J].电子世界，2002，（11）
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4唐勇奇，赵葵银.电梯变频调速PLC控制的设计与实现[J].电机电器技术，2000
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机械工业出版社，2000
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8李世基.微机与可编程控制器[M].北京机械工业出版社，1994
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10张万忠.电器与PLC控制技术[M].北京化学工业出版社，2003
11李方园.PLC工业应用实践[M].中国电力出版社,2001:
12-58.
12西门子（中国）有限公司.SIMATICS-200可编程序控制器系统西门子手册.
AT89S52MCUApplications
FunctionCharacteristicDescription
TheAT89S52isalow-power,high-performanceCMOS8-bitmicrocontrollerwith8Kbytesofin-systemprogrammableFlashmemory.ThedeviceismanufacturedusingAtmel’shigh-densitynonvolatilememorytechnologyandiscompatiblewiththeindus-try-standard80C51instructionsetandpinout.Theon-chipFlashallowstheprogrammemorytobereprogrammedin-systemorbyaconventionalnonvolatilememorypro-grammer.Bycombiningaversatile8-bitCPUwithin-systemprogrammableFlashonamonolithicchip,theAtmelAT89S52isapowerfulmicrocontrollerwhichprovidesahighly-flexibleandcost-effectivesolutiontomanyembeddedcontrolapplications.TheAT89S52providesthefollowingstandardfeatures:
8KbytesofFlash,256bytesofRAM,32I/Olines,Watchdogtimer,twodatapointers,three16-bittimer/counters,asix-vectortwo-levelinterruptarchitecture,afullduplexserialport,on-chiposcillator,andclockcircuitry.Inaddition,theAT89S52isdesignedwithstaticlogicforoperationdowntozerofrequencyandsupportstwosoftwareselectablepowersavingmodes.TheIdleModestopstheCPUwhileallowingtheRAM,timer/counters,serialport,andinterruptsystemtocontinuefunctioning.ThePower-downmodesavestheRAMcon-tentsbutfreezestheoscillator,disablingallotherchipfunctionsuntilthenextinterruptorhardwarereset.
PinDescription
VCC：
Supplyvoltage.
GND：
Ground.
Port0：
Port0isan8-bitopendrainbidirectionalI/Oport.Asanoutputport,eachpincansinkeightTTLinputs.When1sarewrittentoport0pins,thepinscanbeusedashigh-impedanceinputs.Port0canalsobeconfiguredtobethemultiplexedlow-orderaddress/databusduringaccessestoexternalprogramanddatamemory.Inthismode,P0hasinternalpull-ups.Port0alsoreceivesthecodebytesduringFlashprogrammingandoutputsthecodebytesdur-ingprogramverification.Externalpull-upsarerequiredduringprogramverification.
Port1：
Port1isan8-bitbidirectionalI/Oportwithinternalpull-ups.ThePort1outputbufferscansink/sourcefourTTLinputs.When1sarewrittentoP
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