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八层电梯控制系统设计论文
摘要
本设计利用STC89C52芯片模拟电梯控制系统，完成了电梯的基础功能：
通电后，系统默认停留在一楼，通过按键来选择楼层，电梯运行按呼叫优先，先上后下的原则。
电梯在行进时，由LED箭头指示电梯是上行和下行的方向，电梯停下时，LED箭头熄灭，同时用数码管显示实时楼层数，体现了了单片机编程功能较多，简洁多变的特点，符合可持续发展战略的要求,具有极大的前景。
本次设计更加注重在设计中应用平时所学的知识,采用C语言进行编程，使其移植性更强，后续开发更加便捷，同时该设计可用于平时学校教学的模型，便于了解电梯控制系统的原理，寻找电梯控制系统的设计思路，激发同学的学习兴趣。
关键词：
控制,电梯，单片机
ABSTRACT
ThisdesignUSESSTC89C52chipsimulationelevatorcontrolsystem,completedthebasicfunctionofthelift,afterelectrify,systemdefaultonthefirstfloor,throughthebuttontoselectthefloor,theelevatorrunningaccordingtocallfirst,afterthefirstprinciple.Theelevators,LEDbythearrowindicatesthedirectionoftheelevatorisascendinganddescending,theelevatorstopped,LEDthearrowout,usingdigitaltubedisplayreal-timeseveralfloorsatthesametime,manifeststheprocessionofmicrocontrollerprogrammingfunctionismore,conciseandchangeablecharacteristics,accordwiththerequirementofsustainabledevelopmentstrategy,hasagreatprospect.Thisdesignpaymoreattentiontointhedesignapplicationoflearnedknowledge,usingClanguageprogramming,makeitsportability,subsequentdevelopmentmoreconvenient,atthesametime,thedesigncanbeusedfornormalschoolteachingmodel,easytounderstandtheprincipleoftheelevatorcontrolsystem,lookingforelevatorcontrolsystem'sdesignidea,stimulatestudentsinterestinlearning.
Keywords:
control,Elevator,MCU
第1章绪论
1.1课题背景
电梯出现在人类的生活中已经150多年了。
一个半世纪的风雨行程，历史长河在不停的流动着，电梯在提升人类生活享受是亘古不变的允诺。
生活的脚步一直在前进着，电梯随着科技的进步在飞速发展。
一个半世纪以来，电梯从材质为黑白、结构为直式发展到材质为彩色、结构为斜式，更加呈现出多样化的是操纵控制方面：
用手柄开关操纵、用按钮、信号、集选、人机对话控制等等，甚至还发明了采用并联、智能群控功能的多台电梯，双层轿厢电梯展现出了非凡垂直运输能力和井道空间占用缩小的优势；由于变速式自动人行道扶梯的出现，极大的缩短了占用行人的宝贵时间；各式外形——扇形电梯、半菱形电梯、半圆、整圆形电梯则使身处其中的乘客获得了更广阔的视野。
如今，美国奥的斯公司等世界各大著名电梯公司并驾齐驱，仍在不停的研发电梯的新品，同时不断地去完善维修和保养服务系统。
调频门控电梯、智能远程监控电梯、主机节能电梯、控制柜低噪音耐用电梯等产品，一款款集结了人类在机械领域、电子领域、光学领域最新科研成果的新型产品竞相问世，冰冷的建筑从此闪耀着人类智慧的光辉，人们的生活水平、质量因此达到了一个个不同的新高度。
在上海，中国出现了第一部电梯，于1901年由美国奥的斯公司安装。
天津利顺德酒店的电梯是由美国奥的斯公司于1932年安装运行的，至今还在稳妥地运转着。
党中央在1951年提出要在天安门安装一台由我国自主研发制造的电梯，天津从庆生电机厂经过了四个月的努力后不辱使命，完美地完成了任务。
十一届三中全会后，全国上下飘着改革开放的春风，我国电梯行业因此进入了飞速发展的时期。
电梯在我国任何一个城市都被广泛应用着。
电梯给人们的生活带来了便捷，也为我国当前现代化建设的飞速发展提供了强大的动力。
电梯是高层建筑中垂直上下的安全、可靠运载工具，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、办公大楼、商场、居民住宅大楼、仓库以及娱乐场所等。
在现代社会中，电梯已成为人类不可或缺的垂直运输交通工具。
1.2电梯的发展趋势
绿色环保：
电梯发展同其他行业发展一样，绿色环保是一个必然地走向。
发展趋势主要包括：
通过产品的迭代创新，生产出杜绝噪音等电磁干扰、环保低能耗、较少井道内润滑油污染的电梯。
电梯的曳引工具可以考虑高强度的合成纤维，使用钢皮带等配件可以极大的减少润滑油污染。
电梯装璜重可以使用环保型材料、电梯必然存在空载上升和满载下降的过程，我们可以在此过程中开发出电机再生发电，电梯零件也可以着手于环保方向开发和使用。
低能耗：
降低电梯能耗的方法是各方面的。
主要包括：
使用较小惯性的电梯机械系统的和较小阻力的器械;合理的运用对重与平衡理念。
采用永磁同步无齿轮曳引机作为驱动系统，因而可以极大的提高电机的功率因数，从理论上说可以达到1，分析其工作原理可知实现永磁同步电机励磁是的是永磁铁,不需要定子提供额外的励磁电流。
同时因为没有电流通过电机的转子，所以改善了转子耗损问题，相比异步电机而言降低了45%～60%的耗损。
【1】由于去除了低效率，高能耗蜗轮蜗杆传动副，因此能耗可以进一步地降低。
在停站较少的群梯布置中，当前相对节能的方案是：
一个主机驱动两个轿厢分别上下运行。
同时在电梯运行过程的进行能耗控制来降低能耗也是一项较好的方案。
在电梯空载上行、满载下行过程中可以使电机处于发电状态，然后将产生的再生能量反馈给电网，该节能措施应用在高速电梯上效果极其显著。
节能方案还可以在软件控制中去实现。
如建立实时控制的交通模式，尽量控制电梯能以较少的运行次数去运载较多的乘客，最少化的控制电梯的停站次数。
电梯呼叫与轿厢指令合一的楼层入口乘客登记方案是电梯控制方式的又一项革命性技术，通过该技术可以使电梯上的乘客不在对目的地一无所知，进而极大的提高了控制系统的工作效率。
将电梯运行过程中的加减速度模式设置为变参数模式是一项非常优秀的降能耗措施，即电梯控制系统中的运行速度、加速度以及加速度的变化率曲线既随运行距离变化，也会随轿厢负载的变化而变化，通过仿真技术的海量模拟及分析可以寻找出不同楼层间的最佳路线，利用楼顶放置电梯机房的特点，太阳能的电梯补充电源开发也是新的研究方向。
智能化：
智能楼宇的出现归功于计算机通讯技术和控制技术的发展，而电梯是智能楼宇中不可或缺的上下交通工具，电梯的智能化技术的发展也备受瞩目。
[1]吴壮勇梁健.基于单片机的电梯自动控制系统设计[J].电子世界,2014年第11期,3.
智能化的电梯与智能大厦中其他自动化系统并网，如与智能楼宇控制系统，消防安保系统等交互联系，将会使电梯更加优质安全、迅捷舒适。
从智能化控制电梯运行的角度来看，电梯需要有更加优质的服务,尤其在控制程序中应开发出更加先进的调度规则，使群控管理具有最佳的派梯模式。
现在的群控算法中已不在是单纯的以“乘客等候时间最短”为目标，而是采用模糊理论、神经网络、专家系统的方法，将要融合繁多的各领域知识并吸收到群控系统中，这些因素包含更加人文化的因素：
影响乘客心理的因素以及对即将要发生的情况及时做出评价决策，是专家系统和电梯当前运行状态融合在一起的多元化目标控制。
利用遗传算法优化派梯规则和客流交通模式，对电梯调度规则升级，从而适应环境的改变。
以“以人为本”为核心设计的电梯控制系统，将会极大的提升乘客友好度和电梯服务质量。
1.3设计目的
PLC控制系统是模仿传统的继电接触控制系统的工作原理发展起来的，比继电接触控制系统更加先进的一种控制系统，它以微处理器为控制核心，以软件实现各种控制功能的控制系统，但这些控制方式成本和能耗较高，本设计是一种基于单片机的电梯控制系统模型的设计。
单片机为核心模块，再加上合适的硬件电路和控制程序来检测和控制整个电梯的信号，成本较低、便于灵活通用、易扩展及易于实现复杂控制等优点，同时探索采用电梯呼叫与轿厢指令合一的楼层入口乘客登记方案的电梯控制方式，进而努力提高控制系统的派梯效率。
本设计注重基本理论知识在实际情况的灵活运用，同时增强了我们独立分析问题，创新的意识，对知识的理解更加深刻，将对今后的工作和学习产生深远的影响。
1.4本设计完成的工作
1、基于单片机设计八层电梯控制系统的硬件电路；
2、设计八层电梯控制系统的控制软件；
3、利用仿真技术对系统进行必要的仿真研究；
4、进行实际制作。
第2章硬件实现及单元电路设计
2.1系统总体框架
因为单片机技术目前较为成熟，有丰富的自身资源，设计硬件相对简单，低成本，高可靠性，系统采用STC89C52单片机作为核心控制单元用于控制电梯系统,面板上装有9个按键其中一个用于复位，其余八个代表各层中电梯的按键，用于呼叫电梯，发出指令后会回到芯片控制模块，再发出一系列的控制指令。
图2.1是系统总体的设计方框图。
图2.1系统总体框图
2.2单元电路设计
电梯要将客人送到不同楼层，所以每一层必须有按键才可以实现不同楼层都可以呼叫电梯。
而且，电梯必须设置人性化的显示，如按键按下时，与其对应楼层按键的二极管将会点亮，实时显示电梯所在层数需要用到一个数码管，用发光二极管组显示电梯上下行方向等等。
因此需要高效的芯片去控制这些松散的原件，本章所要叙述的硬件设计部分就是他们相互的物理连接。
2.2.1主控制模块
考虑到现在市场上能够买到的芯片以及系统要求实现的功能来看，采用STC89C52单片机。
STC89C52单片机是一款CMOS工艺的8位单片机，片内含有一个8KB可反复擦写的只读程序存储器和一个256字节的随机存取存储器，片内置有通用8位CPU和Flash存储单元，使得STC89C52为许多嵌入式控制应用系统提供了高灵活性、超有效功能的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，2个数据指针，看门狗定时器功能，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
[1]另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作功能，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作状态，允许中断、RAM、串口、定时器/计数器继续工作,掉电保护方式下，RAM内容会被保存，振荡器会被冻结，单片机一切都会工作停止，直到下一个硬件或中断复位为止。
[2]这一模块以单片机为中心把程序代码烧进去随后接上外围振荡电路、外围复位电路、LED显示电路、键盘控制、报警电路等子模块。
主控制最小系统电路如图2.1所示。
图2.2单片机主控电路
[1]吴壮勇梁健.基于单片机的电梯自动控制系统设计[J].电子世界,2014年第11期,2.。
[2]好的吧晕-《好搜百科》-2013
2.2.2电源模块
由于本系统是一个模拟电梯系统，我们采用的是9V直流电源做为系统供电。
为单片机，指示灯，数码管供电。
经过实验验证系统工作时，数码管、单片机、指示灯工作稳定能够满足系统的要求。
供电电源电路如图3.4,5V电源给系统供电。
D25为电源指示灯。
C4、C5、C6、C7是电源滤波电容，应控制输入电压不能太大，容易击穿损坏，图中SW1为电源开关，用来控制电源的接通和断开，触点1和2、4和5是常开触点，触点2和3、5和6是常闭触点，开关按下时，触点1和2、4和5导通，触点2和3、5和6断开，开关弹起时触点1和2、4和5断开，触点2和3、5和6导通。
图2.3电源电路
2.2.3单片机时钟电路
本系统采用外部方式的时钟电路，时钟电路起定时器作用，用于模拟电梯行进的时间。
图2.4时钟电路
2.2.4复位电路模块
当复位电路的独立按键按下时，S1导通，所有独立按键的标志位和数码管都会被还原，系统重新开始工作，电梯默认停留在一楼，等待呼叫。
复位电路如图2.5所示：
图2.5复位电路
2.2.5电梯呼叫按键模块
本系统模拟的是8层楼电梯，因此需要呼叫按键和厢内按键各8个，每一个按键对应一层楼，按键接在P2口，按键电路如图2.6所示：
图2.6电梯外与轿厢内呼叫按键电路
2.2.6楼层显示模块
本系统总共8层，如图2.7所示楼层显示采用一个共阴数码管显示，数码管接在P0口。
图2.7楼层显示电路图
2.2.7楼层指示模块
楼层指示电路主要由8个发光二极管组成，每一层对应一个发光二极管，每当该楼层按键被按下时，指示灯会点亮，当到达该楼层时，指示灯会被复位，熄灭。
图2.8楼层指示电路图
2.2.8电梯上下指示模块
电梯上下指示采用发光二级管组成一个箭头，当电梯向上时，点亮向上的箭头，即D1，D2，D3，D4，D5，D6，D8，D12被点亮，向下时点亮向下的箭头,即D1，D5，D8，D7，D9，D11，D10，D12被点亮。
电路图如图2.9所示
图2.9电梯上下指示电路图
2.2.9声音提醒模块
当电梯到达每一层时会通过蜂鸣器声音提醒已到达，电路如图2.10
图2.10声音提醒电路图
第3章系统软件设计
3.1主程序流程图
电梯所处的状态是整个程序成功运行的核心保证。
当电梯每经过一个楼层，就会自动调用函数，它的作用是基于高效率、短时间、人性化的基础上，合理智能的对电梯的运行进行调度，结合实际情况，最终得出电梯下一个目标停留楼层。
其流程如图3.1所示。
图3.1主程序流程图
由图可知，电梯默认停留在一楼，此设计可便于电梯的检修、故障处理，当电梯处于备用状态时会不断地进行键扫描，检测是否有上层的标志位是否为1，当有上层按键按下时，电梯会到达该楼层，反之则继续停留在一楼继续等待上层呼叫按钮，或者上楼指令。
当电梯轿厢停留在中间楼层时，可实现上、下行指令或呼叫，行进方向按呼叫顺序进行，如同时呼叫，则坚持“先上行，后下行”原则，实现该原则的原因是：
在程序中，判断电梯上下行的判断语句中，是先判断是否有上行指令或轿厢所在楼层的上层是否有呼叫，若存在则会继续上行，反之则判断是否有下行指令或者下层呼叫指令。
采用“先上行，后下行”原则可以较大的提升派梯效率。
当然，如果电梯处于下行状态，若上楼层呼叫电梯，电梯会上行，但是要下行完了才会上行，原理同上行原则。
判断电梯是上行还是下行：
因为电梯在运行时，有两个与楼层有关的变量，一个为当前所在楼层值，一个为目标楼层值，当电梯运行时，会让这两个值进行比较，若前者大于后者，就为下行，；反之，当前者小于后者，即为上行。
3.2电梯运行
在实际应用中，最简单的情况莫过于电梯当前为闲置状态，然后有一人按下按键呼叫，然后电梯便响应呼叫。
但是，实际情况往往比这复杂的多，在第一个人按下按键电梯运行的过程中，还很有可能会有其他不同楼层的人按下呼叫按键的情况发生。
那么就必须得为电梯规定好一个特定的优先级规则，让其依据这个规则来运行，以免乱作一团。
那么这个规则就必须要高效且人性化，在此，我们规定，当电梯上行时，均不理会那些按要下行的顾客。
并且，若在上行过程中，也有人在某层呼叫上行，但是电梯此时已经走过了该层，那么电梯也绝对不会再选择先下行接他。
当然，当将高层上行的顾客送完后（此时一般来说电梯已经处于高层了），电梯便会检测下行按键，若更高层有人呼叫下行，则电梯会选择先去响应他们，然后再下行的过程中依次响应需要下行处于等待中的顾客，最后这些顾客都送完后，再去相应那些电梯上行过程中，处于比电梯低的楼层却需要上行的顾客。
简单地说，若电梯处于上行状态，则在该过程中会优先响应当前轿厢所处楼层以上楼层的呼叫或运行指令，比如：
电梯运行到四楼，此时上楼层还有呼叫或运行指令，电梯仍旧上行，若电梯上行至五楼的过程中有人按下四楼的呼叫按键，电梯不会下行到四楼，而是继续上行，直至上楼层没有呼叫指令，此时电梯会运行至较高的楼层，随后响应下层的响应，同时也会把上层的人送至下层，反之原理相同，如此才能较好的规范派梯逻辑，保证良好的派梯效率，但实际生活中的情况更加复杂化，因此需要更加人性和严格的算法和派梯规则，本设计仅仅只是简单的模拟，展现电梯的基本工作原理与派梯规则，对基于单片机电梯控制系统的初步探索。
部分程序代码见附录。
3.3独立按键程序
独立按键分为两种：
还原按键和楼层按键。
还原按键按下时所有其他按键的按键值都会被还原。
当楼层按键被按下时，首先系统会进行按键消抖，随后得到按键值，随后楼层显示灯会被点亮同时会发出向该楼层运行的指令，流程图如下：
图3.2独立按键流程图
3.4电梯上下行判断模块
当电梯停留时，系统会通过检测电梯停留层的上层按键标志位之和为0来判断是否有按键按下，若有则电梯上行并且会通过二极管显示上行。
若没有则会判断电梯停留层的下层是否存在，判断逻辑相反，若存在则下行，并且通过二极管显示下行，若不存在则电梯继续停留，等待呼叫。
当然一楼不存在下层，八楼不存在上层。
流程图如下所示：
图3.3判断上下行流程图
3.5定时器初始化程序
3.5.1芯片内部定时/计数器
单片机内有两个自带的可编程的定时/计数器T1，T0。
工作模式：
计数器模式、定时器模式。
工作方式：
方式0、方式1、方式2、方式3
控制寄存器包括TMOD和TCON，当单片机复位时，两个寄存器都会清零。
TMOD：
工作方式控制寄存器，通过该寄存器选择定时器或者计数器T0、T1的工作模式和方式。
TCON：
定时/计数器控制寄存器，控制T0、T1计数的启动和停止。
工作方式选择一览表：
表3.1工作方式表
M0、M1工作方式选择
M1
M0
工作方式
0
0
方式0,13位定时/计数器。
0
1
方式1,16位定时/计数器。
1
0
方式2,8位常数自动装载。
1
1
仅适用于T0，T0分成两个8位计数器，T1停止计数。
3.5.2初始化程序流程图
系统采用定时器模拟电梯行进过程,程序中采用定时器0,工作方式为1,所以TMOD=0X01，ETO=1，TRO=1，流程图如图3.4所示。
图3.4定时器初始化流程图
第4章实物制作与调试
4.1实物焊接步骤
1.检查元件的好坏
按电路图购买元件后首先检查元件的好坏，按各自元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。
而且要认真核对与原理图是否一致，需要特别检查及注意的元件有：
自锁开关、独立按键、发光二极管、蜂鸣器等。
自锁开关：
在按键的底部有一个小洞，排列为基准如下所示（小洞是在1、4之间）
图4.1自锁开关引脚及实物图
自锁开关中，触点1和2、4和5是常开触点，触点2和3、5和6是常闭触点，开关按下时，触点1和2、4和5导通，触点2和3、5和6断开，开关弹起时触点1和2、4和5断开，触点2和3、5和6导通，在电路中，任意接一组即可。
独立按键：
如图4.2所示，按键1、2脚在内部是连接在一起的，不管是按下还是松开，3、4脚也是如此。
当按键按下时，1、2、3、4脚都是接在一起的。
图4.2独立按键引脚实物图
发光二极管、蜂鸣器：
这两种元件连接时都要注意长脚是正极，短脚是负极。
图4.3二极管、蜂鸣器实物图
在检查好后再上件、焊件，防止出现错误焊件后不便于改正。
2.放置、焊接各元件
按原理图的位置放置各元件，在放置过程中一定要先放置、焊接较低的元件，后焊高度较高的和要求较高的元件。
特别是容易损坏的元件一定要后焊，焊接集成芯片时连续焊接时间不要超过5s，同时也要注意不能虚焊，注意芯片的安装方向。
元件类型，型号及数量汇总见表4.1
表4.1元件总清单
类型
型号
标注
数量
蜂鸣器
蜂鸣器
B1
1
电容
10uF
C1
1
电容
20p
C2
1
电容
20pF
C3
1
发光二极管
发光二极管
D1,D2,D3,D4,D5,D6,D7,D8,D9,D10,D11,D12,D13,D14,D15,D16,D17,D18,D19,D20
20
三极管
8550
Q1
1
电阻
1K
R1,R2,R3,R4
4
电阻
10K
R5
1
电阻
1K
RV1,RV2
2
按键
SW-PB
S1,S2,S3,S4,S5,S6,S7,S8,S9,S10,S11,S12,S13,S14,S15,S16,S17
9
电源开关
sw-灰色
SW1
1
数码管
smg_1
U1
1
单片机
U1
U2
1
晶振
12M
Y1
1
4.2软件调试和整体调试
将程序先编译并生成HEX文件用proteus进行进行仿真和调试，认真验证各个需要实现的功能，仿真正常无误后使用烧写器将程序下载至STC89C52中，并进行脱机测试：
仔细验证事先设定需要实现的功能：
1、通电后，系统是否会默认电梯停在一层。
2、电梯运行是否会按呼叫优先，先上后下原则运行。
3、各层数码管是否会实时地显示电梯所在的楼层号。
4、电梯到达某楼层后，蜂鸣器是否会鸣叫以示到达。
5、电梯正在行进时，LED箭头是否会指示电梯是上行和下行的方向，当电梯停下时，LED箭头是否会熄灭。
结论
本系统充分利用了STC89C52芯片的各个引脚，辅以适当的硬件电路基本实现了模拟简单电梯控制系统的功能，系统设计具有较强的渐变性和实用性，易于操作，能模拟电梯系统的基本功能。
本系统的核心原则是：
按呼叫优先，先上后下，即当不同楼层的呼叫按键同时按下时，电梯会到达不同的楼层，如果电梯在上行阶段，此时下面的楼层有呼叫指令但电梯仍然会继续上行，直到无上行指令才会下行。
相同的道理，如果电梯是下行，上楼层有呼叫指令，电梯仍然继续上行，直到下行完成或者说到底层才会上行，其中，键扫描函数是基础，电梯运行函数是主体，判决函数是系统的核心部分。
当然，本设计还是存在许多需要增强改进的地方，比如电梯到达时需要有开关门指示，如此才能更加方便的使用电梯；可以在系统中加入步进电机，更加生动的模拟电梯控制系统；还可以使派梯规则更加人性科学化，去处理极其复杂的现实生活中的使用电梯的问题。
总之，由于考虑不周到，加之学生学艺不精，较为愚钝，因此未能更好的去完善和实现更加贴近于实际生活的电梯，但是我觉得只要努力去思考，一定会找到优秀的解决方案，设计出更加人性化，智能化的电梯控制系统。
致谢
四年大学生活即将圆满结束，毕业设计是我在校期间的最
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