电梯自动升降系统设计方案

1 电梯自动升降系统设计方案 题背景 电梯是当今世界最高层建筑中不可缺少的垂直方向的交通运输工具，特别是在现代社会和经济中，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。 1850 年，美国出现了世界上第一台以蒸汽机为动力的卷扬机， 1857 年以蒸汽机为动力的一端与轿厢连接，另一端固定在绳鼓上，靠钢丝绳被缠卷或释放而使轿厢提升或下降，但由于鼓轮不可能做得太长，所以使得钢丝绳的长度以及轿厢的行程受到限制，另外，由于钢丝绳的股数不能太多，致使轿厢的载重量也受到限制，特别是当时的安全措施不够完善，常常出现事故，使得鼓轮式 电梯应用与发展都受到了限制。 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，使轿厢与对重做一升一降的相反运动，显然，钢丝绳不用缠绕，因此钢丝绳的长度和股数钧不受限制，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，曳引式电梯一直受到重视，并发展沿用至今。当今在很多工业比较发达的国家，电梯的使用相当普遍，电梯技术以及使用状况和生产数量已经成为一些国家现代化程度的标志之一。 90 年代以来， 400 多万台电梯在世界各地运行着，同时每年以 15 万台的需求量增加着，预计近十年内世界平均增长率为 7%，亚太地区增长率为 9%。 据有关资料统计，日本在 19901991 年的一年中，共生产电梯 31500 台。其中，直流电梯为 23 台，占 交流电梯为 22690 台，占 72%；液压电梯为 7829台，占 住宅电梯为 966 台，占 在亚洲，日本对电梯市场占有绝对优势，其占有率为 67%。 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控制系统，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与开发，使交流电梯的调速性能有了明显的改善 1。 在我国， 70 年代的电梯产品主要是交流双速电梯，其调速原理是通过改变电梯牵引电动机的极对数而实现高速与低速运行的，这种电梯结构简单，使用和维 2 护方便，尽管平滑了调速够理想、舒适感较差，但在调速指标要求一般的场合，任能满足使用需求。 80 年代，交流调调压调速电梯技术已趋于成熟，其调速原理是通过改变三相异步电动机的定子供电电压而实现电动机的转速变化，由于采用了闭环控制，使电机的转速跟踪给定速度变化，制动过程快而平稳，精度较高，其调速性能优 于交流双速电梯。 90 年代，出现了调压调频电梯，其调速方法是调节交流电机的定子绕组供电电压的幅值和频率。由于在调压调频电梯传递系统中，采用了微机控制技术、脉宽调制技术及矢量变化技术，使得其转速的控制与直流电机极为相似。这种电梯体积小、质量轻、节省能源、运行效率高，几乎囊括了以往电梯的所有优点，所以，自问世以来受到了国内外电梯业的极大关注。 电梯发展到今天，微机控制已成为电梯技术的发展方向。采用微机控制的电梯，从电梯运行的控制智能化角度考虑，采用模糊理论、神经网络、专家系统等方法，以期实现单梯与群控管理的最佳 模式、合理的配置与使用、远程监控与故障诊断、节能以及减少环境污染等 2。 文主要研究内容 本次设计的主要内容是以单片机为主控制器的电梯控制系统。本来电梯系统是一个相对复杂的系统，由于能力和经验有限，所以只能实现基本的功能如：有层站厅外呼梯召唤、自动停层、顺向截梯、轿厢内选层信号、故障报警、掉电保护等。通过单片机输出控制信号给变频器然后控制电梯拖动轿厢上下运行，采用变频器交流调速使得电梯舒适度更好。 3 2 电梯控制系统方案的选择 电梯控制系统是电梯正常运行的核心部分。电梯控制系统种类很多，采用 的控制方法各有不同，但电梯控制的功能是相同的。电梯控制系统设计包括硬件部分和软件部分两方面的内容 3。下面介绍系统设计的总体设计方案的选择。 统方案 采用继电器设计电梯控制系统的方案。继电器控制系统出现许多弊端。在继电器设计的控制系统中，所有控制功能及信号处理均由硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，技术成熟并形成了系列化产品。其缺点有：系统触点繁多、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；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；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；由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大，费用高；检查故障困难，费时费工。 总之，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，给乘客人员带来不便和惊扰。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。所以目前电梯的继电器控制已经很少使用了。 采用可编程序控制器设计控制系统的方案。可编程序控制器是一种用于工业自动化控制的专用计算机实质上属于计算机控制方式。可编程序控制 器和普通的微型计算机相似，以通用和专用 为字处理器，实现通道（字）的运算和数据存储，另外还有位处理器（布尔处理器）。进行点（位）运算与控制。 可编程序控制器 控制相对于继电器控制 来说，无论是在硬件接线方面，还是在软件编程方面；无论是在设计安装方面，还是在故障维修方面；无论是在控制精度方面，还是在安全可靠方面都要好的多。 可编程序控制器取代继电器逻辑控制器件，减少了线路间连接及控制电器数量，从而使控制柜体积减小、运行可靠性提高。 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。 其 缺点是：可编程序控制 又是 以单片机为内核的控制器，在单一的设备上的性能也许比较好，可是无法扩展 ； 可编程序控制器 的针对性较强，每一台 可编程序控制器 都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。 在科技高速发展的时代，设备随时可能更新换代，这样一个昂贵的 可编程序控制器在电梯控制系统中 将失去作用，所以用微型计算机代替可编程 序 控制器是必要的。 4 采用控制方案及理由 随着微型计算机控制技术的广泛应用，人们对电梯的可靠性、安全性、舒适性提出了更高的要求。电梯继电器控制系统的弊端越来越突出，随着工业控制技术的发展，它逐渐被可靠性高、通用性强的可编 程序控制器及微型计算机所代替。由微机实现电梯控制的逻辑功能，比继电器控制有较大的灵活性，不同控制方式可用相同的硬件，只是做一些改变。近 20 年来微机控制的电梯以其优异的控制性能得到了长足的发展，而且已成为当前电梯发展的主流。 采用微机的电梯控制系统具有取代大部分的继电器、取代选层、解决调度、实现复杂的调配管理功能。无触点逻辑线路可以提高系统的可靠性。单片机设计的电梯控制系统，程序高度集成，外围电路少，功能多，成本低、稳定性能好。本次设计中采用单片机作为电梯逻辑控制系统的核心硬件以及外围电路组成完整的控制系统， 通过编程实现控制电梯运行的基本功能。 5 3 控制系统硬件设备选择 片机的选择 根据设计方案的分析，设计这样一个复杂的应用系统，需要选择带有大容量不必采用外部扩展程序存储器，从而简化硬件电路。可以选用的单片机有 司的 8052 芯片和 司生产的 片。 052芯片相比有两大优势：第一，片内程序存储器采用闪速存储器，使程序的写入更加方便；第二，提供了看门狗定时器 次设计采用 引脚如图 图 脚图 入 /输出口扩展芯片的选择 单片机的输入 /输出口不够用，需要扩展。输入 /输出口扩展的方法很多，用不同的芯片，可以构成各种不同的扩展电路。它们主要分为四类：用多功能芯片的扩展；用 8243芯片的扩展；用串行口的扩展。本次设计采用多功能芯片中的 8255A 芯片能很好满足系统的要求。 8255示。 6 图 8255频器的选择 变 频器品质的要求 :对变频器的要求主要从安全性，舒适性和经济性 三 方面考虑 。安 全性 :有完善的硬件及其保护功能，使可靠性提高；舒适性 :低速时能产生高转矩，低嘈声，转矩波动小；经济性 :程序控制功能完善。 变频器的选择 :市场上变频器的品种繁多，功能也各 有差异， 为适应电梯在低频率时高转矩的要求，特别是零速时要有足够的转矩来提升电梯，选择日本三菱公司的 使用矢量控制时，变频器能自动设定电动机铭牌范围的电动机参数。由此从变频器专用电动 机到通用电动机都可以进行矢量控制运行，电动机可最大限度地发挥作用。 制功能实现简单的追踪控制，使用脉冲发生器等速度检测器时不管负载人小变化都可使其速度保持一致使用了 仅提高了速度控制精度，也保证了电梯零速制动抱闸的要求。 电传感器的选择 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，体积小的特点，所以在此次设计当中选择光电传感器作为楼层检测部分的主要部件，完成楼层检 测的功能。 本次设计中采用的是 射型光电开关。把发光器装在轿厢壁外侧，当轿厢经过时，收光器就会收到发光器发出的光线，从而给单片机输出一个开关控制信号。 7 有以下功能： 可调红外传感器的灵敏度，有两种红外传感器增益选择 (62/68对外界高频噪声干扰 (1000下 )的抑制能力高于 30V/m；可采用光敏电阻或硅光电二极管作日光传感器，并且灵敏度可调；可直接驱动晶闸管、光电摧合器和继电器等。 层显示器件的选择 电梯楼层显示器有多种形式，数码管显示器、点阵、米字形 显示器、液晶显示器等。本次设计中采用了型号为 数码管将八个发光二极管排列成“日”字形状制成的，发光二极管分别用 a、b、 c、 d、 e、 f、 g、 h 等八个小写字母代表，一定的发光线段组合，就能代表相应的十进制数字，其中 h 表示数码管的小数点。数码管的八个发光二极管内部接法可分为共阴极和共阳极两种 8。共阴极接法中各放光二极管的负极相连。 a h 引脚中，高电平的线段发光。共阳极接法中，低电平的线段发光。控制不同的段发光，可显示 0 9不同的数字。设计中数码管的引脚与芯片 8255A（ 2）的 片机输出的楼层信息在 B 端口锁存并在数码管中显示。数码管显示器采用共阳极接法，八段段显示组合与数字对照表参见表 1表示断开， 0表示接通）。 表 八段显示组合与数字对照表 显示数字 h g f e d c b a 编码 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 99 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82 7 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 80 9 1 0 0 1 0 0 0 0 90 重传感器的选择 称重传感器的种类比较多，对于 30t 量程范围的拉式传感器和 8 10环式传感器是一种很好的选择。这种结构的传感器有许多优点：应力流线分布合理；弹性体为一整体结构；输出灵敏度高，一般为 3左右；机构简单，易于加工。 本次设计选用东洋测器生产的 式传感器。它具有下列特点：承压端为球面机构，支承端为环面受力，它能提供一个稳定的安装结构，但下支承环不规则的应力流线要经过相当长的距离传递才能趋于均匀 9。 动电机的选择 电动机的选择主要从电动机的种类、电动机的型式、电动机的额定电压、额定转速以及额定功率等几方面进行考虑。其次要考虑负载的要求和电动机与传动机构的经济等 10。 本次设计轿厢的曳引电机选用 系列电机是吸收国外技术专为电梯设计的变频调速电机，可与多种品牌变频器搭配。本系列电动机基本安装形 式为 端盖上有凸缘，机座无底脚、卧式安装，非主轴伸端用于安装测速装置。冷却方式为自通风方式，防护等级为 轿厢门及厅门拖动选用型号为 他励直流电动机。由于电梯门及轿厢门的调速范围及功率要求不是很高，采用该型号电机完全能满足门机系统的 控制需求。 9 4 系统硬件设计 制系统原理框图 电梯控制系统原理框图总体由输入模块、单片机、输出模块三大部分组成。其具体结构如图 图 电梯控制系统原理框 图 片机电源电路 本系统设计的电源种类比较多。 380V 的交流电作为电梯动力电源，为电梯曳引机及其控制系统供电， 220V 的交流电作为井道照明、轿厢内照明、风扇和单片机输出继电器的线圈电源。把 220直变换得到 54V 的直流电为单片机及其外围电路提供电源， 24V 的直流电为电梯的输入输出电路提供电源。单片机电源电路如图 单片机 轿厢内选层信号 轿厢外呼梯信号 重量检测信号 轿厢位置检测信号 安全保护信号 电源供电 电梯门电动机控制 轿厢内外信号显示 电梯曳引电机控制 故障报警 平层及减速信号 10 图 单片电源电路 片机特殊工作方式 位电路 单片机复位电路有上电复位和操作复位两种方法。上电复位就是在计算机上电瞬间，在 0计算机进入复位状态。操作复位指按下“复位”按钮使计算机进入复位状态。在系统中应用复位电路是使单片机系统运行出现故障时得以解除，重新启动应用系统。复位电路如图 示。 图 复位电路 电方式 单片机正常运行时，芯片由主电源 果主电源掉电而电压下降，当接着 由备用电源供电。为了降低备用电源的功耗，备用电源仅对片内 电。设计中采用 555 定时器构成掉电操作电路，当主电源 把需要保护的信息送入片内 后从 555定时器输出端为高电平（电压值为 V 备 ），用作片内 供电电源。当主电源恢复时自动撤出备用电源对片内 电， 11 实现上电复位。利用掉电方式可以为单片机电源跌落提供预警信号，及时保存 电电路如图 图 掉电电路 号输入电路 从电梯控制系统外围设备输入输出控制需求，可以总结出输入信号中总共有31 个位控制信号的采集。分别为电梯层站厅的上下呼梯信号，电梯 轿厢内的选层信号，轿厢内故障报警信号，电梯检修时的控制信号，轿厢超重信号，轿厢们间红外线扫描信号，轿厢上下限位开关，平层信号，电梯减速信号，轿厢门开关门限位信号，轿厢位置检测信号，掉电信号。输出信号分别为轿厢当前位置显示信号，电梯上下行信号，轿厢内选层信号登记信号，层站厅外呼梯信号登记信号，超重显示信号，限位开关动作信号，故障报警信号，电梯曳引电机控制信号，电梯门拖动电机控制信号等。 由于电梯的输入和输出控制信号比较多，单片机自身的 4 个 I/O 口是远远不够的，所以在系统设计时对单片机输入输出口进行了简单扩展。 使用三片可编程的 8255 芯片扩展 72 个端口， 8255 芯片可编程三种工作方式，三片芯片都选定为方式 0（基本输入、输出方式），及当 位口被选定为工作方式 0时，都可由编程规定为简单的输入输出。作为输出口时，输出数据被锁存；作为输入口时，输入数据不被锁存。因此在本设计中选择第一片的三个端口和第二片的 余的全部是输出信号端口。 因为单片机是将外部 I/O 和内部 一编址，及对外部 I/O 及外部 使用同样的指令来访问，在系统扩展是应考虑这两部分的地址分配，避免地址冲突。 在本次设计中采用 74为地址锁存器来避免地址访问冲突，同时对三片 8255芯片的三个端口进行片选。片选的目的是对输入信号进行分类存储以及控制信号的输出。输入信号都是由按钮、行程开关、光电传感器控制发出的数字电平信号，都是以位为单位的，输入信号采集后存到单片相应的位存储区域方便单片机的判断和读取。输入信号的位存储区域参见表 示。为了编程规范和方 12 便给每个地址定义一个名称如表格中的名称栏所示。 表 输入信号位存储区域 序号 内存中存储位置 输入点 片选地址 位存储地址 名称 1 一层上呼按钮 03H 二层上呼按钮 03H 三层上呼按钮 03H 二层下呼按钮 03H 三层下呼按钮 03H 四层下呼按钮 03H 一层内选按钮 03H 二层内选按钮 03H 三层内选按钮 00 四层内选 按钮 01 开门按钮 07H 2 关门按钮 03 警铃 04 检修开关 81H 5 检修慢上开关 81H 6 检修慢下开关 81H 7 超重 81H 8 红外线扫描触点 81H 9 上限位开关 00 下限位开关 01 上行减速开关 07H 2 下行减速开关 07H 3 开门限位开关 04 关门限位开关 81H 5 一层位置检测开关 07H 6 二层位置检测开关 07H 7 三层位置检测开关 07H 8 四层位置检测开关 07H 9 掉电触点 0_0 门区开关 81H _1 平层开关 07H 按钮输入电路 以按钮作为输入方式的控制信号有轿厢内选层信号，层站厅外呼梯信号，轿厢门及厅门开关门信号。呼梯及选层电路是整个电梯的主要组成部分，也是电梯与乘客交换信息的窗口。它的功能是及时接受乘客的请求指令；同时还要通知乘客请求指令已被电梯系统接受，无需重复发送指令。要实现上述命令要求呼梯电路及选层电路要有三个功能：对呼梯信号及选层信号具有锁存功能；对锁存信号具有显示 功能；对锁存信号具有消除功能。在设计中把 8255A(1)芯片的 A 口及部分 B 口作为呼梯及选层信号的输入口，同时把信号送到单片机外部中断 1 口。当 13 乘客有请求指令时，向单片机申请中断，通过中断服务程序采集输入的请求信号存储到内存中，以便电梯处理及判断使用。轿厢门及厅门开关门按钮用于控制电梯停止后提前关门及强制开门等操作。在输入电路中信号线处于强电环境之中，受到强烈的干扰，因此采用如图 图 信号输入电路 输入电路采用 24V 直流电源供电，用光电耦合方式把低电平信号输入到单片机系统，这样 减少外部电路对单片机系统的干扰，提高系统稳定性。在系统原理图中按钮 次表示 1 3 层上呼按钮，按钮 次表示 2 4 层的下呼按钮， 次表示 1 4 层的内选按钮。轿厢门及厅门开门按钮由 示关门按钮由 钮输入电路接线图如图 图 按钮输入电路接线图 电传感器输入电路 光电传感器在应用中可以相当于一个光电开关，就是通过把光强度的变化转化成电信号的变化来实现控制的。设计中 采用 红外传感器 ，此传感器具精度高 , 反应速度快 , 有效 距离较远 , 抗干扰能力强、可靠性较高等优点。此 14 光电式传感器供电电源为 6 36V,设计中用 24V 供电。在每个楼层相应位置安装适量的传感器 ,当有电梯经过时传感器发出的信号由电路处理变成高、低电平 ,经光耦隔离和电平转换后送入单片机。因此 电梯的位置检测、平层信号检测、上行减速信号、下行减速信号等均采用光电传感器来检测。设计的电梯位置信号、平层信号、上下行减速信号等传感器信号检测电路接线图如图 示。图中标号为 4层的位置信号，标号为 速信号、下行减速信号、平层检测信号。 图 传感器信号检测电路接线图 关输入电路 用简单开关作为信号输入方式的控制信号有检修选择信号以及检修时操作电梯慢速上行信号和慢速下行信号。电梯需要检修时把检修开关合上，此时电梯运行方式由自动运行方式进入检修运行方式，再通过慢速上行开关和慢速下行开关控制电梯的运行方向对电梯进行检修。对电梯端站起保护作用的上限位信号、下限位开信号以及轿厢门及厅门开关门是否到位的开门到位信号、关门到位信号均使用行程开关作为控制信号输入方式。在电器失灵时，电梯运行到 上下端站时，可能会出现无法停止而产生冲顶或蹲底现象，为了防止出现这样的事故，在上下端站设置了限位开关端站保护开关，在电气控制上加以保护。门区信号是四层楼的所有门锁进行级联后通过信号输入电路输入到单片机系统的信号，只有当所有厅门完全关闭时才发出信号到单片机以便控制电梯的启动运行。所有信号的引入电路与按钮输入电路一样需要进行光电隔离后输入单片机系统。开关信号输入电路接线图如图 中开关 限位开关，标号为 入信号分 别表示开门行程开关、关门行程开关、检修开关、门区开关。 15 图 开关信号输入电路接线图 重检测及红外线扫描输入电路 超重检测采用称重传感器，其价格相当便宜精度高。传感器输出的毫伏级信号经放大器放大到一定值时经过电压比较器，把模拟电压转化成高低电平输入单片机系统。当轿厢重量超过准载重量时向单片机输入低电平信号。其信号输入端如图 中标号为 重检测电路系统框图如图 示。 图 超重检测电路系统框图 厅门、轿门是乘客出入电梯的必经之路，因此需设置安全保护装置，以免在关门过程中夹伤人员。在设计中红外线光幕保护装置。这种装置不受太阳光和其他直射光的影响，共有 94束红外光束成光幕，覆盖整个电梯入口，给乘客最大的重 量 传感器 信号放大 电压比较 光电隔离 重量输入 输入到单片机 16 保护。图 号输出电路 输出信号主要有 轿厢当前位置显示信号，电梯上下行信号，轿厢内选层信号登记信号，层站厅外呼梯信号登记信号，超重显示信号，限位开关动作信号，故障报警信号，电梯曳引电机控制信号，电梯门拖动 电机控制信号等。报警信号由单片机的 余输出信号从芯片 8255A（ 3）的三个端口和 8255A(2)的 B、 出信号存储区域参见表 表 输出信号存储区域 序号 在内存中位置 输出信号 存储地址 片选地址 1 数码管 26H 85H 2 控制曳引电机变频器装置 29H 86H 3 控制电梯门电动机 2 显示电路信号 27H 89H 28H 82H 引电动机控制 电梯曳引电机控制主要完成以下功能：第一、 电梯运行方向的控制。单片机根据输入信号逻辑分析，决定电机停止、上升或者下降。单片机系统的两个输出端口分别输出上行信号、下行信号控制电机正转、反转，当没有信号输出时电机停止转动。第二、电机的速度控制。单片机根据外部输入信号逻辑分析电梯的加速或者减速，发出加速或者减速信号到变频器，变频器接收到控制信号后根据内部给定的速度曲线控制电机转速。芯片 8255A（ 3）的 B 端口用作拖动电机控制信号输出口，其中 运行， 制变频 器输入接触器 引电机控制电路接线图如图 示，变频器主电路接线图如图 频器控制电路接线图如图 17 图 曳引电机控制电路接线图 K M 2K M 1L 1L 2L 3 器图 变频器主电路接线图 8 2 5 5 A ( 3 )变 频 器P B 1P B 0P B 2P B 3F W X 2上 行 信 号下 行 信 号速 度 1速 度 2速 度 3图 变频器控制电路接线图 电梯正常工作时，当变频器的数字输入端子 时有信号时，轿厢在曳引电动机拖动下直接加 速至正常行驶速度；一旦检测到减速信号，号断开，轿厢在曳引电动机拖动下迅速减速至爬行速度；一旦检测到平层信号， 引电动机转速迅速下降至零， 号断开，单片机输出为零。 此时，主电路输出接触器线圈失电，抱闸线圈失电，对电动机进行抱闸制动，轿厢平稳停至所需楼层并保持轿厢位置不变。 2断时，变频器按速度 1运行； 2通时，变频器按速度 2运行；2通时，变频器按速度 3运行。 梯门电动机控制 18 门电机是开关门的动力源，通常采用直流电动机。门电气拖动线路通常 由电动机、开门继电器触点、关门继电器触点及分压线路等部分组成。采用他励方式，并用变压调速方法来控制开关们的速度。设计中电梯门电机控制信号从芯片 8255（ 3）的 梯门电机控制电路原理图如图 梯门电机主电路接线图如图 示。 图 电梯门电机控制电路原理图 图 电梯门主电路接线图 示电路 指示电路包括：楼层显示、轿厢内选层信号显示、层站厅 外呼梯信号显示、运行方向显示、超重显示、过限位显示。楼层显示是当电梯检测到楼层信息后输出到数码管进行实时显示，楼层显示接线图如图 厢内选层信号显示是对应轿厢内部选层按钮的，当轿厢内有人按下选层按钮后指示灯就会被点亮确认信息被接受。电梯运行的楼层有四层，每层对应一个显示灯，因此总共需要四个轿厢内选层信号显示灯，其输出端口是芯片 8255A(3)A 端口的 0别对应 1 4层的显示。层站厅外呼梯信号显示是对应呼梯按钮的，乘客根据欲去往的楼层方向按下对应的按钮时，按钮显示灯被点亮确认信息被接受 。根据楼层高度 19 为四层确定需要上、下呼梯信号各三个总共六个。其输出端口为芯片 8255A（ 2） 中 3层上呼梯信号， 别对应 2 4层下呼梯信号。运行方向显示有上下两个方向，用于显示电梯当前运行的方向。其输出端口是芯片 8255A（ 2） 行方向。当轿厢内乘客的重量超过了电梯的额定载重时，单片机就发出超重显示信号，其输出端口是芯片 8255A(3)A 端口的 。过限位显示是指当电梯运行到上下两端站时没有停止直到接触 到上下限位开关，此时上下限位开关就动作向单片机发出停梯信号，并且发送信号通知检修人员修正电梯的位置。其输出端口是芯片 8255A(3)A 端口的 别显示上限位信号、下限位信号。显示电路接线图如图 图 楼层显示接线图 20 图 显示电路接线图 21 5 系统软件设计 件设计方案 根据设计要求，首先要确定软件设计方案，即确定软件应该完成哪些功能；其次是规划为了完成这些功能需要分成多少个功能模块，以及每一个程序模块的具体任务。 模块的划分有很大的灵活性，但不能随意划分。划分模块时应遵循下述原则： 每个模块应具有独立的功能，能产生一个明确的结果。 模块之间的控制参数应尽量简单，数据参数应尽量少。控制参数是指模块进入和退出的条件及方式，数据参数是指模块间的信息交换方式、交换量的多少及交换的频繁程度。 模块长度适中。模块语句的长度通常在 20 100条较合适。模块太长时，分析和调试比较困难，失去了模块化程序结构的优越性；模块太短则信息交换太频繁，也不合适 11。 根据模块的划分原则，电梯控制系统程序划分成了 7个模块，如图 示。 图 电梯控制系统软件设计框图 用软件设计 应用软件设计采用模块化程序设计方法把整个程序划分成了 7 个部分，分别是主程序、检修运行程序、外部中断程序、自动运行程序、目标层决策程序、延时程序和开门程序。下面将介绍各个部分的程序流程框图。 程序设计 主程序的内容一般包括：主程序的起始地址，中断服务程序的起始地址，有主程序 自动运行模块 外部中断模块 检修运行模块 目标层决策模块 延时程序模块 开门程序模块 22 关内存单元及相关部件的初始化和子程序的调用等。本系统有两种工作状态可供选择，分别是自动运行模式、检修运行模式。硬件电路 中设置一个外部功能开关，通过不断检测外部的功能选择开关信号，来选择调用相应的运行模式，这样可以方便的对电梯运行模式进行切换。主程序的另一个功能就是响应两个外部中断源，当有中断信号输入时，自动进入到中断服务程序进行相关的处理工作。处理完了之后自动返回主程序断点处继续往下执行。在主程序中定义了两个主要变量，即 量。 量表示电梯当前所在的楼层数， 量表示电梯将要到达的目的层数。在主程序的初始化阶段设定两个变量的初始值为 01H，表示控制系统启动时电梯在一楼，然后根据电梯内外的呼梯命令进行自 动运行。主程序流程图如图 开 始系 统 初 始 化功 能 开 关 设 置 读 入开 中 断检 修 模 式自 动 运 行 模 式自 动 运 行 ？主程序流程图 动运行程序设计 自动运行子程序实现的功能是直接控制电梯的上行与下行、运行与停止。在电梯运行的过程中，功能开关没有被按下时，主程序不断调用自动运行程序。为了使程序运行具有高效性，在程序入口处首先判断是否有呼梯信号，如果有要梯信号时才运行程序，反之则直接返回主程序运行。程序中起关键作用的还是目标层决策函数提供的目标楼层值。它的功能是判断目标楼层与当前楼层的关系：若前者大于后者， 电梯就向上运行；若后者大于前者，电梯就向下运行；若两者相等，电梯就停止运行。电梯由高速运行到停止有个缓慢的过程，在电梯运行到目的楼层时就开始检测减速信号，当系统接收到减速信号后，单片机进行处理发出 23 减速信号控制电梯低速运行，直到单片机检测到平层信号后才停止运行。电梯到达某一层时首先立即清零登记的呼梯信号和熄灭相应的发光二极管，然后再调用开门子程序打开电梯门及轿厢门，方便乘客进出。电梯停留片刻之后，关上电梯门检测电梯是否超重和轿厢门是否关好，如果满足运行条件后电梯就继续响应其它的呼梯信号。自动运行程序流程图如图 调 目 标 层 决 策 程 序开 始有 呼 叫 ？方 向 向 上当 前 层 等 于 目 标 层 吗 ？目 标 层 大 于 当 前 层 吗 ？方 向 向 下可 以 开 车 吗 ？发 向 上 开 车 信 号可 以 开 车 吗 ？发 向 下 开 车 信 号停 止 状 态 吗 ？减 速 吗 ？平 层 吗 ？登 记 信 号 和 指 示 信号 清 零有 呼 叫 吗 ？方 向 指 示 灯 熄 灭返 回 主 程 序 门 程 序图 自动运行程序流程图 部中断服务程序设计 系统中的外部中断源比较多，根据中断的优先级把所有中断源分成两部分。在程序中设置外部中断 0 为高优先级中断，外部中断 1 为低优先级中断，这样就能保证需要优先处理的控制得到及时处理。按照处理的及时性和优先的原则把报警、上限位、下限位、掉电等中断请求作为从外部中断 0 输入的中断源，把电梯层站厅外的呼梯信号、轿厢内选层信号、楼层检测信号等中断请求作为从外部中断 1输入的中断源。 当外部有 中断源申请中断时，系统响应中断进入相应的中断服务程序。外部中断 0 的服务程序实现的功能：若中断源是报警信号，表明电梯轿厢内有请求信号，系统需要发出信号控制警铃报警通知电梯维护人员，在得到维护人员的报警确认之后取消报警信号；若是上限位信号或者下限位信号，表明电梯运行到上下 24 端站继续运行，系统需要发出停梯的控制命令点亮相应的指示电路通知维修人员进行处理；若中断源是掉电信号，表明系统失电或电源故障，系统发出信号启用备用电源保存单片机内部 电源恢复后继续运行。 外部中断 1 的服务程序实现的功能：如中断 源是呼梯信号或者内选信号，系统采集信号保存到相应内部 存储单元并点亮相应的指示灯；若中断源是楼层检测信号，系统把检测到的楼层值保存到变量 部中断 0的服务程序流程图如图 部中断 1的服务程序流程图如图 示。 开 始调 消 抖 子 程 序扫 描 中 断 信 号有 中 断 信 号 吗 ？掉 电 信 号 吗 ？报 警 信 号 吗 ？上 限 位 信 号 吗 ？进 入 掉 电 模 式警 铃 报 警点 亮 上 限 位 信 号 灯点 亮 下 限 位 信 号 灯 返 回图 外部中断 0服务程序流程图 25 开 始调 消 抖 延 时 程 序逐 个 扫 描 中 断 信 号有 按 键 按 下 吗 ？按 键 松 动 了 吗 ？判 断 信 号 类 型登 记 内 选 信 号 点亮 指 示 灯登 记 外 呼 信 号 点亮 指 示 灯存 储 楼 层 信 息 并输 出 显 示返 回 层 信 号楼 层 信 号外 选 层 信 号图 外部中断 1服务程序流程图 标层决策程序设计 目标层的判定是控制系统的核心。系统设 计采用的是集选控制方式，这样的方式即能实现电梯的自动控制，又能提高电梯的利用效率。目标层决策的原则是先确定电梯的运行方向，再是判断电梯当前所在的层数，最后根据先后顺序逐层判断有无呼梯信号和内选信号。若有要梯信号则把更新目标层值，反之则保持目标层值不变。 针对电梯的运行方向不确定的情况，采取的办法是程序设定运行方向，当电梯所在楼层是一层或二层时设置的方向向上，为三层或四层事设置的方向向下。判断要梯信号的原则是先判断是否有内层的选层信号，再判断层站厅的是否有与运行方向一致的呼梯信号，最后判断是否有与运行方向相反 的呼梯信号。系统运行过程中不断调用目标层决策程序，及时更新电梯下一个要到达的楼层值，提高了电梯的运行效率，缩短了乘客的候梯时间，节约了能源。目标层决策程序的流程图如图 26 开 始强 行 换 向 吗 ？方 向 判 定设 置 方 向N O W = 1 ?N O W = 2 ?N O W = 3 ?N O W = 4 ?换 向 处 理决 策 1 处 理决 策 2 处 理决 策 3 处 理决 策 4 处 理决 策 6 处 理决 策 5 处 理方 向 向 上 方 向 向 下 不 确 定向 下返 回图 目标层决策程序流程图 时程序设计 中断服务程序中需要调用延时程序来消除按键的抖动，轿厢门开门或着关门时速度的转换间隔时间需要调用延时程序，延迟的时间都是两秒钟。开门子程序调用开门延时程序，延迟的时间为六秒钟。延时程序的清单如下。 ；延时 6s 6,#03H 6, ；延时 2s 5,#200 5,27 ；延时 104,#0 ；延时 12,#03,#18H 3,2, 检修运行程序设计 检修运行程序的功能是在电梯处于检修状态时，通过专门的上行按钮和下行按钮控制电梯缓慢向上运行和向下运行。电梯需要维护时闭合功能开关按钮，功能开关处于闭合状态时，系统从自动运行模式进入到检修运行模式，检修完成后断开功能开关电梯退出运行模式。检修运行程序流程图如图 开 始上 行 吗 ？电 梯 缓 慢 上 行 电 梯 缓 慢 下 行返 回Y 检修运行程序流程图 门程序设计 28 在电梯到达目的楼 层停止后，就自动调用开门程序打开和关闭轿厢门及厅门。一般电梯开门后会调延时程序延时六秒钟，当不需要延时时按下关门按钮电梯立即关门。开门延时时间段内乘客还没全部进出电梯，可以按下开门按钮重新开门。为了保护乘客的安全防止被压伤，电梯门系统安装有红外线光幕保护装置，检测到有人正在进出电梯时会做出反应控制电梯开门。开门程序流程图如图 示。 停 梯 信 号电 梯 停 止 否 ？开 门开 门 到 位 否 ？提 前 关 门 否 ？关 门关 门 到 位 否 ？关 门 落 锁强 行 开 门 否 ？延 时 6 秒图 开门程序流程图 上面介绍了电梯控制系统软件系统的各个模块流程框图设计，根据每个独立的模块编写出了汇编 程序。把所有模块的程序按照一定顺序组成一个整体，就得到了整个系统的程序。系统的程序清单见附录 B。 29 6 系统仿真 本次设计的基于单片机的电梯控制系统包括硬件和软件两部分，仿真时首先要对编写好的程序进行编译连接检查程序的语法有无错误，在编译连接成功后进入调试阶段，通过调试检查程序是否能实现要求的功能，对有错误的地方进行改正直到程序正确无误。最后把软件和硬件电路结合起来一起仿真，完成整个仿真工作。 件编译调试 在软件调试中采用 件。 仿真时选择 为 晶振频率设置 为 12后新建一个 件，将各个功能程序录入，先检查程序有无明显错误，保存过后编译程序，当有错误时就根据提示加以修改，当各个功能程序编译完成后，再对整个程序 全速执行，查看程序有哪些地方出现错误，对应错误提示逐步调整程序，纠正错误直到程序正确 无误，调试结束后的 电梯软件调试界面图如图 示。 图 软件调试界面图 从软件调试界面图可以看出，程序调试成功，表明程序能够正常运行，下一步就进入硬件的仿真。 30 件仿真 整个原理图设计是采用的 004这款软件，这款软件的元件库比 较丰富，可以找到系统中需要的元件，但缺点是不能进行仿真。因此，为了的检验程序和硬件