电梯自动升降系统设计方案.doc

电梯自动升降系统设计方案1.1课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0.07%；交流电梯为22690台，占72%；液压电梯为7829台，占24.8%；住宅电梯为966台，占3.1%。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。1.2本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。512 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。2.1传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CPU作为字处理器，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。2.2拟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。3 控制系统硬件设备选择3.1单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EPROM的单片机，而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INTEL公司的8052芯片和ATMEL公司生产的AT89C52芯片。AT89C52芯片与8052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WDT、ISP及SPI串行接口技术。本次设计采用ATMEL公司生产的AT89C52芯片作为控制系统控制器。AT89C52的引脚如图3.1所示。图3.1 AT89C52引脚图3.2 输入/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TTL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。8255A引脚如图3.2所示。图3.2 8255A引脚图3.3 变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FR-A500系列变频器。FRA-500系列变频器性能介绍:A500变频器具有自学习功能，在使用矢量控制时，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。FR-A500可使用PID控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FR-A500带PG矢录控制方式通过旋转编码器形成闭环控制，不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。3.4光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KC-778B对射型光电开关。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。KC-778B具有以下功能：可调红外传感器的灵敏度，有两种红外传感器增益选择(62/68dB)；对外界高频噪声干扰(1000MHz以下)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。 3.5楼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LG5011BSR的单联数码管楼层显示器。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。ah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09不同的数字。设计中数码管的引脚与芯片8255A（2）的B端口相连接，单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3.1所示（1表示断开，0表示接通）。表3.1 八段显示组合与数字对照表显示数字hgfedcba编码011000000C0111111001F9210100100A4310110000B0410011001995100100109261000001082711110000F881000000080910010000903.6称重传感器的选择称重传感器的种类比较多，对于0.5t30t量程范围的拉式传感器和0.5t10t范围的压式传感器，柱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3mV/V左右；机构简单，易于加工。本次设计选用东洋测器生产的C2X1-50t柱式传感器。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。3.7拖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HBVF系列电梯专用变频调速三相异步电动机。此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IMB5,即端盖上有凸缘，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IP23。轿厢门及厅门拖动选用型号为Z2-11-82的他励直流电动机。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。4 系统硬件设计4.1控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4.1所示。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图4.1 电梯控制系统原理框图4.2单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220V交流电经过交-直变换得到5V和24V的直流电，5V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4.2所示。图4.2 单片电源电路4.3单片机特殊工作方式4.3.1复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RST引脚上出现宽度大于10ms的正脉冲，是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4.3所示。图4.3 复位电路4.3.2掉电方式单片机正常运行时，芯片由主电源VCC=5V供电。如果主电源掉电而电压下降，当接着RST/VPD上的备用电源电压超过VCC时，则由备用电源供电。为了降低备用电源的功耗，备用电源仅对片内RAM供电。设计中采用555定时器构成掉电操作电路，当主电源VCC掉电进入掉电服务程序后，先把需要保护的信息送入片内RAM，然后从P1.0上输出一个负脉冲，使555定时器输出端为高电平（电压值为V备），用作片内RAM的供电电源。当主电源恢复时自动撤出备用电源对片内RAM供电，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RAM中的有用数据不被丢失。掉电电路如图4.4所示。图4.4 掉电电路4.4信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A口、B口、C口的两个4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A口作为信号输入端口，其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RAM统一编址，及对外部I/O及外部RAM都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74LS373作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4.1所示。为了编程规范和方便给每个地址定义一个名称如表格中的名称栏所示。表4.1 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03H20H.0FL1_UP2二层上呼按钮03H20H.1FL2_UP3三层上呼按钮03H20H.2FL3_UP4二层下呼按钮03H20H.3FL2_DW5三层下呼按钮03H20H.4FL3_DW6四层下呼按钮03H20H.5FL4_DW7一层内选按钮03H21H.0TO_FL18二层内选按钮03H21H.1TO_FL29三层内选按钮0BH21H.2TO_FL310四层内选按钮0BH21H.3TO_FL411开门按钮07H22H.0OPEN12关门按钮0BH22H.1CLOSE13警铃0BH22H.2BELL14检修开关81H22H.3REP15检修慢上开关81H22H.4SL_ON16检修慢下开关81H22H.5SL_DW17超重81H22H.6OV_WE18红外线扫描触点81H22H.7INFRA19上限位开关0BH23H.0LIM_UP20下限位开关0BH23H.1LIM_DW21上行减速开关07H23H.2ST_UP22下行减速开关07H23H.3ST_DW23开门限位开关0BH23H.4ST_OP24关门限位开关81H23H.5ST_CL25一层位置检测开关07H24H.0FLOOR126二层位置检测开关07H24H.1FLOOR227三层位置检测开关07H24H.2FLOOR328四层位置检测开关07H24H.3FLOOR429掉电触点0BH25H.0P_LOST30门区开关81H25H.1D_LOCK31平层开关07H25H.2LE_FL4.4.1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4.5的信号输入电路。图4.5 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S3S5依次表示13层上呼按钮，按钮S6S8依次表示24层的下呼按钮，S9S12依次表示14层的内选按钮。轿厢门及厅门开门按钮由S13表示关门按钮由S14表示。按钮输入电路接线图如图4.6所示。图4.6 按钮输入电路接线图4.4.2光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KC-778B型红外传感器，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。此光电式传感器供电电源为636V,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4.7所示。图中标号为FL1FL4的输入信号依次表示14层的位置信号，标号为UP、DOWN、SL的输入信号依次表示为上行减速信号、下行减速信号、平层检测信号。图4.7 传感器信号检测电路接线图 4.4.3开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4.8所示，图中开关S16、S17分别表示上限位开关、下限位开关，标号为OPENTS、CLOSETS、ZDORJX、DOORCL输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。图4.8 开关信号输入电路接线图4.4.4超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4.8所示，图中标号为OVER的输入信号表示超重信号的输入端口。超重检测电路系统框图如图4.9所示。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图4.9 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，给乘客最大的保护。图4.8中标号为RENJC的输入信号表示红外线检测信号的输入端口。4.5信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P1.7端口输出，其余输出信号从芯片8255A（3）的三个端口和8255A(2)的B、C两个端口输出。输出信号存储区域参见表4.2所示。表4.2 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26H85H2控制曳引电机变频器装置29H86H3控制电梯门电动机2AH8AH4显示电路信号27H89H28H82H4.5.1曳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PB0口控制电机正转、PB1控机电机反转，PB2控制电机按照速度1运行、PB3控制电机按照速度2运行，PB6控制变频器输入接触器KM2、PB7控制变频器输出接触器KM1。曳引电机控制电路接线图如图4.10所示，变频器主电路接线图如图4.11所示，变频器控制电路接线图如图4.12所示。图4.10 曳引电机控制电路接线图图4.11 变频器主电路接线图图4.12 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X1、X2、FWD（或REV）同时有信号时，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，X2信号断开，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，X1信号断开，曳引电动机转速迅速下降至零，FWD(或REV)信号断开，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。X1通X2断时，变频器按速度1运行；X1断X2通时，变频器按速度2运行；X1通X2通时，变频器按速度3运行。4.5.2电梯门电动机控制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C端口送出，PC0端口控制电机正转或者反转来拖动电梯门开门或者关门，PC1控制电机高速转动，PC2控制电动机低速转动。电梯门电机控制电路原理图如图4.13所示。电梯门电机主电路接线图如图4.14所示。图4.13 电梯门电机控制电路原理图图4.14 电梯门主电路接线图4.5.3显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4.15所示。轿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PA0PA3分别对应14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）C端口的PC0PC5，其中PC0PC2分别对应13层上呼梯信号，PC3PC5分别对应24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）C端口的PC6、PC7分别显示上行方向、下行方向。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PA4口。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PA5、PA6，分别显示上限位信号、下限位信号。显示电路接线图如图4.16所示。图4.15 楼层显示接线图图4.16 显示电路接线图5 系统软件设计5.1软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20100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5.1所示。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图5.1 电梯控制系统软件设计框图5.2应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。5.2.1主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NOW和AIM变量。NOW变量表示电梯当前所在的楼层数，AIM变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5.2所示。图5.2 主程序流程图5.2.2自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5.3所示。图5.3 自动运行程序流程图5.2.3外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RAM存储器的信息，待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RAM的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NOW中以便系统使用。外部中断0的服务程序流程图如图5.4所示，外部中断1的服务程序流程图如图5.5所示。图5.4 外部中断0服务程序流程图图5.5 外部中断1服务程序流程图5.2.4目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5.6所示。图5.6 目标层决策程序流程图5.2.5延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。DELAY4: ；延时6sMOV R6,#03HDL5:ACALL DELAY3DJNZ R6,DL5RETDELAY3: ；延时2sMOV R5,#200DL4: ACALL DELAY2DJNZ R5,DL4RETDELAY2: ；延时10msMOV R4,#0AHDL3:ACALL DELAY1DJNZ R4,DL3RETDELAY1: ；延时1msMOV R2,#0AHDL2:MOV R3,#18HDL1:NOPNOPDJNZ R3,DL1DJNZ R2,DL2RET5.2.6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5.7所示。图5.7 检修运行程序流程图5.2.7开门程序设计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5.8所示。图5.8 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。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。6.1软件编译调试在软件调试中采用Keil软件。仿真时选择AT89C52作为CPU，将晶振频率设置为12MHZ，然后新建一个.ASM文件，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6.1所示。图6.1 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。6.2硬件仿真整个原理图设计是采用的DXP 2004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电路是否符合设计要求，采用ProteusPRO7.5SP3软件进行仿真。仿真之前要在软件中绘制出原理图并保存到相应的位置，为了更直观的观察到单片机输出的拖动电机和门电机的控制信号，采用发光二极管来代替电机拖动部分硬件。原理图绘制完毕后双击AT89C52，出现“Edit Componet” ，在 Program File中单击出现文件浏览对话框，找AT89C52_C.hex 文件，单击确定完成添加文件，在 Clock Frequency中把频率改为 12MHz，单击 OK 退出。单击仿真按钮，系统开始工作，通过有选择的按下内选按钮和外呼按键以及其它控制按键，电梯都能正常接受到请求信号并输出显示信号和控制信号，基本实现了电梯运行的模拟。仿真结束后的硬件仿真界面图如图6.2所示。图6.2 硬件仿真界面图从仿真界面图可以看出，数码管能够正常显示楼层的值，当有按键按下时相应指示灯都能正常的点亮，单片机能够输出相应控制信号控制电机的运行。因此，通过硬件仿真验证了本次设计的硬件电路和软件能正常运行，实现了控制电梯正常运行的所有功能，满足设计的要求。结 论采用单片机设计的电梯控制系统，使得控制系统的硬件结构大大简化。由于单片机的价格便宜，可以节约电梯的投资成本。单片机控制电梯也有一些缺陷需要解决，最突出的就是单片机构成的大型控制系统稳定性和抗干扰性能较弱，所以当前社会上广泛运用的电梯控制系统还是以PLC为主。本次毕业设计主要是让自己对单片机构成控制系统的应用有更加深入的理解，对单片机系统的硬件的设计和软件的编写有进一步的提高。但是由于在校期间接触实物机会太少，仅仅懂得一些理论知识，所以设计的系统还是有很大缺陷的。设计中也使用了当前比较前沿的变频器作为拖动电机的调速系统，经过认真的选择和设计，最终完成了一个可以实现大部分功能的电梯控制系统。通过了这次设计确实受益匪浅。首先让我在单片机在实物中应用的能力得到了很大的提高，单片机构成一个控制系统后它的外围电路、扩展电路以及一些通讯都是至关重要的，只有完善单片机的外部电路才能保证单片机能正常有效的工作。其次，对于电机学的知识也有了进一步的巩固和加深。在毕业设计过程中，不仅在学习上有了很大的提高，而且我的意志力也得到了很好的锻炼。随着科技的发展和更新，各种设备的控制器也在迅猛发展，以前的很多由PLC控制的工控设备已经逐渐被单片机控制的工控设备代替，单片机将能够更好的发挥其体积小，功能全、便于修改更新的优点。附录A：系统电路图附录B：程序清单；变量定义NOW EQU 40H ；当前所在楼层值AIM EQU 41H ；目标楼层值REP BIT 13H ；定义检修开关储存位FL1_UP BIT 00H ；定义一层上呼按钮信号存储位FL2_UP BIT 01H ；定义二层上呼按钮信号存储位FL3_UP BIT 02H ；定义三层上呼按钮信号存储位FL2_DW BIT 03H ；定义二层下呼按钮信号存储位FL3_DW BIT 04H ；定义三层下呼按钮信号存储位FL4_DW BIT 05H ；定义四层下呼按钮信号存储位TO_FL1 BIT 08H ；定义一层内选按钮信号存储位TO_FL2 BIT 09H ；定义二层内选按钮信号存储位TO_FL3 BIT 0AH ；定义三层内选按钮信号存储位TO_FL4 BIT 0BH ；定义四层内选按钮信号存储位FLOOR1 BIT 20H ；定义一层位置检测信号存储位FLOOR2 BIT 21H ；定义二层位置检测信号存储位FLOOR3 BIT 22H ；定义三层位置检测信号存储位FLOOR4 BIT 23H ；定义四层位置检测信号存储位LIM_UP BIT 18H ；定义上限位动作信号存储位LIM_DW BIT 19H ；定义下限位动作信号存储位