基于单片机的电梯控制系统毕业设计.doc

基于单片机的电梯控制系统毕业设计目 录1 绪论11.1 电梯的定义与简介11.2 电梯的组成21.3 国内外电梯的发展状况21.3.1国内电梯发展状况21.3.2国外电梯发展状况31.4 电梯的发展趋势41.5 课题的主要研究内容及意义51.6 设计功能要求62 电梯系统设计方案论证及选择62.1 控制核心72.2 曳引动力选择82.3 曳引机驱动电路92.4 内外显示电路92.5 召唤电路102.6 定位平层系统102.7 楼层提示及报警系统123 硬件基础知识123.1 步进电机123.2 激光二极管133.3 LN298驱动芯片143.4 LM339比较器153.5 LCD1602液晶164 硬件电路设计184.1 单片机小系统电路194.2 电机驱动电路214.3 液晶显示电路214.4 4*4矩阵键盘电路224.5 定位平层电路224.6 楼层提示及声光报警电路234.7 电源电路245 软件设计255.1 液晶显示模块265.2 矩阵按键扫描模块295.3 速度变换（加速-匀速-减速）模块325.4 楼层检测模块345.5 电机驱动模块346 电梯的模型的制作与功能调试366.1 电梯模型的制作366.2 电梯系统各模块功能调试376.3 电梯系统整体功能调试397 总结与展望397.1 设计总结407.2 展望41谢 辞43参考文献441 绪论1.1 电梯的定义与简介随着社会的发展，城市人口规模不断扩张，受到土地面积的限制，高层建筑日益增多。人们居室环境发生了很大的变化，人们对生活起居便利的需求日益迫切，电梯作为一种垂直方向的交通工具，在多楼层建筑方面更是不可或缺，人们对电梯的依赖性也越来越高。电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15的钢性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。电梯按外观主要有两种：卧式电梯和立式电梯。卧式电梯主要应用与大型商场、娱乐场所、旅游场所等公共场合。卧式电梯的运动规律是固定的，在带状的轨道上循环运转，正常工作状态下，它只按照设定的方向做一个方向的运动，与乘客之间没有信息的交流，将乘客送至指定的位置，一个电梯只能到达规定的楼层。立式电梯主要应用于住宅、办公楼、大型商场等场所，它与卧式电梯最大的区别是：它是根据外部呼叫信号以及自身控制规律运行的，而呼叫信号时随机的，电梯实际上是一个人机交互的控制系统。单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足其控制要求的，因此，它是采用随机逻辑方式控制其垂直的上下运动的。 图 1.1 立式电梯 图 2.2 卧式电梯 目前立式电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选运行动能，拖动控制则由变频器来完成，这种方式的优势是：生产规模较小，可以自己设计和制造微机控制装置，灵活性强；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制，这种方式的优势是：PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等特点。1.2 电梯的组成现代电梯主要由以下几个部分组成：（1）曳引系统 曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。（2）导向系统 导向系统的主要功能是限制轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。（3）轿厢 轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。（4）门系统 门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。（5）重量平衡系统 系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。（6）电力拖动系统 电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。 （7）电气控制系统 电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。（8）安全保护系统 保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载限制装置、限位开关装置组成。1.3 国内外电梯的发展状况当今世界，电梯的生产情况与使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。在理论上，电梯控制经历了从继电器接触器到PLC控制和微机控制的过程。无论是国内还是国外非常关注电梯的研究与发展，对电梯加入了大量的投资。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保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。1.3.1国内电梯发展状况我国电梯发展可以按电梯交流调速的发展历史划分为如下三个阶段：第一个阶段主要在上世纪70年代，其主要标志是交流双速电梯，该方法采用改变牵引电机极对数来实现调速。这种电梯结构简单、价格低廉、使用和维护都很方便，但调速不够平滑、舒适感较差。第二个阶段主要在上世纪80年代，主要使用交流调压调速方法，其性能优越于交流双速电梯。调压调速的方法是通过改变三相异步电机定子端的供电电压实现电机的调速，其制动多采用能耗制动。第三个阶段开始于上世纪90年代，变压变频调速电梯（VVVF电梯）开始占据了世界电梯的市场。VVVF电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值和频率来实现转速的调节。由于变压变频调速（VVVF）的良好特点，至今新制造的电梯都采用该方式进行速度控制。节能问题 越来越多的电梯进入高层建筑，电梯的节能运行是电梯开发和使用的关键。从控制的角度来看，有效地改善供电电能的质量、充分地利用电能是一个良好的举措。效率 电梯作为一种位能型负载，运行过程中需要作频繁地升降运动，研究一种或多种电梯速度给定曲线，合理地选择运行速度曲线，是提高运行效率至关重要的一环，而目前国内生产的大多数电梯存在着给定速度曲线实现困难、资源耗用率高等系列不足等问题，极大地限制了电梯高效地运行。控制器性价比低 目前国内的电梯厂家采用的电梯控制核心设备大部分都是国外进口产品，核心技术和知识产权为国外大公司所有。而少数自己开发的控制器也有开发周期长，开发成本高等缺点。另外国内的绝大部分VVVF电梯采用的变频器都是电梯用专用变频器，这种变频器虽然使用起来很方便，但其价格却是同类通用变频器的1.5到2陪，使整个控制系统的性价比大大下降。电梯电气控制技术是一个综合性的系统技术，包括控制器、传感器和调速方法等多种技术，目前，国内电梯企业主要有：1.3.2国外电梯发展状况国外电梯行业发展迅速，目前不仅在节能上做了很大的功夫，而且在智能化、远程化、集成化及可视化方面也有了很大的研究。例如：（1） 垂直运输与水平运输的复合运输系统，该系统采用直流电机驱动，在一个井道内设置多台轿厢。轿厢在计算机导航系统控制下，可以再轨道网络内交货各自运行线路。该系统节省了井道占用的空间，解决了超高楼层建筑群电梯钢丝绳重量太大的问题尤其适合于具有同一底楼的多塔型高层建筑群中前往空中大厅的穿梭直驶电梯。（2） 交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯，该类型电梯由于曳引机和控制柜置于井道中，省去了独立机房，节约了建筑成本，增加了大楼的有效面积，提高了大楼建筑美学的设计自由度。交流永磁同步无齿轮曳引机的特点是：结构简单紧凑，体积小，重量轻，形状可以灵活多样；配以变频等。通过控制中心的设置还可以显示日期、时间、问候、楼层指南、广告等，甚至可以与远程计算机和寻呼系统联接发布天气预报，新闻等。（3） 电梯远程监控系统。该系统是将控制柜中的信号处理计算机获得的电梯运行和故障信息，并通过公共电话网络或者专用网络传输到远程的能够提供可视节目的专用电梯服务中心的计算机，以便哪里的服务人员掌握电梯的运行状况，特别是故障情况。该系统一般具有显示故障、故障统计与预测等功能，还有的可实现远程调试与操作，使维修人员迅速进行维修应答和采取维修措施。这样缩短了故障处理时间，简化了人工故障检查的劳动，保证了电梯安全高效的运行。1.4 电梯的发展趋势电梯作为现代建筑中的重要交通工具，它与一般的交通工具有着较大的差别。良好的电梯控制技术是电梯高质量运行的重要保障，电梯运行安全舒适、高效、节能控制器的性价比等都是电梯技术发展面临的重大问题。（1）安全 2011年“7.5”北京地铁4号线自动扶梯安全事故发生后，北京市质监局于去年年底，在轨道交通项目推行电梯制造单位“终身负责”的工作机制，要求电梯制造单位对电梯质量以及安全运行涉及的质量问题终身负责；电梯安装改造维修结束后，电梯制造单位要按照要求对电梯进行校验和调试，并对校验和调试结果负责；电梯投入使用后，电梯制造单位要对其制造的电梯安全运行情况进行跟踪调查，并给予维保单位技术指导和备修件支持。（2）绿色节能 建设节约型社会已成为我国政府多年来的重点工作。电梯作为能耗大户，使用节能电梯已成大势所趋，绿色节能依然成为2012年电梯行业发展的主要方向。实现电梯节能主要有以下几个途径，即改进机械传动和电力拖动系统，例如将传统的涡轮涡杆减速器改为行星齿轮减速器或采用无齿轮传动，机械效率可提高15%25%；将交流双速拖动系统改为变频调压调速（VVVF）拖动系统，电能损耗可减少20%以上。其次，可以采取能量回馈技术，将电容中多余的电能转变为与电网同频率、同相位、同幅值的交流电能回馈给电网，可以提供给小区照明、空调等其他用电设备。从数据上看，能量回馈技术使用后节能效果显着。若以一幢20层左右的大楼为例，一台1350公斤、速度2.5米/秒的传统电梯，一周实测耗电约800千瓦时，而能量回馈型电梯仅为600千瓦时，实际节约能耗30%左右。（3）超高速电梯 。超高速电梯的研究继续在采用超大容量电动机、高性能微处理器、减振技术、新式滚轮导靴和安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解和噪声抑制系统等方面推进。超高速电梯在一些建筑中已经得到了充分应用，比如台北101大厦采用的电梯速度达到每分钟1010米。正在建设中的上海中心大厦将采用每分钟可运行1080米的电梯，建成后的上海中心大厦不仅成为中国最高建筑，采用的电梯也将成为世界最高速电梯。中国城市化进程的不断加快，高层酒店和写字楼越来越多，这对电梯这种大型公共运输设备的速度和载重提出了更高的要求，研发超高速电梯成为各大电梯品牌共同目标。超高速电梯不仅能够提高电梯运行效率，更能代表整个电梯行业的发展水平，因此高速电梯也是衡量一个企业实力的重要标准。随着超高速电梯需求日益增多，也给中国正在发展壮大的民族电梯企业提供了有利的机遇。（4）智能群控技术 电梯群控系统是指在一座大楼内安装多台电梯，并将这些电梯与一个计算机连接起来。该计算机可以采集到每个电梯的各种信号，经过调度算法的计算向每个电梯发出控制指令。总之，电梯群控技术能够根据楼内交通量的变化，对每个电梯的运行状态进行调配，目的是为了达到梯群的最佳服务及合理的运行管理。传统的群控算法只有一个目标，即最小候梯时间。在现代高层建筑的一些特定交通模式下，不可能要求每一部电梯能够服务每一个楼层，所以电梯群控系统调度算法的研究有着重要的现实意义。智能群控技术不仅代表行业技术发展方向，也将给人们带来更多的便利。（5）物联网监管电梯 用物联网监控电梯，就是在电梯轿厢原来的监控设备上安装物联网传感器，传感器会对电梯里的视频、音频、运行状态等数据进行24小时实时监控。采集到的数据，会通过3G电信网络传输到应急处置中心，中心平台能据此进行在线故障分析诊断，及时告知救援人员。 据介绍，只要电梯发生困人事件，整个系统会立即启动分级响应救援机制,电梯维保人员将在第一时间内通过手机或网络收到电梯故障消息。如果维保人员在半小时内没有处置，电梯维修的主管、小区物业公司负责人、属地质监部门的电梯运行监控室将依次收到报警短消息。若事故依然未得到有效处理，传感器将自动向上一级主管部门传输数据进行报警。在电梯产品不断走向智能化时，采用科技手段监管电梯已成大势所趋。1.5 课题的主要研究内容及意义本课题的主要任务是通过对电梯功能的观察、研究，并用步进电机作为驱动单元模拟出电梯的运行情况，完成一个电梯系统的调度模块，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，正确高效地知道电梯完成各项载客任务。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）学习单片机及步进电机的相关知识，并且加以运用；（3）研究C语言编程，并且规定电梯的工作规则，用C语言加以实现；（4）对软件和硬件进行调试，让其协调工作，完成指定任务。研究意义：一方面：单片机具有低功耗、可刷写、低成本、高可靠性和速度快等优点，可实现智能操作控制。基于单片机的四层电梯控制系统技术为智能电梯控制系统节省了大量的硬件成本，必将成为智能电梯的一个发展方向。另一方面：单片机在我们的生活中触手可及，尤其是在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电梯等方面拥有广泛的应用领域，对此课题研究对单片机学习有很大的帮助。1.6 设计功能要求（1）各楼层的电梯请求以及电梯运行方向和位置的显示功能；（2）电梯内的楼层选择以及电梯所在位置和运行方向的显示功能；（3）电梯在运行过程中能接受各楼层处和电梯内的楼层请求，并根据情况 予以实现；（4）电梯停止到启动期间，可以接受电梯内部和外部的延迟关门请求；（5）用步进电机来模拟电梯运行，并实现电梯的加速匀速减速功能。2 电梯系统设计方案论证及选择 该系统的总体设计框图如图2.1所示：控制电路 按键电路 显示电路 驱动电路 报警电路 电机 定位楼层电路 图2.1 系统总体设计框图2.1 控制核心方案一：采用可编程控制器（PLC）作为主要器件。PLC首先接收来自电梯的呼梯信号、平层信号，然后根据这些输入信号的状态，通过其内部一系列复杂的控制程序，对各种信号的逻辑关系有序的进行处理，最后向直流门控电机、变频器和各类显示器适时地发出开关量控制信号，对电梯实施控制。该方案编程简单，运行稳定，可靠性强；但由于由于电梯的控制属于随机性控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之间的关联性很强，逻辑关系处理起来非常复杂。方案二：采用51类单片机控制所有的按键、语音播报、数码管显示、电动机的转动，等等。并对以上所有信号进行处理。这样做的优点是电路比较简单，工作量小。51单片机该单片机内部资源丰富，有8K的程序存储器集成了内部看门狗、双数据指针、在系统编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便，用起来相当熟悉。方案三：选用凌阳单片机为控制核心。该方案的优点是：频率较高、响应快、有14个中断源，两个定时器，7路A/D转换，两路D/A转换，并且有丰富的语音资源。缺点是：价格较高，应用不够熟练。方案选择：考虑到我对51类单片机比较熟悉，还有系统成本问题，我采用方案二。2.2 曳引动力选择 图2.2 步进电机内部结构 图2.3 直流电机内部结构方案一：采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机在定位性能方面十分优越。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。因为步进电机不需要A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。我们所用的步进电机每转一步，角度转1.8在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息，升降精度很高。方案二：采用直流电机作为本设计的执行元件，直流电机工作是让线圈始终交替地处于稳定状态和非稳定平衡状态，通过两个半圆环形电枢将线圈的稳定平衡状态消除掉。这样，载流线圈在磁场中就会一直地转动下去。直流电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用到。方案选择：由于直流电机不易控制速度且定位性能差，而采用步进电机更容易实现对物体升降的控制，故采用方案一。2.3 曳引机驱动电路图2.4 ULN2003芯片内部结构方案一: 主要使用达林顿芯片ULN2003作为驱动芯片。ULN2003系列芯片从逻辑上说是个反相器，它的特点是低电平输出时候才能输出功率，高电平的时候是虚高(不负担电流输出)，芯片ULN2003在很短的时间内发热很大，所以，要想运转顺畅，就得让电机先以低速启动，然后加速到想要的速度。方案二：主要使用L298N芯片。L298N可以为负载提供双向的电流。适合驱动2相或4相的步进电机和直流电机,特是当驱动电机的方向要改变时，只须把原来电机方向的电位置反即可，所以相对ULN2003来控制步进电机要好一些。本设计的步进电机驱动使用了方案二。2.4 内外显示电路图2.5 7段数码管方案一：采用7段数码管作显示。采用数码管具有价格便宜，亮度大，软件编程简单，硬件电路调试简单等优点，但它的功耗大，而且只能显示阿拉伯数字，占用端口多等缺点。方案二：采用点阵式液晶显示屏显示。液晶显示屏具有功耗很低，占用端口少，软件编程简单，硬件电路调试简单，可以显示各种文字字符等优点。但是价格相对来讲也必较高，而且调用延时长。方案选择：考虑到单片机的端口有限还有使显示内容更加人性化等问题，故选择方案二。2.5 召唤电路方案一：采用独立按键。该方案的最大优点是电路连接简单，软件编程容易实现，缺点是一个按键就占用一个I/O口，造成资源浪费，一般适用于单片机端口比较丰富的设计。方案二：采用矩阵按键。该方案与方案一优缺点刚好相反，16个按键，使用矩阵按键电路，只需要8个I/O端口，但是编程比较复杂。方案选择：为了节省I/O端口，所以采用方案二。2.6 定位平层系统方案一：采用金属接近开关检测电梯层数。在轿厢安装金属片，并在竖井各个楼层设置金属接近开关，当轿厢运动到特定的位置时，竖井上的金属接近开关探测到金属片，其输出发生变化。单片机通过金属接近开关输出的变化知道电梯轿厢的位置。该方案安装的金属片会加重轿厢重量，并且金属接近开关体积较大、安装不便、成本较高。图2.6 金属接近开关方案二：采用反射式红外光电传感器检测电梯层数。在竖井各个楼层设置反射式红外光电传感器，在轿厢上正对传感器的一面部分抹黑，当抹黑的部分结束时，正好到达楼层位置。当接通电源时，红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置（即楼层位置），反射式红外光电传感器正对轿厢非抹黑部分，发射管发射出的红外光被反射到接收管，红外线接收头接收到红外线，其输出发生变化（图2为发射管原理），单片机通过红外线接收头输出的变化知道电梯轿厢的位置。该传感器的响应时间为2.5ms，因而可以迅速对黑线进行检测,且体积小、功耗低、容易安装。图2.5 超声波模块 图2.6 超声波测距原理图方案三：采用超声波测量轿厢距离来判断轿厢所在楼层数。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。它的优点是电路简单，软件编程容易实现，且方向性好，易于获得较集中的声能，准确度高。缺点是：超声波模块价格较高，容易受干扰。方案四：采用激光二极管与光敏电阻组成的检测电路检测电梯层数。在轿厢装一个激光二极管，在竖井的各个楼层装置光敏电阻，当激光二极管照射到光敏电阻时，阻值发生变化转变为电压变化，再将电压变化信息输送到单片机的I/O端口，让单片机根据信号判断楼层位置。该方案的优点是：装置简单，而且每一楼层有对应的光敏电阻，软件实现楼层判断非常简单，成本也比较低。方案选择：考虑到软件编程容易，我选择方案四。2.7 楼层提示及报警系统方案一：通过A/D、单片机、存储器、D/A系统实现声音信号的采样、处理、存储和重现。该方案首先将声音进行放大，通过A/D采样将语音模拟信号转换成数字信号，并由单片机的控制和处理存放到存储器中，实现录音操作。在放音过程中由单片机控制D/A，将存储器中的数据转化成声音信号。此方案安装调试复杂，集成度低。方案二：采用美国ISD公司的2590语音芯片，该语音芯片片内E2PROM容量为480K，录放时间长录放时间可以达到90 秒。该方案具有抗断电、音质好、人性化、使用方便等优点。缺点是：语音芯片价格比较高。方案三：采用蜂鸣提示音提示当轿箱到达所需的楼层时，蜂鸣器响一声，提示乘客到达了所需的楼层，当遇危险时，蜂鸣器就长鸣，该方案的软件驱动、硬件电路调试非常简洁方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。方案选择：考虑到实际的要求，我采用方案三。3 硬件基础知识3.1 步进电机 图2.7 39L步进电机 步进电机是一种脉冲控制型电机，即给一个脉冲信号，电机就转动一个角度，电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，因此非常适合于单片机控制。按工作类型，步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）；永磁式步进电机（简称PM）以及混合式步进电机（简称HB）。步进电机的驱动是根据控制信号工作的，其控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-CD,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。3.2 激光二极管激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。 图2.4 激光二极管实物图 图2.5 激光二极管内部结构图3.3 LN298驱动芯片 图3.2 LN298实物图 图3.3 LN298功能管脚图 LN298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以驱动两个直流电机或者一个步进电机。它的功能管脚图如图3.3所示。图3.4 LN298内部电路图LN298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.57 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2.546 V。输出电流可达2.5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。LN298N芯片的输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，工作状态下，INPUT1，INPUT2，INPUT3和INPUT4与单片机I/O口连接，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机的控制端，可以通过接收单片机输出的控制信号控制电机的运转，EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表1 LN298功能逻辑图In1In2运转状态0停止110正转101反转111刹停100停止3.4 LM339比较器 图3.5 LM339实物图 图3.6 LM339内部电路图LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：（1）失调电压小，一般为2mV；（2）电源电压范围宽，236V，或者1V18V；（3）对比较信号源的内阻限制很小；（4）共模电压范围很大，为0 （Ucc-1.5V）Vout；（5）差动输入电压范围较大，甚至可以等于电源电压；（6）输出端电位选用灵活。LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图3.6。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器都有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。 否3.5 LCD1602液晶 图3.7 LCD1602液晶实物图 图3.8 LCD1602液晶管脚图液晶模块引脚功能表如表2所示：表2 液晶模块引脚功能表0符 号 名 称 功 能 1Vss接地 0V2VDD电路电源 5V10%3VEE液晶驱动电压 保证VDD-VEE=4.55V电压差 4RS寄存器选择信号 H:数据寄存器 L:指令寄存器 5R/W读/写信号 H:读 L:写 6E片选信号 下降沿触发,锁存数据 7-14DB0-DB7数据线 数据传输 表3 寄存器选择功能表 RSR/W操 作 00指令寄存器(IR)写入 01忙标志和地址计数器读出 10数据寄存器(DR)写入11数据寄存器读出（注:忙标志为1时,表明正在进行内部操作,此时不能输入指令或数据,要等内部操作结束,即忙标志为0时。） 显示位与DD RAM 地址的对应关系如表4所示： 表4 显示位与DD RAM 地址的对应关系 显示为序号12345.40DD RAM地址HEX第一行0001020304.27第二行4041424344.674 硬件电路设计根据实用电梯的设计要求，并从各方面论证，将系统电路分为若干个模块，分别是：单片机小系统电路，矩阵键盘电路，声光提示及报警电路，定位平层电路，液晶显示电路，LN298驱动电机电路以及电源电路。电路整体系统如图4.1所示。LCD1602液晶显示 4*4矩阵按键 51单片机 LN298驱动电路 声光提示及报警 步进电机 定位平层电路 图4.1 电路整体系统其中声光提示及报警电路采用的是二极管与蜂鸣器组成的电路。声光提示电路，是N个发光二极管组成的，用于提示轿厢所在的电路所在方向。定位平层电路是由一个激光二极管作为光源，4个光敏电阻检测所到楼层的信息。电路的各个部分，在下面章节中分别详细介绍。4.1 单片机小系统电路图4.2 单片机小系统电路控制中心采用AT89S51单片机，单片机的各个端口电路如图4.2所示。其中29、30脚悬空，不接任何电路。晶振电路、复位电路以及下载电路如图4.3所示。 图4.3 晶振、复位以及下载电路晶振电路由C1与C2和晶振组成，晶振给单片机提供工作信号脉冲。晶振的速率决定单片机的工作速率，C1与C2电容为10pF-50pF的瓷片电容，接在晶振的两引脚处，作用是削减偕波对电路的稳定性的影响。复位电路采取的方式为手动按键复位电路，由电解电容、电阻R1和纽扣按键组成。复位电路的原理是：当单片机的复位引脚RESET出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。每次复位后，单片机的程序都会从第一条开始从新执行。需要注意的是：复位电容必须是电解电容，注意不要能接反。下载电路：图中所显示的是下载端口的接法，该端口与单片机是通过三个数据线通信的，三个数据端口分别接单片机的P1.5，P1.6，P1.7。还有一个接口是接单片机的RESET，用于擦写程序。下载器的主控芯片为PDIUSBD12，主控电路为一个固定模块，该USB接口适合于高速数据采集系统与主机进行数据通信，同时，也为便携式系统提供了方便、快捷和可靠的接口解决方案，由于比较复杂，所以这里不作详细介绍。表5 单片机小系统电路元器件参数器件名参数数量4.2 电机驱动电路该驱动电路如图4.4所示，驱动芯片为LN298，驱动芯片的4脚为动力电源接+12V电压，9脚为逻辑电源接+5V电压，D7、D8、D9、D10二极管起泄流保护作用，步进电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，因此需要泄流，反接几个二极管即可完成此功能。J4四个插针是连接到步进电机的输入电极，控制步进电机的正反转。为了防止步进电机的瞬间电路过大而烧坏单片机，我使用了四个光耦来作隔离。在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单、低成本的方式。光耦接+5V电压，光耦的输入信号来自单片机的P2.0-P2.3。图中U1、U2、U3、U4为隔离光耦，U5、U6为备用光耦。电路还设置了发光二极管作为指示光耦的运行情况。图4.4 电机驱动电路4.3 液晶显示电路图4.5 液晶显示电路显示电路如图4.5所示，电路中显示采用LCD1602液晶显示器，数据端口DB0DB7接单片机P0口，使能端E脚接P2.5脚，高电平有效。R/为读写端，高电平时为读操作，低电平为写操作。RS为寄存器选择接单片机的P2.7，高电平时选择数据寄存器,低电平时选择指令寄存器。接P2.6端口滑动电阻RP1（可调范围是：050K）是用于改变VO口的电压，调节液晶显示的对比度和亮度。15脚为背光正极，16脚为背光负极，为了防止出现“鬼影”现象，15脚接正极，16脚接地。4.4 4*4矩阵键盘电路按键电路如图4.6所示。按键接单片机的P1端口，其中行接低四位，列接高四位。按键调用时，先给高四位的电平与0xf0相与，若没有有键按下就会返回0xf0值，若有键按下就可以得到按键响应所在的列，若然后逐次对列进行扫描，判断出所在的列侯就可以判断出按键响应值。图4.6 4*4矩阵按键电路4.5 定位平层电路定位平层电路由激光二极管与冠名电阻组成的检测电路，通过将检测来的信号传输到LM339比较电路，与参考电压进行比较最后得到了一个逻辑电平（1或0），再通过单片机来处理，判断轿厢所在位置，电梯模型中，光敏电阻装置在竖井上，并对应每个楼层位置上，激光二极管装置在轿厢外部边缘，通过测量，使激光二极管与光敏电阻对位时，刚好到达一个楼层。其原理图如图4.7所示。其中+VCC为5V电压。由于LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，所以在使用的时候，输出端到正电源之间须接一个电阻（称为上拉电阻，阻值范围：315K）。当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值，所以选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值，图中其中R2为上拉电阻，根据实际情况，R1值为10K。R3为光敏电阻（为了让光敏电阻不受外部光源的影响，制作时候，需要加个黑色的塑胶套）。当有光照射的情况下R3=268，无光照射的情况下R3=180K。R2为分压电阻，阻值为10K。R6为激光二极管，当激光二级管照射到R3的表面时，表明到达一个楼层，R3阻值达到最低为268，7脚电压=5*268/10000=0.134(V)；当激光二级管没有照射到R3的表面时，表明在楼层的其他位置，R3阻值达到最大为180K，7脚电压=5*180000/19000=4.737(V)。参考电压，所以输出高电平。6脚为参考电压值，当大于6脚时，比较器输出高电平，反之输出低电平。图4.7 定位平层电路4.6 楼层提示及声光报警电路楼层提示电路非常简单，由几个发光二极管组成，如图4.8所示。其中R3、R4、R5、R6、R12、R13、R14、R15电阻为限流电阻，它们的阻值均为10K，保护发光二极管，防止电流过大烧坏发光二极管。每个楼层均有两个发光二极管。发光二极管是用于提示楼层所在的方位，由P3.0P3.3接口控制亮灭。例如：当轿厢在二楼时，三楼的两个发光二极管，其中表示方位为上的二极管灭，表示方位为下的二极管亮。其他楼层原理也相同。声光报警电路由一个蜂鸣器与一个发光二极管组成，其原理图如图4.9所示。蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，若直接接单片机很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管Q1来增加通过蜂鸣器的电流。蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P2.4管脚，当P2.4管脚为低时，三极管导通，发光二极管亮，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P2.4管脚为高时，三极管截止，发光二极管灭，蜂鸣器不发出声音。蜂鸣器的声音大小及音调可以通过调整P2.4管脚的置高时间进行控制。 图4.8 外部楼层提示电路 图4.9 声光报警电路4.7 电源电路电源是各个模块工作的能量，各个模块工作电压不尽相同，而且提供合适的电压值才能使各个模块工作在最稳定的状态。单片机、蜂鸣器以及LN298驱动电路需要5V供电，步进电机需要9V和12V供电。因此需要做能提供5V、9V、12V的电源。首先用变压器将市电降到24V，再引三路分别接到有整流、滤波、稳压的电路中，即可得到直流5V、8V、12V电源。电路原理图如图4.10所示。 图4.10 电源电路5 软件设计本系统是以单片机的高级语言C语言来进行软件设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。软件设计有两种方法：一种是自上而下，逐步细化；一种是自下而上，先设计出每一个具体的模块（子程序），然后再慢慢扩大，最后组成一个系统。在本设计中我用自下而上的设计方法。本设计的主程序总共调用了4个子程序，分别是液晶显示程序、键盘扫描程序、楼层检测程序、步进电机方向及速度变换子程序、楼层提示及报警程序。在实际应用中，若电梯处于闲置状态时，也就是说只有一人用电梯，电梯仅响应一个呼叫，这个软件实现就比较容易。但是，对于多层楼层的实际情况往往比这复杂的多，要考虑到很多人同时使用电梯的情况，有可能会有其他不同楼层的人按下不同的按键（上行或者下行）的情况发生。所以得为电梯设定好一个不会发生混乱的的优先级规则，让系统根据遵循这一优先规则，这个规则也是本设计最大的一个难点。本设计中我设定的规则是：当电梯向上运行时，优先处理向上的召唤，对应向下运行的召唤先用寄存器存储，当电梯向上运行到达一个楼层时，先检测寄存器里面的召唤，若没有向上的召唤时，则可以运行向下的召唤。当电梯正在运行到某一楼层的过程中，为了更好的实现电梯的速度变换，减小电梯制作的成本，若此时有途中要经过的楼层有召唤时，也要等到完成正在执行的响应否再执行。并且，若在上行过程中，也有人在某层按的是上行按键，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。向下运行时，召唤的优先级与向上的同理，这里不再累赘。主流程框图如图5.1所示。由AT89S51单片机为控制核心，先执行液晶显示的初始化程序，就开中断，每隔10ms扫描一次按键及楼层楼层检测模块，看是否有召唤和轿厢所在位置，若有召唤则读取寄存器寄存的召唤数据，然后调用速度变换子程序，当检测到轿厢状态（位置及运动状态）有变化时，刷新显示内容。系统的各个子程序分别在以下章节作详细介绍。 开始 初始化 液晶显示 扫描按键 楼层检测 速度变换程序 图5.1 主控流程图5.1 液晶显示模块液晶显示子程序流程图如图5.2所示。 返回程序入口是否判断是否完成显示初始化写入显示设置命令延时1ms写入显示数据检测忙信号延时1ms否是判断E=1？ 获得显示地址图5.2 显示流程图LCD1602在接口方面，有 8 条数据，三条控线。与微处理器或微控制相连,通过送入数据和指令，使模块正常工作，其中8调数据线接单片机的P0端口，寄存器选择控制线接P2.7端口，读数据。如流程图5.2所示，LCD1602的显示实现需要通过四个过程：检测忙碌阶段，写入指令阶段，读取数据阶段，写数据阶段。软件编程中，关于这四个过程的子程序，我直接调用过来的。显示前进行初始化，即复位过程，分为四个阶段：不检测忙碌状态（指令：0x38）；开显示屏（指令：0x0c)；光标移动设置（指令：0x06）;刷新屏（指令：0x01）。源程序如下：#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P27;/寄存器选择端接单片机的P2.7口sbit rw=P26;/读写端接单片机的P2.6口 sbit lcden=P25;/使能端接单片机的P2.5口uchar code table=Direction: $ ;/显示初始化uchar table1=Location: 1 ;bit lcd_bz() /测试LCD忙碌状态 bit result; rs = 0; rw = 1; lcden = 1;/忙标志和地址计数器读出 DelayMs(5); result = (bit)(P0 & 0x80);/将P0数据初始化 lcden = 0; return result;void write_com(uchar com) /写指令 while(lcd_bz();/检测忙状态rs=0; rw=0; lcden=0;/指令寄存器写入P0=com;DelayMs(5);lcden=1;DelayMs(5);lcden=0; void write_date(uchar date) /写数据 while(lcd_bz();rs=1; rw=0; lcden=0;/数据寄存器写入P0=date;DelayMs(5);lcden=1;DelayMs(5);lcden