基于单片机的电梯制作

1、山东科技大学2012届本科毕业论文基于单片机的电梯制作 论文作者姓名： 张强 所 学 专 业： 自动化 目 录前言第一章 绪 论11.1 课题来源11.2 课题背景11.3 国内外在该方向的研究现状及分析21.4 使用的开发平台2第二章 控制方案的选取32.1 控制芯片的选取32.2 楼层检测装置的选取32.3 楼层显示装置的选取42.4 紧急报警装置的选取52.5 电动机的选取52.6 电机驱动电路的选取5第三章 硬件设计73.1 硬件模块设计框图73.2 电梯模型搭建图73.3 单片机最小系统介绍83.4 各模块的设计93.4.1 键盘模块93.4.2 电源模块103.4.3 位置检测模块

2、103.4.4 电机驱动模块113.4.5 按键显示模块133.4.6 电梯紧急报警模块143.4.7 数码管显示模块14第四章 软件设计154.1 电梯程序流程图154.2 电梯主程序164.3 键盘扫描请求指令164.4 电梯应答中断服务164.5 紧急报警和演示16结 论17参考文献18附录一 管脚说明19附录二 程序代码20附录三 系统PCB图31前 言 电梯在高层建筑中几乎是必不可少的，它将大楼的各层连接在一起，极大的方便了人们的出行，可以说电梯已经是现代物质文明的一个象征，它使得我们的出行更加方便。 但是实际了解电梯构造特别是控制构造方面的人却少之又少。本设计研究了电梯控制的过程，

3、详细了阐述了元器件的选取、搭建和软件设计过程。本文以STC89S52芯片为核心，结合一些外围电路如：红外线收发电路、按键扫描电路、电机驱动电路等。每一层都被安置了一对红外收发装置，它可以被用来检测电梯是否到达这一层。按键扫描电路为4x4样式，为了节约IO端口并使得操作方便，我们将楼梯内的呼叫按键和楼外的呼叫按键都结合在一起，再配上开启、紧急停止、一键演示按键。电机驱动电路采用L298N驱动模块，关于该驱动模块在本文中有详细介绍。5层电梯的控制过程基本可以被模拟出来。 关键词：STC89S52；电机驱动电路；4x4键盘；红外线收装置； 第一章 绪 论 电梯在当今社会已经是司空见惯，但是如果了解电

4、梯的发展史，我们可以看到电梯也是在不断发展的，人们对电梯控制的研究从来没有间断过，对电梯功能的集成从来没有停止过。可见电梯的控制研究始终是个很好的前景，所以我们用微型计算机来模拟电梯控制是符合时代发展要求的，可以让我们对电梯有更深入的了解，激发我们来探究电梯的运行过程，为电梯的发展提供宝贵意见。 1.1 课题来源 选题来源于自选课题。1.2 课题背景 随着社会和科技的进步，微型计算控制领域也会不断的发展，未来电梯的形状和功能也会发生翻天覆地的变化，比如电梯结构更加轻盈，采用更好的功能材料来搭建，集成的功能和人性化体现会越来越强，另外控制理论的研究也不会停滞，更好的电梯控制方法会被采用，更加安全

5、、可靠和有效的电梯控制技术会诞生。在电路集成度越来越高的今天，集成电路的运用会更密集的集成到电梯中，电梯会越来越智能化。 本次设计采用微机控制方法，即应用一片单片机作为控制核心，然后结合一些外围电路。电梯系统本是一个相对复杂的系统，要完全实现所有现实中的功能对于单片机而言无法实现，但我们是要模拟电梯的运行过程即可，所以只需要实现了一些基本的功能例如：楼层呼叫、自动停层并开关门、电梯对呼叫的逻辑判断、楼层数的实时显示、电梯运行状态的实时显示等。控制单片机输出电压改变还是比较容易的，各个模块与单片机链接，在程序驱动下就可以实现电梯按要求的运转。本文设计了五层电梯，选用的是51单片机（具体的是STC

6、89S52芯片）作为控制中心，系统的研究了微型计算机控制电梯运行的方法，使我们对电梯的发展前景，电梯的控制本质有了更深入的了解，所以我们研究了如何实现对电梯的控制以及控制的硬件组成并解决了遇到的各种问题。1.3 国内外在该方向的研究现状及分析 电梯作为高层建筑的运输工具，与高层建筑的发展是一脉相承的。在高楼大厦到处拔地而起的今天，如果没有电梯这样的垂直运输工具，很难想象人们如何从底层爬到最高层，所以电梯是现代文明的象征之一。电梯是一种非常快捷轻便的运输工具，它占地面积小，使用简单方便，而且可靠性高，又有专人负责维护。对于人和货物的运输其作用显而易见。所以才能得到了越来越大的重视，在电梯发展至今

7、的150年里，电梯经历了数次较大的改变，但是时代是发展的，今天电梯的发展也要与时俱进的。电梯是高层运输间的枢纽，可以看作是城市大楼的连接通道，阿联酋迪拜塔，简称迪拜塔，为当前世界第一高楼与人工构造物，大厦内设有56部升降机，速度最高达17.4米/秒，另外还有双层的观光升降机，每次最多可载42人，在此之前没有一座建筑能修那么高9。因此人们不得不开发能适应这种高度的新型电梯。由此可见电梯的发展也是需要跟上时代的。电梯的的材质在最开始的电梯还是木质的，现如今高楼大厦里面都是金属电梯。颜色最早以前是黑白，现如今装饰得璀璨夺目。发明初期，电梯还是人工和半自动的控制，现在与计算机整合在一起，只需要在监控室

8、之内即可操纵电梯，并实时检测电梯运行状态。一些新的控制方法，例如电梯群控，智能化感应控制也相继诞生。现在电梯控制已经和一些高新设备相结合，越来越先进和方便。电梯控制会向着高集成度、智能化、无线传输控制的方向发展，人们对电梯的研究是永无止境的，电梯会不断发展向前。1.4 使用的开发平台 开发工具Altium Designer、Proteus。第二章 控制方案的选取 电梯根据据用途、使用条件、使用环境的不同可以分为很多种，每种又可以有不同的控制方法，虽然系统有多种不同的控制方案，但是控制效果基本类似，实现起来的成本与维护管理的便捷性却不一样，因此研究出一套适合本系统的控制方案是很有必要的，这使我们

9、可以对系统的整体做一个全局性的掌握，使得系统设计起来有条有理，更加的科学合理。而且只有控制方案选定好了才可以进行下一步的硬件和软件设计，考虑到实际因素，并结合一些相关资料，在软硬件的设计前先进行了系统控制方案的设计和研究。2.1 控制芯片的选取 本设计采用一片单片机加外围电路的控制方案。本设计采用一片单片机控制按键的响应，楼层数码管显示、红外对管信号传输、电动机的启转与否等，并对所有信号进行统一处理，并完成各自设定的功能。其他的控制方案例如：CPLD控制、多片单片机控制。对于CPLD控制，需要有较强的专业知识，且需要的设备我们无法满足，并且也不符合经济适当原则。对于多片单片机控制，就是各个模块

10、都有自己的控制芯片，最后让各个单片机之间进行通信，从而实现控制，但是都采用通信会造成信号不稳定，控制效果没理想的好。 综上所述，本设计采用一片单片机控制方案，虽然此方案只适用于较简单的电梯控制系统，但由于本设计为5层电梯模型，所以采用此方案是非常适宜的。单片机技术目前比较成熟，自身I/0接口也较为丰富，对其硬件设计相对简单，同时成本较低，可靠性较高。2.2 楼层检测装置的选取 楼层检测就是检测电梯当前到达的楼层数。此处有2中方案，一种是红外线收发装置，另一种是超声波检测装置。对于超声波检测装置，其一般用在对距离的检测，距离不同接受信号的强度不同而不是直接使电平置1或置0。对于红外线收发装置，其

11、体积小、安装方便，可以检测有无障碍物，并相应的改变电平。综上所述，本设计采用红外线收发装置。我们可以在电梯井的各个楼层都安置红外线收发装置。根据红外发射对管对有无障碍物时其输出电平的改变，作为检测轿厢是否经过。红外对管中发射管发射的红外线，一旦碰到轿厢，接收管就有反馈信号，信号可以引起电平变化，就可以作为轿厢运行位置的标志。2.3 楼层显示装置的选取 要显示楼层可以采用传统的LED数码管显示，也有其它的显示方式例如：段式液晶显示。对于LED数码管，其一般由8段发光二极管组成而成，其呈“8”字形。LED数码管内部接线已经完成，并且分为共阴极和共阳极，有公共接地端。通过控制各端口的电平，可以点亮对

12、应的二极管，从而得到想要的数字或字母。对于段式液晶，其采用交流驱动，液晶中每一位上的电压在正负电场间是不断变化的。一旦采用直流供电，液晶屏轻则老化，重则损坏死。综上所述，本设计由于是直流供电，所以采用LED数码管显示。并且为了节省端口，采用了CD4511芯片驱动共阴极数码管。图2-1 4511引脚其中LT是灯测试，LE是数据锁定，BI是输出消隐，其他为电源端、接地端、输入输出端。正常使用时，置LT和BI为高电平，置LE为低电平。2.4 紧急报警装置的选取 可以选取的发声器件很多，由于模型较小，考虑到空间和经济等因素，直接选用蜂鸣器。其响度足够，完全满足本设计的要求。一般情况下蜂鸣器可以作为电梯

13、开门的信号，表示呼叫的楼层已经到达。特殊情况下作为紧急报警信号，其软件驱动简单，硬件电路调试方便，作为紧急报警装置非常适宜。2.5 电动机的选取 作为电梯运行的执行器件，有交流电机和直流电机，由于是小型系统本设计直接选用直流电机。直流电机中有步进电动机或普通直流电动机，本设计要求带动较大负载，有较高的起动转矩，对电梯没有精确定位的要求，所以采用直流电机。 2.6 电机驱动电路的选取 常见的H桥驱动电路即可满足要求，其驱动电路如下：图2-2 H桥开关电路要使电机转动，H桥对角线上的一对三极管必须导通，另一对三极管必须截止。想改变转向，则导通与截止的三极管反转。例如A和D导通正转，那么B和C导通反

14、转。实际硬件将采用L298N驱动模板，该驱动模板包含了2个H桥驱动电路，我们使用其中一个。端口A，B可以通过输入PWM脉冲实现调速控制，不需要调速就将A,B接+5V，这样可以直接控制电机正反转。L298N芯片端口如下：图2-3 L298N端口其控制过程如下： （1）只用到一个电机控制，所以用到IN1，IN2，ISENA控制端口。 （2）ISENA是使能端，要想电机转动，需接高电平。 (3) IN1，IN2中必须一个为高电平，另一个低电平，此时电机才会向一边转动。          第三章 硬件设计 本设计采用STC

15、89C52作为控制核心，通过红外线收发装置检测轿厢位置，并用数码管显示楼层。采用4X4的键盘作为用户呼叫和其他功能，通过按键是否按下，进行响应的应答，并控制动机完成相应运转，从而到达设定楼层，并且灯亮，表示开门，并延迟几秒，然后等灭，表示关门。3.1 硬件模块设计框图图3-1 总体框图整个电梯模型分为电机驱动模块、LED数码管显示模块、紧急报警模块、稳压电源模块、键盘输入模块。所有模块均通过单片机进行统一控制。 3.2 电梯模型搭建图 该电梯模型由6块板子搭建而成，在最上面放上直流电机M和单片机住控制板，每10cm设置为楼层的一层，并放置相应楼层检测装置，在单片机的控制下完成电梯楼层显示，并可

16、以控制电机拖拽轿厢J到呼叫楼层。每一层还有指示灯可以指示电梯开关门，并且上升下降都可显示。图3-2 电梯模型3.3 单片机最小系统介绍单片机最小系统即是使单片能够正常工作的最小组成，一般包括复位开关、晶振、电源几部分。单片机最小系统的原理图如下：图3-3 单片机最小系统3.4 各模块的设计 电梯系统的整体运转功能是由各模块的组合完成，是各模块协调才构成电梯总体，因此对电梯系统进行模块化设计，这样结构清晰，系统维护也方便，采用模块化的思想对于如何构建一个较大的系统是大有益处的。3.4.1 键盘模块为了节省单片机的I/O口，并且方便控制，故选用行列式键盘矩阵，键盘连接单片机的P3.1-P3.7端口

17、，单片机采用行列扫描法来判断矩阵键盘中哪些键按下，因为每个按键都对应了一个功能或请求，所以单片机可以根据具体的按键按下与否来响应相关请求，并控制电梯完成相关的运行。键盘矩阵电路设计如下：图3-4 矩阵键盘S13:电梯内1楼；S9：电梯内2楼；S5：电梯内3楼；S1：电梯内4楼；S14：电梯内2楼上；S10：电梯外3楼上；S6：电梯外4楼上；S2：电梯内5楼；S15：电梯外2楼下；S11：电梯外3楼下；S7：电梯外4楼下；S3：电梯外5楼下；S16：电梯外一楼上；S4：演示功能按键；S8：紧急停止按键；S12：电梯启动按键；按照以上设定好的功能，如按下对应按钮，单片机就知道用户命令，从而可以进入

18、电梯逻辑判断程序，完成相关操作。3.4.2 电源模块本系统采用L7812提供+12V电压，L7805提供+5V电压，引出2个电压输出口对各部分供电，由于其体积小、成本低、性能好、工作可靠，应用较为普及。其原理图如下所示：图3-5 稳压电源原理图3.4.3 位置检测模块 在电梯井各个楼层设置红外对管，红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置时，红外线接收头根据反射输出变化，检测电梯轿厢所在位置。图3-6 红外对管和楼层检测电路原理图 只要在红外对管前插入对红外光有反射作用的物质，图示的输出端口“P1.0”的电平立即从高变成低。所以该红外线发射对管可以作为一种非常好的无触点信号源位置检测，

19、即可以检测电梯是否经过。3.4.4 电机驱动模块本模块采用L298N电机驱动板驱动直流电机,该模板可以同时驱动2个直流电动机也可以驱动步进电动机。对于直流电动机的驱动，L298N驱动直流电机内部采用的任然是H桥驱动，通过将2个H桥式驱动电路集成在芯片上，可以实现对2个电机的驱动，该驱动模板结构简单，安全稳定可靠，经济性较高，顾采用L298N作为直流驱动电路是非常适宜的。电路的连接图如下所示：34 图3-7 L298N各端口的连接 该模块使用单片机的3个端口，P2.5-P2.7,分别控制电动机的正反转和使能端。由于只需一个电机，所以按图所示，将会用到IN1,IN2,ISENA这3个对应端口，其它

20、相关端口完成接地与+5V电压的连接。 电梯上升下降均有相应的指示灯可以显示出来，需要使用单片机的P1.5-P1.7端口，其中P1.7是使能端，控制电机运转与否，高电平有效。P1.5和P1.6是控制电机的正反转。指示灯原理图如下：图3-8 电机运行指示灯3.4.5 按键显示模块 这里需要用到74HC573锁存器，当锁存使能端LE为高时，该器件的锁存对于数据是透明的，即输出数据和输入数据一样。当锁存使能端LE为低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存8。我们考虑到单片机IO端口是有限的，所以为了节省资源，可以采用该锁存器。我们将P3口作为通过锁存功能复用。P3口既用作矩阵键盘使用，又能作为楼层呼

21、叫提示。其功能表如下：图3-9 74HC573功能表 电路原理图如下： 图3-10 按键指示灯原理图 3.4.6 电梯紧急报警模块 轿厢内设紧急报警按键，当电梯发生故障使内部的人员被困，通过按下紧急报警按键，电梯会立刻清除所有的呼叫信号，直接运行至一楼，到达后蜂鸣器一直报警，提醒有人被困或需要等待救援，等待专业人士人排除故障，解除危机之后，紧急报警器才能被停下，之后电梯才可以重新恢复运行，又可以响应各楼层的呼叫信号。其中蜂鸣器报警装置原理图如下：图3-11 蜂鸣器3.4.7 数码管显示模块本次设计中数码管的各端口不是直接连接单片机上，为了节省单片机的IO口，我们使用一片CD4511芯片来驱动共

22、阴极数码管。这样更加合理，也使得驱动起来更加便捷。其驱动原理图如下：图3-12 数码管驱动电路第四章 软件设计 本系统采用键盘矩阵代替内外呼叫按键，电梯的运行方向是根据这些呼叫按键来决定的，所以单片机需要不断的扫描键盘来获取呼叫状态，从而控制电梯的运行。所以键盘矩阵扫描在软件设计中比较重要，另外键盘扫描到的各层的按键信息需要存储起来，并和电梯当前运行状态进行比较，判断是否响应某层呼叫，电梯到达目的楼层后电机此时停转，完成开关门并等待乘客出入，乘客进入电梯可以选择去哪一层，然后电梯判断运行流程。在电梯上升过程中只响应上升呼叫，在下降过程中只响应下降呼叫。 本系统采用模块化的设计方法，一个主程序，

23、多个子程序，通过调用不同的子程序完成不同的功能，这样设计方便，简洁明了，也便于调试。突出了单片机对电梯的智能化控制，将个模块结合起来完成对电梯的控制。4.1 电梯程序流程图图4-1 流程图4.2 电梯主程序 根据电梯控制要求，主程序需要完成如下功能： （1）：初始化使数码管显示“1”或者“F”。表示楼层停在一楼，等待乘客进入。 （2）：根据进入乘客的选择判断去那一层，到达后停止。 （3）：电梯运行过程中要不断的扫描矩阵键盘，以此判断电梯此时的运行逻辑。 （4）：电梯到达某一楼层后，要有延时功能，表示开关门。 （5）：电梯设置了紧急报警按键，一键演示按键，电梯启动按键。4.3 键盘扫描请求指令单

24、片机不断扫描4x4的矩阵键盘，看是否有楼层呼叫，并根据电梯当前的运行方向和状态判断如何应答。键盘扫描采用行列扫描法，P3.0-P3.4为列，P3.4-P3.7为行，首先将置高电位，行置低点位，根据列电位是否变低判断有无按下。然后行电位依次置低，键盘依次扫描判断具体哪一行，哪一列的那个键按下，最后根据按键的功能完成响应。4.4 电梯应答中断服务本设计采用单片机开关中断来响应按键。开始电梯停于某一楼层，然后根据按键检测呼叫楼层，并判断是上升呼叫还是下降呼叫。如果上升和下降呼叫都不止一个，那么按从小到大排列上升呼叫，称为上升队列。按从大到小排列下降呼叫，称为下降队列。检测电梯当前运动方向，如果向上，

25、则屏蔽下降呼叫，只响应上升呼叫，当电梯完成上升队列，看是否有下降呼叫，有则转去执行下降队列。如果电梯向下，则屏蔽上升呼叫，只响应下降呼叫，当电梯完成下降队列，看是否有上身呼叫，有则转去执行上升队列。执行完毕，电梯停于某层，并呼叫等待。4.5 紧急报警和演示紧急报警程序启动则屏蔽所有的上升下降呼叫，电梯直接运行至1楼，并发出警报，这是考虑了实际的突发事件。演示功能即让电梯从1楼连续运行至5楼，接着从5楼连续运行至1楼，作为演示功能，判断电梯运行状况和数码管显示是否良好。结 论 本次设计的电梯5层基本可以完成开关门提醒、楼层呼叫请求、识别上升下降、呼叫楼层灯亮提示。这些实现了实际电梯中的大部分功能

26、，对于实际电梯的运行模拟具有一定的借鉴意义，但对于实际电梯的模拟人有一定差距。限于水平有限，无法实现类似与人脸识别进入电梯或电梯中实时传输电视新闻的功能，但是从中我们看到了电梯发展的前景和电梯功能拓展的强大性。 该设计也存在很多需要改进的地方： （1）没有增加与微机相连的端口，不能实现更加先进的联网控制，这是未来的一个发展趋势，对于群控电梯具有实际意义。 （2）不具备重力检测装置、摄像检测装置、人员人数检测装置等，这些也是实际意义较强。 （3）对电梯的速度控制，人流量智能化运行方向控制等方面都不能实现，这些在未来因该是会实现的。 随着科技的进步，电梯技术的发展也会不断进步与完善的，更好的电梯控

27、制技术和设备会随之出现，但是单片机对于微机的控制始终具有重要的意义，所以重视单片机技术是非常有必要的。参考文献1 谭浩强 C程序设计(第四版) M 清华大学出版社，2010.2 张毅刚，彭喜元 单片机原理与应用设计 M，电子工业出版社，2008.3 李华主. MCS-5系列单片机实用接口技术 M，北京 北京航天航空出版社，2003.4 李惠昇 电梯控制技术 M 北京 北京机械工业出版社，2003.5 郭天祥 51单片机c语言教程 M 电子工业出版社，2009.6 徐琦；周洁 关于电梯的计算J 武汉勘察设计 2012,3,56-58. 789附录一 管脚说明（1）P0_0P0_4 楼层检测状态即

28、红外收发传感器。（2）P0_6 74HC573片选位。（3）P0_7 蜂鸣器。（4）P1_0P1_4 桥厢内部按键指示灯。（5）P1_5P1_6 电梯行驶方向灯。（6）P1_7 桥厢开关门状态灯。（7）P2_0P2_3 楼层显示数码管。（8）P2_5P2_7 直流电机，控制正反转的两端和使能端。（9）P3_0P3_7 矩阵键盘（5个桥厢内部按键，8个桥厢外部按键，启动、停止、演示各一个）。（10）P3（74HC573复用功能）桥厢外部按键指示灯8个。附录二 程序代码void lift_up(uchar of)/电梯上升函数 unsigned char i;lift_direction=0; w

29、hile(cf!=of) cheek(); shang=1; xia=0; EN=1; lift_direction=2;void lift_up(uchar of)/电梯下降函数 unsigned char i;lift_direction=1; while(cf!=of) cheek(); shang=0; xia=1; EN=1; lift_direction=2;void getinput()/获得输入信息if(0x14=0)/ 1上 request+；request_listrequest=1;flagrequest=0;return;if(0x12=0)/2上request+;re

30、quest_listrequest=2;flagrequest=0;return;if(0x13=0)/2下request+;request_listrequest=2;flagrequest=0;return;if(0x22=0)/3上request+;request_listrequest=3;flagrequest=0;return;if(0x23=0)/3下request+;request_listrequest=3;flagrequest=1;return;if(0x32=0)/4上request+;request_listrequest=4;flagrequest=0;return

31、;if(0x33=0)/4下request+;request_listrequest=4;flagrequest=1;return;if(0x43=0)/5下request+;request_listrequest=5;flagrequest=1;return;if(0x11=0)/内1request+;request_listrequest=1;flagrequest=2;return;if(0x21=0)/内2request+;request_listrequest=2;flagrequest=2;return;if(0x31=0)/内3request+;request_listreque

32、st=1;flagrequest=2;return;if(0x41=0)/内4request+;request_listrequest=2;flagrequest=2;return;if(0x42=0)/内5request+;request_listrequest=5;flagrequest=2;return;void request_answer()/电梯服务应答机制uchar i,j,temp;cheek(); for(i=0;i<=request;i+) ai=request_listi; for(i=0;i<=request;i+) bi=flagi; if(request

33、=-1) return;else if(request=0)if(cf<request_list0)lift_up(request_list0);request_clear;open();return; else if(cf>request_list0)lift_down(request_list0);request_clear();open();return;else if(cf=request_list0)request-;request_list0=0;request_clear();open;return; else if(lift_direction=0)/电梯上升 fo

34、r(i=0;i<request;i+)for(j=i+1;j<=request;j+)if(request_listj<request_listi&&request_listj>cf&&flagj!=1) /该呼叫要在电梯间以上,非下呼叫temp=request_listj;request_listj=request_listi;request_listi=temp;temp=flagj;flagj=flagi;flagi=temp; for(i=0;i<10;i+) if(flagi!=1) lift_uprequesti; op

35、en_door(); for(i=0;i<request;i+)for(j=i+1;j<=request;j+)if(aj>ai&&aj<cf&&bj!=0) /向上呼叫完成，现在响应向下的呼叫temp=aj;aj=ai;ai=temp;temp=bj;bj=bi;bi=temp; for(i=0;i<10;i+) if(i!=0) for(i=0;i<request;i+)for(j=i+1;j<=request;j+)if(request_listj>request_listi&&request

36、_listj<cf&&flagj!=0) /该呼叫要在电梯间以下,非上呼叫temp=request_listj;request_listj=request_listi;request_listi=temp;temp=flagj;flagj=flagi;flagi=temp; for(i=0;i<10;i+) if(flagi!=0) lift_downrequesti; for(i=0;i<request;i+)for(j=i+1;j<=request;j+)if(aj<ai&&aj>cf&&bj!=1) /向下呼叫完成，开始响应向上的呼叫temp=aj;aj=ai;ai=tem