基于ARM的电梯控制系统设计

1、摘要伴随建筑业的发展,电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备，更是一种工作和生活中的必需设备，完全可以预想到，随着社会的发展，电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样，成为重要的运输设备之一。 电梯控制系统是电梯技术的核心，它将电梯的各机械部件有机的组合起来，实现了电梯复杂的功能与稳定有效的运行。随着电子技术日新月异的发展，电梯控制系统经历了继电器控制、可编程逻辑控制(PLC) ,智能微机控制的发展历程。本文的电梯控制系统是基于ARM技术的四层电梯控制系统，该控制系统采用有齿轮拽引小电机，由于只为初级电梯模型研究，对电梯运行速度的掌控精度要求不高，故采用继电器控制电机的正反转，无速度控制实

2、现。关键词:电梯控制系统、ARM。目录第1章系统的总体方案设计41.1 拽引电机控制模块41.1.1 H桥控制41.1.2 继电器控制51.2 位置开关模块61.2.1 位移传感器控制61.2.2 槽型光电传感器控制71.3 电源模块8第2章系统硬件模块概述82.1EasyARM2103及LPC2103简介82.1.1EasyARM2103 开发板硬件结构10定时器中断控制102.2继电器简介112.378系列稳压管简介11第3章系统具体设计概述133.1 输入输出接口电路设计133.2 系统硬件仿真设计143.3 系统软件设计15第 4 章系统性能测试154.1系统功能仿真测试164.2按键

3、功能实现测试164.3光感位置控制实现测试164.4拽引电机功能测试17总结17附录A18第1章 系统的总体方案设计 本课程实践采用EasyARM2103控制整个模型的运转，实现电梯模型的基本智能控制。其中有梯内请求、梯外呼叫、电梯位置控制、显示模块、拽引电机模块等几部分组成。系统总体设计原理框图，如图1.1所示。图1.1 系统结构框图电梯控制系统的核心部件是ARM板，它是整个系统的主控制器。主控制器采集到轿厢控制器和楼层控制器发出的外呼、内选等呼梯请求后，按照程序指定的电梯控制策略，对信号进行处理，向门机发出相关控制指令，将电梯派往相应楼层，实现电梯轿厢的垂直运动控制。同时主控制器还要根据井

4、道位置开关判断当前电梯的位置。1.1 拽引电机控制模块1.1.1 H桥控制 经过讨论与思考，搜集资料以及指导老师的推荐，我们首先想到H桥控制电机的正反转。通过控制Port1和Port2的高低电平来控制输出端的平均输出电压，实现调速功能。具体功能实现图如图1.2所示。图1.2 H桥控制电机可调速运转实现电路图电路分析：输入与电平转换部分  输入信号线由Port引入，Port1脚是电机方向信号输入端，Port2脚是PWM信号输入端，Port3脚是地线。Port3脚对地连接了一个2k的电阻。当驱动板与ARM板分别供电时，这个电阻可以提供信号电流的通路。当驱动板与ARM板共用一组电源时，此电

5、阻可防止大电流沿着连线流入ARM主板的地线造成干扰。或者说，相当于把驱动板的地线与ARM板的地线隔开，实现“一点接地”。电容C1防止电机突然启动造成电压的突降。    与非门U1A实现PWM信号与电机方向信号的调制，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。三极管驱动部分    三极管和电阻、二极管组成的电路驱动，实现对直流电机可调速正反转驱动。四个二极管起保护三极管的作用，防止感性元件(电机)产生的负感应电动势对三极管的冲击。    当74LS00输出端为低电平时，Q2、Q4截止，Q1、Q3导通，输出为高电

6、平。当74LS00输出端为高电平时，Q2、Q4导通，Q1、Q3截止，输出为低电平。性能指标    电源电压1530v，最大持续输出电流500mA每个电机，短时间(10秒)可以达到700mA，PWM频率最高可以用到30kHz(一般用110kHz)。1.1.2 继电器控制但是，考虑到各种因素的限制，最终采用了继电器控制方式，所用继电器控制原理图如图1.3所示。图1.3 继电器控制原理图两个继电器，分别在给正电时工作，J1得电时正转，J2得电时反转，通过控制J1、J2的得电情况来控制电机的正反转。注意：J1、J2不能同时得电，否则形成短路，电源模块将被烧坏。1.2 位置

7、开关模块1.2.1 位移传感器控制电梯中向控制系统、拖动系统提供载荷、换向、障碍、位置、速度等各种信号，把信号反馈给控制系统且使电梯平衡运行都离不开传感器。在目前的智能电 梯控制系统中，采用静磁栅位移传感器作为电梯平层控制的调整装置。 静磁栅位移传感器原理：静磁栅位移传感器由“静磁栅源”和“静磁栅尺”两部分结合使用。“静磁栅源”使用铝合金压封无源钕铁硼磁栅组成磁栅编码阵列；“静磁栅尺”用内藏嵌入式微处理器系统的特制高强度铝合金管材封装，使用开关型霍尔传感器件组成霍尔编码阵列，铝合金管材外部使用防氧化镀塑处理。“静磁栅源”沿“静磁栅尺”轴线作无接触(相对间隙宽容度和相对姿态宽容度达50mm)相对

8、运动时，由“静磁栅尺”解析出数字化位移信息，直接产生高于毫米数量级的位移量数字信号。充分发掘嵌入式微处理器的资源，将数据更新速度提高到毫秒数量级，以便能适应5m/S以下运动速度的位移响应。综合特点：² 使用寿命长：无接触检测位置及角度，避免了机械损伤，理论上无寿命极限；² 抗恶劣环境：40至100工作温度范围，连续高粉尘。泥浆。² 水下极高撞击。² 强振动工作环境；² 直接绝对型测量：直接指示位移毫米数或旋转角度数，无需换算，不怕掉电，任意定位控制；² 量程极长，分辨率适中：260毫米-2000米长度量程，分辨率0.2mm-1mm;&

9、#178; 极丰富的数据接口：4-20mA.1-5V等模拟量输出，各类串并行数据接口以及PROFIBUS等各种现场总线；² 安装维护方便：在保持适度间隙的条件下，无约束安装运行。工作原理：由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号。行程信号进行控制，而楼层和轿厢的呼叫是随机的，因此，系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控制实现电梯的基本控制要求的基础上，根据随机的输入信号，以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外，轿厢的位置是由静磁栅位移传感器确定，并送ARM的计数器来进行控制。同时，每层楼设置一个静磁栅源用于检测系统的楼层信号。1.2.2 槽型光电传感器控制 虽然静磁栅位移传

10、感器功能非常好，性能也极稳定，考虑到价格以及设计者知识水平的限制，加之此次实践本身的限制性，故采用比较常见的光电传感器，对电梯模型进行位置测定。槽型光电传感器工作原理 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。原理图如下： 图1.4光电感应器接线原理图性能参数：接线电压：1065V直流常开触点（NO）无极性防短路的输出漏电电流0.8mA电压降5V

11、注意不允许双线直流传感器的串并联连接使用槽型光电感应器，能够及时返回平层信息，对于速度较慢的电梯模型控制误差很小。1.3 电源模块 电源模块的选取很重要，不能马虎，要对所选元器件的工作性能进行考虑。由于所选继电器是12V直流电压驱动，电压低了将没有反应。直接选用电池供电不保险，也不符合设计本身的需求，故采用双线220V交流供电，易得，在经过整流和稳压，使得电压达到所需要求。考虑到可能出现的烧坏电源情况，制版时，采用双路制版，提高效率。电源模块原理图如下：图1.5 电源模块原理图图中，设计了两个一摸一样的电压模块，并非累赘，实践过程中烧坏电压的情况经常发生，为避免因此而减慢实践效率，故

12、设计了两路，防范于未然。第2章 系统硬件模块概述2.1 EasyARM2103及LPC2103简介 EasyARM2103开发板采用了NXP公司基于ARM7TDMI-S 核、LQFP48封装的 LPC2103 芯片，具有 JTAG 仿真调试功能。 开发板上提供了按键、发光二极管等常用的功能器件，具有 RS-232 接口电路和 I2C 存 储器电路。用户可以更换兼容的 CPU 进行仿真调试，如 LPC2101 和 LPC2102 等。开发板 上所有的 I/O 口全部引出，灵活的跳线组合，极大的方便用户进行32 位 ARM 嵌入式系统的开发实验。 EasyARM2103 开发板的功能特点如下： &

13、#178; 采用“底板PACK 板”的形式构成 EasyARM2103 开发套件，PACK 板的主芯片 为 LPC2103 ； ² 板上所有的功能器件与 LPC2103 的引脚可通过跳线来连接； ² 配套有详细的开发板实验教程； ² I/O 口全部引出，方便用户连接外部电路进行开发； ² 可进行 GPIO 的输入输出实验，如按键输入、发光二极管输出等； 2 按键、发光二极管分别可用于外部中断、GPIO 输出等； ² 具有 RS-232 转换电路，可与上位机进行通信，完成 UART 通信实验； ² 具有 I2C 接口和 SPI/SSP

14、接口输出； ² 提供基于 PC 的人机界面，方便调试实时时钟和串口通信等； ² 可进行外部中断实验，学习向量中断控制器（VIC ）； ² 定时器实验，如定时输出和定时器捕获等； ² 复位芯片 CAT1025，完成 I2C 总线实验； ² A/D 转换实验、WDT 看门狗实验； ² 实时时钟控制实验。 LPC2103概述： LPC2103 是一个基于支持实时仿真的 16/32 位 ARM7 TDMI-S CPU 的微控制器，并带有32kB 的嵌入高速 Flash 存储器，128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能 够在

15、最大时钟速率下运行。较小的封装和极低的功耗使 LPC2103 适用于访问控制器和 POS 机等小型应用系统中；由于内置了宽范围的串行通信接口（2 个 UART 、SPI、SSP 和 2 个 I2C ）和8KB 的片内 SRAM，LPC2103 也适合用在通信网关和协议转换器中。32/16 位定时器、增强型 10 位 ADC 、定时器输出匹配PWM 特性、多达 13个边沿、电平触发的外部中断、32 条高速GPIO，使得LPC2103微控制器特别适用于工业控制和医疗系统中。LPC2103特性：² 16/32 位 ARM7 TDMI-S 微控制器，超小 LQFP48 封装； ²

16、8KB 的片内静态RAM 和 32KB 的片内Flash 程序存储器。128 位宽度接口/加速器可实现高达 70 MHz 工作频率； ² 通过片内 boot 装载程序实现在系统/在应用编程（ISP/IAP ）。单个Flash 扇区或整片擦除时间为 100ms，256 字节编程时间为 1ms； ² 嵌入式 ICE RT 通过片内 RealMonitor 软件提供实时调试； ² 10 位 A/D 转换器提供 8 路模拟输入（每个通道的转换时间低至 2.44us ），以及特定的结果寄存器来最大限度地减少中断开销； ² 2 个 32 位定时器/外部事件计数器（带

17、 7 路捕获和 7 路比较通道）； ² 2 个 16 位定时器/外部事件计数器（带 3 路捕获和 7 路比较通道）； ² 低功耗实时时钟（RTC ）具有独立的电源和特定的32KHz 时钟输入； ² 多个串行接口，包括 2 个 UART（16C550 协议标准）、2 个高速 I2C 总线（400 Kbit/s ）、SPI 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的 SSP； ² 向量中断控制器（VIC ），可配置优先级和向量地址； ² 多达 32 个通用 I/O 口（可承受5V 电压）； ² 多达 13 个边沿、电平触发的外部中断管脚；

18、78; 通过一个可编程的片内 PLL （100us 的设置时间）可实现最大为 70MHz 的CPU 操作频率，其具有 10MHz25MHz 的输入频率； ² 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为 125MHz ； ² 低功耗模式包括空闲模式、带 RTC 的睡眠模式和掉电模式； ² 可通过个别使能/禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗； ² 通过外部中断或 RTC 将处理器从掉电模式中唤醒。 2.1.1 EasyARM2103 开发板硬件结构 EasyARM2103开发板采用“底板+PACK板”的形式构成。 图2.1 EasyARM2103开发板

19、图2.2 EasyARM2103 PACK板EasyARM2103 PACK板：与 EasyARM2103底板配套使用，含有核心控制芯片LPC2103及其必要外围电路的PACK板，实物如图2.2所示。EasyARM2103 底板：不包括核心控制芯片，具有基于LPC2103 芯片的扩展电路和外围器件的电路板。EasyARM2103 底板由电源模块，显示模块、按键电路、时钟模块、串口和JATG等六部分电路构成。2.1.2 EasyARM2103定时器中断控制 图2.3 定时器与VIC的关系2.2 继电器简介拽引电机使用继电器控制，所选用的继电器为汇港公司生产，性能稳定，质量可靠。继电器的封装图和引

20、脚图，分别如图所示。图2.5 继电器引脚图图2.4 继电器引脚图引脚功能介绍：² 1、8两脚是线圈，加DC直流电压，不区分正负方向，是电压驱动；² 2、7两脚为触点的公共COM端；² 3、6两脚是常闭端；² 4、5两脚是常开端。2.3 78系列稳压管简介 78系列稳压管使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源。本设计中，电源模块多次使用该系列稳压管，主要有7805、7809、7812三种，其为线性稳压器件，可固定输出电压。所使用到的稳压管的相关特性如下表所示。当电网电压或负载发生变化可引起输出电压U0增大，通过取样、比较放大、调整等过程，将使调

21、整管的管压降UCE1增加，结果抑制了输出端电压的增大，输出电压仍基本保持不变。在串联型稳压电源电路的工作过程中，要求调整管始终处在放大状态。通过调整管的电流等于负载电流，因此必须选用适当的大功率管作调整管，并按规定安装散热装置。为了防止短路或长期过载烧坏调整管，在直流稳压器中一般还设有短路保护和过载保护等电路。78系列稳压器中最常应用的是TO-220和TO-202两种封装，这两种封装的图形以及引脚序号、常用电路图如附图所示。图2.6 图2.7引脚功能简介：1号引脚接整流器输出的正电压，2号引脚为公共地(也就是负极)，3号引脚就是我们需要的正5V/9V/12V输出电压了。第3章 系统具体设计概述

22、3.1 输入输出接口电路设计电梯主控制器是一个多输入多输出的主控制器，表3.1详细说明了本设计中嵌入式电梯控制器的输入输出分配。 表3.1 电梯主控制器输入输出定义端口号定义用途接口形式额定负载PC1梯内目的楼层选择1输入按键输入DC5VPC2梯内目的楼层选择2PC3梯内目的楼层选择3PC4梯内目的楼层选择4P011层向上选择按钮P022层向下选择按钮P032层向上选择按钮P043层向下选择按钮P053层向上选择按钮P064层向下选择按钮S1光感1光耦输入S2光感2S3光感3S4光感4FL1电梯所在楼层显示灯1输出按键输出DC5VFL2电梯所在楼层显示灯2FL3电梯所在楼层显示灯3FL4电梯所

23、在楼层显示灯4PB034层向下选择灯显示PB043层向上选择灯显示PB053层向下选择灯显示PB062层向上选择灯显示PB072层向下选择灯显示PB081层向上选择灯显示LED灯显示总控制信号QT继电器控制信号1继电器输出ZF继电器控制信号2 在输出控制电路中，采用了达林顿阵列芯片ULN2003A驱动输出信号。ULN2003片上集成了7对达林顿管驱动电路，它的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在_5 V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。芯片ULN2003A连接的驱动电路如图所示。 图3.1 芯片ULN2003A连接的输出驱动

24、电路 ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达_500mA，并且能够在关态时承受50V的电压，输出还可以在高负载电流下并行运行。在本设计研制的电梯主控制器中，共有20个输出接口，采用ULN2003A替代了大量的达林顿管驱动电路后，使得硬件设计更为简单，同时也节省了硬件设计的成本，并使得调试电路更为方便。3.2 系统硬件仿真设计 系统硬件仿真结构框图如图所示。图3.2 系统硬件仿真结构图 8位数码管显示，分别显示电梯的上下运行状态，电机的正反转运行情况，以及电梯所在楼层。仿真图中，从右往左为数码管显示的低到高位，0、1位显示电梯所在第四层；2、3位显示01表示电机正常运行（若为00则为电

25、梯开门状态）；4、5位显示电机负转，电梯正在下降；6、7位显示电机不正转。LED1LED4灯组显示电梯所在楼层。3.3 系统软件设计系统软件设计框图如下所示 图3.3主程序流程图程序中，通过数组扫描来判断按键的状态，从而使控制器做出相应动作。使用定时器T1准确电梯门的开关时间。（具体程序见附录A）第 4 章 系统性能测试4.1系统功能仿真测试图3.4系统功能仿真测试图梯外呼叫按钮按下二楼上按键，当电梯运行至二楼时，数码管0、1位显示02，电梯门打开数码管2、3位显示00。数码管6、7位显示01,4、5位显示00，电梯向上。系统运行正常。4.2按键功能实现测试按下按键，使用万用表进行一一测量，通

26、过观察相应管脚处的电平变化来判断其性能的好坏。通过测量，无论按下哪个按键，其对应引脚的输出电压均可达4.5V以上，基本达到设计要求。4.3光感位置控制实现测试 由于是通过光电感应器来判断电梯的位置，故对每一个光感应器进行性能测试。采用10K的电阻作为上拉电阻时，引脚输出几乎无变化，后来，经过查阅资料和向同学请教，发现，将上拉电阻的阻值改为5K时，效果很是明显，为设计所需要的性能要求。 采用5K电阻作为上拉电阻时光感应器的输出性能表名称正常情况下引脚输出挡光时引脚输出1号光感0.714.982号光感0.754.873号光感0.724.924号光感0.654.894.4拽引电机功能测试 拽引电机控

27、制采用的是继电器控制方式。当给J1正电压时，电机正传，当给J2正电时，电机反转。当给定的正电压越大时电梯转动速度越快，故对ARM输出信号进行放大，使得电机运行正常。通过以上测试，系统比较成功地实现了四层电梯智能控制，达到了预期的目标，比较顺利地完成了课程设计的要求。总 结在整个课程设计中，我认真地查找相关资料，然后又对书中的相关内容仔细翻阅，通过虚心请教，终于，在不懈的努力下，我组比较顺利地完成了整个设计，心中的喜悦实在无以言表。此刻，我非常感谢老师的鼓励和帮助，感谢同学们诸多的帮助！Prroteus与KeilC仿真软件的学习，电梯硬件结构的探索，对各个模块的设计和改善，以及模块性能的测试好像

28、写起来字数不多，短短一句，做起来还真是费了不少脑筋、没少下功夫。很开心的是，在重压下我丝毫没有乱手脚，却还能够细细地规划每一天的任务。第一天学习仿真软件的使用；第二天揣摩各模块的设计踏着这样的步伐，我并没有想象中那么沉重地完成了，甚至超额完成了本次设计。每一个小环节都不那么容易，一项一项都要慢慢地来攻克，有一段，真的好希望能有那样一个天使可以告诉我下一步该怎样做，事实证明，我自己就是那个天使，每个人都是自己的天使，所以，一方面要自信，另一方面要脚踏实地，一步一个脚印地往前走去。努力是不会有白费的，本次设计不仅让我收获了许多，也让我对以前所学习的ARM知识有了进一步的深化与巩固，最关键的是，它给了我一份自信。但我很明白，作品中还存在着比较多的不足，这些都需要进一步的改善，我会不骄傲，不气馁，用着自信与执着尽最大努力将其完善。总结起来，不骄不躁，不气馁，坚持就是胜利！² 元件清单4