基于ARM的电梯控制系统设计1

1、PAGE PAGE 7嵌入式系统结业（论文）基于ARM的嵌入式电梯控制系统学生姓名：赵 健所在学院：信息技术学院班 级：电气10（6）学 号：20104073644中国大庆2013 年 12 月摘要：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

2、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，无速度控制实现。关键词:电梯控制系统、ARM。1 引言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

3、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。 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、

4、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。 EasyARM2103开发板采用“底板+PACK板”的形式构成。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 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

5、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道位置开关判断当前电梯的位置。拽引电机控制模块，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

6、。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。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

7、“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。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

8、用于检测系统的楼层信号。虽然静磁栅位移传感器功能非常好，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。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。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。78系列稳压管使用方便，用很简单

9、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。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。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，

10、性能稳定，质量可靠。3 系统具体设计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

11、楼层显示灯3FL4电梯所在楼层显示灯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。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达_500mA，并且能

12、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。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8位数码管显示，分别显示电梯的上下

13、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 系统软件设计框图下所示： 图1.2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。4 系统性能测试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

14、梯向上。系统运行正常。按键功能实现测试。按下按键，使用万用表进行一一测量，通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。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0.7

15、24.924号光感0.654.89表2拽引电机控制采用的是继电器控制方式。当给正电压时，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。5 结束语 本文对ARM电梯控制系统的设计，其中包括硬件部分与软件部分两大模块，经验证，本设计所设计的电梯完全符合当初的预想，该电梯的调度完全符合高效、省时、人性化的特点。运行结果完美无误，可以作为真实电梯的调度系统使用。总的来说，由于精心设计，本次的成品还是很成功的，而且本程序的编写不仅

16、仅是为了应对四层楼的电梯，更多层的电梯也可以实现，再进行扩展的话，可以实现十几层电梯的需求。程序本身的思想本身是可以支持更多层电梯的运行调度的，ARM型处理器，这一设想完全可以实现。当然，本设计还是有些不足之处的，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，完成本次设计。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。参考文献 1 嵌入式ARM系统原理与实例开发 作 者： 杨宗德 编著 出 版 社： 北京大学出版社2002.2 Linux与嵌入式系统（第2版） 作 者： 李善平，刘文峰，王焕龙 等编著 出 版 社： 清