【基于单片机电梯控制系统的设计与实现6700字（论文）】

基于单片机电梯控制系统的设计与实现目录TOC\o"1-2"\h\u18369基于单片机电梯控制系统的设计 111504摘要 11909引言 252801.研究的意义及现状 297601.1选题的意义 2227941.2电梯发展历程 347971.3研究现状 351872.系统总体设计 4209992.1设计分析 4100222.2系统工作原理 4154133.主要模块及硬件设计 5165653.1电源模块 595643.2主控模块 6105943.3按键模块 6117933.4显示模块 7147663.5电机模块 897403.6语音模块 8242613.7红外传感器模块 9309264.系统软件设计 10258594.1程序设计 1073304.2系统程序流程图 11162565.安装与调试 11323615.1安装步骤 11320185.2调试 12310006.总结与展望 13241796.1总结 1376316.2展望 13摘要:为了解决传统电梯成本高，功能匮乏，结构复杂，维修困难，安全性较差等缺点。本文设计了以STC89C52单片机为核心的电梯控制系统，用1*8按键电路可以扫描电梯按键是否被按下，按键按下后会产生电信号，单片机就可以检测到是哪个键被按下，从而执行对应的按键子程序。然后驱动电机运转实现电梯上下行，并且配有楼层显示功能和指示功能，同时电梯控制系统也具有语音提示功能和防夹功能。经过多次试验和测试,本系统功能良好，结构完备，性价比高，使用简单。关键词：单片机；电梯；控制系统引言在2000年前后，中国的高楼大厦开始如芝麻开花一般，节节高升，伴随着高楼一起出现的还有电梯。电梯可以帮助人们快速上楼，人们不用再一层一层的爬楼梯，在高楼大厦主要是采用竖直运行的电梯，在商场超市一般采用的是斜着运行的扶梯。高楼大厦已经成为城市发展的主要标志[1]。电梯对于高楼大厦来说是不可或缺的，正是因为有了它，人们才可以盖几十层的高楼，而不用担心住户爬楼梯的问题，中国的钢铁森林才能迅猛发展。经过多年的发展，电梯改进了很多，有竖直运行的，也有斜着运行的，也增加了很多功能，比如远程监控、集群控制、人机交互等等，电梯自动控制系统对于电梯的稳定运行起着重要的作用[2]。到了现在，电梯不再只要求快速到达指定楼层，节约时间。还有远程监控功能，电梯在出现故障时，系统检测到之后可以通知相关人员，以便尽快排除故障，解救被困人员。电梯的出现给了人们极大的方便，我相信随着科学技术的发展，电梯在未来会变得越来越智能。1.研究的意义及现状1.1选题的意义新中国成立以来，全国上下勠力同心，努力赶超着别的国家，不论是在经济还是在科技上，都在蓬勃发展，万丈高楼平地而起，电梯成为每一座高楼的标配，电梯在安全方面也出过不少事故，因此未来的电梯将会向更加智能，安全，舒适环保的方向发展，将会有一个很大的市场前景。在上世纪八九十年代安装的的电梯主要是继电器控制系统，存在着体积大和接线复杂、噪音大等缺点[3]。现在大部分电梯都采用PLC控制方式，它可以很好的解决继电器控制系统所带来的问题，有很多继电器没有的优势。但是随之而来的其它问题也比较突出，首先其成本相对较高，程序编写比较复杂，出现故障时必须要专业技术人员来操作维修，比较麻烦，重力测量电路不够精确通信方面也有很多不足等问题。对于上述存在的问题，决定使用单片机作为主控模块。单片机具有价格低廉、体积较小、运算速率快等优点[4]。并且采用模块化结构设计，结构简单，程序编写相对容易，运算和处理功能相对强大，外部接口多，易扩展，通用性强，灵活性大，可以实现更多复杂的功能，从而可以更好的满足人们的各种需求。1.2电梯发展历程早在千年以前，我国就造出了简单的卷扬机，它是由木头做成的支架、卷筒、曲柄还有绳索构成的，后来在古希腊，阿基米德造出了卷筒式卷扬机，不同的是，它是由人力驱动的。这些都是电梯发展的雏形。国内第一次见到电梯是在二十世纪初，虽然第一台电梯是由外国人安装的，但这也是我国电梯事业的一个标志。在过了半个世纪之后，人民也终于用上了自己生产的电梯。为了响应党中央的号召，天津从庆生电机厂经过四个月的艰苦奋斗，终于完成了任务。在改革开放之后，我国的各行各业都蓬勃发展，电梯行业当然也迎来了春天，国内的所有大城市，无处不见电梯的身影。那个时候电梯技术普遍采用继电器群的控制方式，，虽然控制方式简单，但是采用这种控制方式要控制的继电器数量太多，造成制造成本的增加。因此后来就出现了PLC的控制系统，PLC控制系统更加安全可靠，其各方面的性能相比继电器控制方式来说大大提高了。但是PLC也有一些缺陷，比如程序编写比较复杂，对技术人员要求高，通信方面也有一些不足，使其应用受到了一定的局限。因此近年来基于单片机微控制器应用更加广泛，其强大的运算和处理能力受到了人们的喜爱，同时单片机外部接口多，易于扩展和二次开发，可以实现更多的功能，满足人们的不同需求，给人们的生活带来了便利。1.3研究现状目前，电梯将向更加智能化，网络化，简易化，绿色化方面发展。电梯控制技术也在不断发展，新事物必将取代旧事物，传统的控制方式已经不能适应时代的发展，后来出现了PLC控制方式，再到现在的集成电路控制方式。半导体技术的迅猛发展，将逻辑控制板和变频器集成在一起成为主流技术。这种技术将电梯的输入和输出信号集成在一起、极大的减少了接触器的个数，通讯方式则采用串行通讯，这种方式，节约了很大的成本，并且系统稳定可靠。通过将自动平层救援为一体，技术更加先进，功能更为强大。如果电梯有故障发生，系统检测到之后并判断故障的程度，同时电梯还会自动给维修人员发信息，通知其来维修并解救受困人员。我相信以后生产的电梯经过不断优化，一定能造出低能耗、无污染的环保型电梯。2.系统总体设计2.1设计分析本文设计了一种以52单片机为主控芯片的电梯控制系统，电梯各模块如图1所示。电源模块采用USB线给各个模块进行供电，1*8按键电路模块输入用户请求信号，不断的扫描按键，判断是否有按键按下，一旦发现有按键按下就会将信号传递给单片机，单片机执行相应的程序，首先控制四相五线步进电机运行，用电机的正转和反转来模拟电梯的上下行。同时配有当前楼层显示功能和上下行指示功能。到达相应楼层时会语音模块进行提示，告诉你楼层到了，同时电梯还有防夹功能，采用红外传感器，如果红外传感器感应到物体，不管电梯处于什么状态，电梯必须停止运行，将保护乘客的安全作为首要目标。图1系统框图2.2系统工作原理系统由软件和硬件组成。编程语言为C语言，硬件部分主要有按键、数码管、单片机、LED灯等器件。电梯控制系统为8层电梯，电梯的初始状态默认电梯处于第一层，八个按键代表八个楼层的按钮。定时器初始化后，首先单片机判断红外传感器有没有信号传过来，有信号则启动防夹功能，电梯停止工作，指示灯亮，蜂鸣器报警。没有信号传过则调用键盘扫描子程序对按键进行扫描，若按键标识为0，则电梯不运行，若有按键按下，通过键盘扫描子程序就会向单片机传递是哪一楼层按下了，然后点亮相应按键的指示灯，同时也要将当前楼层送给共阴极数码管显示当前的楼层数。单片机调用电梯处理程序判断电梯向上运行还是向下运行，如果单片机判断电梯向上运行则电机正转点亮向上的LED箭头，反之，则点亮向下的LED箭头。到达相应楼层控制电梯停止，关闭相应的发光二极管。调用电机子程序驱动4相5线步进电机正转或反转，还有语音模块和红外传感器模块，语音模块采用WT588D-20SS芯片，通过控制PWM的输出方式，驱动扬声器工作。电梯处理函数调用语音子程序来进行语音播报，用来提示乘客目标楼层到了。传感器模块采用5MM红外对管来进行检测，一旦发现有物体，无论电梯处于什么状态都会停止运行，检测不到物体时电梯就会恢复运行状态，以此来保证乘客的安全，起到了防夹的作用。3.主要模块及硬件设计3.1电源模块电源是任何一个系统必不可少的部分。在本设计中我们采用5V的直流电源为单片机，数码管，LED灯，电机，蜂鸣器，扬声器，红外传感器等各个元器件进行供电，输出电流为1A。经过验证，电源可以满足单片机、数码管、LED灯、电机、蜂鸣器、扬声器、红外传感器的工作需求。电源模块的电路图如图2所示。图2电源模块电路图3.2主控模块本系统是以STC89C52单片机为主控芯片，能完成多种功能。单片机自身拥有丰富的接口，这些接口可以简化程序开发流程，提高电梯控制系统的开发效率[5]。主控模块主要就是单片机再外加一些电路，比如复位电路、晶振电路等。单片机主要用来处理按键电路和传感器电路发送过来的信号，然后控制各个模块相互配合，协调工作，从而实现八层电梯的模拟系统。本文采用的是12M的晶振，采用12M晶振的目的是使系统运行一条单指令的语句时间为1微秒，便于计算时间。当程序执行出现错误时，就要用到复位电路了，复位电路可以让系统从初始状态运行，便于排除错误。该模块能够使各项功能更快、更完善的实现，符合本设计的要求。主控模块电路图如图3所示。图3主控模块电路图3.3按键模块本系统为8层楼的电梯，所以一共设置了8个楼层按键，每层的按键分别与单片机的P3.0~P3.7口相连，直接检测P3.0~P3.7口的电平就可以知道按键的状态。如果有人按下按键时，那么其引脚就会检测到低电平，进而判断出呼叫楼层[6]。因为有八个发光二极管，所以由P1.0~P1.7口来控制，当单片机检测到按键电平变化时，便开始判断是哪一层楼的电梯按键按下，从而去执行相应的程序。图4按键模块电路图3.4显示模块数码管和LED指示灯是显示模块的主要器件。本设计中的数码管为八段共阴极一位数码管，另外八个控制端与单片机的P0口相连。程序运行后可自动将显示段码写入I/O口，数码管就能保持相应的显示字符。数码管通过在1～8这几个数字之间变换来完成显示到达楼层的功能[7]。用发光箭头指示电梯的运行方向，由单片机的P2.0～P2.2口来控制，当电梯上行时，将P2.1和P2.2两个口置0来控制点亮向上的箭头，当电梯下行时，将P2.1和P2.0两个口置0来控制点亮向下的箭头。该模块使用简单，操作方便，价格实惠，能清晰显示数字和指示方向[8]。能很好达到本设计的要求。显示模块电路图如图5所示。（a）数码管电路图（b）指示灯电路图图5显示模块电路图3.5电机模块4相5线步进电机是电机模块的主要组成部分，电机需要使用驱动芯片才能运转，并且供电需要采用直流供电方式。步进电机不需要数模转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移[9]。驱动芯片就会驱动电机按设定的方向转动一个固定的角度，转动的速度和脉冲的频率成正比，改变脉冲的顺序可以方便的改变转动的方向。驱动芯片型号为ULN2003，工作电压为5V，输出功率较高。能同时驱动多个负载，也可以直接驱动电机等负载。同时用它来作为驱动时，具有电平反向的功能，非常适合本设计的需求。本系统是用单片机的P2.3、P2.4、P2.5和P2.7四个端口与驱动芯片的控制端相连，给驱动芯片发送控制信息，控制电机的运行状态，可以很好地模拟电梯上下行运作的情景。图6电机模块电路图3.6语音模块语音模块采用WT588D语音芯片来控制扬声器进行语音播报，并且具有可以重复擦写，音质好等优点。本系统的语音芯片型号为WT588D-20SS，语音芯片的P01、P02、P03与单片机的P3.5、P3.6、P3.7三个口相连，单片机通过这三个I/O口给语音芯片发送信息来控制语音芯片工作。语音芯片可以输出PWM波，直接与扬声器相连，PWM输出可直接驱动扬声器正常工作。此芯片功能强大，操作简单，在本设计中承担着用来完成到达楼层后的语音提示功能[10]。适合本设计的需求。电路图如下图所示。图7语音模块电路图3.7红外传感器模块传感器模块主要器件为5mm红外对管，还有一个发光二极管用来做指示灯。电流的大小可以影响功率。在本系统中红外对管用来检测外界物体，与单片机的P0.4口相连，一旦检测到物体就会传递信号给单片机，单片机控制系统停止运作，同时发光二极管亮，蜂鸣器报警，物体消失后，电梯又会恢复运作状态，防止发生意外事故，起到了防夹的作用。红外对管发射距离远，接收可抗太阳光干扰，可以提供技术支持以及电路支持等优点，适合本设计的需求。红外传感器模块电路图如图8所示。图8传感器模块电路图4.系统软件设计4.1程序设计本设计的程序编程使用的软件为Keil4，编写程序用的是C语言，完成电梯的相关功能。软件的设计主要是设计实现各个功能的子函数。在主程序中首先要进行初始化操作，还要调用各个部分的子程序。比如定时器初始化子程序、按键扫描函数、电梯处理函数等。程序运行时首先调用初始化子程序对定时器和中断标志位进行设置，紧接着要判断红外传感器是否有信号传来，即定义一个变量hw，判断它是否为零，如果为零就代表红外传感器没有检测到物体，即电梯可以正常工作。电梯一开始停在一层，首先调用键盘扫描子程序key来检测是否有按键按下，利用1ms的延时来消除按键抖动，如果有按键按下就会判断是哪个按键按下，并得到按键值，没键按下则继续扫描。同时用key_with函数来点亮按下按键的发光二极管。单片机将当前所处的楼层数发送给数码管进行显示，利用定时器中断子程序来设定一个定时处理，即每隔100ms转入电梯处理函数进行处理，此时就是有按键按下，电梯开始运行，要判断电梯是向上走还是向下走，同时点亮相应的LED箭头，到达目标楼层时要关闭目标楼层的发光二极管，清零电梯的标志位，控制电机停止运转，同时进行相应楼层的语音播报，例如“x楼到了”。在电梯运行过程中,按键扫描程序还是在不断的扫描的，不断的进行判断。电梯向上运行的时候还要继续判断是否还要继续向上，此时，只需要检测该楼层以上是否有按键按下就可以了。如果该楼层以上没有按键按下则转为判断下边楼层按键的情况，如果该楼层的下边楼层有按键按下，则电梯转而向下运行，电梯向下运行的时候也是同理。如果上下均无请求，则停留在该层继续循环查询等待请求。定义两个无符号字符型的变量flag_start和flag_z_f来控制电机，当flag_start等于1时代表电机开始运转，否则电机不工作。flag_z_f等于0时表示电机正转，电梯向上运行，反之，电梯向下运行。如果变量hw不等于零，即红外传感器检测到有物体则电梯不工作，蜂鸣器报警，指示灯亮。一个系统没有写入程序的话就只是一堆破铜烂铁，程序是系统的血与魂，所以要对程序的设计多花心思。程序设计完成后，可以实现各个控制命令，对整体系统的功能要求进行满足[11]。4.2系统程序流程图图9系统流程图5.安装与调试5.1安装步骤（1）首先要检查元件的好坏。按电路图买好元件后，使用万用表检查元器件是否完好，确保不会有坏的元器件致使电路板烧毁。（2）焊接元器件。严格按照原理图来焊接各元器件，复杂的和容易损坏的元器件最后焊。焊接的时候要注意电烙铁的温度，电烙铁过热，焊锡过多都会对焊接有影响。（3）电路连接好后开始编写程序，用c语言进行编写，在Keil4软件里面编写并且编译，最后生成Hex文件。5.2调试硬件组装好，程序编写好之后就要进行调试了，采用PZ-ISPV2.4软件来下载程序，步骤如下：（1）将开发板通过usb线与电脑连接，打开PZ-ISPV2.4下载软件。（2）将芯片类型设置为STC89Cxx.Series，并连接相应的串口号，波特率设置为115200。（3）选择文件路径，找到编译生成的.hex文件，然后点击程序下载。（4）程序下载完成之后，打开电源开关，检查板子的各项功能。电梯开始停在一楼，按下楼层后，电机开始运转，电梯的显示和指示功能也可以正常运作，到达相应楼层有语音提示，将手放到传感器模块时，电梯停止运作，相应的指示灯亮，蜂鸣器报警，将手拿开之后，电梯又恢复正常运作状态。在锲而不舍的调试，努力试验下，实验结果基本符合设计的预设效果。（5）误差是不能避免的，我们只能尽量减少误差，确保设计尽可能的正确，可以实现预期的功能，为此我们需要定期的进行检查