本科畢業(yè)論文-基于Atmega128單片機的電梯控制系統(tǒng)設計

1、梧梧 州州 學學 院院 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 論文題目 基于 atmega128 單片機的電梯控制系統(tǒng)系統(tǒng) 系 別 電子信息工程 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 10 電本二班 學 號 學生姓名 指導教師（簽名） 完成時間 2013 年 5 月 i 摘摘 要要 本文介紹了以 atmega128 單片機為核心控制器件的電梯自動控制系統(tǒng)，包括課題 概述、方案論證、硬件設計、軟件設計、系統(tǒng)調試等幾個部分。該系統(tǒng)采用 atmega128 單片機作為控制核心，通過掃描內外按鍵按下與否引起的電平的改變，作為 用戶請求信息發(fā)送到單片機，控制電動機轉動，單片機根據(jù)樓層檢測結果控制電機停 在目標樓層，單片機通過

2、 hx711 稱重模塊，判斷出此時電梯的重量。自動開關門部分 通過接近開關、霍爾限位開關等完成到達目標樓層自動開關門功能。掉電保護部分實 時保護電梯電梯時電梯廂不會往下墜，12864 液晶、數(shù)碼管、蜂鳴器實時顯示、提示當 前的信息。硬件部分主要有電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、每層樓層檢測模塊、12864 和 數(shù)碼管顯示部分、電動機驅動模塊、按鍵模塊、報警模塊、自動開關門、智能防夾模 塊、掉電保護等部分組成。軟件部分介紹了系統(tǒng)程序設計思路、程序功能分析，著重 介紹了主程序的邏輯結構，還分別介紹了報警、按鍵掃描、層位讀取、顯示、電梯控 制邏輯等子程序的結構和功能。軟件部分,使用 c 語言編寫，易于調試

3、。硬件設計簡單 可靠，結合軟件，基本實現(xiàn)了五層電梯運行的逼真模擬。 關鍵詞：atmega128；hx711 稱重；液晶顯示；自動開關門；電梯控制； ii the elevator control system based on microprocessor abstract this article introduces the atmega128 microcontroller as the core control device of the elevator control system, including the issues outlined, program feasibilit

4、y studies, hardware design, software design, system debugging, and several other parts.the system uses a microcontroller as the control centre, firstly, it is by scanning the internal and external electrical level change caused by keyboard to be a user requests information to the microcontroller,con

5、trol the motor rotation, the microcontroller controls the motor based on test results floors stopped in the target floor. hardware part mainly are made of the microcontroller, floor detection module, horizon 12864, digital tube display, electric motor drive module, key scan module, alarm module, cir

6、cuit directions up and down the line calls and other components.floor detection uses photoelectric sensors. when elevator goes to the appropriate floor, photoelectric sensors produce electrical level changes sent to the microcontroller to determine the floor,.the part of motor control uses stepper m

7、otor and 6560 stepper motor drive module.software components intorduce system programming design ideas, procedures, functional analysis . it is not only focusing on the logical design of the main structure but also separately introduced the warning function, the demonstration function, the pressed k

8、ey scanning, the position read, the demonstration, the lift control logic small steelyard procedure structure and the function. software components use c language. this realization way is the use of interrupt mode to detect the information of the floor sent to the digital tube display . the hardware

9、 design of the system combined with the software is simple and reliable. so it is basically to achieve simulation of elevator running five floors. key words: atmega128 key scan lcd display elevator control iii 目錄目錄 第一章 前言.1 1.1 項目背景.1 1.2 課題提出及研究意義.1 第二章 系統(tǒng)總體設計.3 2.1 方案論證 .3 第三章 系統(tǒng)硬件電路設計.7 3.1 總體方案設

10、計 .7 3.2 各模塊設計.8 第四章 軟件設計.19 4.1 電梯主程序 .19 4.2 電梯邏輯控制.20 4.3 電梯運行控制.22 4.3 緊急停止.22 第五章 系統(tǒng)調試.25 5.1 軟件編譯調試.25 5.2 硬件仿真.25 5.3 系統(tǒng)測試.28 第六章 總結與展望.30 參考文獻.31 附錄.32 致謝.57 iv 1 第一章 前言 1.1 項目背景 隨著人們生活水平的不斷提高和國內經(jīng)濟的迅速發(fā)展。各大城市建筑物在不斷向 高層發(fā)展。因此電梯在我們的生活中起著非常重要的作用。電梯已經(jīng)不單單是是一種 生產環(huán)節(jié)中的重要設備,更是一種人們越來越依賴的、必須的交通運輸工具。 由于傳統(tǒng)

11、的電梯運行邏輯控制系統(tǒng)采用的是繼電器邏輯控制線路。采用這種控制線 路,存在易出故障、維護不便、運行壽命較短、占用空間大等缺點。從長遠發(fā)展來看, 這種系統(tǒng)將逐漸被淘汰。而單片機價格相當便宜，體積較小，由單片機設計的控制系 統(tǒng)會隨著設備的更新而不斷完善，更完美的實現(xiàn)設備的升級。國內外電梯企業(yè)順應市 場需要，加大研發(fā)投入，都準備在未來新概念電梯產業(yè)發(fā)展中占得先機。 1.2 課題提出及研究意義 電梯是集機械原理應用、電氣控制技術、微處理技術、系統(tǒng)工程學等多科學和技 術分支于一體的機電設備，它是建筑中永久垂直交通工具。電梯作為生產生活的典型 運載工具使用已十分普及，其控制信號類型多，關系復雜，要求的控制

12、性能特別高。 隨著經(jīng)濟的發(fā)展高層建筑越來越多對電梯的運行速度和控制性能也提出了更高的要求。 而在我國于八十年代初至九十年代初投入使用的電梯,其中絕大部分采用繼電器繼電 器陣列結構該結構體積大、接線復雜、噪音大、觸點易磨損、故障率高、維護工作量 大，已無法滿足現(xiàn)代社會的需要。 自上世紀 80 年代以來，微機控制系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，現(xiàn)已深人到我國工農業(yè) 生產的各個方方面面，隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展,使得以微機為核心的控 制系統(tǒng)得到廣泛應用。尤其是單片機的開發(fā)與應用，其深度和廣度越來越大。微機應 用于電梯控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的采用繼電接觸邏輯控制系統(tǒng)相比，具有很大優(yōu)越性，一 方面，它使整個系

13、統(tǒng)的體積減小，可靠性提高，使用壽命延長；另一方面，它還簡化 了安裝調試和維護維修的工作量，使整個電梯的運行成本降低。更突出的優(yōu)點是微機 具有靈活的算術和邏輯運算功能，具有很強的通信和可擴展功能，實現(xiàn)更完善的自動 控制。 常用的微機控制主要的有兩種技術：基于 plc 控制和基于單片機控制兩大技術。 可編程控制器，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產物，是在順序控制器和 微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數(shù)字控制 的專用計算機，它有良好的抗干擾性能，適應很多工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，所以現(xiàn) 在的電梯控制系統(tǒng)主要還是由可編程控制器控制。但是由于 plc 的針對性較強

14、，每一 臺 plc 都是根據(jù)一個設備而設計的，所以價格較昂貴。而單片機價格相當便宜，也不 像 plc 那么有針對性，可以隨著設備的更新而不斷修改完善，更完美的實現(xiàn)設備的升 級?；趩纹瑱C控制的電梯可以大大的降低成本而且運行也較可靠，采用單片機來實 2 現(xiàn)老式電梯控制系統(tǒng)的改造無疑是最佳方案。由于單片機具有體積小、線路簡單、無 噪音、可靠性高、維護方便,是一種少投入、高回報的方案。同時能方便實現(xiàn)多臺電梯 的群控,并通過通訊接口與樓宇自動化系統(tǒng)聯(lián)接，實施對電梯的監(jiān)控電梯的應用范圍很 廣，可用于賓館、飯店、辦公大樓、商場、娛樂場所、倉庫以及居民住宅大樓等。 3 第二章 系統(tǒng)總體設計 2.1.方案論證

15、 本系統(tǒng)的方案論證包括主控芯片選擇，定位平層模塊，樓層顯示模塊，聲音提示 模塊，電動機選擇，電動機驅動模塊。 2.1.1 主控芯片選擇 方案一：plc 控制方案。這種方案是采用傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)，其主要特點是編寫 程序比較直觀，通俗易懂，可靠性高，干擾抗能力強，能耗較小。但他的價格較昂貴， 不符合本設計的經(jīng)濟要求。 方案二 ：采用 cpld 器件作為控制中心，對整個系統(tǒng)的運作進行統(tǒng)一管理，但這 種方案要求平時有很多的知識積累和較強的專業(yè)水平，實現(xiàn)起來比較困難且器件較貴， 不符合經(jīng)濟要求，而且升降電機的控制，運行時間的測量、顯示等還需要單片機的配 合。 方案三：單片機為主控制器的方案。mcu 采

16、用一個單片機控制所有的按鍵、數(shù)碼管、 液晶顯示、步進電機、光電傳感器的輸出信號等，并對以上所有信號進行處理。這種 方案的控制系統(tǒng)相對較簡單，只適用于較簡單的電梯控制系統(tǒng)。單片機的內部資源比 較豐富，控制采用 c 語言控制，使用起來相對比較簡單。 權衡以上方案的分析，結合本次次的設計的內容是 5 層電梯控制系統(tǒng)，基于本設 計中需要用到的管腳比較多，需要的內存比較大，所以本設計用 atmega128 單片機， 自身資源豐富，硬件設計簡單，成本低，可靠性高，結合軟件完全可以實現(xiàn)本設計電 梯的要求。所以選用方案三。 2.1.2 定位平層部分 方案一：采用金屬接近開關檢測電梯層數(shù)。在轎廂安裝金屬片，并在

17、豎井各個樓 層裝上金屬接近開關，在轎廂上裝上一個當作感應作用的金屬片，當轎廂運動到特定 位置，豎井上的金屬接近開關探測到金屬片，繼而輸出一個信號。單片機通過金屬接 近開關輸出的變化知道電梯轎廂的位置。該方案安裝中的金屬片會使轎廂的重量加重， 增加步進電機的負載，并且金屬接近開關價格相對昂貴、體積較大、安裝不便、靈敏 度不怎么高。 方案二：采用紅外發(fā)射對管檢測電梯層數(shù)。在豎井各個樓層設置紅外接收管，在 電梯廂上裝一個紅外發(fā)射管。當接通電源時，紅外線發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線，當轎廂 運動到特定位置（即樓層位置） ，豎井上的紅外線接收頭接收到紅外線，輸出發(fā)生變化， 單片機通過紅外線接收頭輸出的變化知道電

18、梯轎廂的位置。該傳感器的響應時間為 2.5ms，且體積小、功耗低、容易安裝，但受環(huán)境的影響較大。 4 方案三：采用光電傳感器。在轎廂每一層安裝一個光電傳感器，然后讓副吊重廂 帶著一個小物體，當電梯上升時，副吊重體則下降。當副吊重體上的小物體經(jīng)過光電 傳感器時，遮擋住了光電傳感器發(fā)光體和接收光體的通道，進而傳感器會輸出一個高 電平，單片機通過檢查該樓層光電傳感器電平的變化，從而可以檢測出當前電梯廂所 處樓層位置，光電傳感器反應靈敏，精確度比較高，受外界干擾比較少，價格比較便 宜，容易安裝，易于調試。 基于上述方案的分析，以及方案三的優(yōu)點，故選擇方案三。 2.1.3 樓層顯示部分 方案一：采用點陣

19、屏顯示各種相關數(shù)據(jù)以及信息。點陣屏屬于低功耗器件，但其 價格較貴，假如在每層都裝一個液晶顯示，那明顯不怎么符合本設計的成本要求，并 且點陣屏制作相對比較難，線路復雜。 方案二：采用傳統(tǒng)的 7 段數(shù)碼管和液晶 12864 顯示電梯實時所到的樓層。數(shù)碼管 雖功耗大，但其軟件驅動簡單，硬件電路調試方便，價格便宜，亮度大，能滿足本設 計的要求，但數(shù)碼管只可以顯示基本的數(shù)字，文字顯示不了，所以在電梯廂內部裝上 液晶 12864 來顯示基本的電梯信息，這樣比較美觀，成本合理，在電梯的每層外部裝 上一個數(shù)碼管顯示電梯當前所載的樓層。 結合以上的比較，在本設計的成本和難度性，所以采用方案二。 2.1.4 聲音

20、提示部分 方案一：采用語音芯片 isd400，該語音芯片外圍電路簡單，需要很少的外圍器件 就可以實現(xiàn)語音的播報，它是直接多電平接模擬存儲，聲音不需要 a/d轉換和壓縮，每 個采樣得到的數(shù)值直接存儲在芯片 內的閃爍存儲器中，沒有由于 a/d 轉換誤差，因此它能夠真 實、自然地再現(xiàn)語音、音樂及效果聲，但調試難度相對較大。 方案二：采用蜂鳴提示音提示當轎箱到達所需的樓層時，蜂鳴器響，提示乘客到 達了所需的樓層，另外可以作為緊急停止時的報警提示信號，其程序編寫、硬件電路 設計、調試比較簡單，而且價格便宜，能滿足本設計的要求。 比較以上兩種方案中，選擇方案二。 2.1.5 電動機模塊 方案一：采用步進電

21、機作為本設計電梯上升的動力，步進電機在定位性能方面十 分優(yōu)越。步進電機和普通電機的區(qū)別在于它的驅動是用脈沖驅動，每給它一個脈沖， 它就轉動一個角度，本設計中用的步距角是 1.8 度的步進電機，步進電機不需要 a/d 轉換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉化成為角位移。在應用中，步進電機可以同時完成 兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息，升降精度很高，其次步進電機只給電 不給脈沖的時候，它是不動，這有利于本設計的控制電梯廂停穩(wěn)。 5 方案二：采用直流電機作為本設計的執(zhí)行元件，直流電機工作是讓線圈始終交替 地處于穩(wěn)定狀態(tài)和非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，通過兩個半圓環(huán)形電樞將線圈的穩(wěn)定平衡狀態(tài)消 除掉。這樣，載流線圈

22、在磁場中就會一直地轉動下去。直流電機在高起動轉矩、大轉 矩、低慣量的系統(tǒng)中經(jīng)常使用到。 此題目中電機要帶動的負載不是很大，但對升降精度要求較高，并且要求在電梯 停在目的樓層時，能把電梯廂卡住，二直流電機則不能把電梯廂卡住，所以采用方案 一。 2.1.6 電動機驅動模塊 我們使用的是直流電機，比較以下兩種方案實現(xiàn)對直流電機的驅動。 方案一： 小功率驅動電路可以采用如圖 2-1 所示的 h 橋開關電路。ua 和 ub 是互 補的雙極性或單極性驅動信號，ttl 電平。開關晶體管的耐壓應大于 1.5 倍 us 以上。 當四個功率開關全用 npn 晶體管時，需要解決兩個上橋臂晶體管(bg1 和 bg3)

23、的基極電 平偏移問題。圖 2-2 中 h 橋開關電路利用兩個晶體管實現(xiàn)了上橋臂晶體管的電平偏移。 但電阻 r 上的損耗較大，所以也只能在小功率電機驅動中使用。 圖 2-1 橋開關電路 圖 2-2 橋開關電路 方案二：采用集成電機驅動控制芯片 l298，該芯片內部包含有兩個集成 h 橋，能 同時驅動兩路 5 到 24 伏范圍電源的直流電機，可以驅動一個 2 相 4 線的步進電機。但 6 它的驅動電路較復雜，需要用到 i/0 口比較多，一個步進電機需要 4 跟數(shù)據(jù)線，一根 使能信號線，總共需要 5 跟，占用的單片機資源比較多，編寫程序較多。 方案三：采用步進電機 tb6560 模塊，tb6560

24、是步進電機專用的驅動芯片，工業(yè)上 多數(shù)用它來控制步進電機，雕刻機，寶石機等多數(shù)用它，它的電路雖然復雜，但程序 編寫簡單，只需給一個高、低脈沖就可以控制它轉動工作，控制它的一根使能端就可 以控制步進電機轉動和脫機，一根方向端就可以實現(xiàn)正反轉。可以通過上面的撥碼開 關設置電機運行電流的大小，并且它可以細分，讓步進電機工作在合適的頻率，還有 自動半流，此作用能減少步進電機在不工作的時候，減少發(fā)熱量，是步進電機比較理 想的驅動 綜合以上方案，所以采用方案三。 2.1.7 稱重模塊 方案一 壓電傳感器 結構簡單、工作可靠，適用于動態(tài)力學量的測量，不適合測頻率太低的被測量， 更不能測靜態(tài)量。目前多用于加速

25、度和動態(tài)力或壓力的測量。壓電器件的弱點：高內 阻、小功率。功率小，輸出的能量微弱，電纜的分布電容及噪聲干擾影響輸出特性， 這對外接電路要求很高。 方案二 電容式傳感器 電容式傳感器是將被測非電量的變化轉換為電容變化的一種傳感器。它有結構簡 單、靈敏度高、動態(tài)響應好、可實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應等優(yōu)點。電容傳感器 可用來檢測壓力、力、位移以及振動學非電參量。 雖然電容式傳感器有結構簡單和良好動態(tài)特性等諸多優(yōu)點，但也有不利因素： （1）小功率、高阻抗。受幾何尺寸限制，電容傳感器的電容量都很小，一般僅幾皮法 至幾十皮法。故易受外界干擾，信號需經(jīng)放大，并采取抗干擾措施。 （2）初始電容小， 電纜電容

26、、線路的雜散電路所構成的寄生電容影響很大。 方案三 電阻應變式傳感器 電阻應變式傳感器是一種利用電阻應變效應，將各種力學量轉換為電信號的結構 型傳感器。電阻應變片式電阻應變式傳感器的核心元件，其工作原理是基于材料的電 阻應變效應，電阻應變片即可單獨作為傳感器使用，又能作為敏感元件結合彈性元件 構成力學量傳感器。 其測量原理：用應變片測量時，將其粘貼在彈性體上。當彈性體受力變形時，應 變片的敏感柵也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流 的變化12。 本設計中選用最終方案我們選擇的是電阻應變式壓力傳感器，額定載荷 5kg，并且 經(jīng)過 hx711a/d 轉換模塊，進行放大、a

27、/d 轉換。傳給單片機，顯示在 12864 液晶上。 7 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設計 3.1 總體方案設計 本次設計的基本思想是采用 atmega128 單片機作為核心，利用其豐富的 i/o 接口 與外圍電路配合進行控制。采用穩(wěn)壓芯片 lm2576 為電路提供穩(wěn)定的 5v 電源，采用 5 個光電傳感器實時監(jiān)測電梯所到的樓層，2 個霍爾傳感器限位自動開關門的位置，一個 接近開關檢測關門時門的中間是有東西。否采用 tb6560 步進電機驅動 3 個步進電機， 為電梯提供動力。采用電阻傳感器和 hx711a/d 芯片檢測電梯的載重。采用 12864 液晶 和用 595 來驅動額數(shù)碼管實現(xiàn)顯示當前電

28、梯當前的信息，并采用獨立鍵盤作為外呼內 選電路，里面用 8 個按鍵代表 1-5 樓層、開門、關門、呼叫，外部采用 8 個按鍵代表 1 樓上，2 樓上、下，3 路上、下，4 樓上、下，5 樓的下呼叫。電梯模型效果圖如圖 3-1 所示： 5f 4f 3f 2f 1f 圖 3-1 電梯模型效果圖 j 8 電梯豎井部分是由鐵片和螺絲組合成的鐵架體總高度為 1.2 米，每層的高度為 20cm；j 是電梯廂，懸掛并由電動機 m 牽引，可在電梯間豎井模型的空間內上下運動。 電梯橋廂模型 j 是用有機玻璃粘和而成的，電梯橋箱中有一個自動開關門裝置通過小 皮帶傳送帶動小門進行自動開開關門，在門的中間有個接近開關

29、，當在電梯在關門的 時候，只要接近開關感應到中間有東西，就會自動開門，光電開關不斷地檢測中間用 沒有東西，從而實現(xiàn)智能防夾功能。 圖 3-2 總體組成圖 3.2 各模塊設計 3.2.1 按鍵電路 本電路所需按鍵有 16 個，基于本設計用的是有 64 個 i/0 口的 atmega128 單片， 外部資源比較多，為了寫程序的簡單方便，本設計用獨立按鍵。如圖 3-3 所示，pa.1- pa.8 是接單片機的 pa 端口，此按鍵是電梯廂內部的按鍵，外部的按鍵同理，單片機 采獨立按鍵掃描方式，這樣簡單，程序少，單片機響應速度快。雖然這樣所占用的單 片機管腳比較多，但對于 atmega128 來說，管腳

30、是足夠的，完全符合本設計的要求。 atmegal 128 單 片 機 電 梯 模 型 自動開關門 樓層檢測 安全保護 部分 鍵盤呼叫信號 輸入 滑輪 步進電機 電機驅動模塊 樓層外顯示 內部 12864 顯 示 蜂鳴器提示 電梯運動方向指示 稱重部分 9 單片機通過讀取按鍵的狀態(tài)，然后可根據(jù)每個按鍵的功能來通過單片機控制電梯的運 行。鍵盤電路如圖 3-3 所示： s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 2 3 4 5 6 7 8 1 p1 g n d a 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8 上上上上上 1 2 3 4 5 6 7 8 9 p7 a1a2a3a4a5a6a7a8

31、 v cc a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 上上上上 上上 圖 3-3 外鍵盤電路 各按鈕開關說明： 按鈕開關 s1：轎廂內一樓呼叫開關；按鈕開關 s2：轎廂內二樓呼叫開關； 按鈕開關 s3：轎廂內三樓呼叫開關；按鈕開關 s4：轎廂內四樓呼叫開關； 按鈕開關 s5：轎廂內五樓呼叫開關；按鈕開關 s6：轎廂內開門呼叫開關； 按鈕開關 s7：轎廂內關門呼叫開關；按鈕開關 s8：轎廂內緊急呼叫開關； 外部 8 個按鍵同理。實物圖如下圖 3-4、3-5 所示。 10 圖3-4 內部按鍵 圖3-5 外部按鍵 3.2.2 顯示電路 數(shù)碼管顯示，電梯的基本功能是具備顯示電梯當

32、前的樓層，所以設計中在轎廂和 每個樓層中都放置了一個數(shù)碼顯示管來顯示當前電梯所在的樓層。接線圖如圖 3-6 所 示，圖中共有 1 個數(shù)碼管，通過 74hc595 控制數(shù)碼顯示。本設計中只需要顯示當前電 梯所要到達的樓層，所以只需要數(shù)碼管的 7 段就夠了。本設計采用串轉并芯片 11 74hc595，它主要有一個時鐘接口 tcp，數(shù)據(jù)接口 ds，數(shù)據(jù)輸出控制接口 hcp。每當 tcp 有一個上升沿時，存儲寄存器則把 ds 口的數(shù)據(jù)存儲起來，當 hcp 口有一個上升沿 時，移位寄存器則把存儲器中的數(shù)據(jù)進行移位， 當 oe 使能時，595 則把存儲器中的數(shù) 據(jù)輸出到總線中去，從而實現(xiàn)了，由串口轉并口的

33、功能。本設計中除了使用數(shù)碼管外， 還增加了液晶 12864 顯示，電路圖如圖 3-7. a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 vcc 上上上上上 1 2 3 p2 f 9 g 10 e 1 d 2 a 3 c 4 dp 5 b 6 a 7 a 8 ds1 dpy blue-ca q1 1 q2 2 q3 3 q4 4 q5 5 q6 6 q7 7 gnd 8 q7 9 m r 10 shcp 11 stcp 12 oe 13 ds 14 q0 15 vcc 16 u1 74hc595 1 2 p1 a1 a2 a3 a4 a5 a6 a7 gnd vcc上上 圖 3-6 數(shù)碼管顯示部分接線

34、圖 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 p2112864 lcd上上 vcc vcc vcc 10 r14 r34 pc0 pc1 pc2 pc3 pc4 pc5 pc6 pc7 pg0 pg1 pg2 圖 3-7 12864 顯示電路 3.2.3 電機驅動模塊 本設計用的是 tb6560 驅動模塊 tb6560 兩相混合式步進電機驅動芯片，內部二個 全橋 mosfet 驅動、內部設置溫度保護及過流保護，自帶 2、8、16 細分可選，足夠滿 12 足每分鐘從幾到近千轉的應用要求。該芯片還有自動半流的功能，能有效地減少驅動 器發(fā)熱

35、量。并且支持各種步進電機選型，可選擇力矩稍大的混合式或者永磁式步進電 機，使電機工作在允許最大轉矩的百分之 30 至 50 之間，并且該芯片提供多檔電流設 置和電流衰減模式，支持相同動力指標下各種不同參數(shù)的步進。本驅動模塊采用高速 光耦 6n137 進行單片機的與步進電機隔離，有效地保護了主控電路。6n1376 光耦合器 是單通道的光耦速度比較高的光耦合器，其內部有一個發(fā)光二級管和一個光敏二極管、 當發(fā)光二級被點亮，光敏二極管導通，從而實現(xiàn)了信號的傳遞。6n137 的轉換速率高達 10mbit/s，是典型的高速數(shù)字開關。在此電路中 6n1376 用在 tb6560 的時鐘接口上， 這樣能快速有

36、效地接收單片輸出給 tb6560 的信號，為了節(jié)約成本，但不失使用性，對 于 tb6560 的使能端，則采用光電轉換速度稍微慢點的 pc817。驅動電路如圖 3-8 所示。 tq1 1 tq2 2 clk 3 en 4 reset 5 sgnd 6 osc 7 vmb 8 mb 9 pgndb 10 rb 11 mb- 12 ma 13 ra 14 pgnda 15 ma- 16 17 vma 18 tsd 19 vcc 20 dir 21 m2 22 m1 23 pfd2 24 pfd1 25 *tb1 tb6560 1 2 3 4 5 6 12 11 10 9 8 7 s4 sw dip-

37、6 13 2 vv gnd in out u4 7805 3 nc 4 6 5 nc 1 27 8 a vcc ve vo gnd k u3 6n137 3 nc 4 6 5 nc 1 27 8 a vcc ve vo gnd k u2 6n137 104 c2 1001000pf c7 vcc vcc vcc gnd gnd 200 r1 200 r2 200 r3 gnd : 10k r4 10 r5 10 r6 vcc en cw en1 en1 cw1 cw1 clk1 u1 pc817 vcc gnd 1 diode 1n4148 2 diode 1n4148 3 diode 1n4

38、148 4 diode 1n4148 gnd gnd vbb vcc vcc sm1 sm2 sm1 sm2 dcy1 dcy2 dcy1 dcy2 1000u c9 220u c10 gnd +5v vbb 1 2 3 4 p2 header 4 1 2 3 4 5 6 p1 header 6 vbb 1 2 3 4 5 6 7 8 9 p4 header 9h vcc 1001000pf c8 10 r7 en cw sm1 sm2 dcy1 dcy2 en cw clk1 d1 led0 1k r16 res1 1k r17 res1 gnd clk clk d60 in4148 d61

39、 in4148 d62 in4148 d63 in4148 圖3-8 tb6560驅動電路圖 3.2.4 atmegal128最小系統(tǒng)模塊 13 atmegal128 是高性能、低功耗的 avr 8 位微處理，128k 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程 flash，4k 字節(jié)的 eeprom，4k 字節(jié)的內部 sram，多達 64k 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空 間；53 個通用 i/o 口，兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的 8 位定時器/計數(shù)器， 兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器/計數(shù)器，具有獨立預分頻器 的實時時鐘計數(shù)器。8 路 10 位 adc 并且具有獨立片內振蕩器的可編程看門

40、狗定時器， 片內模擬比較器。通過熔絲位可以選擇 atmega103 兼容模式。壽命: 100,000 次寫/擦 除周期，可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密，可以通過 spi 實現(xiàn)系統(tǒng)內編程，它 的工作電壓是 2.7 - 5.5（2.7 - 5.5v atmega128l4.5 - 5.5v atmega128） 。如圖 3-9 是 atmegal128 芯片圖。atmegal128 的最小系統(tǒng)包括晶振電路，和復位電路，如圖 3- 10 是復位電路，atmegal128 是低電平復位。如圖 3-11 是晶振電路，本設計采用的是 8m 晶振。 pen 1 pe0 (rxd0/pdi) 2 pe1

41、(txd0/pdo) 3 pe2 (xck0/ain0) 4 pe3 (oc3a/ain1) 5 pe4 (oc3b/int4) 6 pe5 (oc3c/int5) 7 pe6 (t3/int6) 8 pe7 (ic3/int7) 9 pb0 (ss) 10 pb1 (sck) 11 pb2 (m osi) 12 pb3 (m iso) 13 pb4 (oc0) 14 pb5 (oc1a) 15 pb6 (oc1b) 16 pb7 (oc2/oc1c) 17 tosc2/pg3 18 tosc1/1pg4 19 reset 20 vcc 21 gnd 22 xtal2 23 xtal1 24

42、pd0 (scl/int0) 25 pd1 (sda/int1) 26 pd2 (rxd1/int2) 27 pd3 (txd1/int3) 28 pd4 (ic1) 29 pd5 (xck1) 30 pd6 (t1) 31 pd7 (t2) 32 pg0 (wr) 33 pg1 (rd) 34 pc0 (a8) 35 pc1 (a9) 36 pc2 (a10) 37 pc3 (a11) 38 pc4 (a12) 39 pc5 (a13) 40 pc6 (a14) 41 pc7 (a15) 42 pg2 (ale) 43 pa7 (ad7) 44 pa6 (ad6) 45 pa5 (ad5)

43、46 pa4 (ad4) 47 pa3 (ad3) 48 pa2 (ad2) 49 pa1 (ad1) 50 pa0 (ad0) 51 vcc 52 gnd 53 pf7 (adc7/tdi) 54 pf6 (adc6/tdo) 55 pf5 (adc5/tm s) 56 pf4 (adc4/tck) 57 pf3 (adc3) 58 pf2 (adc2) 59 pf1 (adc1) 60 pf0 (adc0) 61 aref 62 gnd 63 avcc 64 u3 atm ega128l-8ai 3-9 是 atmegal128 芯片圖 vcc reset s1 10u c3 10k r1

44、 14 3-10 復位電路 12 y1 xtal gnd 104 c8 104 c9 xtl1 xtl2 3-11 晶振電路 3.2.5 電源模塊 本設計用的是 lm2576 穩(wěn)壓芯片，它有 5 個管腳，lm2576 內部設有含 52khz 振蕩器、 和 1.23v 基準穩(wěn)壓電路、過熱關斷電路、過電流限制電路、放大器、以及比較器和內 部穩(wěn)壓電路等。如圖 3-12 是電源電路圖，途圖中 r6 是滑動電阻器，通過調節(jié) r6 電阻 的大小，可以調節(jié) lm2576 反饋端 4 電壓的大小，從而可以改變輸出電壓的大小。 d2 1n5819 gnd 1000u c1 cap pol1 c3 cap 220

45、u 1 2 p1 fb 4 on/off 5 gnd 3 in 1 out 2 u1 lm2576hvt-3.3 gnd c44 gnd s1 sw-dpdt 10mh l1 inductor iron c45 gnd 12 l3 12 l2 10 r1 10 r3 10 r4 s2 sw-dpdt gnd gnd 1 2 3 4 5 6 7 8 9 p7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 p6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 p4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 p5 2 3 4 5 1 p3 12 l4 s3 sw-dpdt gnd 12v上上 12v上上 gnd 5v上 r6

46、3-12 電源電路圖 15 3.2.6 光電傳感器模塊 在豎井各個樓層設置光電傳感器，在副轎廂上安裝一個小薄木棍，當轎廂往上運 動，副轎廂則向下運動，轎廂往下運動，副轎廂則向上運動；當副轎廂運動時它上面 的小木棍經(jīng)過光電傳感器，則光電傳感器接收光線段接收不到光線，則傳感器輸出端 輸出一個高電平。單片機通過檢測每個樓層的光電傳感器電平的變化，知道電梯轎廂 的位置。如圖由于傳感器的輸出端輸出比較弱，所以在傳感器的輸出端接一個 1k 的上 拉電阻，增強它的輸出特性。傳感器的內部結構如圖 3-13。 圖 3-13 光電傳感器電路圖 圖 3-14 光電傳感器 3.2.7 自動開關門模塊 本設計中，設計了

47、一個自動開關門，它的功能有，當電梯運行到目標樓層后，自 動打開、關閉門，當在關門的時候，假如檢測到中間有東西，則門自動打開。本模塊 是有 2 個限位開關，霍爾傳感器，1 個接近開關，一個步進電機，以及其他小滑輪、小 皮帶等組成。由步進電機提供開關門的動力，2 個霍爾傳感器控制開關、關門時門移動 的位置，光電傳感器檢測門中間是否有東西，有則輸出一個低電平。如圖 3-14 是實物 圖。 1 2 3 p2 1 1k 12 l1 vcc 1 2 3 p3 gnd 上上上上上 上上上 16 圖3-15 自動開關門 3.2.8 緊急報警 轎廂內設緊急報警按鈕，當電梯突然發(fā)生故障使轎箱內的人被困時，可以通過

48、按 下緊急停止按鈕，清除所有呼叫信號，并將電梯直接運行至一樓，并發(fā)出報警信號。 由于這個部分要求電梯的任何運行狀況下都要有效，為保險起見，我們將此作為一個 獨立的模塊。 圖 3-16 蜂鳴器報警原理圖 3.2.9 稱重模塊 在選用 a/d 芯片時，選用了一款專為高精度電子秤而設計的 24 位 a/d 轉換芯片 hx711，該芯片具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點，內部還自帶放大，具 有 a/d 采樣和信號放大等雙重功能。本設計中，把傳感器裝在電梯橋廂的頂部，當橋 廂里面的重量變化時，可以測量出此時的重量，當電梯的重量超出一個限定閥值時， 電梯將不暫時運行，并發(fā)出警報，直到電梯的重量在限

49、定值內。如圖 3-17 是 hx117 運 行流程圖，3-18 是 hc117 的電路圖。 緊急停止 按鈕 求救信號 清除所有呼叫信號 電梯運行至一樓 發(fā)出報警信號 維修電梯解 救被困人員 電梯管理 人員 清除警報 等待啟動 17 稱重傳感器 hx711 內部放大 hx711a/d 轉換 atmega128 單片機 12864 液晶顯示 器 報警模塊 圖 3-17 hc117 運行流程圖 vsup 1 base 2 avdd 3 vfb 4 agnd 5 vbg 6 inna 7 inpa 8 innb 9 inpb 10 pd_sck 11 dout 12 xo 13 xi 14 rate

50、15 dvdd 16 u2 hx711 20k r2 res2 8.2k r3 res2 1k r4 res2 1kr5 0.1uf c5 cap 1uf c3 cap 1uf c4 cap 0.1uf c13 p37 p36 1 2 3 4 5 6 p3 header 6h 0.1uf c6 cap 1 2 3 4 p6 header 6 p37 p36 e+ e- a- a+ b- b+ q2 8550 vcc 圖 3-18 hx117 電路圖 18 第四章 軟件設計 本設計由于采用鍵盤矩陣來代替外呼內選按鈕，而電梯的運行方向是根據(jù)這些 呼叫按鍵和選擇按鍵來決定的，所以單片機要不斷的掃描鍵

51、盤來獲取各層呼叫狀態(tài)， 從而控制電梯的運行。故鍵盤矩陣掃描是本系統(tǒng)軟件設計的重要一部分，另外還要 把從鍵盤掃描到的各層的按鍵信息存儲起來，然后和結合電梯的運行狀態(tài)比較，判 斷響應的方向，當電梯到達目的樓層時牽引上升電機停止轉動，此時自動開關門系 統(tǒng)響應，當在關門的過程中，光電傳感器檢測到中間有人時，門自動再次打開，稍 等一會，在關門，直到門合上。電梯在沒有到達目標樓層時，門不會自動打開。假 如在關門的時候電梯廂的重量超出了設定值，則電梯停止運行，啟動蜂鳴器發(fā)出警 報。直到電梯廂的重量小于設定值，電梯在繼續(xù)響應下個操作，乘客進入電梯之后 可選擇去哪一層，然后電梯根據(jù)乘客的選擇判斷去哪一層，繼續(xù)運

52、行。通過單片機 控制電梯在上升過程中只響應上升呼叫，下降過程中只響應下降呼叫，當外部的響 應和電梯現(xiàn)在的運動方向反向，則單片機把此響應儲存起來，等執(zhí)行完原來方向上 的響應后，再反過來執(zhí)行此方向上的響應。在電梯運行的同時，顯示部分也在不停 地顯示此時電梯所在的樓層和運動方向，以及當前電梯的重量。假如電梯在運行的 時候整個系統(tǒng)掉電了，則掉電保護部分的彈簧怎自動復位，把上升電機上的輪子卡 住。 由于本設計采用單片機實現(xiàn)控制，其中主程序部分主要完成系統(tǒng)的初始化，如 中定時器的設置，開中斷等。在中斷子程序中完成緊急呼叫，特殊呼叫等，其它的 如數(shù)碼管的顯示，鍵盤的響應，轉動電機的控制，稱重，延時等均由相應

53、的子程序 來完成。 軟件設計思想：采用模塊化，分函數(shù)的分層次設計方法，將程序分成多個模塊， 分層編寫。通過調用不同的子程序，實現(xiàn)了復雜功能控制。這樣便于調試、修改。 軟件編程是實現(xiàn)多功能、智能化、操作方便的關鍵。在本設計中，可以把程序的各 部分相互結合起來，達到完成各項設計的功能。 4.1 電梯主程序 根據(jù)系統(tǒng)要求，電梯的程序應滿足以下要求： （1）初始化程序使數(shù)碼管顯示“1”表示電梯處在一樓，等待人進入電梯； （2）主程序主要包括： 判斷乘客進入電梯后選擇去哪一層，根據(jù)判斷情況來控制電梯運行，到達目 標樓層后自動開關門； 19 電梯在運行過程中要不斷的掃描鍵盤，從而來判斷各樓層有無呼叫請求，

54、并 把當前樓層按鍵的值給儲存起來； 提示模塊的控制； 實時顯示電梯所在位置及運行狀態(tài)（上行/下行） ； 開關門有一定的延時來保證乘客走出/進入電梯； 實時檢測此時電梯廂的重量； 實時檢測樓層檢測模塊； 實時控制上升電機，開關門電機的轉動； 主程序流程圖如圖 4-1 所示。 開始 初始化 啟動 緊急停止 功能演示 按鍵查詢 樓層檢測 樓層、方 向顯示 電梯邏輯控制 電動機轉動 y n n 演示子程序 y n y 圖 4-1 主程序流程圖 電梯的整個軟件設計包括一下幾部分：電梯邏輯控制模塊、電梯運行模塊、鍵盤掃 描模塊、樓層顯示模塊、樓層檢測模塊、電梯緊急停止模塊、稱重模塊。 4.2 電梯邏輯控制

55、 20 電梯控制中，單片機掃描樓層外呼內選信號，將樓層呼叫信號與當前樓層運行 狀 態(tài)進行比較，確定電梯響應上升、下降隊列，然后電梯按照運行隊列進行電機控制。 而將呼叫信號轉化為響應隊列的程序模塊是電梯控制的核心部分，其算法的嚴謹性， 決定了電梯的控制性能。其程序源代碼見附錄一 1.1，邏輯框圖如圖 4-2 所示： 圖 4-2 電梯邏輯圖 21 4.3 電梯運行控制 電梯響應上升下降隊列時，要對相應的指示燈、上下行狀態(tài)，以及響應隊列做相 應的改變，而實現(xiàn)這一功能模塊的就是電梯運行函數(shù)。其程序源代碼見附錄一 1.2, 邏輯框圖如圖 4-3 所示： 圖 4-3 電梯運行邏輯圖 4.4 鍵盤掃描、樓層

56、檢測 鍵盤掃描采用獨立按鍵取值法掃描法，是一種最常用的按鍵識別方法。若某個 按鍵按下了，則此時單片機把此時的鍵值儲存下來，產生相應的呼叫信號，并使相 應的呼叫樓層指示燈燈點亮。程序源代碼見附錄一 1.6。 4.5 緊急停止 為了提高電梯安全性能，設置緊急停止功能，當緊急停止鍵按下，所有呼叫信 號清空，同時電梯向一樓方向運行，蜂鳴器報警，當電梯運行到一樓，停止報警， 并打開門，等待電梯重新啟動信號。程序源代碼見附錄一 1.3。 22 第五章 系統(tǒng)系統(tǒng)測試測試 由于所設計的基于單片機的電梯控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部份, 測試時先對 硬件模塊逐個進行測試，然后再將已編譯無誤的軟件結合硬件在一起進行仿

57、真，完 成整個系統(tǒng)的仿真工作。 5.1 軟件編譯調試 在軟件調試中，采用 iccavr 軟件進行程序調試。首先分別調試各個功能程序， 再對整個程序進行調試，以便修改錯誤碼。具體的調試方法如下： 首先在 iccavr 軟件中選擇建立一個工程，然后新建一個.c 文件，并將.c 文件 添加到工程中，這個功能進行編寫，然后再整合各個模塊，編寫組合。軟件調試界 面如下： 圖 5-1 軟件調試界面 5.2 系統(tǒng)測試 5.2.1 方向優(yōu)先測試 電梯按某方向運行時，優(yōu)先響應該運行方向的按鈕； 23 測試初始時，轎箱位于一樓，按下二樓，三樓的上下按呼叫，和四樓的向下呼 叫。按鍵順序可隨意。 測試結果： 表1-1

58、 方向優(yōu)先測試 結論：系統(tǒng)在向上運行時候，優(yōu)先相應各樓層的向上呼叫信號，不響應向下的 呼叫信號，向下運行時相反，符合設計要求。 5.2.2 距離優(yōu)先測試 同一方向有多個按鈕呼叫時，優(yōu)先響應最近的樓層。測試初始時，電梯位于任 一層，如二樓。此時三樓和四樓分別向上呼叫。測試結果：先響應三樓呼叫，再響 應四樓呼叫。 結論：電梯具有距離優(yōu)先響應的功能，當多層同方向呼叫，首先響應距離當前 樓層較近的呼叫，符合系統(tǒng)設計要求。 各按鈕呼叫時指示燈顯示正常，電梯響應該按鈕的呼叫后，其指示燈應自動熄 滅。 5.2.3 綜合測試 測試條件：電梯位于 1 樓，進入三人，其中一人要到 3 樓，另兩人到 4 樓。電 梯

59、運行后，3 樓和 4 樓有人向上呼叫，3 樓有人向下呼叫到 1 樓。 測試結果： 表1-2 綜合測試 停止樓層 電梯方向 顯示 2 上 2 樓上呼叫注銷 3 上 3 樓上呼叫注銷 4 上 4 樓下呼叫注銷 3 下 3 樓下呼叫注銷 2 下 2 樓下呼叫注銷 24 測試結論：系統(tǒng)具有方向優(yōu)先、距離優(yōu)先的功能，基本模擬了實際電梯運行， 完成題目設計指標。 5.2.4 演示測試 測試條件：按下電梯啟動按鍵，然后按下演示按鍵，當電梯運行至五樓，第二 次按下演示按鍵。 測試結果： 表1-3 演示測試 測試結論：該測試比較完整的演示了電梯具有的性能，實現(xiàn)了多層呼叫請求的排序， 對電梯進行運動控制，同時測試

60、了樓層以及運行信息顯示，指示燈狀態(tài)信息的變化， 經(jīng)測試，電梯實現(xiàn)了系統(tǒng)要求。 停止樓層 電梯 方向顯示 3 上 3 樓內部和向上呼叫注銷，內部 4 樓呼叫 4 上 4 樓向上呼叫注銷 3 下 3 樓向下呼叫注銷，內部 1 樓呼叫 1 下 內部 1 樓呼叫注銷 停止樓層 電梯 方向顯示 2 上 2 樓向上注銷 3 上 3 樓向上注銷 4 上 4 樓向上注銷 5 下 5 樓向下注銷 4 下 4 樓向下注銷 3 下 3 樓向下注銷 2 下 2 樓向下注銷 1 上 1 樓向上注銷 25 第六章 總結與展望 經(jīng)過認真的選擇和設計，最終完成了一個可以實現(xiàn)大部分功能的電梯控制系統(tǒng)。 電梯系統(tǒng)為模擬實用客運電