基于單片機的雙電梯控制系統的設計

1、本科畢業(yè)論文（設計）本科畢業(yè)論文（設計） 題 目：基于單片機的雙電梯控制 系統的設計系統的設計 專業(yè)代碼：專業(yè)代碼： 作者姓名：作者姓名：阮阮 志志 剛剛 學學 號：號： 單單 位：位：物理科學與信息工程學院物理科學與信息工程學院 指導教師：指導教師：王王 寶寶 興興 20102010 年年 5 5 月月 2626 日日 目 錄 摘 要.4 關鍵詞：關鍵詞：.4 4 ABSTRACT.5 KEYWORDS .5 引言.6 1. 總體方案設計與論證.7 1.11.1 雙電梯控制模型（五層），示意圖如下圖所示。雙電梯控制模型（五層），示意圖如下圖所示。.7 7 1.21.2 控制器選擇控制器選擇.

2、7 7 1.31.3 動力選擇動力選擇.7 7 1.41.4 并聯電梯的調度原則并聯電梯的調度原則 .8 8 2硬件電路設計.9 2.12.1 整體電路設計整體電路設計.9 9 2.22.2 對電機的控制設計對電機的控制設計.9 9 2.32.3 報警模塊設計報警模塊設計 .1010 2.42.4 傳感器模塊設計傳感器模塊設計 .1111 2.4.1 重力傳感器模塊.11 2.4.2 光傳感器模塊.13 2.52.5 A/DA/D 轉換模塊設計轉換模塊設計 .1313 2.62.6 系統板（二）系統板（二）I/OI/O 的分配的分配.1414 3. 軟件設計.15 3.13.1 整個系統程序設

3、計思路（流程圖）整個系統程序設計思路（流程圖） .1515 3.23.2 電機控制部分電機控制部分.1616 3.2.1 轎廂運行部分：.16 3.2.2 平層部分.16 3.33.3 顯示及報警部分顯示及報警部分.1717 3.3.1 樓層顯示.17 3.3.2 電梯外部按鍵顯示.17 3.3.3 超重報警.17 3.3.4 緊急報警.18 總結.18 參考文獻.19 附錄.20 謝辭.26 摘摘 要要 本系統采用兩片單片機（89C52）作為內外招信號的檢測和控制核心。內外 招使用按鍵按下與否帶來的電平的改變來控制對應的單片機輸入或輸出口工作。 樓層檢測使用光傳感器；轎廂負載采用精密壓力傳感

4、器；速度控制采用易控的步 進電機外加微小誤差轉子；在豎井的側面固定了軌道以防止轎廂的晃動?；谶@ 些完備而可靠的硬件設計，使用了一套獨特的軟件算法，實現了并聯電梯的調度 以及電機在運動和加速經及減速過程的精確控制。 關鍵詞：關鍵詞：單片機；步進電機；A/D轉換；555定時器；施密特觸發(fā)器；傳感器； C語言編程；流程圖 ABSTRACT Inside and outside this system uses two piece of monolithic integrated circuits (89C52) to take the move of signal examination and

5、the control core. The inside and outside move of use pressed key presses down the level change which or not brings to control corresponding the monolithic integrated circuit input or the outlet work. Floor examination use reflection type infrared sensor; The sedan theater box load uses the precise p

6、ressure transmitter; The speed control uses easily to control step-by-steps the electrical machinery in addition light error rotor; Fixed the track in the shaft side to prevent the sedan theater box rocking. Based on these complete and reliable hardware design, has used a set of unique software algo

7、rithm, has realized the electrical machinery in the movement and the acceleration after and the moderating process accuracy control. Keywords：MCS-51.89C52. Step-by-steps the electrical machinery; A/D transformation; 555 timers; Schmitt trigger; Sensor; C language programming; Flow chart. 基于單片機的雙電梯控制

8、系統基于單片機的雙電梯控制系統 引言 電梯作為一種電力拖動的特殊升降設備，是現代生活所不可缺少的，也是應 用最為廣泛的垂直交通運輸工具。早在 1889 年，美國的奧的斯公司制造的有直 流電動機通過蝸桿渦輪減速器帶動卷筒卷繞繩索懸掛并升降轎廂的電動升降機， 成為現代電梯的鼻祖。 由于電梯拖動技術從直流電動機驅動，到交流單速、交流雙速電動機驅動， 到交流調壓調速（ACVV）控制，交流調壓調頻調速（VVVF）控制，使得電梯 控制技術不斷成熟，加上電子技術、電子計算機技術、自動控制技術在電梯中的 廣泛應用，使電梯運行的可靠性、安全性、舒適感、平層精度、運行速度、節(jié)能 降耗、減少噪聲等方面都有了極大改善

9、。 在電梯拖動技術發(fā)展的同時，由于現代建筑高度的不斷增加，電梯的速度也 在不斷的提升。電梯速度提升的同時，其平穩(wěn)性和安全性能也需要得到提高，以 保障電梯性能的平衡。近年來，這一直是電梯研究的一個熱點問題。 然而隨著當前高樓大廈涌現，雖然單純依靠提高電梯速度、增加電梯數量， 可以在一定程度上提高電梯的運送能力和服務質量，但提高電梯運送能力和服務 質量的關鍵在于電梯群的調度，即根據轎廂內的人數、上下方向的?？看螖怠?站召喚以及電梯轎廂所處的位置等情況，合理地選擇電梯的最優(yōu)方案來運送客流， 因此電梯群控應運而生。 電梯群控系統（簡稱 EGCS）是在建筑物內同時控制多臺電梯，實現電梯群 的優(yōu)化調度，

10、有效運送乘客，改善服務質量的系統。1949 年由繼電器邏輯控制 為主組成電梯群控系統首次安裝在聯合國大廈，大大提高了電梯的運行效率和服 務質量。到現在，電梯群控系統已經大量出現在建筑的電梯控制系統中，并且新 技術也不斷得到創(chuàng)新和應用。 1. 總體方案設計與論證總體方案設計與論證 1.1 雙電梯控制模型（五層），示意圖如下圖所示。雙電梯控制模型（五層），示意圖如下圖所示。 電梯間豎井部分由有機玻璃粘成無上蓋板的六面體 ABCDEFGH，高度 AE 為 1.2m；電梯橋廂模型 J 通過滑輪懸掛并由步進電機 1 牽引，電梯轎廂模型 K 通過滑輪懸掛并由步進電機 2 牽引，兩個轎廂都可在電梯間豎井模型

11、的空間內上 下運動。該電梯間豎井模型每隔 20cm 自下向上分成 5 層，其樓層編號如圖所示。 1.2 控制器選擇控制器選擇 本系統的系統板主要由 MCS51 系列單片機 AT89C52 組成。AT89C52 有 8K 字節(jié)的片內 ROM、256 字節(jié)的片內 RAM、3 個 16 位定時器和六個中斷源，其有 8K 字節(jié)的 ROM 足夠本系統中的編程部分。 此最小系統除了具有一般單片機最小系統的功能如地址鎖存、輸入輸出控制 外，另外它的主要特點是它的輸出口部分接有液晶顯示，可以數字顯示各要輸出 的狀態(tài)和數據，系統板的 P1，P2，P3 口經過三級管和發(fā)光二級管相接，可以顯 示各口線的實時工作狀態(tài)

12、。 1.3 動力選擇動力選擇 本設計用步進電機及其驅動器 BY-2HB03M。首先，步進電機具有良好的可 控性：起停迅速，控制簡單，避免了慣性帶來的誤差，在低速情況下仍然具有良 好的驅動力；其次，步進電機性價比較高，更安全可靠。故我們采用此步進電機 和其配套的驅動器。 1.4 并聯電梯的調度原則并聯電梯的調度原則 A,兩臺電梯都遵守集選規(guī)則，即將呼叫信號先進行登記，對與電梯運行同向 的呼叫信號逐一應答，當同向指令和召喚應答完畢后電梯可以自動換向。 B,除此以外，電梯并聯運行還遵循的相應的調度原則：正常情況下，當電梯 使用以后，二號電梯作為忙梯會首先自動上升至第三層待命，一號電梯則作為基 站電梯

13、在第一層樓待命。當某層站有門廳呼叫信號時，則“忙梯”立即啟動并定向 運行去接該層站的乘客。 C,當兩臺電梯因轎廂內指令而到達基站后關門待命時，則應按照有效利用的 原則，執(zhí)行相互交替程序段。原先充當忙梯的電梯現在即作為基站電梯來使用， 而原先作為基站電梯使用的電梯此時即成為忙梯。不論是一號電梯還是二號電梯 均停留在最后停靠的層站待命。 D,當忙梯正在上行時，若其上方出現任何方向的門廳呼叫信號或是其下方出 現向下的門廳呼叫信號，則均由忙梯在一周行程中去完成，而基站電梯不予應答 運行。但是，若在忙梯的下方出現向上的門廳呼叫信號，則由基站電梯來應答信 號而發(fā)車運行接客。 E,當忙梯正在下行時，若其下方

14、出現任何方向的門廳呼叫信號，則均由忙梯 在一周行程中去完成，而基站電梯不予應答運行。但是，若在忙梯的上方出現任 何向上或是向下的門廳呼叫信號，則由基站電梯來應答信號而發(fā)車運行接客。 F,當其中一臺電梯由于故障而停止運行，另一臺電梯則自動承擔全部的運行 任務，遵循單臺電梯的運行規(guī)則。 G,無論是作為一號電梯還是二號電梯,由于轎內呼叫信號而使電梯定向的,電 梯都必須啟動運行。電梯停用以后，不論當前處在哪一層，都會自動下降至底層。 2硬件電路設計硬件電路設計 2.1 整體電路設計整體電路設計 系統板（二） 系統板（一） 步進電機 1步進電機 2 轎廂 1轎廂 2 出界保護 上下樓選擇 （外招） 顯示

15、 樓層選擇 （內招） 樓層顯示 （吊廂內） 樓層顯示 （電梯外）顯示 轎廂內警報光傳感器 1 重力傳感器 超重警報 當外部人為操作電梯的指令發(fā)出，經過 A/D 轉換和系統板二的處理后發(fā)出 信號到系統板一，系統板一通過指令來控制步進電機的工作從而帶動轎廂的運動。 由于控制 2 個步進電機的程序比較復雜，故專門用一片系統板。系統板二則負責 按鍵的控制、LED、數碼管的顯示、電動機的轉動、傳感器經 A/D 轉換后輸出的 信號的處理等等。 2.2 對電機的控制設計對電機的控制設計 由以上論證知，本部分設計采用 MCS51-AT89C52 單片機來完成，通 過 I/O 口 輸出的具有時序的方波作為步進電

16、機的控制信號，信號經過芯片 BY- 2HB03M 驅動步進電機。BY-2HB03M 驅動器具有恒流控制，極低的電源損耗， 極高的開關效率，電機運行平穩(wěn)、低振動、低噪音；驅動器的工作電壓：直流電 壓 2440V；驅動電流 2.5A。通過 BY-2HB03M 構成步進電機的驅動電路，電 路圖如下圖所示。52 的 25-28 口接 BY-2HB03M 的 1-4 輸入端。所示。 2.3 報警模塊設計報警模塊設計 本方案采用 555 做成的多諧振蕩器產生的方波信號來控制小功率的蜂鳴器工 作，電路如圖 2.3.1 所示。工作原理：當電梯未到達指定的樓層或未超重時，555 的第 4 腳一直處于低電平狀態(tài)，

17、當到達指定樓層或因為負重過大而超重時，555 的第四腳將轉向高電平，此時振蕩器開始工作，產生高頻的方波，從而使蜂鳴器 發(fā)聲。 電路分析：我們知道，只要將 555 定時器的 Vi1 和 Vi2 接在一起可以接成施 密特觸發(fā)器。我們把施密特觸發(fā)器的反相輸出端經 RC 積分電路接回到它的輸入 端，就構成了多諧振蕩器。在電路的設計過程中，為了減輕 555 中的門 G4 的負 載，我們特在電路中將 TD 與 R1 接成了一個反相器，它的輸出與原輸出在高低 電平狀態(tài)上完全相同。將其輸出經 R2 和 C 組成的積分電路接到施密特觸發(fā)器的 輸入端。詳具體電路見圖 2.3.1。 由圖分析計算可知此多諧振蕩器的周

18、期理論上為： s CRRT 4 12 10058.6 102ln4700)68250( 2ln)221( 故其頻率為： KHZ T f65. 1 1 2.4 傳感器模塊設計傳感器模塊設計 2.4.1 重力傳感器模塊 重力傳感器部分我們采用典型的壓力測量電路,電路如圖 2.4.1 示：電路中， 我們選擇 OP07 作為儀用放大電路的放大器件，參數與通用運放 NE5532 比較如 下： 共模抑制比噪聲電壓供電電壓 （CMRR） OP07D9011010.33V18V UA741CP707V36V 由于傳感器輸出信號是用于 A/D 采樣，所以要求精度較高的放大器，而且 輸出信號的噪聲電壓在 10mV

19、 以內，輸出信號峰峰值在 05V 之間，通過對橋式 傳感電路的測試，放入 500g 的砝碼，可以得到 100mV 的電壓，放大 400 倍，即 可用于 A/D 采樣。選用 OP07D 組成兩極反相放大器。第一級 U10A，U10B，U11A 組成儀用放大器。第二級 U11B 為反相放大器，放大倍數 為 20 倍。C28，C31，C30 是輸出去耦，AN0 為輸出端，由于電路中積累了電荷， 使得 AN0 電壓變化緩慢，所以在 AN0 端接入 R=10K 的電阻作負載。電路中的 D5、D6 組成限幅器，C7，C8，C2，C1 是電源去耦電路。 電壓放大倍數計算如下： 400 ) 1.5 100 (

20、) 1.5 100 ( ) 32 35 () 24 25 ( K K K K R R R R Au 即整個電路的放大倍數約為 400 倍。 2.4.2 光傳感器模塊 我們在轎廂底部裝置光傳感器，用于檢測轎廂是否到達指定的位置。光傳感 器的選擇，采用單光束反射取樣式光電傳感器 ST278。ST278 特點有：1，采用 高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成；2，雙光電晶體管，可 用于檢測被測物的運動方向；3，檢測距離可調整范圍大，近距離 2mm 可用； 4，采用非接觸檢測方式。 ST278 的參數如下： 我們把光電傳感器固定在轎廂的底部，并在豎井的對應位置放置反光的薄板。 這樣當轎廂到

21、達我們定義的位置時，將會有光被反射回來，這樣光電傳感器將會 接收到，并將其轉換為低電平，再由電路傳至單片機中，從而控制轎廂的制動。 2.5 A/D 轉換模塊設計轉換模塊設計 芯片選擇：本系統主要有二個 A/D 轉換模塊，將傳感器得到的信號轉換為 單片機可以處理的數字信號。本系統的 A/D 轉換我們選用的芯片為 MAX191。MAX191 是 12 位低功率的轉換器，它的平均轉換時間為 7.58.125us, 即采樣速率可以達到 120K 左右，而我們以前常用的 A/D0809 的平均轉換時間只 有 90115us,采樣速率遠小于 MAX191。另 MAX191 除了具有上述優(yōu)點外，它自 身帶有

22、觸發(fā)脈沖，和狀態(tài)位，可以進行狀態(tài)查詢，這些都是 ADC0809 所沒有的 性能，故我們選擇 MAX191 作為本實驗用的 A/D 轉換器。 關于此 A/D 的轉換部分，我們仍采用查表法編著程序。轉換波形如下： 2.6 系統板（二）系統板（二）I/O 的分配的分配 P0.0P0.3 : 14 層的上呼信號輸入。 P0.4P0.7 : 25 層的下呼信號輸入。 P1.0P1.3 : 接數碼顯示管，用于樓層顯示。 P2.0P2.4 : 用于轎廂類的樓層選擇信號輸入。 P2.5 : 開門按鈕。 P2.6 ：關門按鈕。 P2.7 : 接報警模塊。 P1.4 : 開門到位信號。 P1.5 ：關門到位信號。

23、 P1.6 : 電梯停好信號輸入。 P1.7 ：接重力傳感器。 P3.2 ：光傳感器信號輸入。 P.3.0P3.1 : 用于兩機通信。 3. 軟件設計軟件設計 3.1 整個系統程序設計思路（流程圖）整個系統程序設計思路（流程圖） 3.2 電機控制部分電機控制部分 3.2.1 轎廂運行部分： 我們知道，任何從靜止開始的運動過程都要經過加速和減速的過程。故我們 在程序的設計過程中把電機的運行過程分為加速、勻速和減速三個階段。我們調 節(jié)方波的頻率大小來控制步進電機的轉速，調節(jié)方波信號的個數來控制步進電機 的轉過的角度，達到控制轎廂移動高度。整個電機的運行過程大致如圖 3.1.1 所 示： 3.2.2

24、 平層部分 平層過程由 A、B 兩個部分控制： A: 程序控制電機的步長 a) 自學習階段： 1）讓電機從樓頂到樓底，再從樓底到樓頂來回運動幾個回合，查詢出豎井 的高度和上下邊界，記錄入 TABLE，方便后面使用。 2）讓電機再來回運行幾個回合，通過光耦查詢出每層樓的高度和光耦所在 的位置，記錄入 TABLE。 b) 實際控制階段： 在自學習階段測試完整個豎井的高度和每層樓的高度后，將其數據記錄入 一個專用的表 TABLE 中。實際程序執(zhí)行時，程序自動查閱 TABLE，找出所要 轉動的長度，再計算出步進電機要轉動的圈數，然后再經過電機的驅動對電機控 制。 B: 光傳感器接收到的信號經過處理后進

25、行制動 我們在電梯內的轎廂底部裝置單光束反射取樣式光電傳感器 ST278，對平層 進行控制，當轎廂到達后會有反射光使 ST278 的電平改變。其具體工作原理詳見 光傳感器模塊。 平層過程工作如圖 3.1.2 所示： 3.3 顯示及報警部分顯示及報警部分 3.3.1 樓層顯示 樓層顯示部分命令由系統板一控制實現，由傳感器的感應次數來對顯示數字 的變化進行控制。另外，此部分加了鎖存器，對顯示的樓層數據進行鎖存，以保 證電梯顯示指定的樓層。 3.3.2 電梯外部按鍵顯示 由于此部分只要求每層只顯示上下標志，所以我們采用一般的發(fā)光二級管。 發(fā)光二級管電路簡單，易于控制。此外，由于一樓和五樓只能分別上和

26、下，故我 們在一樓和五樓都只安裝一個發(fā)光二級管。 3.3.3 超重報警 當重力傳感器檢測到超重時，經系統處理后會發(fā)出一個持續(xù)的高電平，使圖 2.3.1 中的多諧振蕩器工作，最終驅動蜂鳴器工作。 3.3.4 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 過按下緊急報警按鈕，使緊急報警燈亮同時發(fā)出音響信號，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。具 體電路見附圖，控制過程如下： 附加：防沖頂和防撞底 我們在轎廂頂快接近豎井頂部和位置和轎廂底快接近豎井底部的位置也同樣 放置反光片，用于對電梯進行保護防沖頂和防撞底。當轎廂

27、在超過規(guī)定的樓 層內感應到光后，程序設定其馬上制動。具體電路和編著的程序和平層部分相差 不大。 總結總結 經過近三個月的研究工作，通過在圖書館查閱有關資料，了解了電梯的起源 和發(fā)展過程，并且加深了對電梯的運行過程、控制系統的認識。熟悉了電梯的各 機械裝置所起到的作用。并且在所學知識的基礎上利用已有的電梯控制系統的設 計，嘗試了對電梯控制系統的研究。并且，使我將原來所學的知識系統化、理論 化、實用化，對如何使用已有知識及獲取相關資料方面的能力又有了提高。通過 這次設計，我還認識到無論做什么，都需要踏實、勤奮、嚴謹的工作態(tài)度這對我 以后的工作產生深遠的影響。 參考文獻參考文獻 1 王寶興等編單片機

28、原理與應用技術北京大學出版社 2008 2 吳金戌等編8051 單片機實踐與應用清華大學出版社 2001 3 童詩白等主編， 模擬電子技術基礎 第三版 ，高等教育出版社， 2006.12 4 閻石主編， 數字電子技術基礎 ，高等教育出版社，2007 5 陳家盛編電梯結構原理及安裝維修機械工業(yè)出版社，1990 6 陳杰 黃鴻著， 傳感器與檢測技術 ，高等教育出版社，2008.2 7 張漢杰，王錫仲編現代電梯控制技術哈爾濱工業(yè)大學出版社， 2001 附錄附錄 呼叫標志變量 MB 轎廂在所在層變量 DQ 判斷是否開門算法 (mb sbit P3_1=P31; sbit P3_2=P32; sbit

29、P3_4=P34; sbit P3_5=P35; sbit P3_3=P33; sbit P3_7=P37; sbit P0_7=P07; uchar mb=0,up=0,down=0,mbz=1,dq1=1; void delay() uint x,i; for(i=0;i6;i+) for(x=0;x15000;x+) ; void km() mbz = 0 ; P0 = 0 x00; delay(); P0 = 0 x18; delay(); P0 = 0 x3c; delay(); P0 = 0 x7e; delay(); P0 = 0 xff; void gm() mbz= 1 ;

30、P0 = 0 xff; delay() P0 = 0 x7e; delay(); P0 = 0 x3c; delay(); P0 = 0 x18; delay(); P0 = 0 x00; void ss() dq1 = dq1 1; P3_0 = 0; P3_1 = 1; delay(); delay(); switch (dq1) case 0 x01 :P2=0 x9f;break; case 0 x02 :P2=0 x25;break; case 0 x04 :P2=0 x0d;break; case 0 x08 :P2=0 x99;break; case 0 x10 :P2=0 x9b;break