基于單片機(jī)的電梯控制模型設(shè)計(jì)

1、一、 前言單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門(mén)迅速發(fā)展的技術(shù)，它的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各種嵌入式系統(tǒng)中?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)：掌握單片機(jī)技術(shù)是電子信息類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生就業(yè)的一個(gè)重要條件。同時(shí)單片機(jī)技術(shù)又是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)和實(shí)施，在很大程度上決定了學(xué)生對(duì)單片機(jī)技術(shù)的掌握程度。為了更好地完成課程設(shè)計(jì)這一重要教學(xué)環(huán)節(jié)，我們采用proteus軟件與keil軟件整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生首先在pc上利用proteus軟件自己搭建硬件電路，并利用系統(tǒng)提供的功能完成電路分析、系統(tǒng)調(diào)試和輸出顯示的硬件設(shè)計(jì)部分；同時(shí)在keil軟件中編制程序，進(jìn)行相應(yīng)的編譯和仿真，完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分。當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)

2、計(jì)工作完成后，學(xué)生可以在pc上看到最終的運(yùn)行效果。最后再通過(guò)proteus設(shè)計(jì)pcb，再完成真正硬件的調(diào)試。采用proteus軟件與keil軟件整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),有利于促進(jìn)課程和教學(xué)改革，更有利于人才的培養(yǎng)；從經(jīng)濟(jì)性、可移植性、可推廣性角度講，建立這樣的課程設(shè)計(jì)平臺(tái)是非常有意義的；利用仿真系統(tǒng)，可以節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本；利用仿真系統(tǒng)，具有很大的靈活性和可擴(kuò)展性。二、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介1、設(shè)計(jì)方案介紹在工業(yè)上，多采用可編程控制器或微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)電梯邏輯控制，可編程控制器抗干擾性強(qiáng)，但針對(duì)性強(qiáng)、價(jià)格較貴，為實(shí)現(xiàn)電梯控制的模擬，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)為控制中心，針對(duì)所在的不同樓層分別進(jìn)行合理的調(diào)度。設(shè)計(jì)

3、中按鍵用于給用戶(hù)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，led電路用于顯示請(qǐng)求狀態(tài)及電梯運(yùn)行狀態(tài)、數(shù)碼管顯示電路來(lái)顯示實(shí)時(shí)樓層，而電梯上升或下降的過(guò)程則通過(guò)定時(shí)來(lái)模擬。2、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 三層電梯控制模型的設(shè)計(jì)。2.1 設(shè)計(jì)要求l 利用51單片機(jī)設(shè)計(jì)三層電梯的控制模型l 利用按鍵和數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯的控制和運(yùn)行模擬l 可實(shí)時(shí)顯示電梯所在樓層；l 按鍵按下后，相應(yīng)的led燈亮；l 可對(duì)發(fā)出的服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行合理的分析調(diào)度并作出正確的響應(yīng)；l 用戶(hù)請(qǐng)求得到服務(wù)后，可更新?tīng)顟B(tài)。2.2 設(shè)計(jì)思路單片機(jī)控制系統(tǒng)p3、p1口接led指示燈獨(dú) 立鍵 盤(pán)p1接2接獨(dú)立鍵盤(pán)led指示 燈p0接數(shù)碼管段選數(shù)碼管本次設(shè)計(jì)的基本思路是以at89s5

4、1單片機(jī)作為核心，利用其i/o接口與外圍電路配合進(jìn)行控制，通過(guò)掃描鍵盤(pán)點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈，采用數(shù)碼管來(lái)實(shí)時(shí)顯示樓層，單片機(jī)通過(guò)掃描按鍵指示燈來(lái)讀取請(qǐng)求，根據(jù)所在樓層的不同，進(jìn)行不同的分析、調(diào)度，然后做出正確的響應(yīng)，更新?tīng)顟B(tài)并在指示燈和數(shù)碼管上顯示出來(lái)。系統(tǒng)模擬框圖如圖所示三、硬件電路設(shè)計(jì)3.1總體電路模塊硬件部分主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、系統(tǒng)顯示電路、步進(jìn)電梯驅(qū)動(dòng)模塊和按鍵輸入模塊等幾部分組成?？傮w電路原理圖如下圖所示：3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)部分由圖中的（1）振蕩電路（2）復(fù)位電路（3）at89c51構(gòu)成。3.2.1振蕩電路單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱(chēng)叫

5、晶體振蕩器，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱(chēng)為壓控振蕩器（vco）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機(jī)晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，

6、以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)，可以用與同一個(gè)晶振相連的不同鎖相環(huán)來(lái)提供。at89c51使用11.0592mhz的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在15pf至50pf之間。3.2.2復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路原理是在單片機(jī)的復(fù)位引腳rst上外接電阻和電容，實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時(shí)間必須大于單片機(jī)的兩個(gè)機(jī)器周期。具體數(shù)值可以由rc電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。（1）上電復(fù)位：通常在復(fù)位引腳rst上連接一個(gè)電容到vcc，再連

7、接一個(gè)電阻到gnd，由此形成一個(gè)rc充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí)rst腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻和電容的典型值為10k和10uf。（2）按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)電容被放電、rst也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會(huì)保持一段時(shí)間的高電平來(lái)使單片機(jī)復(fù)位。3.2.3單片機(jī)at89c51at89c51是一種帶4k字節(jié)flash存儲(chǔ)器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓、高性能cmos 8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。at89c2051是一種

8、帶2k字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃速存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。at89c51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示。主要特性：（1）與mcs-51 兼容 （2）4k字節(jié)可編程flash存儲(chǔ)器（3）壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán) （4）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年（5）全靜態(tài)工作：0hz-24mhz （6

9、）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定（7）1288位內(nèi)部ram （8）32可編程i/o線(xiàn)（9）兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 （10）5個(gè)中斷源（11）可編程串行通道 （12）低功耗的閑置和掉電模式特性概述：at89c51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32 個(gè)i/o 口線(xiàn)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁

10、止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。3.3 系統(tǒng)顯示電路3.3.1 數(shù)碼管顯示電路顯示電路使用了七段數(shù)碼管7seg-mpx1-cc,它是共陰極的，由高電平點(diǎn)亮3.3.2 led指示電路3.4按鍵輸入模塊 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)，傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。 本系統(tǒng)采用獨(dú)立式按鍵，獨(dú)立式按鍵的各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵都有一個(gè)輸入線(xiàn)，各按鍵的狀態(tài)互不影響，cpu 需對(duì)按鍵狀態(tài)分別檢測(cè)，只適用于按鍵數(shù)量較少的場(chǎng)合。獨(dú)立按鍵與單片機(jī)接口電路如圖所示。3.4.1鍵盤(pán)輸入的特點(diǎn)鍵盤(pán)實(shí)質(zhì)上是一級(jí)按鍵開(kāi)關(guān)的集合。通常，鍵盤(pán)開(kāi)關(guān)利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。3.4.2按鍵的確認(rèn)

11、鍵的閉合與否，反映在行線(xiàn)輸出電壓上就呈現(xiàn)高電平或低電平，如果高電平表示鍵斷開(kāi)，低電平則表示鍵閉合，通過(guò)對(duì)行線(xiàn)電平高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)按鍵按下與否。為了確保cpu對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次按鍵有效，必須消除抖動(dòng)的影響。3.4.3如何消除按鍵的抖動(dòng)采用軟件來(lái)消除按鍵抖動(dòng)的基本思想是：在一次檢測(cè)到有鍵按下時(shí)，該鍵所對(duì)應(yīng)的行線(xiàn)為低電平，執(zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后，確認(rèn)該行線(xiàn)電平是否仍為低電平，如果仍為低電平，則確認(rèn)為該行確實(shí)有鍵按下。當(dāng)按鍵松開(kāi)時(shí)，行線(xiàn)的低電平變?yōu)楦唠娖?，?zhí)行一段延時(shí)10ms的子程序后，檢測(cè)該行線(xiàn)為高電平，說(shuō)明按鍵確實(shí)已經(jīng)松開(kāi)。3.4.4與非門(mén)的作用 這次的電路加上了7個(gè)與門(mén)，在

12、有一個(gè)按鍵按下之后，與門(mén)的一個(gè)輸入變?yōu)榈停詈笈c門(mén)的輸出就為低，接在外部中斷int0，該引腳有高變低，下降有觸發(fā)，觸發(fā)外部中斷。3.5 步進(jìn)電梯驅(qū)動(dòng)模塊本系統(tǒng)的步進(jìn)電梯模塊由uln2003a驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電梯構(gòu)成。該電路模塊如圖所示： 本設(shè)計(jì)是使用uln2003a芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使用步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)。l 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，由于控制并不復(fù)雜，故直接用單片 機(jī)模擬出時(shí)序信號(hào)。 l 控制換相順序 通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)以二、四相電機(jī)為主，本 機(jī)采用四相八拍為ab-b-bc-c-cd-d-ab,(步距角為0.9度）。

13、l 控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電 機(jī)就反轉(zhuǎn)。 l 控制步進(jìn)電機(jī)的速度 如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。 兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就 可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。單片機(jī)留出來(lái)4個(gè)口線(xiàn)來(lái)與uln2003a連接，以達(dá)到 用單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，上行、以及下行和停止等，具體功能的實(shí) 現(xiàn)將由軟件編程來(lái)完成。 其中uln2003a是高耐壓、大電流，內(nèi)部由7個(gè)硅npn達(dá)林頓管組成的驅(qū)動(dòng)芯片在電路中可用于伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)等電路中。 uln是集成達(dá)林頓管ic，內(nèi)部

14、還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,npn晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50v,電流=500ma,輸入電壓=5v,適用于ttl coms,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。 uln是集成達(dá)林頓管ic,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管,它的輸出端允許通過(guò)電流為200ma，飽和壓降vce 約1v左右，耐壓bvceo 約為36v。用戶(hù)輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)uln2003時(shí)，上拉2k的電阻較為合適，同時(shí)，com引腳應(yīng)該懸空或接電源。 uln2003 的每一對(duì)達(dá)

15、林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7k 的基極電阻,在5v 的工作電壓下它 能與ttl 和cmos 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來(lái) 處理的數(shù)據(jù)。 uln2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500ma，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受 50v 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。四、系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)初始化（設(shè)定電梯初始狀態(tài)和定時(shí)器初值）顯示當(dāng)前樓層now、掃描鍵盤(pán)now=1的請(qǐng)求分析程序now=1的請(qǐng)求分析程序now=1的請(qǐng)求分析程序電梯動(dòng)？now=3？now=2？now=1？電梯動(dòng)？電梯動(dòng)？等待中斷yyyyyynnn開(kāi)始程序流程框圖如圖所示：4.2 中斷程序的設(shè)計(jì)程序

16、流程框圖如圖所示：中斷產(chǎn)生更新now值并確實(shí)flag參數(shù)新的now為目標(biāo)層或有可讀取的請(qǐng)求停下來(lái)，等待一會(huì)相應(yīng)的指示燈亮中斷返回五仿真調(diào)試情況5.1測(cè)試結(jié)果顯示5.2調(diào)試時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題及分析l 電梯在一樓時(shí)若同時(shí)按下2、3數(shù)字鍵，電梯總是上到2樓不停，到3樓后才回到2樓，推測(cè)在到2樓時(shí)的判斷分析程序有錯(cuò)。反復(fù)檢查、修改無(wú)改善后，發(fā)覺(jué)原先把判斷分析電梯怎么動(dòng)作的程序都寫(xiě)在中斷服務(wù)程序內(nèi)，故只有電梯到了新的樓層才會(huì)得到下一步怎么走的命令，且在中斷服務(wù)程序中無(wú)按鍵掃描，故剛好到達(dá)某一樓層時(shí)按下的鍵無(wú)法掃描到，電梯除初始態(tài)外，靜止在其他樓層時(shí)若有按鍵按下未必能進(jìn)行合理的分析和處理?？偨Y(jié)以上不足后，把判斷

17、電梯該如何動(dòng)作的分析調(diào)度程序改寫(xiě)到主程序中，各個(gè)樓層均有一個(gè)對(duì)應(yīng)的分析程序，改分析程序內(nèi)已包含鍵盤(pán)掃描程序，只要電梯未到達(dá)新的樓層就始終執(zhí)行該分析程序。在分析過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)要讓電梯上升或下降時(shí)就開(kāi)中斷，在等待中斷次數(shù)夠20次（定時(shí)2s）的過(guò)程中仍未到達(dá)新的樓層，故期間一直在執(zhí)行該分析程序。按照以上思路改進(jìn)后，上述問(wèn)題得到解決，故障得以排除。l 在進(jìn)行程序整體聯(lián)調(diào)時(shí)發(fā)現(xiàn)，多個(gè)按鍵按下時(shí)，有時(shí)能掃描到所有按下的鍵，有時(shí)不能，且響應(yīng)了一個(gè)請(qǐng)求之后，即使仍有請(qǐng)求燈在亮著，也不再做任何響應(yīng)，按鍵也沒(méi)反應(yīng)，就像“死機(jī)”了一樣。推測(cè)可能按鍵掃描的頻率不夠高，或者邏輯上不全面，程序進(jìn)入到一個(gè)死循環(huán)，故在程序中檢

18、查并完善了條件判斷語(yǔ)句，幾處添加按鍵檢測(cè)，只要有鍵按下就進(jìn)行行掃描，如此，按鍵幾乎都能掃描到。六設(shè)計(jì)心得體會(huì)通過(guò)本次論文設(shè)計(jì)，使我加深了對(duì)單片機(jī)的認(rèn)識(shí)，并且熟悉了單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，收獲豐碩。功能上基本達(dá)標(biāo)：時(shí)鐘與鬧鐘的顯示，調(diào)時(shí)間和鬧鐘功能以及鬧鐘鳴叫功能。時(shí)鐘與鬧鐘顯示功能，精確度完全可以滿(mǎn)足日常生活顯示時(shí)間的需要；調(diào)時(shí)間與鬧鐘功能，方便快捷。硬件設(shè)施基本合乎要求，軟件設(shè)計(jì)可以配合硬件實(shí)現(xiàn)其功能。技術(shù)在不斷進(jìn)步，機(jī)械式時(shí)鐘已經(jīng)被淘汰，取而代之的是具有高度準(zhǔn)確性和直觀性且無(wú)機(jī)械裝置，具有更長(zhǎng)的使用壽命等優(yōu)點(diǎn)的電子時(shí)鐘。電子時(shí)鐘更具人性化，更能提高人們的生活質(zhì)量，更受人們歡迎。機(jī)械時(shí)代已經(jīng)遠(yuǎn)

19、去，電子時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。做為新時(shí)代的我們，更應(yīng)該提高自身能力，適應(yīng)新時(shí)代的發(fā)展。知識(shí)來(lái)自實(shí)踐，多從生活中探尋所需要的。從這次的論文設(shè)計(jì)中，我真正的體會(huì)到，知識(shí)的重要性，特別是要理論聯(lián)系實(shí)際，把我們所學(xué)的理論知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活當(dāng)中，要用知識(shí)改變一切。7、 主程序#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f;sbit s0=p10;sbit s1=p11;sbit s2=p12;sbit s3=p13;sbit s4=p14;sbit s

20、5=p15;sbit s6=p16;sbit s7=p17;uint flag=0;uint i=0;sbit a1=p20; /定義步進(jìn)電機(jī)連接端口sbit b1=p21;sbit c1=p22;sbit d1=p23;sbit ashow1=p24;sbit ashow2=p25;sbit ashow3=p26;sbit ashow4=p27;#define coil_a1 a1=1;b1=1;c1=0;d1=0;/ab相通電，其他相斷電#define coil_b1 a1=0;b1=1;c1=1;d1=0;/bc相通電，其他相斷電#define coil_c1 a1=0;b1=0;c1=1;d1=1;/cd相通電，其他相斷電#define coil_d1 a1=1;b1=0;c1=0;d1=1;/da相通電，其他相斷電#define coil_off a1=0;b1=0;c1=0;d1=0;/全部斷電void delay(uint z)