《單片機原理及應用》期末課程設計電梯控制

1、 數理與信息工程學院單片機原理及應用期末課程設計題 目： 電 梯 控 制 專 業(yè)： 電子信息工程 班 級： 電子信息工程061 姓 名： 學 號： 指導老師： 成 績： ( 2008.12 )目 錄 第1節(jié) 摘要4第2節(jié) 系統的方案論證與比較42.1 設計思路42.2 方案的選擇與論證42.2.1控制器的選擇與論證4 2.2.2驅動電機的選擇與論證52.2.3步進電機驅動電路的選擇與論證52.2.4傳感器檢測模塊的選擇與論證62.2.5語音部分方案的選擇與論證62.2.6鍵盤方案的選擇與論證62.2.7顯示方案的選擇與論證72.3 系統各模塊的最終方案7第3節(jié) 系統的硬件設計與實現7 3.1

2、系統硬件的基本組成部分73.2 主要單元電路的設計8 3.2.1 單片機控制電路8 3.2.2 電機驅動電路8 3.2.3 樓層檢測電路9 3.2.4 稱重模塊9 3.2.5 語音模塊103.2.6 遠程監(jiān)控模塊113.2.7 鍵盤與顯示模塊12第4節(jié) 系統的軟件設計與實現14 4.1 系統軟件框圖134.2 部分子程序流程圖14 4.2.1稱重與超重報警軟件流程圖14 4.2.2 電梯運行控制軟件流程圖14 4.2.3 遠程通信控制軟件流程圖15第5節(jié) 系統測試與分析165.1 測試儀器165.2 測試方法、數據及結果分析175.2.1 平層誤差測試175.2.2 單程運行時間測試175.2

3、.3 每層運行時間測試175.2.4 稱重數據測試175.2.5 超重報經測試情況表18第6節(jié) 小結18參考文獻19附錄20電梯控制數理與信息工程學院 06電子信息工程 馬春麗指導教師：余水寶 第1節(jié) 摘要本設計采用單片機at89c52作為電梯控制模型的檢測及控制核心。采用霍爾傳感器進行樓層檢測。采用量程為1kg的懸臂梁式稱重傳感器實現稱重，用12位a/d轉換器max187進行a/d轉換以保證轉換精度。利用可編程器件gal16v8和大功率驅動電路l298共同組成步進電機的驅動電路。通過數碼管和rt12864液晶實現樓層和運行時間的實時顯示。通過串口通信實現兩塊單片機的數據傳輸。采用pca82c

4、250實現遠程監(jiān)控功能。第2節(jié) 系統的方案論證與比較2.1 設計思路題目要求設計一電梯控制模型，根據要求需采用一只電機來控制電梯的運動方向。采用傳感器檢測樓層及裝載物的重量，通過語音芯片實現報警。另外還需用到鍵盤及顯示。2.2 方案的選擇與論證2.2.1控制器的選擇與論證 方案一：采用fpga（現場可編程門列陣）作為系統的控制器。具體的電路方框圖如圖1-2-1所示。由于fpga將所有器件集成在一塊芯片上，所以外圍電路較少，控制板的體積小，穩(wěn)定性高，擴展性能好；而且fpga采用并行的輸入輸出方式，系統處理速度快，再加上fpga有方便的開發(fā)環(huán)境和豐富的開發(fā)工具等資源可利用，易于調試；但是fpga的

5、成本偏高，而且由于本設計對輸出處理的速度要求不高，所以fpga高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現。方案二：采用單片機at89c52作為系統的控制器。單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程來實現各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術熟練和成本低等優(yōu)點，使其在各個領域應用廣泛?；谝陨戏治觯捎梅桨付?。其單片機控制系統的方框圖如圖1-2-2所示。圖1-2-1 fpga為核心的控制系統方框圖 圖1-2-2單片機控制系統的方框圖2.2.2驅動電機的選擇與論證方案一：采用直流電機作為執(zhí)行元件。直流電動機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便，調整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊

6、負載，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊運行要求。直流電機一般采用h型全橋驅動電路。用單片機產生pwm調速信號控制達林頓管，使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)。直流電機工作在開環(huán)狀態(tài)時，電路相對簡單，但其定位性能比較差。直流電機工作在閉環(huán)狀態(tài)時，其定位性能精確，但是相對于開環(huán)狀態(tài)又要增加很多檢測器件，使用的元件多，電路非常復雜。方案二：采用步進電機作為執(zhí)行單元。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。

7、因此，步進電機具有快速啟停能力，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉距值，就能立即使步進電機啟動或反轉，而且步進電機的轉換精度高，驅動電路簡單，非常適合定位控制系統。基于以上分析，采用步進電機作為系統的傳動裝置。2.2.3步進電機驅動電路的選擇與論證步進電機驅動是把控制系統發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的角位移，即控制系統每發(fā)一個脈沖信號，通過驅動器就使步進電機旋轉一個步距角。關于步進電機的驅動有以下幾種方案。方案一：采用與步進電機相匹配的成品驅動裝置。使用該方法實現步進電機驅動，其優(yōu)點是工作可靠，節(jié)省制作和調試的時間，但成本很高。其原理方框圖如圖1-2-3所示。 圖1-2-3 采用成品驅動器

8、的原理方框圖方案二：采用互補硅功率達林頓晶體管tip142t實現步進電機的驅動，采用該方法實現步進電機驅動，電路連接比較簡單，工作相對也比較可靠，成本低廉，技術成熟。此外，為提高電路的抗干擾能力，驅動電路與單片機接口可通過光耦元件連接。該方法的原理方框圖如圖1-2-4所示。其優(yōu)點是直接利用電壓控制，反應延遲短，穩(wěn)定性好，由于工作在飽和狀態(tài)，因此效率很高。不足之處是由于使用分立元件，安裝調試和維護相對麻煩，控制不當時mos管容易燒毀，且管子參數不一致，導致驅動電流的不對稱性，影響了控制精度。 圖1-2-4 采用tip142t實現步進電機驅動的原理方框圖方案三：采用可編程器件gal16v8和集成電

9、機驅動芯片l298。通過可編程器件gal實現脈沖分配。gal可采用abel語言按照給定的通電換相順序實現脈沖分配，并向驅動電路發(fā)出控制脈沖。該方案的一個顯著特點就是采用軟硬件結合的方法，大大減輕了cpu的負擔，只有向gal發(fā)出兩個控制信號就可實現對電機的控制。另一個特點就是電路簡單，除了保護電路之外不需外加任何元件，只需兩片芯片即可。除此之外其驅動電流比較大。其實現的原理方框圖如圖1-2-5所示。 圖1-2-5 采用gal16v8和l298共同組成的電機驅動電路的原理方框圖基于以上分析，考慮到要驅動的電機瞬時電流較大以及電路的復雜程度，在此采用方案三實現電機驅動。2.2.4傳感器檢測模塊的選擇

10、與論證在本設計中，需要用到傳感器的有兩個部分，即樓層檢測及稱重模塊。傳感器檢測主要有如下幾種方案。（1）樓層檢測部分方案一：采用光電傳感器。在電梯模型的每一平層位置貼上黑膠帶，在電梯橋箱模型上放置光電傳感器，并保證當電梯到達平層位置時光電傳感器能檢測到黑線。其原理方框圖如圖1-2-6所示。光電傳感器檢測進來輸出的是一個電壓信號，需要經過一個過壓比較器轉換為開關信號，在送到單片機。所以其電路相對而言比較復雜，而且平層誤差較大。圖1-2-6 光電傳感器檢測樓層方框圖方案二：采用霍爾傳感器?；魻杺鞲衅鬏敵龅氖且粋€開關信號，所以它的電路非常簡單，不需要任何外圍器件，可以將其檢測的信號直接送給單片機。經

11、過多次試驗，其平層誤差較小，實現起來比較方便?；谝陨峡紤]，在本設計中產用方案二。（2）稱重模塊在該模塊中因為要求橋箱模型能夠加載0500g的重物，所以在此選用量程為1kg的稱重傳感器。2.2.5語音部分方案的選擇與論證方案一：采用蜂鳴器實現語音報警部分。其電路非常簡單，但其發(fā)出的聲音非常單調，實現起來并不是很理想。方案二：采用語音芯片isd2560，它具有抗斷電、音質好，使用方便，無須專用的開發(fā)系統等優(yōu)點。錄音時間為60 s，能重復錄放達10萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，省去了a/d、d/a轉換器。每個采樣值直接存儲在片內單個eeprom單元中，因此能夠非常真實、自然地再現語音

12、、音樂、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”，該器件的采樣頻率為8.0khz。綜上所述，為了能夠更好的再現真實、自然的語音，所以在此選用方案二。2.2.6鍵盤方案的選擇與論證在該系統中需要通過鍵盤控制電機的正反轉以及啟停從而實現電梯的上行、下行以及到達的樓層位置。在此處對以下兩種方案進行比較。方案一：采用單片機at89c2051與地址譯碼器74ls138組成控制和掃描系統，并用at89c2051的串口對主電路的單片機進行通信，這種方案既能很好的控制鍵盤及顯示又為主單片機大大的減少了程序的復雜性，而且具有體積小，價格便宜的特點。但是該系統所接的按鍵數目有限，

13、且占用了對應主cpu的串行端口，按鍵出現的抖動現象也比較難解決。因此在使用時受到一定的限制。 方案二：采用hd7279，實現對按鍵的掃描、消除抖動、閃爍等功能。同時該芯片還可連接多達64鍵的鍵盤矩陣，軟件編程簡單。用7279和鍵盤組成的人機控制平臺，能夠方便的進行控制單片機的輸出。方案一雖然也能很好的實現電路的要求，但考慮到電路設計實際需求和電路整體的性能，采用方案二。2.2.7顯示方案的選擇與論證方案一：采用數碼管顯示。數碼管具有低能耗、耐老化和精度比較高的優(yōu)點，但數碼管與單片機連接時，需要外接鎖存器進行數據鎖存，使用三極管進行驅動等，電路連接相對比較復雜。但數碼管只能顯示少數的幾個字符，顯

14、示的內容較少，基本上無法顯示漢字。方案二：采用lcd進行顯示。液晶顯示屏（lcd）具有功耗低、無輻射危險、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定等，可視面積大，畫面效果好，既可顯示圖形，也可顯示漢字，分辨率高，抗干擾能力強，顯示內容多等特點。此外，液晶顯示器與單片機可直接相連，電路設計及連接簡單。基于以上分析，上述兩種方案各有千秋，因此在顯示樓層部分采用大數碼管，其與實際比較吻合，在稱重模塊采用rt12864實現。2.3 系統各模塊的最終方案經過仔細地分析和論證，選定了系統各模塊的最終方案如下：控制器：采用兩片單片機at89c52組成的雙cpu控制系統；電機：采用一只四相八拍步進電機；電機驅動：采用一片ga

15、l16v8和一片l298；樓層檢測：采用一個霍爾傳感器；語音模塊：采用一片isd2560；鍵盤：采用7279智能顯示驅動芯片；顯示：采用數碼管和液晶顯示屏（lcd）結合顯示。第3節(jié) 系統的硬件設計與實現3.1 系統硬件的基本組成部分系統利用霍爾傳感器檢測樓層，利用稱重傳感器檢測重量，控制器根據這些傳感信號和鍵盤發(fā)出的信號進行邏輯判斷，控制電機轉動,實現電梯的運動。該系統主要分為以下幾個部分電路：單片機控制電路，電機驅動電路，樓層檢測電路，稱重模塊，語音模塊以及鍵盤與顯示電路。系統原理框圖如圖2-1-1所示。 圖2-1-1系統原理框圖3.2 主要單元電路的設計3.2.1 單片機控制電路該系統采用

16、兩片單片機at89c52組成的雙cpu控制電路。用一片89c52實現電梯的運動控制、電梯運動狀態(tài)的顯示、樓層檢測以及樓層顯示等功能，用另一片89c52完成稱重、額定負荷欲置、超重報警、樓層呼叫以及運動時間顯示等?？刂齐娐吩韴D如圖2-2-1所示。圖2-2-1 單片機控制電路原理圖3.2.2 電機驅動電路在本設計中選用的步進電機工作在四相八拍方式，驅動電路由gal16v8和l298組成。電路原理圖如圖2-2-2所示。其中gal16v8為可編程器件，采用abel語言產生電機四相的控制時序。由于gal輸出端輸出電流很小，無法驅動電機運轉，所以后級采用l298驅動芯片來放大輸出功率而不改變四相的時序狀

17、態(tài)，從而實現電機的驅動。當gal16v8的clk口輸入一個脈沖時，電機轉動一拍，步矩角為0.9，因此可以通過給定脈沖的個數來確定電機轉動的角度。in1端為電機轉動方向控制端，高電平時電機正轉；低電平時反轉。gal16v8的輸入端與單片機相連，由單片機發(fā)出控制脈沖信號。圖2-2-2 電機驅動電路原理圖3.2.3 樓層檢測電路在此，采用霍爾傳感器作為樓層檢測的核心，其在電梯模型上安裝的位置如圖2-2-3所示。因為霍爾傳感器輸出是一個開關信號，即當其檢測到磁鋼時會產生一個低電平，反之產生一個高電平。在此將霍爾傳感器的輸出端直接接到外中斷0，即當檢測到一個磁鋼時，中斷一次，通過中斷信號實現樓層的顯示。

18、 圖2-2-3 實例電梯模型3.2.4 稱重模塊該模塊采用懸臂梁式稱重傳感器，它是一種電阻應變式傳感器。將其固定在電梯模型的最上端，將滑輪固定在稱重傳感器上，當稱重傳感器上所承受的重力變化時，也就是裝載物的重量發(fā)生變化時，重傳感器內部將會產生相應的電阻變化，從而導致最終輸出電壓發(fā)生變化。稱重傳感器的內部結構如圖2-2-4所示。它由4片應變片組成，能將試件上的應變變化轉換成電阻變化，其電阻相對變化r/r與軸向應變l/l成正比。 將稱重傳感器接上電源e，分別為應變片的電阻。圖2-2-4 稱重傳感器內部結構圖 當輸出端接高輸入阻抗時，可視電橋為開路狀態(tài)，得輸出電壓當應變片受重力作用產生應變時 若4片

19、應變片性能一致，且相鄰橋臂所接應變片承受相反應變，相對橋臂所接應變片承受相同應變（如懸臂梁在一端受壓時，上測兩應變片拉長，下測兩應變片壓短），則有 則 即與應變l/l成正比，的變化反映了重量的變化。因為稱重傳感器輸出的是一個毫伏級的電壓信號，所以在其輸出端應加微弱信號放大電路。其放大電路原理圖如圖2-2-5所示圖2-2-5 微弱信號放大電路原理圖該電路第一級采用ad620，第二級采用op07進行后級再放大。其中ad620的放大倍數a的計算公式為 由圖可知，傳感信號首先通過ad620放大將近100倍，再通過op07構成的放大倍數可調電路，從而能更靈活的調節(jié)放大倍數。在op07構成的電路中接了一個

20、20k的調零電位器，以便于電壓補償。3.2.5 語音模塊在本設計中采用的語音芯片是美國isd公司的2560語音芯片，該語音芯片錄放時間為60s，最大可分600段，重復錄音次數可達10萬次，其電路原理圖如圖2-2-6所示。圖2-2-6 語音模塊電路原理圖3.2.6 遠程監(jiān)控模塊本系統采用can總線收發(fā)器pca82c250作為通信接口芯片，從而具備can總線通信的諸多優(yōu)點，例如：通信距離長（至少1000m），通信傳輸線少（僅有2根，且各系統不必共地）等。其實現的電路原理圖如圖2-2-7所示。圖2-2-7 遠程監(jiān)控模塊電路原理圖pac82c250收發(fā)器是協議控制器和物理傳輸線路之間的接口，在iso1

21、1898標準中描述的，它們可以高達1mbit/s的速率在兩條有差動電壓的總線電纜上傳輸數據。（iso11898標準是一個使用can總線協議的汽車內高速通信國際標準）pca82c250的位速度與總線長度的關系如表2-2-1所示。 表 2-2-1 位速度/總線長度的關系表 本系統使用的波特率為1.2kbit/s，遠遠低于62.5kbit/s。由上述表格可見，本系統的通信距離將遠遠大于1000米。3.2.7 鍵盤與顯示模塊本設計的兩塊鍵盤均采用hd7279來讀取按鍵值，送到單片機處理。稱重設置的顯示界面由rt12864液晶完成，樓層顯示由大數碼管實現。其稱重部分的設置與顯示電路如圖2-2-8所示。其

22、控制原理為：當按下“設置”鍵時，可從鍵盤中輸入額定負荷的預置值。在沒有按“確定”鍵之前，如果想重新設置該預置值，則可按“撤消”鍵，重新設置；如果已經按了“確定”鍵，想重新設置該預置值，則應重新按“設置”鍵，再輸入預置值。當已確定設置好預置值后，在電梯運行中，如果裝載物的重量超過了該預置值，則會發(fā)出報警信號，如提示“超重”。圖2-2-8 鍵盤與液晶顯示電路 圖2-2-9 電梯控制模塊鍵盤模型圖2-2-9為電梯控制模塊的鍵盤模板圖，其鍵盤的電路原理圖與稱重模塊的相同，在該模塊鍵盤分為兩個部分：一是用于每層樓電梯外的上行與下行鍵，二是用于電梯內部的五層樓對應的五個按鍵以及一個求救鍵。因為在此所用的按

23、鍵不帶有指示，所以外加了14個發(fā)光二極管與按鍵配合使用，當按下某一個按鍵時，相對應的發(fā)光二極管點亮，以表示該按鍵已經響應。其發(fā)光二極管的連接電路原理圖如圖2-2-10所示。圖2-2-10 發(fā)光二極管的電路原理圖為了看起來更加美觀，在此采用3寸的大數碼管進行顯示，其相應的驅動電路采用uln2003專用驅動芯片。其余三組發(fā)光二極管是用來組成箭頭做電梯上行與下行用的。其組成的箭頭模板如圖2-2-11所示。圖2-2-11箭頭模板第4節(jié) 系統的軟件設計與實現系統的軟件設計采用c語言對單片機進行編程實現各項功能，其中可編程器件gal采用abel語言來描述換相狀態(tài)。4.1 系統軟件框圖系統軟件的總體框圖如圖

24、3-1-1所示。 圖3-1-1 系統軟件總體框圖4.2 部分子程序流程圖4.2.1稱重與超重報警軟件流程圖其稱重與超重報警的控制原理為：當電梯停止時，允許稱重，反之，不能稱重，如果稱重的結果未超重，則允許電梯啟動運行，而當電梯超重時，則禁止電梯啟動并發(fā)出報警信號。其軟件流程圖如圖3-2-1所示。4.2.2 電梯運行控制軟件流程圖電梯運行控制軟件流程圖如圖3-2-2所示。其中電梯運行計時器用來記錄電梯由原樓層到目標樓層的運行時間，而電梯運行定時器則用來發(fā)出步進脈沖。當關閉電梯運行定時器時，電梯停止不動；當打開電梯運行定時器后，時間到時輸出一個步進脈沖，使電機走一步 4.2.3 遠程通信控制軟件流

25、程圖遠程監(jiān)控部分的控制原理是：開啟遠程監(jiān)控系統之后便可以在主監(jiān)控室中觀察電梯運行是否正常；若遇到緊急情況，可以控制相應電梯的上下運行。第5節(jié) 系統測試與分析為了確定系統實現的功能與題目要求的符合程度，需要對系統的關鍵部分進行實際的測試。5.1 測試儀器表4-1-1 測試所用儀器設備5.2 測試方法、數據及結果分析5.2.1 平層誤差測試將橋箱模型放置在第一層的平層位置，接通電源，啟動電梯，讓電梯在每一層都停5s，用直尺測出電梯所停位置與實際平層位置的距離。測試數據如表4-2-1所示。 表4-2-1 平層誤差測試數據表由上述測試數據可知，本設計的平層誤差較準確，最大誤差不超過10mm，滿足題目要求。從表格中的數據可以明顯的看出，第二層的平層誤差相對較大，查其原因是由于在安裝磁鋼時位置放的不當，明顯偏下。5.2.2 單程運行時間測試在測試該數據的過程中采用了多次測試的方法，分別測試從第一層到第五層和第五層到第一層所需的時間，其測試數據如表4-2-2所示。由所測數據可知，單層運行往反時間之差最大為0.57s，遠遠小于1s，所以本系統性能相對而言較好。其產生誤差的原因主要