單片機控制四層教學電梯

1、單片機控制四層教學電梯 摘要：本系統(tǒng)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。樓層檢測使用反射式紅外傳感器；轎廂負載采用精密壓力傳感器；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(xiàn)了電機在運動和加速經(jīng)及減速過程的精確控制。關鍵詞：單片機；步進電機；a/d轉換；555定時器；傳感器；c語言編程；流程圖abstract： inside and outside this system uses two piec

2、e of monolithic integrated circuits (89c52) to take the move of signal examination and 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 examina

3、tion use reflection type infrared sensor; the sedan theater box load uses the precise pressure 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

4、 on these complete and reliable hardware design, has used a set of unique software algorithm, 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

5、; 555 timers; schmitt trigger; sensor; c language programming; flow chart一、設計任務與要求j2b ca d345f ge h dj1m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通過滑輪懸掛并由電動機m牽引，可在電梯間豎井模型的空間內上下運動。該電梯間豎井模型每隔20cm自下向上分成4層，其樓層編號如圖所示。電梯控制模型，示意圖如下圖所示?；疽螅海?）當某層有呼叫并有呼叫信號顯示時，橋廂模型作相應的運動，并準確平層，平層的位置誤差10mm。要求平均每層運行時間不超過

6、5秒，平層結束時給出提示信號。（2）當有多層呼叫時，橋廂模型將按說明中的電梯模型運行規(guī)則作相應的運動，并依次在呼叫的樓層停留5秒。（3）能自動記錄、顯示橋廂模型當前到達的樓層編號。（4）要求橋廂模型在加載400克的條件下，從1層到5層和從5層到1層的往返時間相等，單程時間不超過12秒，往、返時間之差不大于1秒，并自動記錄、顯示運行時間。二、總體方案設計與論證1、控制器選擇本系統(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)中的編程部分。此最小系統(tǒng)除了具有一般單片機最

7、小系統(tǒng)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(shù)字顯示各要輸出的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，系統(tǒng)板的p1，p2，p3口經(jīng)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)。2、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，電機的負載滿足承載一公斤左右的重量，符合要求；其三，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。三、硬件電路設計 1、整體電路設計 當外部人為操作電梯的指令發(fā)出，經(jīng)過a/d轉換和系統(tǒng)板二的處理后發(fā)出

8、信號到系統(tǒng)板一，系統(tǒng)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。由于控制步進電機的程序比較復雜，故專門用一片系統(tǒng)板。系統(tǒng)板二則負責按鍵的控制、led、數(shù)碼管的顯示、電動機的轉動、傳感器經(jīng)a/d轉換后輸出的信號的處理等等。 2、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機的控制信號，信號經(jīng)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

9、構成步進電機的驅動電路，電路圖如下圖1所示。52的25-28口接by-2hb03m的1-4輸入端。另外，用鍵盤來對電機的狀態(tài)進行控制，并用數(shù)碼管顯示電機的轉速，采用74ls164作為2位單個數(shù)碼管的顯示驅動。74ls164帶鎖存，使用串行接法可以節(jié)約i/o口資源。其電路圖如2圖所示。通過52的txd和rxd口對clk和data發(fā)送數(shù)據(jù)。 3、報警模塊設計本方案采用555做成的多諧振蕩器產(chǎn)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)，當?shù)竭_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

10、振蕩器開始工作，產(chǎn)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(jīng)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(jīng)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期理論上為：故其頻率為：4、傳感器模塊設計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

11、，我們選擇op07作為儀用放大電路的放大器件，參數(shù)與通用運放ne5532比較如下： 共模抑制比（cmrr）噪聲電壓供電電壓op07d9011010.3±3v±18vua741cp70±7v±36v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(shù)

12、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(shù)計算如下：即整個電路的放大倍數(shù)約為400倍。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。st

13、278的參數(shù)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。5、a/d轉換模塊設計芯片選擇：本系統(tǒng)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(shù)字信號。本系統(tǒng)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max19

14、1除了具有上述優(yōu)點外，它自身帶有觸發(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。 四、軟件設計1、整個系統(tǒng)程序設計思路電源打開時，電梯轎廂?？吭谌我馕恢?。此時要判斷是否有外招或內招，即判斷是否應該工作。若有，則電機即要開始轉動到指定位置，期間要繼續(xù)檢測是否還有外招或內招。若有，先判斷是否在其工作的范圍，若在其范圍內，響應；若不在范圍內，不響應。期間光電信號一直檢測，看是否到達目的的，當?shù)竭_時，即可停止。平層在停止的位置，一直等下一個內招或外招來臨。各個功能的軟件部分具體思路和算法如下：呼叫標志變量mb轎廂在所在層變量

15、dq 判斷是否開門算法 (mb&dq1)=dq1判斷是否上升算法 (!down)&&(dq1<(0x10-dq1)&mb)判斷是否下降算法 (!up)&&(mb<dq1)&&(mb!=0) 單片機編程控制輸出的程序部分見附錄2、電機控制部分（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(jīng)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(shù)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

16、如圖3.1.1所示：（2）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?shù)綐堑祝購臉堑椎綐琼攣砘剡\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(shù)據(jù)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(shù)，然后再經(jīng)過電機的驅動對電機控制。c) 程序對速度的設定： 在實際編程的過程中，我們通

17、過設定每秒鐘的脈沖數(shù)多少來控制電機的轉速。我們所用的電機平均轉一周繩子所掠過的長度為6.05cm。結合步進電機的特點，我們把加速過程設置15個速度跳變來達到加速的目的，15個速度跳變我們程序設置的時間分別為7800us,6000 us,5400 us,4800,4200 us,3600 us,3000 us,2400 us,2100 us,1800 us,1500 us,1200 us,900 us,600 us,500 us,400 us,350 us,170us。即每秒的脈沖數(shù)分別達到128個脈沖/s,167個脈沖/s,185個脈沖/s,218個脈沖/s,238個脈沖/s,278個脈沖/s

18、,330個脈沖/s,417個脈沖/s,476個脈沖/s,556個脈沖/s,668個脈沖/s,833個脈沖/s,1110個脈沖/s,1670個脈沖/s,2000個脈沖/s,2500個脈沖/s,2860個脈沖/s,5880個脈沖/s。這樣整個加速時間就會達到46717us。又我們在編程時把電機的轉速設置為1轉/400個脈沖，即0.0605m/400個脈沖。綜上，也即我們設定的是在467170個微秒的時間內電梯加速運行了6.05cm。由公式得此電梯設定的加速度為  。電梯加速之后的勻速過程速度為加速過程的最大速度值，程序設定其為0.168m/s ?？傻么穗娞輳牡讓拥阶罡邔右还埠臅r0.467

19、+0.467+87.9/16.8=6.164s;單獨運行一層樓所要的時間為：0.467+0.467+7.9/16.8=1.404s。而題目的要求為每層運行時間不超過5秒，單程運行時間不超過12秒。我們設計的算法遠優(yōu)于題目要求的性能。  程序設計思路如下：b: 光傳感器接收到的信號經(jīng)過處理后進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、顯示及報警部分1)樓層顯示樓層顯示部分命令由系統(tǒng)板一控制實現(xiàn)，由傳感器的感應次數(shù)來對顯示數(shù)字的變化

20、進行控制。另外，此部分加了鎖存器，對顯示的樓層數(shù)據(jù)進行鎖存，以保證電梯顯示指定的樓層。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下，故我們在一樓和五樓都只安裝一個發(fā)光二級管。3)超重報警當重力傳感器檢測到超重時，經(jīng)系統(tǒng)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。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

21、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。 參考文獻：1張齊 杜群貴著，單片機應用系統(tǒng)設計技術，電力工業(yè)出版社，2007.72童詩白 華成英主編，模擬電子技術基礎 第三版，高等教育出版社，2006.123閻石主編，數(shù)字電子技術基礎，高等教育出版社，2007.114譚浩強著，c程序設計 第三版，清華大學出版社，2006.65潘永雄 沙河著，電子線路cad實用教

22、程，西安電子科技大學出版社，2009.16李華主編，mcs-5系列單片機實用接口技術，北京航天航空出版社，2003.67陳杰 黃鴻著，傳感器與檢測技術，高等教育出版社，2008.2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&dq1)=dq1判斷是否上升算法 (!down)&&(dq1<(0x10-dq1)&mb)判斷是否下降算法 (!up)&&(mb<dq1)&&(mb!=0)#include "reg52.h"#define uchar unsigned char#de

23、fine uint unsigned intsbit p3_0=p30;sbit p3_1=p31;sbit p3_2=p32;sbit 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;i<6;i+) for(x=0;x<15000;x+) ;void km()mbz = 0 ;p0 = 0x00;delay(); p0 = 0x18; delay(); p0 = 0x3

24、c; delay(); p0 = 0x7e; delay();p0 = 0xff;void gm()mbz= 1 ;p0 = 0xff;delay() p0 = 0x7e; delay(); p0 = 0x3c; delay(); p0 = 0x18; delay(); p0 = 0x00;void ss() dq1 = dq1 << 1;p3_0 = 1; p3_1 = 0; delay(); delay(); switch (dq1) case 0x01 :p2=0x9f;break; case 0x02 :p2=0x25;break; case 0x04 :p2=0x0d;b

25、reak; case 0x08 :p2=0x99;break;case 0x10 :p2=0x9b;break; void xj() dq1 = dq1 >> 1; p3_0 = 0; p3_1 = 1; delay(); delay(); switch (dq1) case 0x01 :p2=0x9f;break; case 0x02 :p2=0x25;break; case 0x04 :p2=0x0d;break; case 0x08 :p2=0x99;break;case 0x10 :p2=0x9b;break; void anjian() interrupt 0 uchar

26、 jz; jz = p1; if(jz&0x10)=0) mb = mb | 0x01; p3_4=0; if(jz&0x20)=0) mb = mb | 0x02; p3_5=0; if(jz&0x40)=0) mb = mb | 0x04; p3_3=0; if(jz&0x80)=0) mb = mb | 0x08; p3_7=0; if(jz&0x10)=0) mb = mb | 0x10; p3_7=0; if(jz&0x01)=0) mb = mb | 0x01; if(jz&0x02)=0) mb = mb | 0x02; if(jz&0x04)=0) mb = mb | 0x04; if(jz&0x08)=0) mb = mb | 0x08;if(jz&0x10)=0)mb=mb|0x10void main() p0=0x00; ex0=1; it0=0; p1=