本科畢業(yè)設計基于單片機的電梯自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1、大連東軟信息學院本科畢業(yè)設計（論文）論文題目：基于單片機的電梯自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)系 所： 電子工程系 專 業(yè)： 電子信息工程（嵌入式系統(tǒng)工程方向） 學生姓名：徐明 學生學號：09160400224 指導教師：宋夕政 導師職稱：講師 完成日期：2013年5月2日 大連東軟信息學院Dalian Neusoft University of Information基于單片機的電梯自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘要在現(xiàn)代社會中，電梯已經(jīng)成為人類必不可少的垂直運輸交通工具。但是很多的電梯還依舊是直上直下式的，不能夠最快捷的到達所選樓層，這樣很不方便，且浪費資源。為了改善電梯運行的模式，本設計利用89C51單片

2、機為核心，配合外圍電路來組成的電梯自動控制系統(tǒng)。通過對各樓層的按鍵檢測，按照程序設定的模式，發(fā)出對LED及數(shù)碼管的調(diào)節(jié)，從而控制步進電機的運轉(zhuǎn)來帶動電梯模型來實現(xiàn)電梯的上下行。本文主要介紹電梯自動控制系統(tǒng)的關鍵技術點，系統(tǒng)需求分析，系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，詳細的說明了本系統(tǒng)的組成原理及工作原理。關鍵詞：單片機，步進電機，自動控制Design and Implementation ofAutomatic Control System of Elevator Based on MCUAbstractIn modern society, Elevator vertical transportation h

3、as become essential to human transport. But lots of elevators are still straight up and down.It couldt be the quickest to reach the selected floor, so inconvenient and a waste of resources.In order to improve the elevator operation mode, this design uses 89C51 microcontroller as the core, the automa

4、tic control system of the elevator with the external circuit to form. The floor buttons detection, in accordance with the procedures set out in the model, and digital tube LED regulation, so as to control the stepper motor operation to drive the elevator model to realize the up and down the elevator

5、.This article describes the elevator key technical points of the automatic control system, system requirements analysis, system design and implementation, detailed description of the principle of the system components and working principle.Key words: Single Chip Microcomputer,Stepper Motor, Auto-con

6、trol目錄摘 要IABSTRACTII第1章緒論11.1 課題研究背景與意義11.2 課題研究內(nèi)容與方法11.3 課題研究現(xiàn)狀1第2章關鍵技術介紹32.1 28BYJ-48步進電機的使用32.2 數(shù)碼管的顯示42.3 鍵盤接口技術5第3章系統(tǒng)需求分析73.1 系統(tǒng)設計目標73.2 系統(tǒng)功能需求73.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境83.4 系統(tǒng)可行性分析83.4.1 技術可行性83.4.2 經(jīng)濟可行性8第4章系統(tǒng)設計94.1 系統(tǒng)設計指導原則9先進性9可靠性及安全性94.2 體系結(jié)構(gòu)設計94.3 硬件設計94.3.1 STC89C52RC 單片機9電機模塊設計11顯示模塊設計13按鍵模塊設計144.3.4

7、LED燈電路設計14蜂鳴器電路設計154.4 軟件設計154.4.1 主流程設計154.4.2 按鍵查詢設計16第5章系統(tǒng)實現(xiàn)185.1環(huán)境配置185.2功能模塊實現(xiàn)18樓層擇優(yōu)選擇的實現(xiàn)18電機模塊實現(xiàn)19第6章系統(tǒng)測試216.1 測試概述216.2 測試用例216.2.1 步進電機的運轉(zhuǎn)時間216.2.2 按鍵測試22第7章結(jié)論23參考文獻24致謝25附錄A26第1章緒論1.1 課題研究背景與意義電梯是高層建筑最可靠，安全，直上直下的運載工具。對減輕勞動力及其強度都有著很大的作用。電梯的應用范圍極廣泛，可以用在商場，寫字樓，飯店，建設工地，學校，住宅，娛樂場所等等。在現(xiàn)代社會中，電梯已經(jīng)成

8、為人類必不可少的垂直運輸交通工具。但是很多的電梯還依舊是直上直下式的，不能夠最快捷的到達所選樓層，這樣很不方便，且浪費資源。為了改善電梯運行的模式，本設計利用C51單片機來優(yōu)化，節(jié)約用戶寶貴的時間，同時在樓層選擇時更加智能，沒有人來選擇時，電梯可以停在某一樓層，節(jié)約了大量的人力和物力，在當今資源日愈稀缺的環(huán)境下，此種做法是非常有必要的。1.2 課題研究內(nèi)容與方法本課題主要研究內(nèi)容是實現(xiàn)一個電梯的自動化控制與實現(xiàn)，通過用戶對電梯層數(shù)的選擇。讓電梯做出一個最優(yōu)的判斷，高效高質(zhì)量的完成電梯的上下行任務。根據(jù)電梯的實際情況來考慮，最簡單的電梯應具備按鍵，LED燈，數(shù)碼管，電機，及傳送裝置。然后結(jié)合這些

9、實物將其分成顯示模塊，鍵盤模塊，電機模塊，通過89C51芯片進行結(jié)合，然后完成電路圖的設計與分析，進行軟硬件的調(diào)試，從而達到預期的設計。1.3 課題研究現(xiàn)狀在經(jīng)濟不斷發(fā)展，科學技術日新月異的今天，樓的高度已經(jīng)和經(jīng)濟科學技術發(fā)展一樣迅猛的成長起來。一個國家的電梯需求總量，主要受到經(jīng)濟增長、人口密集度及數(shù)量、城市化水平高低、國家產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)組成等諸多綜合性因素的影響。在全球金融連續(xù)低迷走向的狀況下，我們的人民經(jīng)濟水平卻以極高的速值增長著。城市化的水平也不斷地提高。這也致使我國的電梯業(yè)展現(xiàn)了繁華的相貌，如今中國也成了世界上最大的供應電梯市場。作為樓房很重要的樞紐，電梯有著非常重要的作用。電梯作為樓房

10、內(nèi)的最重要運輸工具，像其他的道路航空水路等交通工具一樣，已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ畹牟豢苫蛉钡闹匾M成部分。上世紀八十年代以來，隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展。國家對電梯的需求量也逐漸加大。從1949年建國以來至今中國共生產(chǎn)安裝了六十萬多臺的電梯。改革開放以來，大規(guī)模的開發(fā)建設為電梯產(chǎn)業(yè)帶來了很重大的發(fā)展挑戰(zhàn)，從而也達到了空前的發(fā)展。盡管如此，我國的電梯遠未達到飽和的程度。2011年中國電梯的銷產(chǎn)量大約在45萬臺。比2010年的增長約23%左右，電梯的存在量大概有195萬臺。即使政府在極力的控制房地產(chǎn)的開發(fā)，從而出現(xiàn)了滯銷的局面，也給電梯的銷售蒙上了一層陰影。雖然有著諸多方面的影響，而且未來的電梯產(chǎn)業(yè)進展情況也

11、不十分的明確，但還是會有一個上升的過程。現(xiàn)在電梯的適用人群對先進穩(wěn)定、低成本的自動化產(chǎn)品的需求量越來越多。更多優(yōu)秀的自動化產(chǎn)品也將會推進電梯行業(yè)的水平穩(wěn)步上升。如此龐大的市場需求也為我國電梯行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了廣闊的大舞臺。第2章關鍵技術介紹本課題在設計的過程中，主要是用到了LED，按鍵，數(shù)碼管，以及步進電機的同步。在選擇多個樓層按鍵的時候，選擇最佳的路線是本設計的關鍵技術。2.1 28BYJ-48步進電機的使用步進電機也稱之為步進器。它利用了電磁學的原理，把電能轉(zhuǎn)化成機械能。人們在二十世紀20年代就開始使用這種步進電機了。無論是在工業(yè)上、軍事上、醫(yī)療上、汽車上還是娛樂產(chǎn)業(yè)上，只要是需要把一個物體

12、從一個地方移至另外一個地方，步進電機就可以派上用場。步進電機也有很多種形狀及尺寸。但是無論形狀和尺寸是怎樣的，都始終能把步進電機歸為兩類，分別為可變磁阻的步進電機和永磁的步進電機。步進電機是一種可以讓點脈沖轉(zhuǎn)化成為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。簡單的說：當步進電機獲取了一個脈沖信號，就會驅(qū)使步進電機以一個特定方向來轉(zhuǎn)動一個固定角度。這樣就可以按照控制脈沖的數(shù)目來操控角的位移量了。從而獲得精準定位的目的。同時也能利用操控脈的沖頻率來操控電機轉(zhuǎn)動速度及加速度，來獲得調(diào)整速度的目的。 通常電機的轉(zhuǎn)子是一個永磁體。當釘子被電流導通時，這個磁場會帶動著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個角度，然后會使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子磁場的方向保

13、持一致。當定子產(chǎn)生出的矢量磁場轉(zhuǎn)動了一個角度。轉(zhuǎn)子就會伴隨著磁場來轉(zhuǎn)動一個角度。每當輸入到一個電的脈沖信號，電動機每轉(zhuǎn)動了一個角度就會向前一步。如果改變了繞組所通電而來的順序，電機就會發(fā)現(xiàn)反向轉(zhuǎn)動。步進電機28BYJ-48型是一個四相八拍電機，電壓為DC5VDC12V。它可以持續(xù)地產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，如果步進電機獲得到了一個持續(xù)的脈沖時。當通電改變的狀態(tài)完成一個循環(huán)的時候，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動過一個齒距。四相步進電機能夠在多種類別的通電狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。而常見的通電種類有單相（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A-B-C-D），雙相（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-BC-CD），八拍（A-AB-B

14、-BC-C-CD-D-DA-A-AB-B-BC）。由于步進電機需要的驅(qū)動電流比較大，單片機是不能夠直接驅(qū)動的，一般都是會使用ULN2003元件來驅(qū)動，當然了使用下拉電阻或者是三極管也是可以驅(qū)動步進電機的，只不過效果并不是特別的好，產(chǎn)生扭力會比較小。還有一個情況就是步進電機在低速時可以運轉(zhuǎn)，當設置的速度太高就沒有辦法啟動了，只能夠聽到響聲，這是因為步進電機工作在空載的情況下能夠正常的啟動脈沖頻率，但是當脈沖頻率高于這個值時，電機就不能再正常啟動了，而且可能出現(xiàn)丟步或不轉(zhuǎn)的情況。如果是有著負載的前提下，啟動的頻率就應該更低了。如果想要使電機能夠達到一個高速的轉(zhuǎn)動，脈沖所具有的頻率應該要有一個加速的

15、過程，也就是讓啟動的頻率低一點，然后按照一定的加速度提升到了所預期的高頻率上（電機的轉(zhuǎn)速就會從低速變成到高速）。2.2 數(shù)碼管的顯示如果將數(shù)值1直接送到的I/O口時，數(shù)碼管一定不會顯示數(shù)字“1”。顯然，如果想要在數(shù)碼管上表現(xiàn)出來字符，把字符送至數(shù)碼管的段選端是不行的，必須在段控制端送至對應的編碼。數(shù)碼管有共陰極和共陽極兩種。將單片機P1口的八個引腳與數(shù)碼管的a、bf、dp八個段控端制引腳依次相連接。如果是共陽極的接法，COM端接+5V。要顯示數(shù)字“0”，則數(shù)碼管的a、b、c、d、e、f六個段應該被點亮，其它段將會熄滅，這時就應該向P1口傳送數(shù)據(jù)11000000B（C0H），這就是與字符“0”相

16、對應的共陽極字型編碼。如果是共陰極的接法，數(shù)碼管COM端接GND，要顯示數(shù)字“1”，則數(shù)碼管的b、c兩個段應該被點亮，其他段將會熄滅，這時就應該向P1口傳送數(shù)據(jù)00000110（06H），這就是與字符“1”相對應的共陰極字型編碼。數(shù)碼管如果想要正常的顯示，就要驅(qū)動數(shù)碼管的每一個段碼。從而才能夠得到我們想要得到字符，因此我們根據(jù)驅(qū)動方法的不同，可以把數(shù)碼管的顯示分成靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩大類。動態(tài)顯示：數(shù)碼管的動態(tài)顯示是單片機最廣泛的顯示方式之一。動態(tài)驅(qū)動數(shù)碼管是將所有數(shù)碼管的八個輸出控制端a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連到一起。另外用每一個數(shù)碼管的公共極COM端來增加位選通道控制電路，

17、位選通道是由單獨的I/O口來操控的。當單片機輸出字符的時候，每一個的數(shù)碼管都會接收相同的字符，但是究竟哪一個數(shù)碼管將會輸出字符呢？這還要根據(jù)單片機對COM控制端的位選通道電路的進行操控。這樣我們只用把想要顯示的那一個數(shù)碼管所在的選通控制端打開，該數(shù)碼管就會顯示出來字符，沒有選通到的數(shù)碼管也就不會被點亮。通過操控每一個數(shù)碼管的COM口，使每一個數(shù)碼管都能夠依次的顯示出來，這也就是動態(tài)的顯示數(shù)碼管。在輪流的顯示輸出過程里，每一位數(shù)碼管所能夠點亮的時間約為1-2ms，但是人們的視覺發(fā)生暫留情況和發(fā)光二極管出現(xiàn)的余輝效應，盡管在實際上，各位的數(shù)碼管都不是同一時間被點亮的，但是只要能夠掃描的速度足夠快速

18、的話，人們看到的就會是一組非常穩(wěn)定的顯示字符，并不會有任何的閃爍感，而且動態(tài)顯示的所表現(xiàn)效果和靜態(tài)顯示所表現(xiàn)的效果都是一樣的，從而能夠大量的節(jié)省I/O端口，使功耗更加的低。靜態(tài)顯示：數(shù)碼管的靜態(tài)顯示也叫做直流驅(qū)動數(shù)碼管。靜態(tài)顯示是通過控制I/O口來驅(qū)動段選碼來顯示字符的。當然靜態(tài)顯示的最大的優(yōu)點就是編程十分的簡單，而且顯示的亮度很高，缺點就是所要占用的I/O端口太多，如驅(qū)動4個數(shù)碼管的靜態(tài)顯示就需要4832根I/O口來驅(qū)動它，要知道一個89C51的單片機可用的I/O口一共也就是32個，實際應用時是必須通過增加譯碼驅(qū)動器來進行驅(qū)動，這樣也就增加了硬件電路的復雜性。2.3 鍵盤接口技術機械式按鍵被

19、按下或者釋放的時候，由于受到機械性彈性作用的影響下，通常會伴隨著有一段時間的觸點機械性抖動，然后觸點才會慢慢的穩(wěn)定下來。抖動時間的長短和開關的機械性彈性有關，一般為5-10 ms。在觸點出現(xiàn)抖動的時候，檢測按鍵的通和斷的情況，就可能會出現(xiàn)判斷錯誤。即按鍵的每一次釋放或按下都有被錯誤地認定是很多次操控的可能性，這樣的情況在開發(fā)的過程中不應該發(fā)生的。所以為了避免按鍵的觸點發(fā)生的機械性抖動帶來的的檢測性錯誤判斷，就必須用消除抖動的一些措施。這一點就可從硬件上和軟件上兩方面來考慮了。這樣在鍵數(shù)比較少的時候，可以采取硬件消抖的方式，但當鍵數(shù)較多的時候，就得要采用軟件消抖的方式。在硬件方面上可以采用在按鍵

20、的輸出端加一個R-S觸發(fā)器(即為雙穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器)或者單穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器所構(gòu)成消除抖動的電路。用軟件來采取的措施是：當在測試下到有按鍵被按下的時候，會采用一個10 ms左右的延時程序（具體時間可以通過使用的按鍵來調(diào)節(jié)）。再確認這個按鍵的電平是否仍然持續(xù)著一個閉合的電平。若仍然持續(xù)著一個閉合的電平，則確認此按鍵這會正處在一個閉合著的情況下。同理所示，當按鍵被釋放以后，也要采用相同的措施來確認，這樣也可以去除抖動對開發(fā)的不利因素。鍵盤的一個完整的控制程序應該所具備以下的功能：(1) 檢測有沒有按鍵被按下，應該采取軟件或是硬件消抖的方式來避免不利的影響。(2) 有著可靠的邏輯性處理，每次只是處理了一個按鍵

21、，其間會對任何其它按鍵的使用對系統(tǒng)也不會發(fā)生影響，而且無論到底一次按鍵的時間到底有多久，系統(tǒng)也僅會執(zhí)行僅有一次的按鍵功能的程序。(3) 準確的輸出按鍵值，以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求。在單片機中如果只用為數(shù)不多的幾個按鍵，就可以采用獨立式的按鍵。獨立按鍵是一個直接連接I/O口組成為的單獨按鍵電路。其特點就是每一個按鍵會單獨占用了一根I/O口，每一個按鍵的按下并不會影響到別的I/O口的狀態(tài)。獨立式的按鍵所配置的電路十分靈活，軟件結(jié)構(gòu)也很簡單，但是每一個按鍵都必須占有一根I/O口，因此，在按鍵如果較多的時候，I/O口就會浪費很大，所以不宜被采用。(2) 矩陣式的鍵盤I/O端線可以分之為行線和列線。按鍵的跨接

22、是在行線上和列線上，按鍵按下的時候，行線和列線會產(chǎn)生電路短路。矩陣式的鍵盤特點：(1)占用I/O口比較少。(2)軟件結(jié)構(gòu)比較復雜。(3)適用在按鍵比較多的時候。鍵盤掃描的控制方式：(1)程序控制的掃描方式按鍵處理的程序是固定在主程序上的某一段程序。其特點是：對CPU工作比較影響小，但是應該考慮在鍵盤上處理程序的運行所用的間隔周期不要太長了，否則就會影響到對按鍵輸入響應的及時性。(2)中斷控制方式中斷控制的方式是利用了外部中斷源來響應按鍵輸入的信號。特點：克服了前兩種的控制方式可能產(chǎn)生的空掃描以及不能夠及時地響應按鍵輸入的缺點，既能夠及時處理按鍵的輸入，又可以提高CPU運行的效率，但要占用一個十

23、分寶貴的中斷源。(3)定時控制的掃描方式利用定時器或計數(shù)器在每隔的一段時間產(chǎn)生一個定時中斷，CPU響應中斷以后對鍵盤進行掃描。特點：在掃描的間隔里，前一個用CPU工作程序來填補，后一個用定時/計數(shù)器定時來操控。但是如果定時的時間太長的話，就會影響到按鍵的反應和速度處理性。第3章系統(tǒng)需求分析3.1 系統(tǒng)設計目標將電梯的樓層控制由用戶來選擇，用按鍵來控制選擇的樓層情況，同時數(shù)碼管顯示當前樓層，電機帶動電梯的上下行，LED燈顯示選擇的樓層，到達對應樓層是LED燈熄滅，蜂鳴器發(fā)聲，電機停止工作，停留一段時間后，電梯繼續(xù)運行。3.2 系統(tǒng)功能需求根據(jù)需求調(diào)研結(jié)果確定本系統(tǒng)主要包括以下功能模塊。顯示模塊：

24、根據(jù)用戶的選擇來顯示對應的樓層，并隨著電梯的運行，數(shù)碼管顯示的樓層數(shù)字會發(fā)生變化，LED燈顯示所選擇的樓層，被用戶選擇時LED燈亮起，當?shù)竭_所選樓層時LED熄滅，數(shù)碼管會停留在所在的層數(shù)。鍵盤模塊：設定鍵盤按鍵對應不同的樓層，當用戶鍵入所對應的樓層時，系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)化為對應的信號來操控顯示模塊及電機的運轉(zhuǎn)。電機模塊：當鍵盤鍵入時，系統(tǒng)會擇優(yōu)選擇一個最佳的上下行線路，根據(jù)不同的樓層情況來決定電梯上行還是下行，對應的電機是正傳還是反轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)好電機每次運轉(zhuǎn)的時間跟所模擬的電梯樓層高度同步。以下是本系統(tǒng)的模塊連接圖，如圖3.1所示。圖 3.1 模塊連接圖3.3 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境硬件環(huán)境：450*2MHZ/40

25、G/1024MB/40G/軟件環(huán)境：Windows XP，KEIL, STC-ISP開發(fā)用板：TX-1C單片機3.4 系統(tǒng)可行性分析3.4.1 技術可行性本系統(tǒng)采用的是89C51體系結(jié)構(gòu)的單片機，由于只是完成一些比較基本的操作，所以對單片機的選擇上并沒有很苛刻的要求，最終決定使用性價比都很高的STC89C52RC單片機來進行開發(fā)試驗。在電路的搭載上我們使用比較基本的模塊就可以了，根據(jù)之前所描述的系統(tǒng)模塊，我們發(fā)現(xiàn)要有顯示、鍵盤和電機三大組成部分。所以我們可以進行電路部分的組成，分別由數(shù)碼管、LED作為顯示部分，4個獨立鍵盤作為鍵盤部分，帶有放大功能的ULN2003芯片和步進電機作為電機部分。在

26、進行開發(fā)的時候可以通過單片機的開發(fā)板來進行軟件方面的測試，把系統(tǒng)所用到的步進電機跟開發(fā)板相連。使用KEIL軟件來進行程序的編譯。開始可以分模塊進行試驗測試，從比較簡單的地方開始弄。比如驅(qū)動對應的數(shù)碼管，LED燈及蜂鳴器，并記錄對應所占用的端口。然后可以把鍵盤加上，通過鍵盤的按鍵來控制數(shù)碼管和LED的顯示，及蜂鳴器的響應。通過調(diào)試進行算法的對比，測試是否符合系統(tǒng)的流程需要，最后在把步進電機帶上。 在進行系統(tǒng)測試的時候要通過使用STC-ISP軟件來下載至板子上進行功能的驗證與實現(xiàn)。此系統(tǒng)當中最主要難點是在樓層的擇優(yōu)算法上面，如何選擇能夠最簡單方便的達到所在的樓層，從而達到節(jié)約時間以及成本是本次課題

27、的關鍵。3.4.2 經(jīng)濟可行性本系統(tǒng)在開發(fā)的過程中所使用的軟件是免費的，硬件是TX-1C開發(fā)板，價錢適中，在學生的接受范圍之內(nèi)。所用的步進電機是28BYJ-48，價錢上不是很貴，所用的模型是在院外實習的過程中用數(shù)控和簡單的機械加工完成的。所以在此次研發(fā)的過程中，經(jīng)濟方面并沒有太大的問題，作為學生的我們都是可以承受的了的，無任何憂慮。第4章系統(tǒng)設計4.1 系統(tǒng)設計指導原則4.1.1先進性隨著科學技術和人文水平的日益發(fā)展，嵌入式產(chǎn)品已被廣大的人們所使用。無論是各個層次年齡的人群都會看到嵌入式的影子，所以在今天這種科技水平發(fā)展迅猛的年代，新鮮的事物應被更多的人都了解并使用在生活當中。本系統(tǒng)的設計就是

28、用到了嵌入式的產(chǎn)品，最小的應用系統(tǒng)單片機，利用單片機的核心處理器來控制并實現(xiàn)所需的功能。4.1.2可靠性及安全性許多的應用系統(tǒng)就是著用這種成本低，體積小的單片機機構(gòu)來完成高性能的控制，在很多尖端的領域更是用到了專用單片機來完成其他電路系統(tǒng)完成不了的工作任務。由于單片機本身的特點抗干擾能力強，適用溫度范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能夠可靠高效的工作，所以在本系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中用到的單片機安全性極高。4.2 體系結(jié)構(gòu)設計系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)4.3 硬件設計4.3.1 STC89C52RC 單片機單片機的種類繁多，功能上也有著很大的不同，我們學習使用的都是51內(nèi)核的單片機。

29、ATMEL公司的89系列單片機是以8051為內(nèi)核構(gòu)成的，其芯片引腳和MSC-51的單片機是一樣的。由于89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在開發(fā)的過程中可以很容易的進行修改調(diào)試，所以大大的簡化了系統(tǒng)的開發(fā)時間，對于我們來說89c51就是一個不錯的選擇，不過在價格方面AT89C51比較的貴，相對而言，國內(nèi)的STC公司的的89c51系列的單片機就便宜的多，在此我選擇了性價比都很高的STC89C52RC單片機進行開發(fā)。以下就是STC89C51RC的管腳圖，如圖4.2所示。圖4.2 STC89C52RC管腳圖單片機STC89C52RC有256KB的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，8KB的片內(nèi)程序存儲器。因此在構(gòu)成單片

30、機的最小應用系統(tǒng)時候，也不在需要在單片機的外部擴展片外存儲器。 單片機STC89C52RC中有四個8位雙向I/O接口。P0-P3這四個接口可以作為輸入，也可以作為輸出?？梢园?位地址處理，也可以按位處理。P0口也可以作數(shù)據(jù)/地址線使用，P2口也可以作地址線使用。RST：上電復位端。當單片機振蕩時，輸入連續(xù)的兩個機器周期以上高電平，單片機就可實現(xiàn)復位初始化操作。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘電路輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器輸入端。 /EA：訪問外部程序存儲器控制信號，低電平有效。 /PSEN：外部程序存儲器選通信號，低電平有效。ALE：地址鎖存控制信號輸出端。VCC：電源電壓。

31、 GND：接地。電機模塊設計此設計在最初選用電機時有兩個方案，分別如下。方案一：電機選用直流電機。直流電機雖然轉(zhuǎn)速方面比步進電機強很多，而且在編程上也十分的容易控制，但是其缺點也是很明確的，其一是在電機負載的承重上明顯不足，其二是在電機的控制上效果上沒有那么好，很難使其立即停止，達不到電梯定點停止的效果。方案二：使用步進電機由于上述所描述的情況，直流電機不容易操控速度，實現(xiàn)不能立即停轉(zhuǎn)。這樣用步進電機利用程序的控制下就能很輕松的客服上述的難題了。再者，本設計重在模擬電梯的運行，對電機的載重的要求不是很嚴格。只用步進電機正反轉(zhuǎn)就行，所以選擇了28BYJ-48作為本設計的電機。以下是28BYJ-4

32、8的實物圖，如圖4.3所示。圖4.3 28BYJ-48實物圖在此紅線接電源5V，橙色線接P1.3口，黃色線接P1.2口，粉色線接P1.1口，藍色線接P1.0口。因為單片機輸出的信號不夠大，不能滿足步進電機的工作。所有要有一個ULN2003來放大后再連接至對應的電機接口上。以下是電機驅(qū)動部分，如圖4.4所示。圖4.4 電機驅(qū)動電路4.3.3顯示模塊設計此設計的顯示模塊用到了LED數(shù)碼管，這是由LED發(fā)光二極管組合而成顯示字符的器件，它使用了8個LED的發(fā)光二極管，1個用于顯示小數(shù)點，另外7個用于顯示字符。LED數(shù)碼管的連接方式有共陰極和共陽極兩種。當發(fā)光二極管的陽極是高電平時發(fā)光二極管被點亮。共

33、陽極陽極接+5V，每個發(fā)光二極管的陰極通過電阻和輸入端相連接。當陰極端是低電平時發(fā)光二極管被點亮。此設計只用到了一個數(shù)碼管來顯示樓層，所有只用到一個鎖存器74HC573就可以了。以下是顯示模塊和鎖存器，如4.5，4.6所示。圖4.4 顯示模塊圖4.5鎖存器D0-D7 為輸入端。Q0-Q7 為輸出端。E為輸出使能端，輸入高電平輸出關閉，輸入低電平有效。L為輸出輸入使能端，當端口為高電平時，輸出值跟D0-D7一樣，當端口為低電平時，輸出保持之前的狀態(tài)。4.3.4按鍵模塊設計在本設計中由于需要用到的按鍵只有4個，所有在此不需要用到矩陣鍵盤，只需要4個獨立按鍵就可以了，分別來代表4個樓層。以下是獨立按

34、鍵的原理圖，如圖4.6所示。圖4.6 獨立按鍵原理圖四個按鍵分別對應著P3.4 P3.5 P3.6 P3.7。此處為低電平有效。此處還有一個很重要的問題，在使用的過程中會遇到按鍵抖動，可能會出現(xiàn)按鍵不明顯或達不到預期想法的情況，此時要做的就是防抖，正如之前第二章所述的一樣，在按鍵按下或釋放的時候，由于機械彈性作用的影響，會有一定時間的觸點機械抖動，抖動的時間在5-10ms，所以為了使其不會導致判斷出錯，我們在程序里要加上一個5-10秒的延遲，這樣才會進行正確的程序處理。4.3.4LED燈電路設計本設計需要使用LED燈來顯示所選樓層的情況，亮代表所選，滅代表沒有選擇或者已到達所選的位置。LED燈

35、其實就是發(fā)光二極管，只要讓其對應的端口至成低電平就可以發(fā)光了。以下是LED發(fā)光二極管的原理圖，如圖4.7所示。圖4.7 LED發(fā)光二極管4.3.5蜂鳴器電路設計本設計要在電梯達到所需層數(shù)時發(fā)出聲響來表明電梯已到，所以要用到蜂鳴器。蜂鳴器是用一個PNP三極管來驅(qū)動的。集電極（C級）通過蜂鳴器的線圈接上5V的電源?；鶚O（B級）是控制端。發(fā)射級（E級）用來接地。當三極管的C、B級PN結(jié)處在正偏時，PN結(jié)就導通了。即控制端為低電平時，三極管導通，故蜂鳴器發(fā)出聲。以下是蜂鳴器的原理圖，如圖4.8所示。圖4.8 蜂鳴器原理圖4.4 軟件設計4.4.1 主流程設計軟件設計的思路為采用模塊分層的設計理念，將軟

36、件系統(tǒng)的所有工程依次分割為單一的工程子程序，然后通過調(diào)用不同功能的子程序，來實現(xiàn)完成復雜的軟件系統(tǒng)控制與操作，這樣也更加方便高效的進行調(diào)試與修改。以下主的流程圖，如圖4.9所示。圖4.9 主流程圖4.4.2 按鍵查詢設計在本設計中，鍵盤是采用的4個獨立按鍵，分別對應這4個所選的樓層，當有鍵被按下的時候，會轉(zhuǎn)入相應的功能程序當中，這也是本設計中最為關鍵的部分，因為按鍵的鍵入會牽扯到LED燈的亮暗，數(shù)碼管的顯示，蜂鳴器的發(fā)生，電機的正反轉(zhuǎn)和停止。以下就是按鍵查詢的流程圖，如4.10所示。圖4.10 按鍵查詢流程圖第5章系統(tǒng)實現(xiàn)5.1環(huán)境配置本設計在xp系統(tǒng)上進行軟件開發(fā)和測試，用到了Keil uV

37、ision2軟件進行程序的編譯，在配置里勾選生成Hex可執(zhí)行文件后，再通過STC_ISP軟件，連接串口下載至單片機上，進行燒寫測試。Keil uVison2是一家德國公司KeiSoftware公司出品的軟件，用于51系列兼容單片機進行C語言的軟件開發(fā)，使用的語言跟C語言的傳統(tǒng)語法很類似，C語言與匯編相比，更加容易學習和使用，而且大大的提高了軟件開發(fā)的效率和研發(fā)的周期，同時在編程程序的時候也能夠加入?yún)R編語言，使程序能夠達到接近于匯編水平的工作效率。Keil C51標準C編譯器為51系列的研發(fā)供應了C語言的語言環(huán)境。同時也有著匯編的高效、快速的特點。如今C51已經(jīng)被完全的集成到了uVision2的

38、開發(fā)環(huán)境中，包括編輯器，匯編器，調(diào)試器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器。uVision2 IDE為他們提供了靈活的開發(fā)環(huán)境。Keil uVison2進行51系列單片機的軟件開發(fā)過程有以下幾個步驟：1.建立一個工程項目，選擇對應開發(fā)的芯片。2.建立一個新的編譯窗口，將匯編或C語言文件寫好并保存添加至對應的工程項目中。3.用項目管理器生成各種應用程序，此處是Hex文件。4.檢查并修改編譯生成時的錯誤，直到編程通過為止。5.生成對應的應用程序，此時可以用STC_ISP進行下載燒寫。STC_ISP是基于STC單片機的燒寫程序，在使用有以下幾個步驟：1.選擇單片機的型號，我在這里選擇STC89C52RC。2.

39、打開文件，這里選擇已生成的HEX文件。3.選擇串行口，和最高波特率，這里根據(jù)實際情況來決定是哪個COM口，最高波特率選擇115200。4.分別設置12T/單倍速，full gain，不需要冷啟動P1.0，P1.1=0，0才能下載程序。5.點擊下載按鈕再給MCU上電燒寫程序。5.2功能模塊實現(xiàn)5.2.1樓層擇優(yōu)選擇的實現(xiàn)此部分為系統(tǒng)的核心部分，是電梯模擬控制模塊。設定好電梯為4層，電梯的起始位置是一層，等待中就數(shù)碼管顯示1，LED燈不會亮，步進電機也不會轉(zhuǎn)動，當按鍵被按下后，通過程序的控制，來進行樓層的選擇，同時LED燈，數(shù)碼管，步進電機同步完成各自所設定好的功能。以下是樓層擇優(yōu)選擇的流程圖，如

40、圖5.1所示。圖5.1 樓層擇優(yōu)選擇的流程圖5.2.2電機模塊實現(xiàn)此部分涉及到了電梯的外部模擬，由步進電機的轉(zhuǎn)動來模擬電梯的上下行，當樓層處在上升的過程時電機正轉(zhuǎn)，當樓層處在下降的過程時電機反轉(zhuǎn)，當停止沒有選擇樓層時，電機停止轉(zhuǎn)動。以下是步進電機轉(zhuǎn)動的流程圖，如圖5.2所示。圖5.2 步進電機轉(zhuǎn)動的流程圖第6章系統(tǒng)測試6.1 測試概述系統(tǒng)測試是一個非常重要的環(huán)節(jié)，也十分的繁瑣，因為本系統(tǒng)涉及到一個外接模型，模型所對應的樓層高度是確定的，本次主要就是要協(xié)調(diào)好步進電機的轉(zhuǎn)動持續(xù)時間和由外接的傳送裝置相連接的線所走的距離，上一層的高度跟轉(zhuǎn)動的時間要有一個確定點，并且要協(xié)調(diào)好。還有一個重要的測試點是選

41、擇的樓層按鍵，如果連續(xù)點擊了好幾個按鍵后應該怎么去選擇樓層。6.2 測試用例步進電機的運轉(zhuǎn)時間在初步的編譯好程序后，步進電機隨著按鍵被按下，開始進行電機的正反轉(zhuǎn)，由于外界的裝置是由滑輪引線控制的，所以必須非常的精確，這樣就需要多次的測試，多長時間引線能走多長的距離。測試方案為通過多次的記錄，先直接寫一個電機正反轉(zhuǎn)的代碼，將轉(zhuǎn)速保持到一個狀態(tài)，用秒表來記錄一個樓層高度的所要運行的時間，多次測試取到一個平均值，再在代碼中調(diào)試，確定延遲函數(shù)的時間，最終在代碼燒寫到單片機上，連接實物來測試是否符合所需的要求。以下是以測試好的成品圖片，如圖6.1所示。圖6.1 樓層位置演示6.2.2 按鍵測試本系統(tǒng)另一

42、個非常關鍵的地方就是按鍵的測試，根據(jù)上一章的系統(tǒng)實現(xiàn)部分所說，按鍵的先后順序會影響到電梯的上下行問題。測試方案應該是先按照流程圖寫好代碼，先不要加上電機模塊，因為那個會比較麻煩，只是用到數(shù)碼管和LED顯示就可以了，然后先從簡單的開始測試，比如說處在1層，檢測到3層的按鍵被按下，看看數(shù)碼管是不是由1變到2再變到3，LED也會隨著樓層的變化而變化。然后可以按2層，看看它們的變化。如果測試通過那么就可以進行更深一步的測試，比如現(xiàn)在是2層，按下1層后再按3層，看看數(shù)碼管是不是先變到1，然后再2、3的變化，同樣的檢驗LED燈的變化。再往后就可以檢測，如果一個樓層被所測按下后，數(shù)碼管和LED會不會有BUG

43、的出現(xiàn)。第7章結(jié)論課題至此已經(jīng)到了尾聲，從課題最開始選擇的時候，自己就想了很久，希望能做出一個能夠展示的東西，起初只是想弄一個簡單的步進電機，最終還是決定弄一個電梯模擬的設計。電梯的用處十分的廣泛，這也是我為什么想要選擇此題目的原因。電梯現(xiàn)如今的發(fā)展也越來越人性化，當然此次的設計并沒有那么的完善，只是做了一個4層的電梯模擬，如果進一步的進行開發(fā)，可以加上檢測部分，比如傳感裝置，可以感應是否超重，可以發(fā)出警告。在真實的電梯里，會涉及到一個減速停止的問題，這也是當今科技發(fā)展，人們越來越追求舒適感的體驗問題。當然這也是一個可以去改善的東西，由于本人的知識不是太好，所以放棄了這些比較新穎的問題點。這也

44、很好的提醒了自己，不懂的東西也很多，在今后的工作生活中也要不斷的學習進取。其次我想說一說關于模型的問題，一開始只是想要做一個很簡單的模擬，想要把數(shù)碼管，LED，及按鍵部分做出來，之后加上步進電機的正反轉(zhuǎn)就可以了。如果那樣的話就不用很嚴格的控制電機運轉(zhuǎn)的時間，因為傳送帶一次走行的距離可以很隨意的變化。后來再實習的過程中，用數(shù)控機床和簡單的機械加工弄出了一個模型，還買了一個玩具拼裝小樓，這樣就更加直觀的可以進行演示。不過難題也出來了，由于加工好的模型的尺寸已經(jīng)固定，所以在測試的過程中要把步進電機安置到模型底座上，同時傳送的滑輪上也必須固定上導線，在通過三個滑輪的連接下，最終將模擬的“小電梯”放置到

45、玩具小樓中。這樣的話再調(diào)試程序來控制步進電機的運轉(zhuǎn)時間就比較麻煩。不過經(jīng)過反復的實驗，最終還是找了一個最恰當?shù)臄?shù)值。最后，雖然設計在實用性上比較欠缺，但是也基本上達到了自己預期的效果，可以進行簡易的模擬，在以后如果進行此類電梯方面的工作，就可以有一個大概的思路。參考文獻1 李秀忠單片機應用技術M，人民郵電出版社，2007，82 李華MCS-51系列單片機實用接口技術M，北京航空航天大學出版社，1996，63 鐘富昭8051單片機典型模塊設計與應用M，人民郵電出版社，2007，94 閻石數(shù)字電子技術基礎M，高等教育出版社，1997，95 Brian WKernighanThe C Program

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