【基于單片機電梯控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)6700字（論文）】

基于單片機電梯控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)目錄TOC\o"1-2"\h\u18369基于單片機電梯控制系統(tǒng)的設計 111504摘要 11909引言 252801.研究的意義及現(xiàn)狀 297601.1選題的意義 2227941.2電梯發(fā)展歷程 347971.3研究現(xiàn)狀 351872.系統(tǒng)總體設計 4209992.1設計分析 4100222.2系統(tǒng)工作原理 4154133.主要模塊及硬件設計 5165653.1電源模塊 595643.2主控模塊 6105943.3按鍵模塊 6117933.4顯示模塊 7147663.5電機模塊 897403.6語音模塊 8242613.7紅外傳感器模塊 9309264.系統(tǒng)軟件設計 10258594.1程序設計 1073304.2系統(tǒng)程序流程圖 11162565.安裝與調(diào)試 11323615.1安裝步驟 11320185.2調(diào)試 12310006.總結(jié)與展望 13241796.1總結(jié) 1376316.2展望 13摘要:為了解決傳統(tǒng)電梯成本高，功能匱乏，結(jié)構(gòu)復雜，維修困難，安全性較差等缺點。本文設計了以STC89C52單片機為核心的電梯控制系統(tǒng)，用1*8按鍵電路可以掃描電梯按鍵是否被按下，按鍵按下后會產(chǎn)生電信號，單片機就可以檢測到是哪個鍵被按下，從而執(zhí)行對應的按鍵子程序。然后驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)實現(xiàn)電梯上下行，并且配有樓層顯示功能和指示功能，同時電梯控制系統(tǒng)也具有語音提示功能和防夾功能。經(jīng)過多次試驗和測試,本系統(tǒng)功能良好，結(jié)構(gòu)完備，性價比高，使用簡單。關(guān)鍵詞：單片機；電梯；控制系統(tǒng)引言在2000年前后，中國的高樓大廈開始如芝麻開花一般，節(jié)節(jié)高升，伴隨著高樓一起出現(xiàn)的還有電梯。電梯可以幫助人們快速上樓，人們不用再一層一層的爬樓梯，在高樓大廈主要是采用豎直運行的電梯，在商場超市一般采用的是斜著運行的扶梯。高樓大廈已經(jīng)成為城市發(fā)展的主要標志[1]。電梯對于高樓大廈來說是不可或缺的，正是因為有了它，人們才可以蓋幾十層的高樓，而不用擔心住戶爬樓梯的問題，中國的鋼鐵森林才能迅猛發(fā)展。經(jīng)過多年的發(fā)展，電梯改進了很多，有豎直運行的，也有斜著運行的，也增加了很多功能，比如遠程監(jiān)控、集群控制、人機交互等等，電梯自動控制系統(tǒng)對于電梯的穩(wěn)定運行起著重要的作用[2]。到了現(xiàn)在，電梯不再只要求快速到達指定樓層，節(jié)約時間。還有遠程監(jiān)控功能，電梯在出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)檢測到之后可以通知相關(guān)人員，以便盡快排除故障，解救被困人員。電梯的出現(xiàn)給了人們極大的方便，我相信隨著科學技術(shù)的發(fā)展，電梯在未來會變得越來越智能。1.研究的意義及現(xiàn)狀1.1選題的意義新中國成立以來，全國上下勠力同心，努力趕超著別的國家，不論是在經(jīng)濟還是在科技上，都在蓬勃發(fā)展，萬丈高樓平地而起，電梯成為每一座高樓的標配，電梯在安全方面也出過不少事故，因此未來的電梯將會向更加智能，安全，舒適環(huán)保的方向發(fā)展，將會有一個很大的市場前景。在上世紀八九十年代安裝的的電梯主要是繼電器控制系統(tǒng)，存在著體積大和接線復雜、噪音大等缺點[3]?，F(xiàn)在大部分電梯都采用PLC控制方式，它可以很好的解決繼電器控制系統(tǒng)所帶來的問題，有很多繼電器沒有的優(yōu)勢。但是隨之而來的其它問題也比較突出，首先其成本相對較高，程序編寫比較復雜，出現(xiàn)故障時必須要專業(yè)技術(shù)人員來操作維修，比較麻煩，重力測量電路不夠精確通信方面也有很多不足等問題。對于上述存在的問題，決定使用單片機作為主控模塊。單片機具有價格低廉、體積較小、運算速率快等優(yōu)點[4]。并且采用模塊化結(jié)構(gòu)設計，結(jié)構(gòu)簡單，程序編寫相對容易，運算和處理功能相對強大，外部接口多，易擴展，通用性強，靈活性大，可以實現(xiàn)更多復雜的功能，從而可以更好的滿足人們的各種需求。1.2電梯發(fā)展歷程早在千年以前，我國就造出了簡單的卷揚機，它是由木頭做成的支架、卷筒、曲柄還有繩索構(gòu)成的，后來在古希臘，阿基米德造出了卷筒式卷揚機，不同的是，它是由人力驅(qū)動的。這些都是電梯發(fā)展的雛形。國內(nèi)第一次見到電梯是在二十世紀初，雖然第一臺電梯是由外國人安裝的，但這也是我國電梯事業(yè)的一個標志。在過了半個世紀之后，人民也終于用上了自己生產(chǎn)的電梯。為了響應黨中央的號召，天津從慶生電機廠經(jīng)過四個月的艱苦奮斗，終于完成了任務。在改革開放之后，我國的各行各業(yè)都蓬勃發(fā)展，電梯行業(yè)當然也迎來了春天，國內(nèi)的所有大城市，無處不見電梯的身影。那個時候電梯技術(shù)普遍采用繼電器群的控制方式，，雖然控制方式簡單，但是采用這種控制方式要控制的繼電器數(shù)量太多，造成制造成本的增加。因此后來就出現(xiàn)了PLC的控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)更加安全可靠，其各方面的性能相比繼電器控制方式來說大大提高了。但是PLC也有一些缺陷，比如程序編寫比較復雜，對技術(shù)人員要求高，通信方面也有一些不足，使其應用受到了一定的局限。因此近年來基于單片機微控制器應用更加廣泛，其強大的運算和處理能力受到了人們的喜愛，同時單片機外部接口多，易于擴展和二次開發(fā)，可以實現(xiàn)更多的功能，滿足人們的不同需求，給人們的生活帶來了便利。1.3研究現(xiàn)狀目前，電梯將向更加智能化，網(wǎng)絡化，簡易化，綠色化方面發(fā)展。電梯控制技術(shù)也在不斷發(fā)展，新事物必將取代舊事物，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)不能適應時代的發(fā)展，后來出現(xiàn)了PLC控制方式，再到現(xiàn)在的集成電路控制方式。半導體技術(shù)的迅猛發(fā)展，將邏輯控制板和變頻器集成在一起成為主流技術(shù)。這種技術(shù)將電梯的輸入和輸出信號集成在一起、極大的減少了接觸器的個數(shù)，通訊方式則采用串行通訊，這種方式，節(jié)約了很大的成本，并且系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。通過將自動平層救援為一體，技術(shù)更加先進，功能更為強大。如果電梯有故障發(fā)生，系統(tǒng)檢測到之后并判斷故障的程度，同時電梯還會自動給維修人員發(fā)信息，通知其來維修并解救受困人員。我相信以后生產(chǎn)的電梯經(jīng)過不斷優(yōu)化，一定能造出低能耗、無污染的環(huán)保型電梯。2.系統(tǒng)總體設計2.1設計分析本文設計了一種以52單片機為主控芯片的電梯控制系統(tǒng)，電梯各模塊如圖1所示。電源模塊采用USB線給各個模塊進行供電，1*8按鍵電路模塊輸入用戶請求信號，不斷的掃描按鍵，判斷是否有按鍵按下，一旦發(fā)現(xiàn)有按鍵按下就會將信號傳遞給單片機，單片機執(zhí)行相應的程序，首先控制四相五線步進電機運行，用電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來模擬電梯的上下行。同時配有當前樓層顯示功能和上下行指示功能。到達相應樓層時會語音模塊進行提示，告訴你樓層到了，同時電梯還有防夾功能，采用紅外傳感器，如果紅外傳感器感應到物體，不管電梯處于什么狀態(tài)，電梯必須停止運行，將保護乘客的安全作為首要目標。圖1系統(tǒng)框圖2.2系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)由軟件和硬件組成。編程語言為C語言，硬件部分主要有按鍵、數(shù)碼管、單片機、LED燈等器件。電梯控制系統(tǒng)為8層電梯，電梯的初始狀態(tài)默認電梯處于第一層，八個按鍵代表八個樓層的按鈕。定時器初始化后，首先單片機判斷紅外傳感器有沒有信號傳過來，有信號則啟動防夾功能，電梯停止工作，指示燈亮，蜂鳴器報警。沒有信號傳過則調(diào)用鍵盤掃描子程序?qū)Π存I進行掃描，若按鍵標識為0，則電梯不運行，若有按鍵按下，通過鍵盤掃描子程序就會向單片機傳遞是哪一樓層按下了，然后點亮相應按鍵的指示燈，同時也要將當前樓層送給共陰極數(shù)碼管顯示當前的樓層數(shù)。單片機調(diào)用電梯處理程序判斷電梯向上運行還是向下運行，如果單片機判斷電梯向上運行則電機正轉(zhuǎn)點亮向上的LED箭頭，反之，則點亮向下的LED箭頭。到達相應樓層控制電梯停止，關(guān)閉相應的發(fā)光二極管。調(diào)用電機子程序驅(qū)動4相5線步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，還有語音模塊和紅外傳感器模塊，語音模塊采用WT588D-20SS芯片，通過控制PWM的輸出方式，驅(qū)動揚聲器工作。電梯處理函數(shù)調(diào)用語音子程序來進行語音播報，用來提示乘客目標樓層到了。傳感器模塊采用5MM紅外對管來進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)有物體，無論電梯處于什么狀態(tài)都會停止運行，檢測不到物體時電梯就會恢復運行狀態(tài)，以此來保證乘客的安全，起到了防夾的作用。3.主要模塊及硬件設計3.1電源模塊電源是任何一個系統(tǒng)必不可少的部分。在本設計中我們采用5V的直流電源為單片機，數(shù)碼管，LED燈，電機，蜂鳴器，揚聲器，紅外傳感器等各個元器件進行供電，輸出電流為1A。經(jīng)過驗證，電源可以滿足單片機、數(shù)碼管、LED燈、電機、蜂鳴器、揚聲器、紅外傳感器的工作需求。電源模塊的電路圖如圖2所示。圖2電源模塊電路圖3.2主控模塊本系統(tǒng)是以STC89C52單片機為主控芯片，能完成多種功能。單片機自身擁有豐富的接口，這些接口可以簡化程序開發(fā)流程，提高電梯控制系統(tǒng)的開發(fā)效率[5]。主控模塊主要就是單片機再外加一些電路，比如復位電路、晶振電路等。單片機主要用來處理按鍵電路和傳感器電路發(fā)送過來的信號，然后控制各個模塊相互配合，協(xié)調(diào)工作，從而實現(xiàn)八層電梯的模擬系統(tǒng)。本文采用的是12M的晶振，采用12M晶振的目的是使系統(tǒng)運行一條單指令的語句時間為1微秒，便于計算時間。當程序執(zhí)行出現(xiàn)錯誤時，就要用到復位電路了，復位電路可以讓系統(tǒng)從初始狀態(tài)運行，便于排除錯誤。該模塊能夠使各項功能更快、更完善的實現(xiàn)，符合本設計的要求。主控模塊電路圖如圖3所示。圖3主控模塊電路圖3.3按鍵模塊本系統(tǒng)為8層樓的電梯，所以一共設置了8個樓層按鍵，每層的按鍵分別與單片機的P3.0~P3.7口相連，直接檢測P3.0~P3.7口的電平就可以知道按鍵的狀態(tài)。如果有人按下按鍵時，那么其引腳就會檢測到低電平，進而判斷出呼叫樓層[6]。因為有八個發(fā)光二極管，所以由P1.0~P1.7口來控制，當單片機檢測到按鍵電平變化時，便開始判斷是哪一層樓的電梯按鍵按下，從而去執(zhí)行相應的程序。圖4按鍵模塊電路圖3.4顯示模塊數(shù)碼管和LED指示燈是顯示模塊的主要器件。本設計中的數(shù)碼管為八段共陰極一位數(shù)碼管，另外八個控制端與單片機的P0口相連。程序運行后可自動將顯示段碼寫入I/O口，數(shù)碼管就能保持相應的顯示字符。數(shù)碼管通過在1～8這幾個數(shù)字之間變換來完成顯示到達樓層的功能[7]。用發(fā)光箭頭指示電梯的運行方向，由單片機的P2.0～P2.2口來控制，當電梯上行時，將P2.1和P2.2兩個口置0來控制點亮向上的箭頭，當電梯下行時，將P2.1和P2.0兩個口置0來控制點亮向下的箭頭。該模塊使用簡單，操作方便，價格實惠，能清晰顯示數(shù)字和指示方向[8]。能很好達到本設計的要求。顯示模塊電路圖如圖5所示。（a）數(shù)碼管電路圖（b）指示燈電路圖圖5顯示模塊電路圖3.5電機模塊4相5線步進電機是電機模塊的主要組成部分，電機需要使用驅(qū)動芯片才能運轉(zhuǎn)，并且供電需要采用直流供電方式。步進電機不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移[9]。驅(qū)動芯片就會驅(qū)動電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，轉(zhuǎn)動的速度和脈沖的頻率成正比，改變脈沖的順序可以方便的改變轉(zhuǎn)動的方向。驅(qū)動芯片型號為ULN2003，工作電壓為5V，輸出功率較高。能同時驅(qū)動多個負載，也可以直接驅(qū)動電機等負載。同時用它來作為驅(qū)動時，具有電平反向的功能，非常適合本設計的需求。本系統(tǒng)是用單片機的P2.3、P2.4、P2.5和P2.7四個端口與驅(qū)動芯片的控制端相連，給驅(qū)動芯片發(fā)送控制信息，控制電機的運行狀態(tài)，可以很好地模擬電梯上下行運作的情景。圖6電機模塊電路圖3.6語音模塊語音模塊采用WT588D語音芯片來控制揚聲器進行語音播報，并且具有可以重復擦寫，音質(zhì)好等優(yōu)點。本系統(tǒng)的語音芯片型號為WT588D-20SS，語音芯片的P01、P02、P03與單片機的P3.5、P3.6、P3.7三個口相連，單片機通過這三個I/O口給語音芯片發(fā)送信息來控制語音芯片工作。語音芯片可以輸出PWM波，直接與揚聲器相連，PWM輸出可直接驅(qū)動揚聲器正常工作。此芯片功能強大，操作簡單，在本設計中承擔著用來完成到達樓層后的語音提示功能[10]。適合本設計的需求。電路圖如下圖所示。圖7語音模塊電路圖3.7紅外傳感器模塊傳感器模塊主要器件為5mm紅外對管，還有一個發(fā)光二極管用來做指示燈。電流的大小可以影響功率。在本系統(tǒng)中紅外對管用來檢測外界物體，與單片機的P0.4口相連，一旦檢測到物體就會傳遞信號給單片機，單片機控制系統(tǒng)停止運作，同時發(fā)光二極管亮，蜂鳴器報警，物體消失后，電梯又會恢復運作狀態(tài)，防止發(fā)生意外事故，起到了防夾的作用。紅外對管發(fā)射距離遠，接收可抗太陽光干擾，可以提供技術(shù)支持以及電路支持等優(yōu)點，適合本設計的需求。紅外傳感器模塊電路圖如圖8所示。圖8傳感器模塊電路圖4.系統(tǒng)軟件設計4.1程序設計本設計的程序編程使用的軟件為Keil4，編寫程序用的是C語言，完成電梯的相關(guān)功能。軟件的設計主要是設計實現(xiàn)各個功能的子函數(shù)。在主程序中首先要進行初始化操作，還要調(diào)用各個部分的子程序。比如定時器初始化子程序、按鍵掃描函數(shù)、電梯處理函數(shù)等。程序運行時首先調(diào)用初始化子程序?qū)Χ〞r器和中斷標志位進行設置，緊接著要判斷紅外傳感器是否有信號傳來，即定義一個變量hw，判斷它是否為零，如果為零就代表紅外傳感器沒有檢測到物體，即電梯可以正常工作。電梯一開始停在一層，首先調(diào)用鍵盤掃描子程序key來檢測是否有按鍵按下，利用1ms的延時來消除按鍵抖動，如果有按鍵按下就會判斷是哪個按鍵按下，并得到按鍵值，沒鍵按下則繼續(xù)掃描。同時用key_with函數(shù)來點亮按下按鍵的發(fā)光二極管。單片機將當前所處的樓層數(shù)發(fā)送給數(shù)碼管進行顯示，利用定時器中斷子程序來設定一個定時處理，即每隔100ms轉(zhuǎn)入電梯處理函數(shù)進行處理，此時就是有按鍵按下，電梯開始運行，要判斷電梯是向上走還是向下走，同時點亮相應的LED箭頭，到達目標樓層時要關(guān)閉目標樓層的發(fā)光二極管，清零電梯的標志位，控制電機停止運轉(zhuǎn)，同時進行相應樓層的語音播報，例如“x樓到了”。在電梯運行過程中,按鍵掃描程序還是在不斷的掃描的，不斷的進行判斷。電梯向上運行的時候還要繼續(xù)判斷是否還要繼續(xù)向上，此時，只需要檢測該樓層以上是否有按鍵按下就可以了。如果該樓層以上沒有按鍵按下則轉(zhuǎn)為判斷下邊樓層按鍵的情況，如果該樓層的下邊樓層有按鍵按下，則電梯轉(zhuǎn)而向下運行，電梯向下運行的時候也是同理。如果上下均無請求，則停留在該層繼續(xù)循環(huán)查詢等待請求。定義兩個無符號字符型的變量flag_start和flag_z_f來控制電機，當flag_start等于1時代表電機開始運轉(zhuǎn)，否則電機不工作。flag_z_f等于0時表示電機正轉(zhuǎn)，電梯向上運行，反之，電梯向下運行。如果變量hw不等于零，即紅外傳感器檢測到有物體則電梯不工作，蜂鳴器報警，指示燈亮。一個系統(tǒng)沒有寫入程序的話就只是一堆破銅爛鐵，程序是系統(tǒng)的血與魂，所以要對程序的設計多花心思。程序設計完成后，可以實現(xiàn)各個控制命令，對整體系統(tǒng)的功能要求進行滿足[11]。4.2系統(tǒng)程序流程圖圖9系統(tǒng)流程圖5.安裝與調(diào)試5.1安裝步驟（1）首先要檢查元件的好壞。按電路圖買好元件后，使用萬用表檢查元器件是否完好，確保不會有壞的元器件致使電路板燒毀。（2）焊接元器件。嚴格按照原理圖來焊接各元器件，復雜的和容易損壞的元器件最后焊。焊接的時候要注意電烙鐵的溫度，電烙鐵過熱，焊錫過多都會對焊接有影響。（3）電路連接好后開始編寫程序，用c語言進行編寫，在Keil4軟件里面編寫并且編譯，最后生成Hex文件。5.2調(diào)試硬件組裝好，程序編寫好之后就要進行調(diào)試了，采用PZ-ISPV2.4軟件來下載程序，步驟如下：（1）將開發(fā)板通過usb線與電腦連接，打開PZ-ISPV2.4下載軟件。（2）將芯片類型設置為STC89Cxx.Series，并連接相應的串口號，波特率設置為115200。（3）選擇文件路徑，找到編譯生成的.hex文件，然后點擊程序下載。（4）程序下載完成之后，打開電源開關(guān)，檢查板子的各項功能。電梯開始停在一樓，按下樓層后，電機開始運轉(zhuǎn)，電梯的顯示和指示功能也可以正常運作，到達相應樓層有語音提示，將手放到傳感器模塊時，電梯停止運作，相應的指示燈亮，蜂鳴器報警，將手拿開之后，電梯又恢復正常運作狀態(tài)。在鍥而不舍的調(diào)試，努力試驗下，實驗結(jié)果基本符合設計的預設效果。（5）誤差是不能避免的，我們只能盡量減少誤差，確保設計盡可能的正確，可以實現(xiàn)預期的功能，為此我們需要定期的進行檢查