【正文】 研究對象，選用 51 單機 (該機芯片選為 AT89S52)作為其控制器，研究微機控制梯系統(tǒng)的設計方法。根據問題的提出、意義和文獻綜述，本課題研究的具體內容包括以下四個方面： （ 1）對電梯系統(tǒng)常用的控制方法的研究 （ 2）電梯控制系統(tǒng)硬件組成及其原理 （ 3）電梯的單片機系統(tǒng)軟件設計 （ 4）電梯在 信號傳輸中遇到的問題 方案論證 第 5 頁（共 40 頁） 2 方案論證 主控芯片選擇 方案一：多片單片機控制方案。這種方案是使用多片單片機，其中一片是作為主控制器，另外設置了轎廂控制系統(tǒng)，每層的控制系統(tǒng)分別由一個單片機控制，然后通過主控制器和副控制器之間的通訊，實現電梯系統(tǒng)的控制。這種方案的控制系統(tǒng)的結構簡單明了，各個系統(tǒng)之間相互獨立便于維護和修檢。所以根據功能要求需要選用 5片 AT89C2051 單片機就可以實現該電梯的功能。不過單片機之間的通訊較多，在目前通訊是個難點，可能導 致電梯運行過程不夠穩(wěn)定。 方案二 ：采用 CPLD 器件作為控制中心，對整個系統(tǒng)的運作進行統(tǒng)一管理，但這種方案要求平時有很多的知識積累和較強的專業(yè)水平，實現起來比較困難且器件較貴，不符合經濟要求，而且升降電機的控制，運行時間的測量、顯示等還需要單片機的配合。 方案三：一片單片機為主控制器的方案。 MCU 采用一個單片機控制所有的按鍵、數碼管顯示、電動機的轉動、傳感器的輸出信號等，并對以上所有信號進行處理。這種方案的控制系統(tǒng)相對復雜，只適用于較簡單的電梯控制系統(tǒng)，因為這次的設計的內容是 5 層電梯控制系統(tǒng)，所以選用這種 方案。單片機技術目前較為成熟，自身資源豐富，硬件設計簡單，成本低，可靠性高，結合軟件完全可以實現電梯運行狀況的簡單模擬。 權衡以上方案的分析，采用方案三。 定位平層模塊 方案一：采用金屬接近開關檢測電梯層數。在轎廂安裝金屬片，并在豎井各個樓層設置金屬接近開關，當轎廂運動到特定位置，豎井上的金屬接近開關探測到金屬片，其輸出發(fā)生變化。單片機通過金屬接近開關輸出的變化知道電梯轎廂的位置。該方案安裝的金屬片會加重轎廂重量，并且金屬接近開關體積較大、安裝不便、成本較高。 方案二：采用紅外發(fā)射對管檢測電梯層數 。在豎井各個樓層設置紅外發(fā)射對管。當接通電源時，紅外線發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線，當轎廂運動到特定位置（即樓層位置），紅外線接收頭接收到紅外線輸出發(fā)生變化，單片機通過紅外線接收頭輸出的變化知道電梯轎廂的位置。該傳感器的響應時間為 ，且體積小、功耗低、容易安裝。 基于單片機的電梯控制系統(tǒng) 第 6 頁（共 40 頁） 基于上述方案的分析，選擇方案二。 樓層顯示模塊 方案一：采用點陣式液晶顯示器（ LCD）顯示各種相關數據以及信息。點陣式液晶顯示器屬于低功耗器件，但其價格較貴。 方案二：采用傳統(tǒng)的 7 段數碼管（ LED）顯示電梯實時所到的樓層。雖功耗大，但其軟 件驅動簡單，硬件電路調試方便，價格便宜，亮度大，能滿足本設計的要求。 以上兩種方案中，選擇方案二。 聲音提示模塊 方案一：采用美國 ISD 公司的 2590 語音芯片，該語音芯片錄放時間為 90 秒。ISD2500 系列具有抗斷電、音質好，使用方便等優(yōu)點。它的最大特點在于片內E2PROM容量為 480K，所以錄放時間長；有 10 個地址輸入端，尋址能力可達 1024 位；最多能分 600 段；設有 OVF（溢出）端，便于多個器件級聯。 方案二：采用蜂鳴提示音提示當轎箱到達所需的樓層時，蜂鳴器響，提示乘客到達了所需的樓層 ，另外可以作為緊急停止時的報警提示信號，其軟件驅動、硬件電路調試非常簡潔方便，而且價格便宜，能滿足本設計的要求。 以上兩種方案中，選擇方案二。 電動機模塊 方案一：采用步進電機作為本設計的執(zhí)行元件，步進電機在定位性能方面十分優(yōu)越。步進電機和普通電機的區(qū)別主要就在于其脈沖驅動的形式，步進電機不需要 A/D 轉換，能夠直接將數字脈沖信號轉化成為角位移。常用的步進電機每轉一步，角度轉176。，在應用中，步進電機可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉矩，其二是傳遞信息，升降精度很高。 方案二：采用直流電機作為本 設計的執(zhí)行元件，直流電機工作是讓線圈始終交替地處于穩(wěn)定狀態(tài)和非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，通過兩個半圓環(huán)形電樞將線圈的穩(wěn)定平衡狀態(tài)消除掉。這樣，載流線圈在磁場中就會一直地轉動下去。直流電機在高起動轉矩、大轉矩、低慣量的系統(tǒng)中經常使用到。 此題目中電機要帶動的負載較大，對升降精度要求不是很，所以采用方案二。 方案論證 第 7 頁（共 40 頁） 電動機驅動模塊 我們使用的是直流電機，比較以下兩種方案實現對直流電機的驅動。 方案一： 小功率驅動電路可以采用如圖 2 所示的 H 橋開關電路。 UA和 UB是互補的雙極性或單極性驅動信號， TTL 電平。開關晶體管的耐 壓應大于 倍 Us 以上。當四個功率開關全用 NPN 晶體管時，需要解決兩個上橋臂晶體管 (BG1 和 BG3)的基極電平偏移問題。圖 3 中 H 橋開關電路利用兩個晶體管實現了上橋臂晶體管的電平偏移。但電阻 R 上的損耗較大，所以也只能在小功率電機驅動中使用。 圖 2 H 橋開關電路 (Ⅰ ) 圖 3 H 橋開關電路 (Ⅱ ) 方案二：采用集成電機驅動控制芯片 L298，該芯片內部包含有兩個集成 H 橋，能同時驅動兩路 5 到 24 伏范圍電源的直流電機。 由于本系統(tǒng)只有一路直流電機，且功率較小，所以采用方案一中圖 2 方案。 基于單片機的電梯控制系統(tǒng) 第 8 頁（共 40 頁） 3 硬件設計 總體方案設計 本次設計的基本思想是采用 AT89S52 單片機作為核心，利用其豐富的 I/O 接口與外圍電路配合進行控制。采用 8 位 LED 靜態(tài)顯示來實時顯示電梯所在樓層，并用 4511來驅動 LED 顯示。采用行列式鍵盤矩陣作為外呼內 選電路，由于是 5 層樓，故選用4 4 矩陣鍵盤，鍵盤矩陣共 16 個按鍵，其中 8 個按鍵是各層樓外呼按鍵， 5 個表示電梯內部的選擇鍵，另外設有緊急停止按鍵，啟動按鍵和電梯演示按鍵。電梯狀態(tài)是通過兩個發(fā)光二極管顯示的，左邊燈亮表示電梯在向上運行，右邊燈亮表示電梯在向下運行，另設有一燈燈亮表示開門狀態(tài)，燈熄表示關門狀態(tài)。 電梯的系統(tǒng) PCB 圖見附錄二圖 2圖 23。 電梯模型效果圖如圖 4 所示： 圖 4 電梯模型效果圖 2 B C A D 3 4 5 F G E H J 1 M 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 ；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 5 層，其樓層編號如圖所示。 硬件設計 第 9 頁（共 40 頁） 總體方框圖如圖 5所示： 單片機樓 層 顯 示蜂 鳴 提 示位 置 檢 測直 流 電 機電 機 驅 動 模 塊電梯模型呼 叫 信 號 輸 入 、 指 示 電 路滑 輪 圖 5 總體方框圖 單片機最小系統(tǒng) 單片機采用 ATMEL 公司的 AT89S52，最小系統(tǒng)包括復位電路和時鐘電路兩部分，其中復位電路采用按鍵手動復位和上電自動復位組合，電路如圖 6（左）所示：其中9 腳為單片機的復位端，電容 C5 按鍵 RESET 構成上電復位和手動復位電路。時鐘電路如圖 3（右）所示：晶振采用的是 12MHZ 的， C C2 為 30p 瓷片電容， XATL2 和 XATL1分別為單片機的 18 和 19 腳。 路 圖 6 最小系統(tǒng)電路 c52 2 uS B 1 9R12 0 0復位R21K5v9C13 0 pC23 0 pX11 2 M H ZX T A L 2X T A L 1時鐘電路+基于單片機的電梯控制系統(tǒng) 第 10 頁（共 40 頁） 各模塊設計 按鍵電路 由于本電路所需按鍵較多，為了節(jié)省單片機的 I/O 口，故選用行列式鍵盤矩陣。本電路采用的是 4 鍵盤矩陣。電路如圖 7 所示， 是接單片機的 P2 端口，單片機采用行和列掃描法來判別這 16 個按鍵中哪個鍵按下，然后可根據每個按鍵的功能來通過單片機控制電梯的運行。 鍵盤電路如圖 7 所示： 圖 7 鍵盤電路 各按鈕開關說明： 按鈕開關 1：轎廂內一樓呼叫開關；按鈕開關 2：轎廂內二樓呼叫開關； 按鈕開關 3：轎廂內三樓呼叫開關；按鈕開關 4：轎廂內四樓 呼叫開關； 顯示電路 數碼管顯示，電梯的基本功能具備顯示電梯當前的樓層，所以設計中在轎廂和每個樓層中都設置了一個數碼顯示管，用來顯示當前電梯所在的層數，數碼管顯示電梯所到達的樓層數。接線圖如圖 8 所示，圖中共有 1 個數碼管，通過對 8 根數據線進行寫操作進行樓層顯示。 圖 8 顯示部分接線圖 硬件設計 第 11 頁（共 40 頁） 電機正反轉指示 在本次設計中電機正反轉用兩個發(fā)光管來表示，如圖 9 所示：用單片機的 P1 口做輸出口來驅動發(fā)光管，其中 L1 亮表示電機正轉、 L2 亮表示電機反轉、 L3 亮表示電機停轉，同時電梯開門。 L3 滅表示電 梯關門， L3 亮表示電梯開門，電梯運行時 L1和 L2 必須有一個亮，來表示電梯的上行和下行。 圖 9 電機狀態(tài)指示 電源模塊 本系統(tǒng)采用 L7805 穩(wěn)壓電路提供電壓 +5V，對各部分電路供電，電源可以采用USB 接口的方式輸入，也可以采用標準的電源輸入頭輸入，另外電源可以直接通過P13 口對電機進行供電。 圖 10 電源模塊 在降壓電路中應注意以下事項： 輸入輸出壓差不能太大，太大則轉換效率急速降低，而且容易擊穿損壞； 輸出電流不能太大， 是其極限值。大電流的輸出，散 熱片的尺寸要足夠大，否則會導致高溫保護或熱擊穿； 輸入輸出壓差也不能太小，太小效率很差。 基于單片機的電梯控制系統(tǒng) 第 12 頁（共 40 頁） 紅外發(fā)射接收電路 在豎井各個樓層設置紅外發(fā)射接收管，在轎廂上下運動的過程當中紅外線發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線，當轎廂運動到特定位置，豎井上的紅外線接收頭收到紅外線，其輸出發(fā)生變化。單片機通過紅外線接收頭輸出的變化知道電梯轎廂的位置。 圖 11 紅外發(fā)射對管 圖 12 紅外 對管電路 圖 圖 11所示為反射式紅外線發(fā)射 接收器的示例。 調整發(fā)射管的限流電阻（ 200 Ω），可以調整靈敏度，但是注意不能讓電流超過 50mA，以免燒毀發(fā)射管。輸出側的 10k電阻是提供“ 0”電平時的接地電阻，如果電路里已經有信號輸入的接地電阻，則可以省略本處的 10kΩ電阻。此電阻阻值不能太小，否則高電平輸出會達不到 。只要在紅外線發(fā)射－接收管前插入一件對紅外光有反射作用的物質，圖示的輸出端口“ OUT”的電平立即從低變成高。只要在紅外線發(fā)射－接收管前插入一件對紅外光有無反射作用的物質，圖示的輸出端口“ OUT”的電平立即從高變成低。如果該反射或無反射物質是循環(huán) 連續(xù)動作的話，就是一種非常好的無觸點信號源位置檢測。 電機驅動電路 電機驅動部分采用常用的 H 橋電路，如下圖所示。在 口輸入 PWM 信號對整個電路進行選通，通過調節(jié) PWM 的占空比，實現電機運動過程的加速和減速的過程，從而完成電機的停止、平層操作。 口為電機的正反轉控制，當 為高電平時， Q Q2 管導通，并通過電機構成回路，實現電梯的反轉，當其為低電平時，Q Q4 管導通，通過電機構成了 H 橋的另一邊反向回路，實現了電梯的正轉，從而完成電機的正反轉控制。驅動電路 PCB 圖見附件二圖 2圖 25。 仿真圖如圖 13 所示： 硬件設計 第 13 頁（共 40 頁） P 2 4P 2 5123U 1 : A7 4 0 8456U 1 : B7 4 0 89108U 1 : C7 4 0 8121311U 1 : D7 4 0 8Q 1 ( E )U1: A ( Y )() Q 5 ( C)U1: D( Y )U1: C( Y )U1: B ( Y )D1( K )Q3T