【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 梯的單片機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) （ 4）電梯的軟件編譯調(diào)試及系統(tǒng)測(cè)試 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 2 方案論證 總體設(shè)計(jì)方案 設(shè)計(jì)的基本思想是采用 AT89S52 單片機(jī)作為核心，是一種低功耗高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi) 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 FLASH 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。單芯片上，擁有 8 位CPU 及在系統(tǒng)可編程 FLASH，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效之解決方案 [1]。 AT89S52 的特點(diǎn)：擁有 40 個(gè)引腳， 8k Bytes Flash 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)及 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。采用 8 位 LED 靜態(tài)顯示來實(shí)時(shí)顯示電梯所在樓層。采用行列式鍵盤矩陣作為外呼內(nèi)選電路，由于是 4 層樓，故選用 4 4 矩陣鍵盤，鍵盤矩陣共 16 個(gè)按鍵，其中 4 個(gè)按鍵是各層樓外呼按鍵，2 個(gè)表示電梯開關(guān)門的選擇鍵，電梯狀態(tài)是通過兩排指示箭頭發(fā)光二極管顯示的，向上箭頭燈亮表示電梯在向上運(yùn)行，向下箭頭燈亮表示電梯在向下運(yùn)行，另設(shè)有紅綠 LED 燈表示開門狀態(tài)，綠燈表示開門狀態(tài)綠燈表示關(guān)門狀態(tài)。 總體方框圖如圖 21 所示： 圖 21 總體方框圖 單片機(jī) AT89S52 鍵盤電路 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 樓層顯示電路 電機(jī)狀態(tài) 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 主控芯片選擇 方案一：多片單片機(jī)控制方案。這種方案是使用多片單片機(jī)，其中一片是作為主控制器，另外設(shè)置了轎廂控制系統(tǒng)，每層的控制系統(tǒng)分別由一個(gè)單片機(jī)控制，然后通過主控制器和副控制器之間的通訊，實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)的控制。這種方案的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，各個(gè)系統(tǒng)之間相互獨(dú)立便于維護(hù)和修檢。所以根據(jù)功能要求需要選用 5 片 AT89C2051 單片機(jī)就能可以實(shí)現(xiàn)該電梯的功能 。不過單片機(jī)之間的通訊較多，在目前通訊是個(gè)難點(diǎn)，可能導(dǎo)致電梯運(yùn)行過程不穩(wěn)定。 方案二 ： CPLD 器件作為控制核心，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一管理，但這種方案要求通常有很多的知識(shí)積累和較強(qiáng)的專業(yè)水平，更難以實(shí)現(xiàn)和設(shè)備價(jià)格昂貴，不符合經(jīng)濟(jì)的要求，同時(shí)也控制升降電機(jī)，運(yùn)行時(shí)間測(cè)量，顯示，而且還需要采取 MCU。 方案三：一片單片機(jī)為主控制器的方案。 MCU 采用一個(gè)單片機(jī)控制所有的按鍵、數(shù)碼管顯示、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)等，并對(duì)以上所有信號(hào)進(jìn)行處理。這種方案的控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，只適用于較簡(jiǎn)單的電梯控制系統(tǒng)，因?yàn)檫@次的設(shè)計(jì)是四層電梯 控制系統(tǒng)，所以選用這種方案。單片機(jī)技術(shù)目前較為成熟，自身資源豐富，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性高，結(jié)合軟件完全可以實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行狀況的簡(jiǎn)單模擬。 權(quán)衡以上三種方案方案分析，采用方案三。 樓層顯示模塊選擇 方案一：采用點(diǎn)陣式的液晶顯示器（ LCD）來顯示各種相關(guān)的數(shù)據(jù)以及相關(guān)的信息。點(diǎn)陣式的液晶顯示器雖然屬于低功耗的器件，但其價(jià)格比較貴。 方案二：采用傳統(tǒng)的八段數(shù)碼管（ LED）顯示電梯實(shí)時(shí)所到的樓層。雖功耗大，但其軟件驅(qū)動(dòng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，硬件電路調(diào)試也比較方便，價(jià)格便宜，亮度大，能滿足本設(shè)計(jì)的要求 。 以上兩種方案中，選擇方案二。 電動(dòng)機(jī)模塊選擇 方案一：步進(jìn)電機(jī)作為設(shè)計(jì)的執(zhí)行部件，在定位性能的步進(jìn)電機(jī)是非常優(yōu)越的。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要在于其脈沖驅(qū)動(dòng)形式，步進(jìn)電機(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移。常用的步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步，角度轉(zhuǎn) 176。，在應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)可以同時(shí)來完成兩個(gè)工作，一個(gè)是傳遞轉(zhuǎn)矩，第二個(gè)是傳遞信息，在本設(shè)計(jì)中作為傳遞信息用。 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 方案二： 直流電機(jī)作為執(zhí)行元件的設(shè)計(jì)，直流電機(jī)的功能是讓線圈總是交替地處于穩(wěn)定狀態(tài)和不穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，通過兩個(gè)半圓環(huán)形電 樞將穩(wěn)定平衡線圈消除。 這樣一個(gè)載流線圈總是降低磁場(chǎng)。直流電機(jī)中常用的系統(tǒng)，高轉(zhuǎn)矩，高扭矩，低慣量。 以上兩種方案采用方案一。 利用 Protel 畫圖軟件構(gòu)建原理圖如圖 22 所示： 圖 22 原理圖 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 3 硬件設(shè)計(jì) AT89S52 功能簡(jiǎn)介 AT89S52是一種低功耗高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi) 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的 FLASH 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司之高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu)，片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。單芯片上，擁有 8 位 CPU 及在系統(tǒng)可編程 FLASH，使 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效之解決方案 [2]。 AT89S52特點(diǎn)：有 40針， 8K 字節(jié)的 Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 256字節(jié)（ RAM），32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I / O）， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2中斷嵌套中斷， 2個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行通信 2出口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 單片機(jī) AT89S52 如圖 31 所示： 圖 31 單片機(jī) AT89S52 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) P0 口 —— 8 位漏極開路之雙向 I/O 口。作為一個(gè)輸出端口，每個(gè)可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯電平。 P0 口寫入“ 1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 P1 口 —— 有 8 位雙向 I / O 內(nèi)部上拉電阻， P1 輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。 P1口，寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻拉高端口，此時(shí)可以作為輸入。當(dāng)作為輸入，外部向下引線由于內(nèi)部電阻和輸出電流。 P2 口 —— 有 8 位雙向 I / O 內(nèi)部上拉電阻， P2 輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。 P2口，寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻拉高端口，此時(shí)可以作為輸入。作為輸入，被拉低外部引腳內(nèi)部電阻和輸出電流。 P3 口 —— 有 8 位雙向 I / O 內(nèi)部上拉電阻， P3 輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。 P3口，寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻拉高端口，此時(shí)可以作為輸入。作為輸入，被拉低外部管腳用于內(nèi)部電阻的原因，并輸出電流。 RST—— 復(fù)位輸入。當(dāng) RST 引腳振蕩器，還有高水平的兩個(gè)以上的機(jī)器周期將被重置。 ALE / PROG 訪問外部存 儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存使能）輸出脈沖為低 8 字節(jié)鎖存地址。 PSEN—— 程序存儲(chǔ)使能（ PSEN）輸出是讀選通到外部程序存儲(chǔ)器的信號(hào)，從外部程序存儲(chǔ)器（或數(shù)據(jù)） AT89S52 取指令， 2 PSEN 每個(gè)機(jī)器周期，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)內(nèi)存，可以跳兩次 PSEN 信號(hào)。 EA/VPP—— 外部訪問使能， CPU 只訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址 0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。注意：如果加密位 LB1 編程，復(fù)位內(nèi)部鎖存的 EA 最終狀態(tài)。如果 EA 為高電平（ VCC 結(jié)束），指令 CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 。 XTAL1—— 振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路之輸入端。 XTAL2—— 振蕩器反相放大器之輸出端 [3]。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路和時(shí)鐘電路兩部分，其中復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位，其中 9 腳為單片機(jī)的復(fù)位端，時(shí)鐘電路如圖 3 所示：晶振采用的是 12MHZ 的， C C3 為 30p 瓷片電容， XATL2和 XATL1 分別為單片機(jī)的 18 和 19 腳。 時(shí)鐘電路如圖 32 所示： 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 圖 32 時(shí)鐘電路圖 按鍵電路 本電路采用的是 4 4 鍵盤矩陣。 P34P37 是接單片機(jī)的 P3 端口，單片機(jī)采用 行和列掃描法來判別這些按鍵中哪個(gè)鍵按下， P00P02 接單片機(jī) P0 端口， S1S6 為微動(dòng)按鍵，分別控制電梯開關(guān)門和電梯樓層呼叫開關(guān)，然后可根據(jù)每個(gè)按鍵的功能來通過單片機(jī)控制電梯的運(yùn)行。 D1D14為 3mmLED 二極管， D1， D4， D7， D10， D13 并聯(lián)并串聯(lián)一個(gè) 100 歐姆的電阻 R1， D3， D9， D12 并聯(lián)并串聯(lián)一個(gè) 100 歐姆的電阻 R3， D2， D5， D8， D11， D14 并聯(lián)并串聯(lián)一個(gè) 100 歐姆的電阻 R2。排布成上下箭頭形狀，利用箭頭指示燈分別來表示電梯上下樓情況。電梯開關(guān)門按鍵如圖 36 所示， P20P21 是接單片機(jī)的 P2 端口，利用微動(dòng)按鍵按下與否的高低電平來使兩個(gè)發(fā)光二極管亮，由兩個(gè)紅綠 5mmLED 發(fā)光二極管并聯(lián)并串聯(lián)一個(gè) 1K 歐姆的電阻 R12，紅燈亮表示電梯關(guān)門，綠燈亮表示電梯開門。電梯按鈕模塊如圖 33 和圖 34 所示： 圖 33 電梯按鈕模塊 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 圖 34 電梯按鈕模塊 各按鈕開關(guān)說明： 按鈕開關(guān) S3：四層樓呼叫開關(guān)；按鈕開關(guān) S4： 三層樓呼叫開關(guān)； 按鈕開關(guān) S5：二層樓呼叫開關(guān)；按鈕開關(guān) S6：一層樓呼叫開關(guān)； 電梯門指示模塊及電梯開關(guān)門按鍵如圖 35 和 36 所示： 圖 35 電梯門指示模塊 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 圖 36 電梯開關(guān)門按鍵 顯示電路 采用傳統(tǒng)的八段數(shù)碼管（ LED）顯示電梯實(shí)時(shí)所到的樓層。其軟件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，硬件電路調(diào)試方便，價(jià)格便宜，亮度大，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。 用數(shù)碼管顯示，電梯的基本功能具備顯示電梯當(dāng)前的樓層，所以設(shè)計(jì)中設(shè)置了一個(gè) 數(shù)碼顯示管，用來顯示當(dāng)前電梯所在的層數(shù)， P10P17 都串聯(lián)一個(gè) 1K 歐姆的電阻接單片機(jī)的 P1 接口，由P1 口來驅(qū)動(dòng) 8 位數(shù)碼管顯示電梯所到達(dá)的樓層數(shù)。接線圖如圖 6 所示，圖中共有 1 個(gè)數(shù)碼管，通過對(duì) 8 根數(shù)據(jù)線進(jìn)行寫操作進(jìn)行樓層顯示。 樓層顯示模塊如圖 37 所示： 圖 37 樓層顯示模塊 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 電源模塊 本系統(tǒng)采用 LM7805 穩(wěn)壓電路提供電壓 +5V，對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的電源輸入頭輸入。 C1 為 瓷片電容。 電源模塊如圖 38 所示： 圖 38 電源模塊 步進(jìn)電機(jī)模塊 采用步進(jìn)電機(jī)作為本設(shè)計(jì)的執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)在定位性能方面非常優(yōu)越。步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，步進(jìn)電機(jī)不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移 [4]。常用的步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一步，角度轉(zhuǎn) 176。，在應(yīng)用中，步進(jìn)電機(jī)可以同時(shí)完成兩個(gè)工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息，在本設(shè)計(jì)中作為傳遞信息用，步進(jìn)電機(jī)使用的是28BYJ5V。 步進(jìn)電機(jī)由 ULN2020A 驅(qū)動(dòng)， ULN 是集成有 IC 達(dá)林頓管，還集成了一個(gè)弧形線圈 電動(dòng)勢(shì)的二極管，它可以用來驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列 16 腳封裝， NPN 晶體管矩陣，最大驅(qū)動(dòng)電壓 =50V，電流=500 毫安，輸入電壓 =5V，適用于 TTL COMS，達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路。通常芯片 ULN2020 驅(qū)動(dòng)，上拉電阻 2K 是合適的，同時(shí)， COM 引腳懸空或連接電源。本設(shè)計(jì)中 COM 引腳接電源， GND 腳接地。輸入端 IN4IN7 連 P24P27 分別接主單片機(jī)的 P2 口 。 步進(jìn)電機(jī)模塊如圖 39 所示： 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 圖 39 步進(jìn)電機(jī)模塊 浙江科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 4 軟件設(shè)計(jì)