【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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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)