【文章內容簡介】 ning, the position read, the demonstration, the lift control logic small steelyard procedure structure and the function. Software ponents use C language. This realization way is the use of Interrupt mode to detect the information of the floor sent to the Digital tube . The hardware design of the system bined with the software is simple and reliable. So It is basically to achieve simulation of elevator running five floors. [Key words]AT89C51。 DC motor。 infrared sensor。 elevator control。 前言 第 1 頁（共 44 頁） 基于單片機的電梯控制系統(tǒng) 1 前言 隨著 人們生活水平的不斷提高和國內經濟的迅速發(fā)展。各大城市建筑物在不斷向高層化發(fā)展。因此 電梯在我們的生活中起著舉足輕重的作用 。 電梯已不僅是一種生產環(huán)節(jié)中的重要設備 ,更是一種人們頻繁乘用的交通運輸設備 。 2021 年奧運會和 2021 年世博會在中國的舉辦， 將 有力的帶動電梯革命的節(jié)能環(huán)?；l(fā)展，電梯產業(yè)的前景和走勢也隨著社會的需求悄然發(fā)生著改變。市場對新一代的綠色電梯、節(jié)能電梯和智能電梯的需求越來越旺盛。國內外電梯企業(yè)順應市場需要，加大研發(fā)投入，都準備在未來新概念電梯產業(yè)發(fā)展中占得 先機。 課題的提出及研究意義 電梯是集機械原理應用、電氣控制技術、微處理技術、系統(tǒng)工程學等多科學和技術分支于一體的機電設備，它是建筑中永久垂直交通工具。電梯作為生產生活的典型運載工具使用已十分普及，其控制信號類型多，關系復雜，要求的控制性能特別高。隨著經濟的發(fā)展高層建筑越來越多對電梯的運行速度和控制性能也提出了更高的要求。而在我國于八十年代初至九十年代初投入使用的電梯 ,其中絕大部分采用繼電器— 繼電器陣列結構該結構體積大、接線復雜、噪音大、觸點易磨損、故障率高、維護工作量大，已無法滿足現代社會的需要 。 自上世紀 80 年代以來，微機控制系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，現已深人到我國工農業(yè)生產的各個方方面面，隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展 ,使得以微機為核心的控制系統(tǒng)得到廣泛應用。尤其是單片機的開發(fā)與應用，其深度和廣度越來越大。微機應用于電梯控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的采用繼電接觸邏輯控制系統(tǒng)相比，具有很大優(yōu)越性，一方面，它使整個系統(tǒng)的體積減小，可靠性提高，使用壽命延長；另一方面，它還簡化了安裝調試和維護維修的工作量，使整個電梯的運行成本降低。更突出的優(yōu)點是微機具有靈活的算術和邏輯運算功能，具有很強的通信和可擴展功能，實現更 完善的自動控制。 常用的微機控制主要的有兩種技術：基于 PLC 控制和基于單片機控制兩大技術。可編程控制器，是微機技術與繼電器常規(guī)控制技術相結合的產物，是在順序控制器和微機控制器的基礎上發(fā)展起來的新型控制器，是一種以微處理器為核心用作數字控制基于單片機的電梯控制系統(tǒng) 第 2 頁（共 44 頁） 的專用計算機，它有良好的抗干擾性能，適應很多工業(yè)控制現場的惡劣環(huán)境，所以現在的電梯控制系統(tǒng)主要還是由可編程控制器控制。但是由于 PLC 的針對性較強，每一臺 PLC 都是根據一個設備而設計的，所以價格較昂貴。而單片機價格相當便宜，也不像 PLC 那么有針對性，可以隨著設備的更新而不斷修 改完善，更完美的實現設備的升級?；趩纹瑱C控制的電梯可以大大的降低成本而且運行也較可靠，采用單片機來實現老式電梯控制系統(tǒng)的改造無疑是最佳方案。由于單片機具有體積小、線路簡單、無噪音、可靠性高、維護方便 ,是一種少投入、高回報的方案。同時能方便實現多臺電梯的群控 ,并通過通訊接口與樓宇自動化系統(tǒng)聯(lián)接，實施對電梯的監(jiān)控。 國內外電梯系統(tǒng)技術的發(fā)展現狀 在現代社會和經濟活動中，電梯已經成為城市物質文明的一種標志。特別是在高層建筑中，電梯是不可缺少的垂直運輸工具。 電梯作為垂直運輸的升降設備，其特點是在高層建 筑物中所占的面積很小，同時通過電氣或其它的控制方式可以將乘客或貨物安全、合理、有效地送到不同的樓層?；谶@些優(yōu)點，在建筑業(yè)特別是高層建筑飛速發(fā)展的今天，電梯行業(yè)也隨之進入了新的發(fā)展時期。 電梯的存在，使得每幢大型高樓都可以成為一座垂直的城市。在紐約的前世界貿易中心大樓里，除每天有 5 萬人上班外，還有 8 萬人次的來訪和旅游，因此 250 臺電梯和 75 臺自動扶梯的設置和正常運行，才使得合理調運人員、充分發(fā)揮大樓的功能成為現實。中國第一高樓、坐落在上海浦東的金茂大廈，高度 ，主樓地上 88層，建筑面積 220210 ㎡，集金融、商業(yè)、辦公和旅游為一體，其中 60 臺電梯、 18臺扶梯的作用是顯而易見的。 20 世紀初，美國出現了曳引式電梯，其結構見圖 1。從圖中可見，鋼絲繩懸掛在曳引輪上，一端與轎廂連接，而另一端與對重連接，隨曳引輪的轉動，靠鋼絲繩與曳引輪槽之間的摩擦力，使轎廂與對重作一生一降的相反運動。顯然，鋼絲繩不用纏繞，因此鋼絲繩的長度和股數均不受控制，當然轎廂的載重量以及提升的高度就得到了提高，從而滿足了人們對電梯的使用需求。因此，近一百年來，曳引電梯一直受到重視，并發(fā)展沿用至今。 前言 第 3 頁（共 44 頁） 圖 1 曳引式電梯示意圖 1— 轎廂 2— 曳引輪 3— 對重 在后來的幾十年里，電梯的自動平層控制系統(tǒng)已經通過變換電動機級數的調速方法來調整電梯運行速度的技術相繼研制成功， 1933 年，世界上第一臺運行速度為 6 m/s 的電梯被安裝在美國紐約的帝國大廈。 第二次世界大戰(zhàn)后，建筑業(yè)的發(fā)展促使電梯進入了高峰發(fā)展時期，代表新技術的電子技術被廣泛應用于電梯領域的同時，陸續(xù)出現了群控電梯、超高速電梯。 隨著電力電子技術的發(fā)展，晶閘管變流裝置越來越多地用于電梯系統(tǒng)，使電梯的拖動系統(tǒng)簡化，性能 提高。同時交流調壓調速系統(tǒng)的研制和開發(fā)，使交流電梯的調速性能有了明顯的改善。進入 20 世紀 80 年代，通過控制電動機定子供電電壓與頻率調整電梯運行速度的調壓調頻技術研制成功，出現了交流變壓變頻（ VVVF）調速電梯，開拓了電梯拖動的新領域。 1993 年，日本生產了 調速電梯，結束了支流電梯獨占高速電梯領域的歷史。 電梯發(fā)展到今天，在使用需求和新技術應用方面都到了全面發(fā)展的時期。隨著智能化、信息化建筑的興起與完善，要求電梯不只是完成垂直運輸的基本功能，還應以人為本，提高舒適度，特別 從電梯運行的控制智能化角度考慮，電梯的優(yōu)質服務不再是單一的“時間最短”問題，而是采用模糊理論、神經網絡、專家系統(tǒng)等方法，以期實現單梯與群控管理的最佳模式、合理的配置與使用、遠程監(jiān)控與故障診斷、節(jié)能以及減少環(huán)境污染等。 1 2 3 基于單片機的電梯控制系統(tǒng) 第 4 頁（共 44 頁） 課題研究的內容 隨著科技的發(fā)展，微型計算機領域的不斷進步，將使得將來電梯的體積大大減小，功能不斷完善，過程的控制更平穩(wěn)、可靠、抗干擾性能增強、機械與電氣部件被機結合在一個設備內，把儀表、電子和計算機的功能綜合在一起。因此微型計算機控制技術將會成為電梯運行中的關鍵技術。 本次設計的主要 內容是以單片機為主控制器的電梯控制系統(tǒng)。本來電梯系統(tǒng)是一個相對復雜的系統(tǒng)，由于能力和經驗有限，所以只能實現基本的功能如：層站呼叫、自動停層、轎廂命令響應等。通過單片機輸出電壓通過驅動電路然后控制電梯拖動。在此，本文以五層電梯為研究對象，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 44 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 44 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(lián)。 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 44 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