【文章內(nèi)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(jī)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(nèi)經(jīng)濟(jì)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(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備 ,更是一種人們頻繁乘用的交通運(yùn)輸設(shè)備 。 2021 年奧運(yùn)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(chǎn)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(nèi)外電梯企業(yè)順應(yīng)市場需要，加大研發(fā)投入，都準(zhǔn)備在未來新概念電梯產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占得 先機(jī)。 課題的提出及研究意義 電梯是集機(jī)械原理應(yīng)用、電氣控制技術(shù)、微處理技術(shù)、系統(tǒng)工程學(xué)等多科學(xué)和技術(shù)分支于一體的機(jī)電設(shè)備，它是建筑中永久垂直交通工具。電梯作為生產(chǎn)生活的典型運(yùn)載工具使用已十分普及，其控制信號類型多，關(guān)系復(fù)雜，要求的控制性能特別高。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展高層建筑越來越多對電梯的運(yùn)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(jié)構(gòu)該結(jié)構(gòu)體積大、接線復(fù)雜、噪音大、觸點(diǎn)易磨損、故障率高、維護(hù)工作量大，已無法滿足現(xiàn)代社會的需要 。 自上世紀(jì) 80 年代以來，微機(jī)控制系統(tǒng)得到了極大的發(fā)展，現(xiàn)已深人到我國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個方方面面，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展 ,使得以微機(jī)為核心的控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。尤其是單片機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用，其深度和廣度越來越大。微機(jī)應(yīng)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(diào)試和維護(hù)維修的工作量，使整個電梯的運(yùn)行成本降低。更突出的優(yōu)點(diǎn)是微機(jī)具有靈活的算術(shù)和邏輯運(yùn)算功能，具有很強(qiáng)的通信和可擴(kuò)展功能，實現(xiàn)更 完善的自動控制。 常用的微機(jī)控制主要的有兩種技術(shù)：基于 PLC 控制和基于單片機(jī)控制兩大技術(shù)?？删幊炭刂破?，是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)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(shù)字控制基于單片機(jī)的電梯控制系統(tǒng) 第 2 頁（共 44 頁） 的專用計算機(jī)，它有良好的抗干擾性能，適應(yīng)很多工業(yè)控制現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，所以現(xiàn)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(qiáng)，每一臺 PLC 都是根據(jù)一個設(shè)備而設(shè)計的，所以價格較昂貴。而單片機(jī)價格相當(dāng)便宜，也不像 PLC 那么有針對性，可以隨著設(shè)備的更新而不斷修 改完善，更完美的實現(xiàn)設(shè)備的升級。基于單片機(jī)控制的電梯可以大大的降低成本而且運(yùn)行也較可靠，采用單片機(jī)來實現(xiàn)老式電梯控制系統(tǒng)的改造無疑是最佳方案。由于單片機(jī)具有體積小、線路簡單、無噪音、可靠性高、維護(hù)方便 ,是一種少投入、高回報的方案。同時能方便實現(xiàn)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(nèi)外電梯系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 在現(xiàn)代社會和經(jīng)濟(jì)活動中，電梯已經(jīng)成為城市物質(zhì)文明的一種標(biāo)志。特別是在高層建筑中，電梯是不可缺少的垂直運(yùn)輸工具。 電梯作為垂直運(yùn)輸?shù)纳翟O(shè)備，其特點(diǎn)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(diǎn)，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(jìn)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(mào)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(shè)置和正常運(yùn)行，才使得合理調(diào)運(yùn)人員、充分發(fā)揮大樓的功能成為現(xiàn)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(jì)初，美國出現(xiàn)了曳引式電梯，其結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(yùn)動。顯然，鋼絲繩不用纏繞，因此鋼絲繩的長度和股數(shù)均不受控制，當(dāng)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(jīng)通過變換電動機(jī)級數(shù)的調(diào)速方法來調(diào)整電梯運(yùn)行速度的技術(shù)相繼研制成功， 1933 年，世界上第一臺運(yùn)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(jìn)入了高峰發(fā)展時期，代表新技術(shù)的電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電梯領(lǐng)域的同時，陸續(xù)出現(xiàn)了群控電梯、超高速電梯。 隨著電力電子技術(shù)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(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的研制和開發(fā)，使交流電梯的調(diào)速性能有了明顯的改善。進(jìn)入 20 世紀(jì) 80 年代，通過控制電動機(jī)定子供電電壓與頻率調(diào)整電梯運(yùn)行速度的調(diào)壓調(diào)頻技術(shù)研制成功，出現(xiàn)了交流變壓變頻（ VVVF）調(diào)速電梯，開拓了電梯拖動的新領(lǐng)域。 1993 年，日本生產(chǎn)了 調(diào)速電梯，結(jié)束了支流電梯獨(dú)占高速電梯領(lǐng)域的歷史。 電梯發(fā)展到今天，在使用需求和新技術(shù)應(yīng)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(yùn)輸?shù)幕竟δ?，還應(yīng)以人為本，提高舒適度，特別 從電梯運(yùn)行的控制智能化角度考慮，電梯的優(yōu)質(zhì)服務(wù)不再是單一的“時間最短”問題，而是采用模糊理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)等方法，以期實現(xiàn)單梯與群控管理的最佳模式、合理的配置與使用、遠(yuǎn)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(jī)的電梯控制系統(tǒng) 第 4 頁（共 44 頁） 課題研究的內(nèi)容 隨著科技的發(fā)展，微型計算機(jī)領(lǐng)域的不斷進(jìn)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(qiáng)、機(jī)械與電氣部件被機(jī)結(jié)合在一個設(shè)備內(nèi)，把儀表、電子和計算機(jī)的功能綜合在一起。因此微型計算機(jī)控制技術(shù)將會成為電梯運(yùn)行中的關(guān)鍵技術(shù)。 本次設(shè)計的主要 內(nèi)容是以單片機(jī)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(fù)雜的系統(tǒng)，由于能力和經(jīng)驗有限，所以只能實現(xiàn)基本的功能如：層站呼叫、自動停層、轎廂命令響應(yīng)等。通過單片機(jī)輸出電壓通過驅(qū)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(jī) (該機(jī)芯片選為 AT89S52)作為其控制器，研究微機(jī)控制梯系統(tǒng)的設(shè)計方法。根據(jù)問題的提出、意義和文獻(xiàn)綜述，本課題研究的具體內(nèi)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(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)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(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)簡單明了，各個系統(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)就可以實現(xiàn)該電梯的功能。不過單片機(jī)之間的通訊較多，在目前通訊是個難點(diǎn)，可能導(dǎo) 致電梯運(yùn)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(yùn)作進(jìn)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(qiáng)的專業(yè)水平，實現(xiàn)起來比較困難且器件較貴，不符合經(jīng)濟(jì)要求，而且升降電機(jī)的控制，運(yùn)行時間的測量、顯示等還需要單片機(jī)的配合。 方案三：一片單片機(jī)為主控制器的方案。 MCU 采用一個單片機(jī)控制所有的按鍵、數(shù)碼管顯示、電動機(jī)的轉(zhuǎn)動、傳感器的輸出信號等，并對以上所有信號進(jìn)行處理。這種方案的控制系統(tǒng)相對復(fù)雜，只適用于較簡單的電梯控制系統(tǒng)，因為這次的設(shè)計的內(nèi)容是 5 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)計簡單，成本低，可靠性高，結(jié)合軟件完全可以實現(xiàn)電梯運(yùn)行狀況的簡單模擬。 權(quán)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(guān)檢測電梯層數(shù)。在轎廂安裝金屬片，并在豎井各個樓層設(shè)置金屬接近開關(guān)，當(dāng)轎廂運(yùn)動到特定位置，豎井上的金屬接近開關(guān)探測到金屬片，其輸出發(fā)生變化。單片機(jī)通過金屬接近開關(guān)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(guān)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(shù) 。在豎井各個樓層設(shè)置紅外發(fā)射對管。當(dāng)接通電源時，紅外線發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)轎廂運(yùn)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(jī)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(yīng)時間為 ，且體積小、功耗低、容易安裝。 基于單片機(jī)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(diǎn)陣式液晶顯示器（ LCD）顯示各種相關(guān)數(shù)據(jù)以及信息。點(diǎn)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(shù)碼管（ LED）顯示電梯實時所到的樓層。雖功耗大，但其軟 件驅(qū)動簡單，硬件電路調(diào)試方便，價格便宜，亮度大，能滿足本設(shè)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(zhì)好，使用方便等優(yōu)點(diǎn)。它的最大特點(diǎn)在于片內(nèi)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(dá) 1024 位；最多能分 600 段；設(shè)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(dāng)轎箱到達(dá)所需的樓層時，蜂鳴器響，提示乘客到達(dá)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(qū)動、硬件電路調(diào)試非常簡潔方便，而且價格便宜，能滿足本設(shè)計的要求。 以上兩種方案中，選擇方案二。 電動機(jī)模塊 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)作為本設(shè)計的執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)在定位性能方面十分優(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)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移。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)可以同時完成兩個工作，其一是傳遞轉(zhuǎn)矩，其二是傳遞信息，升降精度很高。 方案二：采用直流電機(jī)作為本 設(shè)計的執(zhí)行元件，直流電機(jī)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(zhuǎn)動下去。直流電機(jī)在高起動轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)矩、低慣量的系統(tǒng)中經(jīng)常使用到。 此題目中電機(jī)要帶動的負(fù)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(jī)驅(qū)動模塊 我們使用的是直流電機(jī)，比較以下兩種方案實現(xiàn)對直流電機(jī)的驅(qū)動。 方案一： 小功率驅(qū)動電路可以采用如圖 2 所示的 H 橋開關(guān)電路。 UA 和 UB 是互補(bǔ)的雙極性或單極性驅(qū)動信號， TTL 電平。開關(guān)晶體管的耐 壓應(yīng)大于 倍 Us 以上。當(dāng)四個功率開關(guān)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(guān)電路利用兩個晶體管實現(xiàn)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(jī)驅(qū)動中使用。 圖 2 H 橋開關(guān)電路 (Ⅰ ) 圖 3 H 橋開關(guān)電路 (Ⅱ ) 方案二：采用集成電機(jī)驅(qū)動控制芯片 L298，該芯片內(nèi)部包含有兩個集成 H 橋，能同時驅(qū)動兩路 5