基于51单片机的自动电梯控制模拟系统设计

研究现状

  在现代社会和经济活动中，电梯已经成为城市物质文明的一种标志。特别是在高层建筑中，电梯是不可缺少的垂直运输工具。   电梯的存在，使得每幢大型高楼都可以成为一座垂直的城市。在纽约的前世界贸易中心大楼里，除每天有5万人上班外，还有8万人次的来访和旅游，因此250台电梯和75台自动扶梯的设置和正常运行，才使得合理调运人员、充分发挥大楼的功能成为现实。中国第一高楼、坐落在上海浦东的金茂大厦，高度420.5m，主楼地上88层，建筑面积220000㎡，集金融、商业、办公和旅游为一体，其中60台电梯、18台扶梯的作用是显而易见的。   尽管电梯的品种繁多，但目前使用的电梯绝大多数为电力拖动、钢丝绳曳引式结构。从电梯各构件部分的功能上看，可分为八个部分：曳引系统、导向系统、轿厢、门系统、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统和安全保护系统。 20世纪初，美国出现了曳引式电梯，其结构见图1。从图中可见，钢丝绳悬挂在曳引轮上，一端与轿厢连接，而另一端与对重连接，随曳引轮的转动，靠钢丝绳与曳引轮槽之间的摩擦力，使轿厢与对重作一生一降的相反运动。近一百年来，曳引电梯一直受到重视，并发展沿用至今。  
  目前，我国国产电梯大部分为继电器、PLC控制方式以及单片机控制方式。   继电-接触系统：它的优点是线路直观，大部分电器均为常用电器，更换方便，价格较便宜。但是他触点繁多，线路复杂，电器的电磁机构及触点动作较慢，能耗高，机械动作噪音大，而且可靠性差。继电器控制系统性能不稳定、故障率高，大大降低了电梯的舒适性、可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘用人员的生活和工作带来了很多不便，因而传统的电梯控制系统的更新势在必行。   PLC（可编程控制器）在电梯控制中得到了广泛的应目前。PLC在设计和制造上采取了许多抗干扰措施，使用方便，扩展容易。它使用了梯形图和可编程指令，易于掌握。电梯控制器通常由PLC实现基本能力，但是如果要实现电梯智能化，则PLC稍嫌不足。   单片机以其卓越的性能，得到了广泛的应用，已深入到各个领域。单片机应用在检测、控制领域中，具有如下特点。   一、成本低。本电梯控制由于采用单片机代替了PLC作为主控芯片， 同时用PWM 驱动直流电机代替了变频调速驱动，从而导致整套系统成本很低。   二、高精度的重量检测及显示。基于PLC的电梯模型虽然有重量检测，但检测精度较低。本电梯模型采用高精度的重量传感器和测量电路， 配合设计优良的数字处理软件，从而能进行高精度的重量检测和显示。   三、 可靠性好，适应温度范围宽。单片机芯片本身是按工业测控环境要求设计的，能适应各种恶劣的环境，这是其它机种无法比拟的。   四、 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。单片机的逻辑控制功能很强，指令系统有各种控制功能用指令。   五、 可以很方便的实现多机和分布式控制。   六、 单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。    

总体方案设计

  该设计采用单片机AT89S52实现基本的简易电梯模型，由于其功能的实现主要通过软件编程来完成，那么就降低了硬件电路的复杂性，而且更能体现智能思维，AT89S52是低功耗、高性能的CMOS型8位单片机。片内带有8KB的Flash存储器，且允许在系统内改写或用编程器编程。另外，AT89S52的指令系统和引脚与8051完全兼容，片内有128B 的RAM、32条I/O口线、2个16位定时计数器、5个中断源、一个全双工串行口等，完全满足该课题的需要。   作为小型化的电梯模拟装置，其控制器的设计应遵循简单可靠以及成本低、维护方便等原则。控制器的处理器采用了8位单片机，外围扩展键盘采用矩阵键盘输入、位置检测采用反射式红外光电传感器，并配以LED显示当前运行信息。电梯模拟器的机械部分采用了丝杠传动加直流电机配以减速齿轮驱动，距离移动十分精确，无运行积累误差。 总体设计框图如下图2  
  电机控制采用调节方波的占空比大小来控制直流电机的转速，控制电梯移动高度。整个电机的运行过程大致如图所示：  
  用单片机自带555做成的多谐振荡器产生的方波信号来控制小功率的蜂鸣器工作，具体为555定时器的Vi1和Vi2接在一起可以接成施密特触发器。我们把施密特触发器的反相输出端经RC积分电路接回到它的输入端，就构成了多谐振荡器。  
 

硬件电路设计

  本次设计的基本思想是采用AT89S52单片机作为核心，利用其丰富的I/O接口与外围电路配合进行控制。采用7段数码管（LED）实时显示电梯所在楼层。采用行列式键盘矩阵作为外呼内选电路，由于是8层楼，故选用4×4矩阵键盘，键盘矩阵共16个按键，其中8个按键是各层楼外向下呼按键，另外8个表示各层楼外向上呼按键。5个表示电梯内部的选择键，另外设有紧急停止按键，启动按键和电梯演示按键。电梯状态是通过八个发光二极管显示的，具体含义如下表所示：   LED0 电梯空闲标志 LED1 电梯向上标志 LED2 电梯停止标志 LED3 电梯向下标志 LED4 电梯直达标志 LED5 电梯急停标志 LED6 断电待修标志 LED7 电梯开关标志 电梯模型效果图如图3所示：  
 
  体感模块接收处理电路   电梯到达某一楼层之后，可使用定时器模式，让电梯停留固定某一时间自动关闭；也可使用关门按键让电梯提前关闭运行或是使用开门按键让电梯延长开门时间等待用户进入；也可选择体感传感器模式，让其感应人体红外线，让电梯门保持开着。 下 图为人体感应物图。  
 

电梯逻辑控制

  电梯控制中，单片机扫描楼层外呼内选信号，将楼层呼叫信号与当前楼层运行状态进行比较，确定电梯响应上升、下降队列，然后电梯按照运行队列进行电机控制。而将呼叫信号转化为响应队列的程序模块是电梯控制的核心部分，其算法的严谨性，决定了电梯的控制性能。   逻辑框图如图14所示：  
 

电梯运行控制

  电梯响应上升下降队列时，要对相应的指示灯、上下行状态，以及响应队列做相应的改变，而实现这一功能模块的就是电梯运行函数。其逻辑框图如图15所示：  
 

硬件仿真

系统测试

方向优先测试

  电梯按某方向运行时，优先响应该运行方向的按钮； 测试初始时，轿箱位于一楼，按下二楼，三楼的上下按呼叫，和四楼的向下呼叫。按键顺序可随意。 测试结果：  
  结论： 系统在向上运行时候，优先相应各楼层的向上呼叫信号，不响应向下的呼叫信号，向下运行时相反，符合设计要求。  

距离优先测试

  同一方向有多个按钮呼叫时，优先响应最近的楼层。测试初始时，电梯位于任一层，如二楼。此时三楼和四楼分别向上呼叫。测试结果：先响应三楼呼叫，再响应四楼呼叫。 结论：电梯具有距离优先响应的功能，当多层同方向呼叫，首先响应距离当前楼层较近的呼叫，符合系统设计要求。 各按钮呼叫时指示灯显示正常，电梯响应该按钮的呼叫后，其指示灯应自动熄灭。  

综合测试

  测试条件：电梯位于1楼，进入三人，其中一人要到3楼，另两人到4楼。电梯运行后，3楼和4楼有人向上呼叫，3楼有人向下呼叫到1楼。 测试结果：  
  测试结论：系统具有方向优先、距离优先的功能，基本模拟了实际电梯运行，完成题目设计指标。  

总结展望

  经过认真的选择和设计，最终完成了一个可以实现大部分功能的电梯控制系统。电梯系统为模拟实用客运电梯系统的模拟实验装置。它能实现实际客运电梯系统的绝大部分功能，包括：外呼叫请求功能，电梯内选层功能，楼层实时显示，电梯自动开关门功能，智能初始化功能，语音提示功能，紧急停运功能，系统演示功能。   通过这次课程设计，受益匪浅，对单片机在实物中应用的能力得到很大的提高，首先是对整个电梯系统硬件的设计，在有限的IO口基础上实现了诸多功能，对IO口管脚复用有了更深入的了解，对于电机学的知识也有了进一步的巩固和加深。单片机构成一个控制系统后它的外围电路、扩展电路以及一些通讯都是至关重要的，只有完善单片机的外部电路才能保证单片机能正常有效的工作。其次完成了对单片机的软件设计，对矩阵键盘、数码管显示、电机控制、电梯逻辑控制有了更深入的了解，也对调试代码的方法积累了宝贵的经验。再次，而且在单片机综合设计过程中，不仅在学习上有了很大的提高，对于我的意志力也得到了很好的锻炼。   虽然本电梯控制系统已能满足基本的电梯运行要求，但仍有许多需要改进的地方：   （1）增加与微机通信的接口，实现联网控制。 （2）优化电梯选向功能，使之随客流量的变化而改变，达到高效运送乘客的目的。 （3）需输入密码才能乘电梯到达特殊档层功能，且响应改楼层呼叫时不响应其他楼层呼叫。 （4）完善电梯各个模块功能，如门控电机模块，重力检测模块，电机调速驱动等系统，使电梯模型安全性更高，运行更加稳定。  

参考文献

  [1]欧伟明，何静，凌云，刘剑等.单片机原理与应用 [M].电子工业出版社，2009 [2]慧净HC-1原理图 [3] 李建忠编著 《单片机原理及运用》 西安电子科技大学出版社 2001年 [4] 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉《8051单片机实践与应用》清华大学出版社，2002 [5] 童诗白 华成英主编，《模拟电子技术基础 第三版》，高等教育出版社，2011.5 [6] 阎石主编，《数字电子技术基础》，高等教育出版社，2007.11 [7] 谭浩强著，《C程序设计 第三版》，清华大学出版社，2006.6 [8] 李惠昇，《电梯控制技术》，北京：机械工业出版社，2003 [9]何斌．电梯群控系统设计与应用[ D ]．南京理工大学，2006 ．