基于單片機(jī)的電梯控制系統(tǒng)

1、1 課題概述1.1課題的主要研究?jī)?nèi)容及設(shè)計(jì)步驟本課題的主要任務(wù)是完成一個(gè)電梯系統(tǒng)的調(diào)度模塊，即根據(jù)每個(gè)樓層不同顧客的按鍵需求，讓電梯做出合理的判斷，正確高效地知道電梯完成各項(xiàng)載客任務(wù)。根據(jù)此任務(wù)，本課題需要研究的內(nèi)容有：1、根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，進(jìn)行系統(tǒng)硬件的總體方案設(shè)計(jì)；2、學(xué)習(xí)單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)，并且加以運(yùn)用；3、選擇恰當(dāng)?shù)男酒?，并?duì)其內(nèi)部協(xié)議有所掌握，便于應(yīng)用。4、研究C語言編程，并且規(guī)定電梯的工作規(guī)則，用C語言加以實(shí)現(xiàn)；5、對(duì)軟件和硬件進(jìn)行調(diào)試，讓其協(xié)調(diào)工作，完成指定任務(wù)。結(jié)合以上內(nèi)容，本課題的設(shè)計(jì)方案步驟如下：關(guān)于硬件部分：首先，對(duì)實(shí)際的電梯系統(tǒng)進(jìn)行模擬，一般情況下，一個(gè)電梯應(yīng)該具備相關(guān)

2、按鍵、顯示二極管、數(shù)碼管等，由于這是一個(gè)調(diào)度模塊，故沒有設(shè)計(jì)具體的轎廂等機(jī)械部分。然后，結(jié)合這些實(shí)物，選擇恰當(dāng)?shù)男酒⒎殖扇舾赡K，安排好各自之間的關(guān)系。接著，要完成電路圖的設(shè)計(jì)，畫出PCB板，焊接相關(guān)器件后進(jìn)行硬件調(diào)試，看是否好用并加以適當(dāng)?shù)母?。關(guān)于軟件部分：關(guān)于電梯調(diào)度時(shí)所遵循的原則作出規(guī)定，其必須基于高效與人性化兩個(gè)原則。最后是使用C語言將規(guī)定程序化，以便電梯真正的運(yùn)作。當(dāng)然，二者的關(guān)系并不是分離的，它們是相輔相成，硬件依據(jù)軟件來驗(yàn)證，軟件依據(jù)硬件來調(diào)試。經(jīng)過一個(gè)個(gè)的發(fā)現(xiàn)問題、一個(gè)個(gè)的解決問題，最終做出完美的電梯調(diào)度模塊。1.2課題的開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介 1.2.1電路圖制作軟件proteu

3、s 7.2Proteus是目前最好的模擬單片機(jī)外圍器件的工具，因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。對(duì)于這樣的仿真實(shí)驗(yàn)，從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。1.2.2C51的程序開發(fā)軟件KeilKeil C51 軟件是眾多單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)的優(yōu)秀軟件之一，它集編輯，編譯，仿真于一體，支持匯編,PLM 語言和 C 語言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用。2 方案論證2.1 設(shè)計(jì)功能要求本設(shè)計(jì)是為一六層電梯設(shè)計(jì)一調(diào)度系統(tǒng)，即使電梯能夠合理高效地運(yùn)行，完成各樓層顧客的接送任務(wù)。形象地說，就

4、是要應(yīng)對(duì)不同樓層顧客的不同需求，作出合理高效的判斷，使所有顧客在整體運(yùn)用時(shí)間最短的條件下將其運(yùn)往各自的目的地。這個(gè)設(shè)計(jì)的成品應(yīng)該可以作為真實(shí)電梯的控制系統(tǒng)一樣，遵守以下兩個(gè)原則：一是高效性，二是人性化。而實(shí)際電梯所面臨的情況無比復(fù)雜，故本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)除了硬件上面外，還有對(duì)這些復(fù)雜的情況歸類化，分為若干個(gè)基本情況，另外是用恰當(dāng)?shù)腃語言描述來表達(dá)這些復(fù)雜的邏輯。核心處兩個(gè)步驟：第一判斷電梯是上行還是下行；第二，判斷是去接人還是去送人。2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖2-1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如上圖2-1所示，樓層電梯呼叫按鍵就是樓層外面的上行、下行按鍵，有需求時(shí)即可按下；電梯內(nèi)呼叫按鍵就是電梯內(nèi)部的數(shù)字按鍵，它

5、是內(nèi)部按鍵需求的輸入；單片機(jī)就是整個(gè)系統(tǒng)的核心，接收輸入信息，經(jīng)過處理后輸出信息；樓層顯示數(shù)碼管就是接收單片機(jī)處理的信息，顯示此時(shí)的樓層數(shù)；電梯狀態(tài)指示燈就是接收單片機(jī)處理的信息，顯示電梯的狀態(tài)：上升、下降、停止。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制就是接收單片機(jī)的PWM脈沖信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使電動(dòng)機(jī)牽引電梯做上下運(yùn)動(dòng)。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 電梯最底層為1樓，因此在1樓僅有上升按鍵，而電梯最高層為6樓，因此6樓應(yīng)僅有下降按鍵。其他樓層則既有上升按鍵，也有下降按鍵。在電梯內(nèi)部按鍵設(shè)置方面，則應(yīng)有16樓的各層選擇按鍵。按鍵的一端接地，另一端通過集成電路芯片連至單片機(jī)引腳。這里，由于按鍵數(shù)量很多

6、，又要求電梯控制系統(tǒng)能以最快速度響應(yīng)按鍵的需求，因此，所有按鍵通過與門連接單片機(jī)。用五片雙4輸入與門74LS21即可實(shí)現(xiàn)16個(gè)按鍵對(duì)象的集體與運(yùn)算的最終結(jié)果，按鍵動(dòng)作最終是送到單片機(jī)的端。即：（P1.0*P1.1*P1.2*P1.3）*（P1.4*P1.5*P1.6*P1.7）*（P3.0*P3.1*P2.0*P3.3）*（P3.4*P3.5*P2.1*P2.2）無論哪一個(gè)按鍵有動(dòng)作，低電平信號(hào)就會(huì)送到端，從而引發(fā)外部中斷0服務(wù)子程序運(yùn)行。當(dāng)定時(shí)器0中斷時(shí)，單片機(jī)向電動(dòng)機(jī)發(fā)送PWM脈沖信號(hào)，電動(dòng)機(jī)接到脈沖信號(hào)后，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)便牽引電梯上下運(yùn)動(dòng)。電梯的樓層顯示用七段數(shù)碼管完成顯示。本

7、設(shè)計(jì)電梯只有6層，因此用七段數(shù)碼管即可，數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的P0口來進(jìn)行傳送。設(shè)計(jì)中要求數(shù)碼管隨著電梯的位置變化而變化，即數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)要與樓層數(shù)同步，因此數(shù)碼管的片選線直接連接地，而不需要再選擇。電梯升降的狀態(tài)用上升和下降指示燈來進(jìn)行顯示，通過單片機(jī)的P3.7和P3.6引腳分別連接上升和下降指示燈的負(fù)極，其正極均連接至系統(tǒng)正電源處。3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊在本設(shè)計(jì)中，最小系統(tǒng)應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。如圖3-1所示，晶振電路由C3與C2和晶振組成。C3與C2是兩個(gè)30pF的瓷片電容接地用來削減偕波對(duì)電路的穩(wěn)定性的影響。復(fù)位電路采取的為手動(dòng)按鍵復(fù)位電路，由電容C13，電阻R

8、1、C1和開關(guān)RESET組成，當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳RESET出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。圖3-1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)3.2電動(dòng)機(jī)的選擇我們選用三相異步電動(dòng)機(jī)來做電梯的動(dòng)力裝置，因?yàn)閲a(chǎn)Y系列的電動(dòng)機(jī)具有高效、節(jié)能、特性好及低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，我們將選用國內(nèi)最先進(jìn)的Y系列異步電動(dòng)機(jī)。這里我們選用Y100L24三相異步電動(dòng)機(jī)，因?yàn)樗€具有性能好、壽命長(zhǎng)、可靠性高、維護(hù)方便、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)，其功能參數(shù)為額定電壓380V，額定頻率50HZ，額定功率3000W，額定轉(zhuǎn)速1400轉(zhuǎn)/分。如圖3-2，在PROTEUS中，我們選用的普通的MOTOR-BCD代替進(jìn)行仿真。圖3-2電動(dòng)機(jī)正反控制

9、電路3.3中斷電路圖3-3 中斷電路圖中斷電路如上圖3-3所示。圖中外部0中斷與74LS21與門相接，低電平有效，所以當(dāng)單片機(jī)接電源后，P1.0P1.3引腳此時(shí)為高電平，當(dāng)任一按鍵按下后，相應(yīng)的中斷輸入口直接與地相接，高電平變?yōu)榈碗娖?，外?中斷立即響應(yīng)，單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)入中斷控制子程序系統(tǒng)，在中斷服務(wù)子程序中做出相應(yīng)的執(zhí)行指令。3.4 數(shù)碼管顯示模塊 圖3-4 數(shù)碼管顯示電路七段數(shù)碼管外形如圖3-4所示，即左邊的7個(gè)引腳跟單片機(jī)P0口相接，下邊的引腳連接地。樓層內(nèi)外分別用一個(gè)7段數(shù)碼管顯示，可以共用一個(gè)P0口。3.5 按鈕控制電路模塊圖3-5電梯不同樓層的按鈕如圖3-5所示，按鍵顯示電路模塊包括

10、電梯內(nèi)部的按鈕和每層樓的上下按鈕，這些按鈕一端與地相接，一端又與單片機(jī)和與門74LS21相接，外部0中斷低電平有效，這樣可以實(shí)現(xiàn)模擬按鍵的自如操作。3.6 報(bào)警電路如圖3-6所示，電梯內(nèi)添加手動(dòng)報(bào)警電路，假若電梯發(fā)生故障，電梯內(nèi)的人可自行發(fā)出報(bào)警信號(hào)，向外界求救。該電路接在單片機(jī)的P2.7口。圖3-6電梯不同樓層的按鈕3.7 模擬電路圖如下圖3-7所示，電路原理圖包括狀態(tài)指示燈模塊、內(nèi)外按鍵模塊、中斷電路模塊、單片機(jī)的主要外圍模塊、數(shù)碼管顯示模塊和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊、報(bào)警模塊。P0口的P0.1P0.6引腳與數(shù)碼管模塊相接，P2口的P2.4P2.7引腳與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊相接，P3口的P3.2引

11、腳與中段電路模塊相接，P1口的P1.0P1.7引腳、P3.0P3.1引腳、P3.3P3.5引腳分別與對(duì)應(yīng)的內(nèi)外按鍵模塊相接，P3.6P3.7引腳與狀態(tài)指示燈模塊相接。圖3-7 模擬電路原理圖4系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)從程序功能上來分，本設(shè)計(jì)的高層軟件程序大概可以分為以下幾類：一、運(yùn)行與決策函數(shù)；二、中斷處理函數(shù)；三、置位各狀態(tài)變量函數(shù)；其中，第一類函數(shù)起作用于按鍵按下的時(shí)刻，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，通過74LS21以中斷的方式發(fā)送給單片機(jī)，此時(shí)，單片機(jī)即對(duì)程序中所用到的各個(gè)狀態(tài)變量進(jìn)行置位并且點(diǎn)亮相關(guān)發(fā)光二極管，如置位按鍵所對(duì)應(yīng)的去向變量等，方便決策函數(shù)使用。第二類函數(shù)起作用于電梯到達(dá)目標(biāo)樓層時(shí)，這時(shí)函數(shù)負(fù)責(zé)把

12、相關(guān)發(fā)光二極管熄滅，并且及時(shí)清除相關(guān)狀態(tài)位，以免影響判別函數(shù)作出正確判斷。第三類函數(shù)是程序的核心。它直接負(fù)責(zé)管理電梯下一次所要到達(dá)的樓層，并且要基于短時(shí)間、高效率、人性化等原則。每當(dāng)電梯經(jīng)過一樓層時(shí)，此函數(shù)即會(huì)被調(diào)用，然后返回一個(gè)變量名為aim的值，它即為下一個(gè)電梯要停留的目標(biāo)樓層值。4.1單片機(jī)中斷處理函數(shù)本設(shè)計(jì)主要用到了單片機(jī)的中斷系統(tǒng)。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，利用函數(shù)將鍵值存儲(chǔ)起來，并在單片機(jī)引腳輸出高電平發(fā)出中斷進(jìn)行相關(guān)處理。中斷的相關(guān)設(shè)置以及中斷處理如圖4.1所示。圖4.1 中斷處理中的相關(guān)操作4.2電梯判決函數(shù)在電梯經(jīng)過一個(gè)樓層時(shí)，就會(huì)自動(dòng)調(diào)用該函數(shù)。其流程如圖4.2所示。 圖4-2 電梯

13、判決流程圖由圖可知，程序中將實(shí)際情況分為四種情況來判斷：電梯上行且是去送人、電梯上行且是去接人、電梯下行且是去送人、電梯下行且是去接人。電梯各情況下所對(duì)應(yīng)的處理方法，以電梯上行的兩種狀態(tài)為例：在實(shí)際應(yīng)用中，最簡(jiǎn)單的情況莫過于電梯當(dāng)前為閑置狀態(tài)，然后有一人按下按鍵呼叫，然后電梯便響應(yīng)呼叫。但是，實(shí)際情況往往比這復(fù)雜的多，往往會(huì)有多人呼叫電梯。那么就必須得為電梯規(guī)定好一個(gè)特定的優(yōu)先級(jí)規(guī)則，以免亂作一團(tuán)。若電梯處于上行狀態(tài)，則在該過程中響應(yīng)不同顧客的優(yōu)先級(jí)為：高層呼叫上行顧客>高層呼叫下行顧客>底層呼叫下行顧客>底層呼叫上行顧客。若上行，且是送人，比如電梯當(dāng)前在二層，六樓有人呼叫上

14、樓，那么它就要響應(yīng)這一呼叫，從而把自己的目標(biāo)樓層鎖定為六樓并向上運(yùn)行，而在六樓呼叫后不久，五樓也有人呼叫上樓（且電梯此刻還未運(yùn)行到五樓），那么在電梯運(yùn)行中，每經(jīng)過一個(gè)樓層，會(huì)做一次判決，因?yàn)槲鍢且灿腥撕艚?，所以正常情況下，它應(yīng)該在判決后將目標(biāo)樓層定位五樓。而若五樓的顧客按下的是下行鍵，或者二樓的人按下呼叫鍵，電梯此時(shí)都會(huì)暫時(shí)不予理會(huì)。在程序中，當(dāng)五樓有上行鍵呼叫時(shí)，狀態(tài)變量f5up便會(huì)被置位，程序走到判別if(f5up=0)|(present>5)時(shí)，里面的內(nèi)容即為假，則不再繼續(xù)向下判斷，而轉(zhuǎn)向else語句中，里面又有一個(gè)判斷，當(dāng)確定此時(shí)確實(shí)有鍵按下且電梯當(dāng)前所處樓層小于五樓時(shí)，目標(biāo)樓層

15、就會(huì)被變更到五樓，程序最終返回一個(gè)aim值。由于程序中沒有下行鍵的出現(xiàn)，故下行鍵的狀態(tài)是不會(huì)影響到該程序的判決的。此時(shí)程序的檢測(cè)依據(jù)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：第一，由低層像高層開始檢查；第二，對(duì)于電梯已經(jīng)過的樓層和按下下行鍵所發(fā)出的請(qǐng)求，電梯暫時(shí)是不予理會(huì)的。這也是很明顯的，因?yàn)樯闲兴腿藸顟B(tài)中，低層的優(yōu)先權(quán)大于高層的。程序就是靠著上面這些if語句的嵌套，來完成這種優(yōu)先級(jí)設(shè)置的。至于上行接人狀態(tài)時(shí)，所堅(jiān)持的標(biāo)準(zhǔn)是由高層到底層的順序進(jìn)行排查，而對(duì)于上行鍵的呼叫暫時(shí)不予理會(huì)。下行的狀態(tài)，恰好與上行相反，在此不再贅述。4.3電梯運(yùn)行函數(shù)該函數(shù)直接控制電梯的上行與下行、運(yùn)行與停止。起關(guān)鍵作用的還是判決函數(shù)給它提供的目標(biāo)

16、樓層值。其具體的流程如圖4.3所示。它的功能就是判斷目標(biāo)樓層與當(dāng)前樓層間的關(guān)系：若前者大于后者，則上行；若前者小于后者，則下行；若相等，則停止片刻把門打開。當(dāng)然，之后它還要做一次判斷，因?yàn)榭赡苓€有其他的樓層需要呼叫，此時(shí)程序會(huì)自動(dòng)裝入合適的目標(biāo)樓層值，指揮電梯繼續(xù)運(yùn)行下去，直到所有的呼叫都完成為止。圖4.3 運(yùn)行函數(shù)流程圖4.5 主函數(shù)之所以把主函數(shù)放于最后才說，是因?yàn)樗顬楹?jiǎn)單，它之上把上面所有的函數(shù)按照恰當(dāng)?shù)捻樞蚺帕衅饋?，便于相互調(diào)用而已。首先，各按鍵按下的信息是通過中斷來告知單片機(jī)的，故我們要對(duì)單片機(jī)中斷有相應(yīng)的程序語句加以說明，如開總中斷，開外部中斷0以及其觸發(fā)方式等等。最后就是一個(gè)大

17、的死循環(huán)了，當(dāng)電梯運(yùn)行到這里的時(shí)候，就一直執(zhí)行判決函數(shù)，檢測(cè)有目標(biāo)樓層有無改變，如果有，就開始調(diào)用運(yùn)行函數(shù)，而運(yùn)行函數(shù)沒當(dāng)經(jīng)過一個(gè)樓層又會(huì)再次調(diào)用判決函數(shù)等等。而當(dāng)有中斷發(fā)生時(shí)，單片機(jī)又可以轉(zhuǎn)而處理相應(yīng)的中斷。就這樣，各子函數(shù)間通過主函數(shù)形成了一個(gè)統(tǒng)一的整體，使得整個(gè)系統(tǒng)得以完美運(yùn)行。5 電路仿真及調(diào)試在畫好電路圖和將程序?qū)雴纹瑱C(jī)中后，進(jìn)行仿真，部分結(jié)果如下圖5-1 電梯默認(rèn)停在一樓解析：如上圖5-1所示，電梯沒有其他響應(yīng)時(shí)，默認(rèn)停在一樓，數(shù)碼管顯示1樓。此時(shí)各內(nèi)外按鍵接地的一側(cè)全部為低電平，接單片和74LS21與門一側(cè)全部為高電平，電動(dòng)機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)。圖5-2 高處5樓呼叫電梯，上行指示燈

18、亮解析：如上圖5-2所示，電梯在1樓，電梯內(nèi)有上升到5樓的指令，電梯上行，經(jīng)過四樓且上行指示燈亮，而到一到五樓，五樓按鍵和指示燈另一側(cè)馬上轉(zhuǎn)為高電平，指示燈熄滅，因此截上升到四樓的圖。圖5-3 電梯下行要去2樓，經(jīng)過三樓，此時(shí)外部按下6樓下的指令解析：如上圖5-3所示，電梯在接到下行指令要去2樓，經(jīng)過三樓時(shí)，此時(shí)6樓外有人呼叫電梯，由于電梯內(nèi)依然有人，電梯依舊處于下行中，此時(shí)電梯內(nèi)2樓和電梯外6樓指示燈都亮，且電梯下行指示燈也亮，先不理會(huì)6樓的向下指令，到達(dá)2樓后，直接前往6樓，到達(dá)六樓時(shí)，六樓指示燈也會(huì)立即熄滅。在這個(gè)過程中電動(dòng)機(jī)先反轉(zhuǎn)到2樓，然后正轉(zhuǎn)到6樓?？?結(jié)本文對(duì)電梯控制系統(tǒng)這一課程設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的報(bào)告與總結(jié)，其中包括硬件部分與軟件部分兩大模塊，而且對(duì)其中各個(gè)重要的子模塊加以了重點(diǎn)詳細(xì)地說明。經(jīng)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的電梯完全符合當(dāng)初的預(yù)想，該電梯的調(diào)度完全符合高效、省時(shí)、人性化的特點(diǎn)。運(yùn)行結(jié)果完美無誤，可以作為真實(shí)電梯的調(diào)度系統(tǒng)使用。本畢設(shè)的主導(dǎo)思想是：當(dāng)有顧客按下按鍵呼叫電梯時(shí)，運(yùn)用單片機(jī)的中斷，將該信息傳遞給單片機(jī)，從而單片機(jī)置位相關(guān)的狀態(tài)參量，為電梯判決函數(shù)的判斷提供依據(jù)，然后單片機(jī)再實(shí)時(shí)地點(diǎn)亮或者熄滅相關(guān)發(fā)光二極管。其中，單片機(jī)中斷系統(tǒng)是基礎(chǔ)，電梯運(yùn)行函數(shù)為主導(dǎo)，電梯目標(biāo)樓層判決函數(shù)為關(guān)鍵與核心?？偟膩碚f，由于精心設(shè)計(jì)與調(diào)試，課設(shè)的成品還是很成功的，而且本程