基于ARM的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

1、嵌入式系統(tǒng)結(jié)業(yè)（論文）基于ARM的嵌入式電梯控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：趙 健所在學(xué)院：信息技術(shù)學(xué)院班 級：電氣10（6）學(xué) 號：20104073644中國·大慶2013 年 12 月摘要：伴隨建筑業(yè)的發(fā)展,電梯已不僅是一種生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的重要設(shè)備，更是一種工作和生活中的必需設(shè)備，完全可以預(yù)想到，隨著社會(huì)的發(fā)展，電梯產(chǎn)品在人們物質(zhì)文化生活中的地位將和汽車一樣，成為重要的運(yùn)輸設(shè)備之一。電梯控制系統(tǒng)是電梯技術(shù)的核心，它將電梯的各機(jī)械部件有機(jī)的組合起來，實(shí)現(xiàn)了電梯復(fù)雜的功能與穩(wěn)定有效的運(yùn)行。隨著電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，電梯控制系統(tǒng)經(jīng)歷了繼電器控制、可編程邏輯控制(PLC) ,智能微機(jī)控制的發(fā)展歷程。本文

2、的電梯控制系統(tǒng)是基于ARM技術(shù)的四層電梯控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用有齒輪拽引小電機(jī)，由于只為初級電梯模型研究，對電梯運(yùn)行速度的掌控精度要求不高，故采用繼電器控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，無速度控制實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞:電梯控制系統(tǒng)、ARM。1 引言EasyARM2103開發(fā)板采用了NXP公司基于ARM7TDMI-S 核、LQFP48封裝的 LPC2103 芯片，具有 JTAG 仿真調(diào)試功能。開發(fā)板上提供了按鍵、發(fā)光二極管等常用的功能器件，具有 RS-232 接口電路和 I2C 存 儲(chǔ)器電路。用戶可以更換兼容的 CPU 進(jìn)行仿真調(diào)試，如 LPC2101 和 LPC2102 等。開發(fā)板 上所有的 I/O 口全部引出，靈

3、活的跳線組合，極大的方便用戶進(jìn)行32 位 ARM 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)驗(yàn)。 LPC2103 是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真的 16/32 位 ARM7 TDMI-S CPU 的微控制器，并帶有32kB 的嵌入高速 Flash 存儲(chǔ)器，128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能 夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。較小的封裝和極低的功耗使 LPC2103 適用于訪問控制器和 POS 機(jī)等小型應(yīng)用系統(tǒng)中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（2 個(gè) UART 、SPI、SSP 和 2 個(gè) I2C ）和8KB 的片內(nèi) SRAM，LPC2103 也適合用在通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器中。32/16 位定時(shí)器、增強(qiáng)型 1

4、0 位 ADC 、定時(shí)器輸出匹配PWM 特性、多達(dá) 13個(gè)邊沿、電平觸發(fā)的外部中斷、32 條高速GPIO，使得LPC2103微控制器特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)中。 EasyARM2103開發(fā)板采用“底板+PACK板”的形式構(gòu)成。EasyARM2103 底板：不包括核心控制芯片，具有基于LPC2103 芯片的擴(kuò)展電路和外圍器件的電路板。EasyARM2103 底板由電源模塊，顯示模塊、按鍵電路、時(shí)鐘模塊、串口和JATG等六部分電路構(gòu)成。2 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)本課程實(shí)踐采用EasyARM2103控制整個(gè)模型的運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電梯模型的基本智能控制。其中有梯內(nèi)請求、梯外呼叫、電梯位置控制、顯示模塊、拽引

5、電機(jī)模塊等幾部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原理框圖，如圖1.1所示：1圖1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖電梯控制系統(tǒng)的核心部件是ARM板，它是整個(gè)系統(tǒng)的主控制器。主控制器采集到轎廂控制器和樓層控制器發(fā)出的外呼、內(nèi)選等呼梯請求后，按照程序指定的電梯控制策略，對信號進(jìn)行處理，向門機(jī)發(fā)出相關(guān)控制指令，將電梯派往相應(yīng)樓層，實(shí)現(xiàn)電梯轎廂的垂直運(yùn)動(dòng)控制。同時(shí)主控制器還要根據(jù)井道位置開關(guān)判斷當(dāng)前電梯的位置。拽引電機(jī)控制模塊，電梯中向控制系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)提供載荷、換向、障礙、位置、速度等各種信號，把信號反饋給控制系統(tǒng)且使電梯平衡運(yùn)行都離不開傳感器。在目前的智能電 梯控制系統(tǒng)中，采用靜磁柵位移傳感器作為電梯平層控制的調(diào)整裝置。充分發(fā)

6、掘嵌入式微處理器的資源，將數(shù)據(jù)更新速度提高到毫秒數(shù)量級，以便能適應(yīng)5m/S以下運(yùn)動(dòng)速度的位移響應(yīng)。電梯中向控制系統(tǒng)、拖動(dòng)系統(tǒng)提供載荷、換向、障礙、位置、速度等各種信號，把信號反饋給控制系統(tǒng)且使電梯平衡運(yùn)行都離不開傳感器。在目前的智能電 梯控制系統(tǒng)中，采用靜磁柵位移傳感器作為電梯平層控制的調(diào)整裝置。靜磁柵位移傳感器原理：靜磁柵位移傳感器由“靜磁柵源”和“靜磁柵尺”兩部分結(jié)合使用。“靜磁柵源”使用鋁合金壓封無源釹鐵硼磁柵組成磁柵編碼陣列；“靜磁柵尺”用內(nèi)藏嵌入式微處理器系統(tǒng)的特制高強(qiáng)度鋁合金管材封裝，使用開關(guān)型霍爾傳感器件組成霍爾編碼陣列，鋁合金管材外部使用防氧化鍍塑處理?！办o磁柵源”沿“靜磁柵尺

7、”軸線作無接觸(相對間隙寬容度和相對姿態(tài)寬容度達(dá)50mm)相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由“靜磁柵尺”解析出數(shù)字化位移信息，直接產(chǎn)生高于毫米數(shù)量級的位移量數(shù)字信號。充分發(fā)掘嵌入式微處理器的資源，將數(shù)據(jù)更新速度提高到毫秒數(shù)量級，以便能適應(yīng)5m/S以下運(yùn)動(dòng)速度的位移響應(yīng)。工作原理：由于電梯的運(yùn)行是根據(jù)樓層和轎廂的呼叫信號。行程信號進(jìn)行控制，而樓層和轎廂的呼叫是隨機(jī)的，因此，系統(tǒng)控制采用隨機(jī)邏輯控制。即在以順序邏輯控制實(shí)現(xiàn)電梯的基本控制要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)隨機(jī)的輸入信號，以及電梯的相應(yīng)狀態(tài)適時(shí)的控制電梯的運(yùn)行。另外，轎廂的位置是由靜磁柵位移傳感器確定，并送ARM的計(jì)數(shù)器來進(jìn)行控制。同時(shí)，每層樓設(shè)置一個(gè)靜磁柵源用于檢測系

8、統(tǒng)的樓層信號。雖然靜磁柵位移傳感器功能非常好，性能也極穩(wěn)定，考慮到價(jià)格以及設(shè)計(jì)者知識水平的限制，加之此次實(shí)踐本身的限制性，故采用比較常見的光電傳感器，對電梯模型進(jìn)行位置測定。使用槽型光電感應(yīng)器，能夠及時(shí)返回平層信息，對于速度較慢的電梯模型控制誤差很小。電源模塊的選取很重要，不能馬虎，要對所選元器件的工作性能進(jìn)行考慮。由于所選繼電器是12V直流電壓驅(qū)動(dòng)，電壓低了將沒有反應(yīng)。直接選用電池供電不保險(xiǎn)，也不符合設(shè)計(jì) 2本身的需求，故采用雙線220V交流供電，易得，在經(jīng)過整流和穩(wěn)壓，使得電壓達(dá)到所需要求。考慮到可能出現(xiàn)的燒壞電源情況，制版時(shí)，采用雙路制版，提高效率。78系列穩(wěn)壓管使用方便，用很簡單的電路

9、即可以輸入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源。本設(shè)計(jì)中，電源模塊多次使用該系列穩(wěn)壓管，主要有7805、7809、7812三種，其為線性穩(wěn)壓器件，可固定輸出電壓。當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載發(fā)生變化可引起輸出電壓U0增大，通過取樣、比較放大、調(diào)整等過程，將使調(diào)整管的管壓降UCE1增加，結(jié)果抑制了輸出端電壓的增大，輸出電壓仍基本保持不變。在串聯(lián)型穩(wěn)壓電源電路的工作過程中，要求調(diào)整管始終處在放大狀態(tài)。通過調(diào)整管的電流等于負(fù)載電流，因此必須選用適當(dāng)?shù)拇蠊β使茏髡{(diào)整管，并按規(guī)定安裝散熱裝置。為了防止短路或長期過載燒壞調(diào)整管，在直流穩(wěn)壓器中一般還設(shè)有短路保護(hù)和過載保護(hù)等電路。拽引電機(jī)使用繼電器控制，所選用的繼電器為匯港公司生產(chǎn)，性能穩(wěn)

10、定，質(zhì)量可靠。3 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)電梯主控制器是一個(gè)多輸入多輸出的主控制器，表1詳細(xì)說明了本設(shè)計(jì)中嵌入式電梯控制器的輸入輸出分配。表1 電梯主控制器輸入輸出定義3在輸出控制電路中，采用了達(dá)林頓陣列芯片ULN2003A驅(qū)動(dòng)輸出信號。ULN2003片上集成了7對達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路，它的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K的基極電阻，在_5 V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)_500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流下并行運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)研制的電梯主控制器中，共有20個(gè)輸出接

11、口，采用ULN2003A替代了大量的達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路后，使得硬件設(shè)計(jì)更為簡單，同時(shí)也節(jié)省了硬件設(shè)計(jì)的成本，并使得調(diào)試電路更為方便。ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)_500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流下并行運(yùn)行。在本設(shè)計(jì)研制的電梯主控制器中，共有20個(gè)輸出接口，采用ULN2003A替代了大量的達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)電路后，使得硬件設(shè)計(jì)更為簡單，同時(shí)也節(jié)省了硬件設(shè)計(jì)的成本，并使得調(diào)試電路更為方便。8位數(shù)碼管顯示，分別顯示電梯的上下運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行情況，以及電梯所在樓層。仿真圖中，從右往左為數(shù)碼管顯示的低到高位，0、1位顯示電梯所在第四層；2、3位顯

12、示01表示電機(jī)正常運(yùn)行（若為00則為電梯開門狀態(tài)）；4、5位顯示電機(jī)負(fù)轉(zhuǎn)，電梯正在下降；6、7位顯示電機(jī)不正轉(zhuǎn)。LED1LED4燈組顯示電梯所在樓層。3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖下所示：4程序中，通過數(shù)組掃描來判斷按鍵的狀態(tài)，從而使控制器做出相應(yīng)動(dòng)作。使用定時(shí)器T1準(zhǔn)確電梯門的開關(guān)時(shí)間。4 系統(tǒng)性能測試梯外呼叫按鈕按下二樓上按鍵，當(dāng)電梯運(yùn)行至二樓時(shí)，數(shù)碼管0、1位顯示02，電梯門打開數(shù)碼管2、3位顯示00。數(shù)碼管6、7位顯示01,4、5位顯示00，電梯向上。系統(tǒng)運(yùn)行正常。按鍵功能實(shí)現(xiàn)測試。按下按鍵，使用萬用表進(jìn)行一一測量，通過觀察相應(yīng)管腳處的電平變化來判斷其性能的好壞。通過測量，無論按下哪個(gè)按鍵，

13、其對應(yīng)引腳的輸出電壓均可達(dá)4.5V以上，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。光感位置控制實(shí)現(xiàn)測試，由于是通過光電感應(yīng)器來判斷電梯的位置，故對每一個(gè)光感應(yīng)器進(jìn)行性能測試。采用10K的電阻作為上拉電阻時(shí)，引腳輸出幾乎無變化，后來，經(jīng)過查閱資料和向同學(xué)請教，發(fā)現(xiàn)，將上拉電阻的阻值改為5K時(shí)，效果很是明顯，為設(shè)5計(jì)所需要的性能要求。采用表2拽引電機(jī)控制采用的是繼電器控制方式。當(dāng)給正電壓時(shí)，電機(jī)正傳，當(dāng)給J2正電時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)給定的正電壓越大時(shí)電梯轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，故對ARM輸出信號進(jìn)行放大，使得電機(jī)運(yùn)行正常。通過以上測試，系統(tǒng)比較成功地實(shí)現(xiàn)了四層電梯智能控制，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，比較順利地完成了課程設(shè)計(jì)的要求。5 結(jié)束語本

14、文對ARM電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括硬件部分與軟件部分兩大模塊，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?？偟膩碚f，由于精心設(shè)計(jì)，本次的成品還是很成功的，而且本程序的編寫不僅僅是為了應(yīng)對四層樓的電梯，更多層的電梯也可以實(shí)現(xiàn)，再進(jìn)行擴(kuò)展的話，可以實(shí)現(xiàn)十幾層電梯的需求。程序本身的思想本身是可以支持更多層電梯的運(yùn)行調(diào)度的，ARM型處理器，這一設(shè)想完全可以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，本設(shè)計(jì)還是有些不足之處的，在整個(gè)課程設(shè)計(jì)中，我認(rèn)真地查找相關(guān)資料，然后又對書中的相關(guān)內(nèi)容仔細(xì)翻閱，通過虛心請教，完成本次設(shè)計(jì)。Prroteus與KeilC仿真軟件的學(xué)習(xí)，電梯硬件結(jié)構(gòu)的探索，對各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)和改善，以及模塊性能的測試努力是不會(huì)有白費(fèi)的，本次設(shè)計(jì)不僅讓我收獲了許多，也讓我對以前所學(xué)習(xí)的ARM知識有了進(jìn)一步的深化與鞏固，最關(guān)鍵的是，它給了我一份自信。但我很明白，作品中還存在著比較多的不足，這些都需要進(jìn)一步的改善，我會(huì)不驕傲，不氣餒，用著自信與執(zhí)著盡最大努力將其完善。6參考文獻(xiàn)1 嵌入式ARM系統(tǒng)原理與實(shí)例開發(fā) 作 者： 楊宗德 編著 出 版 社： 北京大學(xué)出版社2002.2 Linux與嵌入式系統(tǒng)（第2版） 作 者： 李善平，劉文峰，王煥龍 等編著 出 版 社： 清華大學(xué)出版社 2004.3 Windows CE