電梯定位控制系統(tǒng)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽

1、 電梯定位控制系統(tǒng)摘要： 本系統(tǒng)以AT89S52作為主控制器，以+9VDC驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器，以L297+L298作為執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)器。用電壓比較器對(duì)電源電壓進(jìn)行比較，用來(lái)判斷是否選通備用電源。用掉電記憶功能對(duì)設(shè)定運(yùn)行順序進(jìn)行存儲(chǔ)。 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制使用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），從位置控制，速度控制，加減速控制三個(gè)方面對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行精確控制，并使用了定時(shí)器法實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)加減速控制。MCU，步進(jìn)電機(jī)，“H”橋，EEPROM，脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），位置控制，速度控制，加減速控制，定時(shí)器法一、引言 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系，在工業(yè)生產(chǎn)及其他方面的應(yīng)用十分廣泛

2、，特別是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)控技術(shù)及永磁體材料的迅速發(fā)展，為步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了更為廣闊的前景。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)具有功能靈活多樣，脈沖輸出準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制，其系統(tǒng)成本低。本文主要通過(guò)使用單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)編程控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯定位控制系統(tǒng)的控制。二、總體方案論證與選擇 2.1根據(jù)題目要求制定的設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和使用的需要，設(shè)計(jì)的電梯定位控制系統(tǒng)具有以下功能：（1）對(duì)電梯上的四個(gè)位置（從低到高為O，A，B，C）按照OCABCO的運(yùn)行順序控制電梯運(yùn)行； （2）啟動(dòng)，加速，運(yùn)行，減速過(guò)程平穩(wěn)，沒(méi)有震動(dòng)或抖動(dòng)

3、；（3）能準(zhǔn)確定位在每個(gè)位置，并靜止10S；（4）對(duì)當(dāng)前運(yùn)行位置進(jìn)行顯示；（5）能顯示運(yùn)行時(shí)間，下一個(gè)運(yùn)行位置和靜止時(shí)間倒記時(shí)； （6）可預(yù)置運(yùn)行順序和指定位置的靜止時(shí)間； （7）可隨意發(fā)出終止當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)命令，電梯按當(dāng)前方向運(yùn)行到最近的定位點(diǎn)上； （8）可實(shí)現(xiàn)停電保護(hù)和報(bào)警； （9）其它。 另外，本題還有如下要求： （1）電機(jī)可自選，步進(jìn)電機(jī)和直流伺服電機(jī)均可，但驅(qū)動(dòng)電壓不得超過(guò)+12VDC； （2）量筒容積約100mL，直徑不得小于65mm，無(wú)上蓋； （3）整個(gè)裝置由電梯定位控制系統(tǒng)供電。2.2各種實(shí)現(xiàn)方案比較論述 對(duì)于電梯定位控制系統(tǒng)，典型系統(tǒng)框圖為：用主控制器（MCU）對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制

4、，使執(zhí)行器按主控制器發(fā)出的命令完成設(shè)計(jì)任務(wù)。我們使用這種典型系統(tǒng)框圖，所以本設(shè)計(jì)現(xiàn)在需按照這個(gè)框圖分別對(duì)執(zhí)行器和主控制器進(jìn)行選擇。2.2.1對(duì)執(zhí)行器的選擇： （1）執(zhí)行器選用直流伺服電機(jī) 伺服電機(jī)常用于工控現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，它具有以下特點(diǎn)：力矩范圍為全范圍；速度范圍寬，可達(dá)12萬(wàn)轉(zhuǎn)/分；控制方式多樣化，智能化；平滑性好；精度高（具體要看反饋裝置的分辨率）；力矩特性好，特性較硬；可310倍過(guò)載（短時(shí)）；反饋方式為閉環(huán)方式，編碼器反饋；響應(yīng)速度快；耐振動(dòng)性一般；維護(hù)性較好等。 傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)包含2個(gè)反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測(cè)速機(jī)、電流傳感器（霍爾器件）及模擬電子線路實(shí)現(xiàn)速度的閉環(huán)控制。現(xiàn)代

5、數(shù)字直流伺服控制則采用高速數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），直接對(duì)速度和電流信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字比較、數(shù)字調(diào)節(jié)運(yùn)算（數(shù)字濾波）、數(shù)字脈寬調(diào)制等各種功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的精確控制。二者相比，模擬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高，但調(diào)試較復(fù)雜，因?yàn)槠潆娐穮?shù)的修改往往需要硬件上的改動(dòng)；而數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高。 由上可知伺服電機(jī)除耐振動(dòng)性和維護(hù)性不夠好外其它性能優(yōu)良，但是它的缺點(diǎn)是傳統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜，數(shù)字方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高；另外，它還有一個(gè)致命弱點(diǎn)，那就是價(jià)格高。（2）執(zhí)行器選用步進(jìn)電機(jī) 和伺服電機(jī)一樣，步進(jìn)電機(jī)也常常用來(lái)做工控現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行器，它主要具有以下特點(diǎn)：力矩范圍為 

6、中小力矩（一般在20Nm以下）；速度范圍低（一般在2000RPM以下，大力矩電機(jī)小于1000RPM）；控制方式主要是位置控制；平滑性不太理想，低速時(shí)有振動(dòng)（但用細(xì)分型驅(qū)動(dòng)器則可明顯改善）；精度一般較低，細(xì)分型驅(qū)動(dòng)時(shí)較高；矩頻特性不太好，高速時(shí)力矩下降快；過(guò)載時(shí)會(huì)失步；大多數(shù)為開(kāi)環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步；響應(yīng)速度一般；耐振動(dòng)性好；基本可以免維護(hù)；價(jià)格低等。 綜上所述，伺服電機(jī)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)，但是由于步進(jìn)電機(jī)有耐振動(dòng)性好，基本可免維護(hù)，價(jià)格低廉等伺服電機(jī)不具有的特點(diǎn)，在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。 因?yàn)楸鞠到y(tǒng)對(duì)控制要求不高，步進(jìn)電機(jī)的力矩、速度、精度、響應(yīng)

7、速度等都已足夠，且步進(jìn)電機(jī)成本低，耐振動(dòng)性好，基本可免維護(hù)，所以，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選擇步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行器。2.2.2對(duì)主控制器（MCU）的選擇： 在眾多MCU芯片系列中，我們主要有以下選擇：（1）MSP430系列 MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開(kāi)發(fā)的16位單片機(jī)。其突出特點(diǎn)是超低功耗，非常適合于各種功率要求低的場(chǎng)合。它的另一個(gè)特點(diǎn)是a/d，包含了具有8個(gè)外部通道的12位高性能A/D轉(zhuǎn)換器。利用芯片內(nèi)置的自動(dòng)掃描功能，A/D轉(zhuǎn)換器可以不需要中央處理器的協(xié)助而獨(dú)立工作。另外它還包括看門(mén)狗、脈寬調(diào)制定時(shí)器(PWM)、比較器、USART口以及輸入/輸

8、出引腳等部件。由上可知MSP430系列單片機(jī)具有很多外加功能，但是它的這些外加功能在本題中幾乎不需要，而且它還有一個(gè)弱點(diǎn)：價(jià)格較高。（2）Avr系列Avr系列單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)。它廢除了機(jī)器周期，拋棄復(fù)雜指令計(jì)算機(jī)(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡(jiǎn)指令集，以字作為指令長(zhǎng)度單位，將內(nèi)容豐富的操作數(shù)與操作碼安排在一字之中(指令集中占大多數(shù)的單周期指令都是如此)，取指周期短，又可預(yù)取指令，實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。 它的flash+內(nèi)置eeprom是很好的賣(mài)點(diǎn)。而且它還內(nèi)置10位A/D、看門(mén)狗、脈寬調(diào)制定時(shí)器(PWM)、比

9、較器、USART口等部件，功能強(qiáng)大。但是這些功能在本設(shè)計(jì)中幾乎無(wú)用武之地，另外，Avr單片機(jī)價(jià)格較高。（3）MCS-51系列MCS-51系列單片機(jī)是在一塊芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和多功能I/O等基本功能部件，它是單片機(jī)的基本型號(hào)，其他系列單片機(jī)多是在51系列的基礎(chǔ)上添加一些其他功能或是某些功能更加完善。它應(yīng)用廣泛，價(jià)格低廉，具有單片機(jī)的基本功能，對(duì)于完成本題指標(biāo)已經(jīng)完全夠用。AT89S51有128字節(jié)的RAM，4K的ROM；AT89S52有256字節(jié)的RAM，8K的ROM。本設(shè)計(jì)因需要單片機(jī)完成眾多任務(wù)，程序較大，需要更多的ROM，而且為了提高速度，需要更大的RAM。

10、綜合上述，MSP430系列和Avr系列的單片機(jī)都內(nèi)帶脈寬調(diào)制定時(shí)器(PWM)，而對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制需要脈寬調(diào)制，選擇MSP430系列和Avr系列的單片機(jī)無(wú)疑會(huì)使控制得到簡(jiǎn)化，但是若使用51系列也可以較易實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，而且51系列價(jià)格低廉，考慮到設(shè)計(jì)成本，我們最終選擇了MCS-51系列的AT89S52單片機(jī)。 三、詳細(xì)軟硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)題目要求和論證結(jié)果,本系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如下：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模 塊主控制 器MCU AT89S52鍵盤(pán)模 塊顯示模 塊 電 源 電 壓 比 較 及 選 擇 模 塊 電 源 模 塊 及 備 用 電 池系統(tǒng)工作原理： 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號(hào)進(jìn)行控制，并將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰频?/p>

11、執(zhí)行器。由于受脈沖的控制，其轉(zhuǎn)子的角位移量和速度嚴(yán)格的與輸入脈沖的數(shù)量和頻率成正比。改變通電順序可以改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向；改變脈沖頻率可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 用AT89S52作為主控制器，用+9VDC步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器，用L297+L298作執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)電路。步進(jìn)電機(jī)用脈寬調(diào)制技術(shù)控制轉(zhuǎn)速，控制信號(hào)由MCU發(fā)出，297用來(lái)產(chǎn)生控制298的序列信號(hào)，由298產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖電流。通過(guò)MCU控制步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電梯的運(yùn)行、定位、計(jì)時(shí)、終止等功能。外加掉電啟用備用電源功能，系統(tǒng)電源與備用電源的電壓通過(guò)比較器比較大小，用比較結(jié)果控制繼電器選通系統(tǒng)電源通道或備用電源通道，在選通備用電源時(shí)打開(kāi)報(bào)警系統(tǒng)。 1、硬件設(shè)計(jì)

12、 本系統(tǒng)硬件電路主要包括：AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)，電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、掉電保護(hù)及報(bào)警電路、鍵盤(pán)與顯示電路等。下面分別說(shuō)明各個(gè)電路模塊。（一）電源的設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)要求，本電源要帶動(dòng)電機(jī)，我們選用的電機(jī)電流為0.6A，再加上控制及驅(qū)動(dòng)部分，整個(gè)系統(tǒng)的電流較大，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，電源要留有一定余地，故我們制作了輸出可調(diào)的開(kāi)關(guān)電源。這里使用LM2576，它具有功率大，體積小，效率高，外圍電路簡(jiǎn)單，價(jià)格合理等特點(diǎn)。 為了減少電源引線，增加系統(tǒng)的安全性，整個(gè)系統(tǒng)只用+9V電源供電，而最小系統(tǒng)需要+5V電源，我們?cè)?9V電源輸入端接一個(gè)7805把電壓穩(wěn)定在+5V給最小系統(tǒng)供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分使用+

13、9V電源供電，這樣就減少了系統(tǒng)的電源引線，增加了安全性和可靠性。 電源部分電路圖如下所示 ：（二）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) （1）驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)需要“H”橋電路結(jié)構(gòu)，可用三極管和與門(mén)自搭，電路圖如下： 此方法對(duì)三極管參數(shù)要求較高，穩(wěn)定性不夠高，技術(shù)不好的話驅(qū)動(dòng)電流不夠大，電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)。 （2）用L297+L298的典型電路。L297與L298是專(zhuān)門(mén)為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的配套芯片。298內(nèi)部主要是雙H橋電路，因三極管集成在一起，性能參數(shù)匹配良好，穩(wěn)定性好，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)；297用來(lái)產(chǎn)生控制298的序列信號(hào)。當(dāng)然297可以不用，但這樣會(huì)加大單片機(jī)程序的負(fù)擔(dān)。 綜合比較以上兩種方案，我們選擇297+298的典

14、型電路結(jié)構(gòu)，其電路圖如下： 我們的步進(jìn)電機(jī)為四相驅(qū)動(dòng)，+9VDC驅(qū)動(dòng)，全步步距角為1.8°，半步步距角為0.9°，由于此題對(duì)控制精度要求不高，我們采用全步工作方式。由于步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象，振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。所以為了減少低頻振動(dòng)，我們采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，在電機(jī)與框架的接觸處墊了幾層泡沫紙，振動(dòng)效果得到了一定改善。 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。

15、為了增大輸出力矩，減少高速丟步現(xiàn)象，我們經(jīng)實(shí)驗(yàn)把轉(zhuǎn)速定在了約120RPM，這樣即增加了輸出力矩，電梯運(yùn)行速度又不會(huì)太低。經(jīng)測(cè)量，電梯勻速運(yùn)行速度為0.14m/s，滑輪加線直徑為23.58mm。（三）鍵盤(pán)顯示電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)需要14個(gè)按鍵，我們采用4×4矩陣式鍵盤(pán)，需8根口線，共有16個(gè)按鍵，有“14”四個(gè)數(shù)及“O”，“A”，“B”，“C”，“+”，“-”，“確定”等按鍵。 鍵盤(pán)部分電路圖如下圖所示： 因?yàn)榇祟}要求可顯示運(yùn)行順序，當(dāng)前樓層，運(yùn)行時(shí)間，下一樓層，等待時(shí)間等項(xiàng)內(nèi)容，若用數(shù)碼管顯示則需要太多的位數(shù)，且數(shù)碼管消耗電能過(guò)大，加重了電源的負(fù)擔(dān)，因此我們采用液晶1602，它可以顯示兩

16、行，每行可顯示16個(gè)字符，電路簡(jiǎn)單，并且與數(shù)碼管相比節(jié)約電能。 因1602支持8位和4位兩種模式，為了節(jié)約I/O口我們采用4位模式，加上3根控制線共需7根口線。 顯示部分電路圖如下： （四）掉電記憶部分電路設(shè)計(jì)： 為了使電源在突然斷電后，下一次開(kāi)機(jī)時(shí)能記憶并按照上次設(shè)定順序運(yùn)行，我們?cè)谠械南到y(tǒng)基礎(chǔ)上增加了掉電記憶功能。此部分采用EEPROM，型號(hào)24C16。它具有容量大，體積小，可擦寫(xiě)1000000次以上，數(shù)據(jù)可保持100年以上不丟失，外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)良特性。其電路圖如下： （五）停電保護(hù)及報(bào)警部分的設(shè)計(jì)： 為了讓電梯系統(tǒng)在突然斷電時(shí)還能做短暫的運(yùn)行以備急需，我們?cè)黾恿说綦姳Ｗo(hù)及報(bào)警功能。

17、使用電壓比較器對(duì)系統(tǒng)電源電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用比較信號(hào)控制繼電器的開(kāi)合以選通系統(tǒng)電源或備用電源。考慮到電機(jī)電流較大，在繼電器換相時(shí)有電壓跳變會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，我們?cè)诶^電器輸出端增加了一個(gè)大電容蓄能，這樣能明顯改善電機(jī)在掉電時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性。電壓比較器可用運(yùn)放來(lái)做，但一般用運(yùn)放效果不是很好，穩(wěn)定性不太高。這里我們選用專(zhuān)用電壓比較芯片LM393，它轉(zhuǎn)為電壓比較設(shè)計(jì)，穩(wěn)定性較高，供電電壓范圍寬。 為了在繼電器選通備用電源時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，我們?cè)诶^電器線圈兩端并接了一個(gè)蜂鳴器，這樣就能在備用電源選通的同時(shí)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 停電保護(hù)及報(bào)警部分的電路圖如下：綜上，硬件部分整體電路圖如下： 2、軟件設(shè)計(jì)

18、 本系統(tǒng)軟件流程框圖如下鍵 盤(pán) 掃 描等 待 命 令系 統(tǒng) 初 始 化 無(wú)鍵按下確 認(rèn) 鍵被按下？設(shè)定相應(yīng)順序上靜止時(shí)間設(shè)定相應(yīng)順序上對(duì)應(yīng)樓層選 擇 設(shè)定運(yùn)行次序按照規(guī)定默認(rèn)值輸出 有鍵按下 按照相應(yīng)設(shè)定運(yùn)行 N 四、測(cè)試結(jié)果 本系統(tǒng)對(duì)電梯上的四個(gè)位置（從低到高為O，A，B，C）可以按照OCABCO的運(yùn)行順序控制電梯運(yùn)行；啟動(dòng)，加速，運(yùn)行，減速過(guò)程平穩(wěn)，沒(méi)有震動(dòng)但有微弱的抖動(dòng)；能準(zhǔn)確定位在每個(gè)位置，并靜止10S；可以對(duì)當(dāng)前運(yùn)行位置進(jìn)行顯示；能顯示運(yùn)行時(shí)間，下一個(gè)運(yùn)行位置和靜止時(shí)間倒記時(shí)；可預(yù)置運(yùn)行順序和指定位置的靜止時(shí)間；可隨意發(fā)出終止當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)命令，電梯按當(dāng)前方向運(yùn)行到最近的定位點(diǎn)上；實(shí)現(xiàn)了停電后短暫?jiǎn)⒂脗溆秒娫床?bào)警的功能；為了使電源在突然斷電后，下一次開(kāi)機(jī)時(shí)能記憶并按照上次設(shè)定順序運(yùn)行，我們?cè)谠械南到y(tǒng)基礎(chǔ)上增加了掉電記憶功能。五、結(jié)論我們使用AT89S52單片機(jī)作為中央控制器，使用+9VDC驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器，用L297+L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本系統(tǒng)有功能強(qiáng)、性能可靠、體積小、電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，對(duì)電