電梯控制系統(tǒng)仿真設(shè)計 電子信息工程畢業(yè)論文

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1、 學號 20095042051 本科畢業(yè)設(shè)計 學 院 物理電子工程學院 專 業(yè) 電子信息工程 年 級 2009級 姓 名 趙艷偉 設(shè)計題目 電梯控制系統(tǒng)仿真設(shè)計 指導教師 馬占卿 職稱 副教授 20

2、13年04月25日 目 錄 摘 要 1 Abstract 1 1引言 1 2系統(tǒng)功能介紹及方案論證 2 2.1電梯的組成 2 2.2電梯控制系統(tǒng)組成框圖及工作原理 2 2.3總體方案設(shè)計與論證 3 2.4單元電路的設(shè)計與論證 3 3基于單片機的電梯控制系統(tǒng)單元電路的設(shè)計 7 3.1單片機最小系統(tǒng) 7 3.2按鍵電路 7 3.3報警部分及開關(guān) 8 3.4顯示電路部分 8 3.5 電機驅(qū)動部分 9 4軟件設(shè)計 10 4.1按鍵查詢部分 11 4.2樓層選擇按鍵功能程序 12 4.3電機控制部分 13 5系統(tǒng)仿真 14 5.4軟件

3、編譯調(diào)試 14 5.2硬件仿真 15 5.3實物制作 15 6結(jié)論 16 參考文獻 17 致謝 17 附錄 18 電梯控制系統(tǒng)仿真設(shè)計 學生姓名：趙艷偉 學號：20095042051 學 院：物理電子工程學院 專業(yè)：電子信息工程 指導教師：馬占卿 職稱：副教授 摘 要：本文介紹了以單片機最小系統(tǒng)、電梯按鍵模塊和報警模塊組成的電梯控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了以AT89C51為核心控制元件及其外圍電路控制系統(tǒng)來模擬電梯控制。通過采集各個樓層間按鈕的信號,經(jīng)過處理，按照預(yù)定的規(guī)則和程序，發(fā)出信號來控

4、制電梯的上下行，來模擬電梯的初步運作。同時介紹了電梯控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法、系統(tǒng)的構(gòu)成以及軟件的設(shè)計，并詳細的說明了系統(tǒng)的構(gòu)成以及工作原理。 關(guān)鍵詞：AT89C51；數(shù)碼管；電梯控制系統(tǒng) 1引言 電梯是一種為高層建筑運輸服務(wù)的機電設(shè)備。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高層建筑越來越多, 對電梯的運行速度和控制性能也提出了更高的要求?，F(xiàn)代工業(yè)自動化領(lǐng)域, 已大量采用微機和單片機的控制, 因此使得控制對象的結(jié)構(gòu)越來越復雜，實現(xiàn)的功能也越來越多。隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展, 尤其是微機的發(fā)展，使得以微機為核心的控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，而采用單片機來實現(xiàn)老式電梯控制系統(tǒng)的改造無疑是最佳方案[1]。 本文

5、主要是用51單片機來實現(xiàn)電梯控制系統(tǒng)，使其具備電梯基本升、降功能，并當多層對電梯呼叫時，能安排電梯?？?，從而實現(xiàn)電梯的基本運行情況的模擬。論文的第一部分進行方案的提出與論證，分析本次設(shè)計所采用方案的可行性；第二部分給出電梯控制系統(tǒng)的各個模塊電路的設(shè)計和所需主要器件的主要參數(shù)，并介紹硬件實現(xiàn)的詳細方案，給出本次設(shè)計的硬件原理電路圖，并分點描述各模塊功能；第三部分給出軟件實現(xiàn)的程序流程圖，并介紹各模塊所要實現(xiàn)的功能。第四部分介紹了系統(tǒng)的仿真方法。 2系統(tǒng)功能介紹及方案論證 2.1電梯的組成 電梯主要由以下兩大部分組成： （1）機械部分：包括拖引系統(tǒng)，導向系統(tǒng)，轎廂，門系統(tǒng)等。

6、 （2）電路部分：包括重量平衡系統(tǒng)，電力拖動系統(tǒng)，電梯控制系統(tǒng)，安全保護系統(tǒng)等[2]。 本文主要是對電梯的控制系統(tǒng)的研究，并利用80系列單片機進行模擬。 2.2電梯控制系統(tǒng)組成框圖及工作原理 該系統(tǒng)主要由單片機控制模塊、報警單元模塊、數(shù)碼管顯示單元模塊、按鍵單元模塊和上下行顯示模塊等6部分組成。系統(tǒng)總方框圖如圖1。 圖1 系統(tǒng)總方框圖 該系統(tǒng)是以AT89C51單片機為核心的，伴以按鍵單元接收電梯的樓層信號，以及到達樓層后會有的LED閃爍報警單元，同時還有一個一位的共陰極數(shù)碼管來顯示電梯運行時電梯內(nèi)的樓層變化的一個模擬系統(tǒng)。通過采集按鍵單元的內(nèi)外樓層的按鍵信號來引起的電平的改變作

7、為用戶請求信息發(fā)送到單片機，單片機控制電梯的上、下行，從而到達目標樓層[3]。 2.3總體方案設(shè)計與論證 方案一：采用可編程控制器（PLC）作為主要器件來控制電機的運動、內(nèi)外按鍵的響應(yīng)、按鍵后的電路顯示等等。用PLC編程較簡單，電路也不復雜，但此方案的各個模塊的費用都比較高，硬件設(shè)計不靈活，故不采用本方案。 方案二：控制系統(tǒng)采用一個單片機來控制所有的按鍵、數(shù)碼管顯示、電動機的轉(zhuǎn)動、信號的采集等等，并對以上所有獲得的信號進行處理。單片機技術(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)電梯運行狀況的簡單模擬，故采用本方案。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 2.4單元

8、電路的設(shè)計與論證 通過對系統(tǒng)總框圖的分析，此系統(tǒng)的各個模塊方案設(shè)計如下： 2.4.1單片機最小系統(tǒng) 本次畢業(yè)設(shè)計采用的是最常用的AT89C51, 它是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一

9、種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51具有以下標準功能： 4k字節(jié)Flash，128字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，2個16 位定時器/計數(shù)器，有一個管理5個中斷源，2個優(yōu)先級的中斷控制器，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。 其外形及引腳排列如圖1所示[4]。 圖2 AT89C51外形及引腳 （1）主

10、電源引腳 Vcc：芯片工作電源端，接＋5V。 Vss：電源接地端。 （2）時鐘振蕩電路引腳 XTAL1：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸入端。 XTAL2：內(nèi)部晶體振蕩電路的反相器輸出端。 （3）控制信號引腳 RST：為復位信號輸入端。外部接復位電路。 ALE：為地址鎖存允許信號。在不訪問外部存儲器時，ALE以時鐘振蕩頻率的1／6的固定頻率輸出，用示波器觀察ALE引腳上的脈沖信號是判斷單片機芯片是否正常工作的一種簡便方法。 /PSEN：外部程序存儲器ROM的讀選通信號。到外部ROM取指令時，/PSEN自動向外發(fā)送負脈沖信號。 /EA/Vpp：為訪問程序存儲器的控制信號。

11、 （4）并行I／Ｏ端口引腳 P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電

12、阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。 引腳號第二功能 P1.0 T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 P1.1 T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） P1.5 MOSI（在系統(tǒng)編程用） P1.6 MISO（在系統(tǒng)編程用） P1.7 SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL

13、邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“

14、1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S51特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。 引腳號第二功能 P3.0 RXD（串行輸入） P3.1 TXD（串行輸出） P3.2 INT0(外部中斷0) P3.3 INT0(外部中斷0) P3.4 T0（定時器0外部輸入） P3.5 T1（定時器1外部輸入） P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通) 2.4.2數(shù)碼顯示單元的設(shè)計

15、分類數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管；按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管。共陽級數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽級數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰級數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰級數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極

16、為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。圖3為數(shù)碼管實物圖。 圖3 數(shù)碼管實物圖 2.4.3報警單元 直接采用單片機控制輸出口電平的高低來控LED數(shù)碼管發(fā)光與否。這樣做的優(yōu)點是電路比較簡單，控制也較簡單而且還能很直接的觀測到樓層的到達。 2.4.4按鍵單元的設(shè)計 按鍵部分直接采用兩種按鍵（一種電梯內(nèi)，一種電梯外）分別對應(yīng)一個樓層，另有開門、關(guān)門兩個按鍵。芯片一旦檢測到某樓層的按鍵被按下，就會在對應(yīng)端口輸出高電平的信號，這樣可以比較簡化電路，方便了操作。 3基于單片機的電梯控制系統(tǒng)單元電路的設(shè)計 3.1單片機最小系統(tǒng) 單片機最小系統(tǒng)電路如圖4所

17、示，單片機采用ATMEL公司的AT89C51，晶體振蕩器選12MHz，C1、C2為30pF的瓷片電容，與晶體振蕩器構(gòu)成時鐘電路。極性電容C3與按鍵S1、電阻R1及R2構(gòu)成了手動復位電路[7]。 圖4 單片機的最小系統(tǒng) 3.2按鍵電路 如圖6所示，采用按鍵一端直接與單片機P1.0～P1.6端口以及P3.7口連接另一端直接接地的方式，通過按鍵來實現(xiàn)高低電平信號的產(chǎn)生與輸入，從而完成單片機的信號采集。 圖6 按鍵系統(tǒng) 3.3報警部分及開關(guān) 如圖7所示，此處利用4個常用的發(fā)光二極管，連接成并聯(lián)結(jié)構(gòu)，此電路與單片機P3.0～P3.3端口相連。當電梯運行過程中到達所要到達的樓層數(shù)時，P

18、3.0～P3.3端口輸出低電平，發(fā)光二極管發(fā)光閃爍。而開關(guān)電路實現(xiàn)的是模擬樓層到達后，乘客進出時的操作。每個發(fā)光二極管通過一只阻值為200Ω的限流電阻接電源(VCC)，這樣流經(jīng)發(fā)光二極管的電流約為7.5mA，有適當?shù)牧炼?，同時單片機的端口在不加驅(qū)動的情況下可以承受[8]。 圖7 報警與開關(guān)電路 3.4顯示電路部分 如圖8所示，此處采用一個一位的共陽級數(shù)碼管，與單片機的P0口相連。經(jīng)由單片機輸出高電平，再由一個10K的排阻對數(shù)碼管限流[9]。通過程序控制來實現(xiàn)電梯內(nèi)樓層數(shù)的顯示。 圖8 顯示系統(tǒng) 3.5上、下行顯示部分 如圖9所示，兩個發(fā)光二極管分別與單片機P2.0和P2.1

19、端口相連。初始化時，單片機P2.0和P2.1輸出均為高電平。電梯上升時，P2.0輸出為低電平，P2.1輸出為高電平，發(fā)光二極管D1亮。電梯下降時，P2.0輸出為高電平，P2.1輸出為低電平，發(fā)光二極管D2亮。電阻R22起到保護電機的作用[10]。 圖9 上、下行顯示部分 4軟件設(shè)計 由于本設(shè)計采用單片機實現(xiàn)控制，所以軟件設(shè)計部份的程序編寫C語言來完成。其中主程序部分主要完成系統(tǒng)的運行時間設(shè)置，如電梯的啟動，電梯的運行，電梯門的開關(guān)等。在子程序中完成數(shù)碼管的顯示，鍵盤的響應(yīng)，延時，樓層到達時的報警等功能。軟件編程是實現(xiàn)多功能、智能化、操作方便的關(guān)鍵。在本設(shè)計中，可以把程序的各部分相互結(jié)

20、合起來，達到完成各項設(shè)計的功能。 軟件設(shè)計思想：采用模塊化的分層次設(shè)計方法，將軟件系統(tǒng)功能由多個實現(xiàn)單一功能的子程序?qū)崿F(xiàn)。通過調(diào)用不同的子程序，實現(xiàn)了復雜功能控制。這樣便于調(diào)試、修改。主程序主要包括：判斷乘客進入電梯后選擇去哪一層，根據(jù)判斷情況來控制電梯運行；電梯在運行過程中要不斷的掃描鍵盤，從而來判斷各樓層有無呼叫請求；電梯在運行過程中只響應(yīng)同方向的呼叫請求；開關(guān)門有一定的延時來保證乘客走出/進入電梯。主流程圖如圖10所示[11]。 圖10 系統(tǒng)主流程圖 4.1按鍵查詢部分 在本設(shè)計當中，鍵盤采用獨立式按鍵，按鍵由P1口的P1.0-P1.6以及P3口的P3.7控制。當有鍵按下時，即轉(zhuǎn)

21、入相應(yīng)功能程序。鍵盤程序流程圖如圖11所示[12]。程序清單見附錄二。 圖11 鍵盤查詢程序流程圖 4.2樓層選擇按鍵功能程序 (1)按鍵的定義與引腳的對應(yīng)： sbit key3=P1^0——電梯外部三樓；sbit key2=P1^1——電梯外部二樓； sbit key1=P1^2——電梯外部一樓；sbit key4=P1^3——電梯內(nèi)部三樓； sbit key5=P1^4——電梯內(nèi)部二樓；sbit key6=P3^7——電梯內(nèi)部一樓； sbit key7=P1^5——電梯外部四樓；sbit key8=P1^6——電梯內(nèi)部四樓； (2)電梯運行情況程序的設(shè)計 如圖12,電

22、梯模型上電后，系統(tǒng)一直等待，電梯的起始位置為一樓，數(shù)碼管顯示“1”。當外部樓層按鍵按下后，電梯開始向上運動，發(fā)光二極管僅紅色亮，到達二樓，電梯運行經(jīng)過樓層檢測傳感器時，送到數(shù)碼管顯示“2” 并在二樓多停留2S當模擬有人進出，然后繼續(xù)上升。每樓層停留2s，直到四樓后，保持在四樓的停留狀態(tài)直到再次有信號輸入[13]。 5系統(tǒng)仿真 由于所設(shè)計的基于單片機的電梯控制系統(tǒng)包括軟件和硬件兩部份, 仿真時先對軟件進行編譯,然后再將已編譯無誤的軟件結(jié)合硬件在一起進行仿真,完成整個系統(tǒng)的仿真工作。 5.1軟件編譯調(diào)試 在軟件調(diào)試中，我采用Keil uVision4仿真軟件進行程序調(diào)試。首先分別調(diào)試各個功

23、能程序，再對整個程序進行調(diào)試，以便修改錯誤碼。具體的調(diào)試方法如下[14]。 首先在Keil uVision4仿真軟件中，選擇AT89C51作為CPU，將晶振頻率設(shè)置為12MHZ，然后新建一個.C文件，將各個功能程序錄入，先檢查程序有無明顯錯誤，保存過后編譯程序，當有錯誤時就根據(jù)提示加以修改，當各個功能程序編譯完成后，再對整個程序全速執(zhí)行，查看程序有哪些地方出現(xiàn)錯誤，對應(yīng)錯誤提示逐步調(diào)整程序，糾正錯誤直到程序正確無誤，調(diào)試結(jié)束后有圖13的軟件調(diào)試界面。 圖12 程序調(diào)試圖 5.2硬件仿真 硬件仿真使用的是ProteusPRO6.7SP3，Proteus 是目前最好的模擬單片機外圍器件

24、的工具，它可以仿真 51 系列、AVR，PIC 等常用的單片機及其外圍電路（如LCD，RAM，ROM，鍵盤，直流電機，LED，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件等）[15]。 首先利用Proteus中的器件庫中的器件完成電路的連接，如圖14所示。然后右鍵AT89C51再左鍵，出現(xiàn)“Edit Componet”， 在 Program File 中單擊出現(xiàn)文件瀏覽對話框，找到 C語言.hex 文件，單擊確定完成添加文件，在Clock Frequency中把頻率改為 12MHz，單擊 OK 退出。單擊仿真按鈕，開始仿真，按下外樓層按鍵，系統(tǒng)開始工作，電梯都能完成請求，基本實現(xiàn)了電梯運行的模

25、擬。 圖13 硬件調(diào)試圖 5.3實物制作 在protues中完成仿真以后，使用protel 99SE軟件對所要用到的元器件進行封裝、排版以及布線，并完成PCB板的制作如圖15所示，并在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過打孔、顯影、蝕刻以及漂洗，焊接完成實物的制作[16]。 6結(jié)論 首先對電路所實現(xiàn)的功能進行了分析，通過查找資料和分析，進行電路的初步設(shè)計，在此過程中，進一步熟悉了proteus仿真軟件和提高了使用protel 99SE軟件的能力。親自動手制作電路板，其中包括電路的轉(zhuǎn)印、腐蝕、打孔、焊接，通過實際練習，提高了自身的動手能力，從而進一步熟悉了電路的結(jié)構(gòu)。硬件電路完成之后，便開始著手于軟件的

26、設(shè)計，首先根據(jù)所實現(xiàn)的功能畫出了流程圖,然后根據(jù)流程圖來進行部分小程序及主程序的設(shè)計,然后最后進行拼合,通過設(shè)計程序,提高了邏輯的思維能力，在調(diào)試的過程中，也學到了許多以前在課本上所未曾學到的知識。通過這次畢業(yè)設(shè)計，使我在各方面都有了很大的提高，特別是在單片機編程方面讓我有了很大的進步。 參考文獻： [1] 李金利，仲偉峰，徐軍.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2006：22—25. [2] 房小翠，王金鳳.單片機實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999：94—22. [3] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)[M].北京：高等教育出版社，198

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