基于MCS51单片机的电梯控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于MCS51单片机的电梯控制系统设计毕业设计论文
吉林化工学院毕业设计说明书
基于MCS-51单片机的电梯控制系统设计
DesignofElevatorControlSystemBasedonMCS-51
吉林化工学院
JilinInstituteofChemicalTechnology
独创声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业设计(论文),是本人在指导老师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。
尽我所知,除文中已经注明引用的内容外,本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计(论文)使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版,同意学校保存学位论文的印刷本和电子版,或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下,建立目录检索与阅览服务系统,公布设计(论文)的部分或全部内容,允许他人依法合理使用。
(保密论文在解密后遵守此规定)
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
摘要
电梯整套系统以MSC51单片机为主,通过MSC51单片机的核心处理来支配各个组成部分,电梯的楼层选择由楼层开关和电梯内部开关来控制,通过单片机的处理由L293单片机来控制电梯的上下行,轿箱门的开与关由红外传感器和电机2控制,楼层控制主要由干簧管来检测电梯所在位置,到达一个楼层后干簧管受轿箱上方的永久性磁铁影响,使干簧管的SN两个平行金属合并,从而由所在楼层的干簧管给出一个低电平送达单片机,由单片机来检测当前是否是所要到达的楼层。
本系统以AT89C51单片机为核心,通过对各楼层用户按钮信号的检测和处理,按预定的运行规则和程序,发出控制信号对直流电机进行调节,从而控制电梯的启停、速度、升降和运行时间,还有轿厢的开关等。
在轿厢的内部和外部都设置楼层选择按键,控制电梯轿厢的位置,在各楼层设置了位置检测电路,保证了电梯停靠位置准确。
整个系统实现了电梯控制的基本功能[2]。
关键词:
电梯控制;单片机;干簧管
Abstract
ElevatorwholesetsystembytheMSC51monolithicintegratedcircuitprimarily,controlseachconstituentthroughMSC51monolithicintegratedcircuit'scoreprocessing,elevator'sfloorchoicecontrolsbythefloorswitchandtheelevatorinteriorswitch,controlselevator'sascending-descendingthroughmonolithicintegratedcircuit'sprocessingbytheL293monolithicintegratedcircuit,sedanboxgateopeningwithclosesbytheinfraredsensorandtheelectricalmachinery2controls,thefloorcontrolmainlybydoesthereedpipestoexaminetheelevatorintheposition,afterarrivingatafloor,doesthereedpipessedanboxabovepermanentmagnetinfluence,causestodothereedpipestheSNtwoparallelmetalmerge,thusbygivesalowleveldeliverymonolithicintegratedcircuitinfloor'sdryreedpipes,bymonolithicintegratedcircuitExaminescurrentwhetheristhefloorwhichmustarrive.
ThissystemtaketheAT89C51monolithicintegratedcircuitasacore,throughtovariousfloorsuserbuttonsignalexaminationandprocessing,accordingtothemovementruleandtheprocedurewhichprearranges,sendsoutthecontrolsignaldirectclasselectricalmachinerytocarryontheadjustment,thuscontrolstheelevatortoopenstops,thespeed,thefluctuationandtherunningtime,butalsohasthetheaterboxswitchandsoon.Andexteriorallestablishesthefloorchoicepressedkeyinthetheaterboxinterior,controlstheelevatortheaterboxtheposition,hasestablishedthepositionexaminationelectriccircuitinvariousfloors,hadguaranteedtheelevatoranchorsthepositiontobeaccurate.Theoverallsystemhasrealizedthebasicfunctionwhichtheelevatorcontrols.
KeyWords:
ElevatorControl;Single-chipmicrocomputer;Reedswitch
第1章绪论
随着现代高科技的发展,住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。
电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。
1889年美国奥梯斯升降机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降机,同年在纽约市马累特大厦安装成功。
随着建筑物规模越来越大,楼层也越来越高,对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性都提出了更高的要求。
由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。
采用这种控制线路,存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。
从技术发展来看,这种系统将逐渐被淘汰。
本次本人设计的电梯控制系统是以89C51单片机为核心,该芯片在实际生活中应用相当广泛,对现在本人的软硬件水平提高也有很大帮助。
1.1选题的目的及意义
电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统工程学等多学科和技术分支于一体的机电设备,它是建筑中的永久垂直交通工具。
本论文选择89C52单片机为核心控制元件,设计了一个三层的电梯系统,采用变频器进行控制转速,采用行程开关控制其开关门,采用发光二极管作为显示电梯的楼层及上下行。
使用单片机汇编语言进行编程,实现运送乘客到任一楼层,并且显示电梯的楼层和上下行。
单片机在接口性能和计算速度等方面均有资源不足的问题,仍然不能适应较复杂的控制算法和故障诊断等要求。
1.2电梯的起源与发展
电梯属于垂直提升运输设备,起源于我国古代农业和建筑的原始提升工具。
公元前十一世纪,我国北方劳动人民发明了辘护。
公元前236年,希腊人阿基米德设计出一种人力驱动的卷筒式卷扬机,共造出三台,安装在妮罗宫殿里。
在瓦特发明了蒸汽机之后,于1850年,在美国纽约市出现了世界上第一台由亨利·沃特曼制作的以蒸汽机为动力的卷扬机。
1852年美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥梯斯发明了世界上第一部以蒸汽机为动力、配有安全装置的载人升降机。
这便是世界上第一部备有安全装置的客梯,在1857年被安装在纽约市豪华商厦里。
在此期间,英国的阿姆斯特朗发明了水压梯。
随着水压梯的发展,蒸汽梯也就被淘汰了。
后来发展为采用油压泵和控制阀的液压梯,而直到今天液压梯仍在使用。
在1889年,美国奥梯斯升降机公司推出了世界第一部以电动机为动力的升降机,这才开始出现了名副其实的电梯,同年在纽约市的马累特大厦安装成功。
在1903年,又将卷筒式驱动方式改进为槽轮式(即曳引式)驱动。
所谓卷筒式驱动,是将曳引绳缠卷在卷筒上来提升重物,而槽轮式也称为曳引式驱动,是在曳引绳一端提升重物,另一端为平衡重,依靠曳引绳和曳引轮的绳槽之间的摩擦来驱动重物作垂直运动。
因此,只要在曳引系统的容量和强度允许范围内,通过改进曳引绳长度就可适应不同的提升高度,而不再像卷筒式那样受卷筒长度限制。
此外,当重物或平衡重碰底时,曳引绳与曳引槽会由于摩擦力减小而打滑,从而避免了像卷筒式那样,在失控时造成的曳引绳断裂等严重事故的发生。
曳引式驱动可以使用多条曳引绳,而卷筒式驱动方式使用的曳引绳条数却受到限制。
曳引式驱动方式为长行程并具有高度安全性的电梯奠定了基础。
当时的电梯使用直流电动机驱动,用改变串接在电枢回路中的电阻值的方法来调节电梯运行速度。
后来发明了交流感应电动机,在1900年开始用于驱动电梯。
最初的交流电动机只是单速的,电梯运行性能很不理想。
直到发明了交流双速电动机,才基本满足了电梯的运行要求。
随着社会的发展,建筑物规模越来越大,楼层越来越多。
所以,对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。
尽管交流电动机结构简单,造价便宜,但在调速性能方面却难以满足更高的要求,而对直流电动机来讲,由于后来采用了发电机-电动机组调速系统,能较好地满足电梯调速的高要求。
因此,在20世纪前半叶,电梯的电力拖动,尤其是高层建筑物中的电梯速度的调节,几乎都是采用直流调速系统来实现的。
1900年美国奥梯斯电梯公司制造出世界上第一台自动扶梯。
1915年已设计成功电梯自动平层控制系统。
1933年美国制造出6m/s的高速电梯。
在第二次世界大战以后,美国的建筑业得以快速发展,促使电梯也进入发展时期,新技术被广泛用于电梯。
1949年研制出4-6台电梯的群控系统。
1955年出现了真空电子管小型计算机控制的电梯。
1962年在美国已出现了8.5m/s的超高速电梯。
在1967年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。
随着电力电子技术的发展,在用晶闸管取代直流发电机-电动机组的同时,研制出了交流调压调速系统,是交流电梯的调速性能得到了明显改善。
1976年将微处理器应用于电梯。
1977年日本三菱电机株式会社开发出了lOm/s的超高速电梯。
至此,电梯的控制技术有了很大发展。
进入80年代,电梯控制技术又有了新的变化。
由于固体功率器件的不断发展和完善以及微机技术的应用,出现了交流变频调速系统。
1984年在日本己将其用于2m/s以上的高速电梯。
1985年以后,又将其延伸到中、低速交流调速电梯。
交流变频调速技术被认为是电梯行业的当代技术。
1985年日本生产出世界上第一台螺旋式自动扶梯,使其明显减少了占地面积。
1993年日本生产的12.5m/s世界上最高速的交流变频调速电梯已投入运行。
当前,在电梯电力拖动方面,除了大容量电梯还采用直流拖动系统以外,用交流变频调速方式取代自流调速方式,已成为高速电梯的主流。
应用微机全面取代继电器控制逻辑实现闭环控制,可进一步提高电梯的性能和可靠性,并可降低现场调试要求,是电梯控制技术的方向。
电梯群控系统是现代电梯的技术的又一重要组成部分。
它不但有完善的分区服务、运行监控、客流交通统计分析等功能,还具备故障诊断功能。
在电梯品种方面,出现了双层电梯、大吨位的集装箱电梯等。
为适应摩天大楼对电梯的特殊要求,目前正在研制无绳直线驱动电梯。
对于电梯的曳引机,目前除了中、低速范围的电梯还采用蜗轮副减速装置外,其他均己采用圆柱斜齿轮曳引系统,使效率提高了15%-25%。
此外,用电子位置传感器取代机械选层器、用更先进的装置取代门安全触板、增设轿厢内通信设施以及轿厢非安全门区语音提醒和运行状态语音报告等装置,也是电梯技术现代化的体现。
对现代化电梯性能的衡量,主要着重于可靠性、安全性和乘坐的舒适性。
此外,对经济性、能耗、噪声等级和电磁干扰程度等方面也有相应要求。
随着时代的发展,对人在与外界隔离封闭的电梯轿厢内心理上的压抑感和恐惧感也有所考虑。
因此,提倡对电梯进行豪华性装修,比如:
轿厢内用镜面不锈钢装潢、在观光电梯井道设置宇宙空间或深海景象;进而主张电梯、扶梯应与大自然相协调,在扶梯的周围种植花草;在轿厢壁和顶棚装饰某些图案甚至是有变化的图案,并且在彩色调配上要令人赏心悦目;在轿厢内播放优美的音乐,用以减少烦躁;在轿厢内播放电视节目,乘客可收看天气预报、新闻等。
时至今日,电梯已进入了全面发展的新时期。
1.3国外电梯情况
当今世界,电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。
在一些发达的工业国家,电梯的使用相当普遍。
世界上有名的几家电梯公司,诸如:
美国奥梯斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等,其电梯的产量已占世界市场的51%。
其中,奥梯斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。
目前,国外除了以交流电梯取代直流电梯以外,在低层楼房越来越多的使用液压电梯。
此外,家用小型电梯将成为电梯家族中新的组成部分。
电梯是集机电一体的复杂系统,不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域,还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。
而对现代电梯而言,应具有高度的安全性。
事实上,在电梯上己经采用了多项安全保护措施。
在设计电梯的时候,对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。
然而,只有电梯的制造,安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量,才能全面保证电梯的最终高质量。
在国外己“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化,实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队和维修单位,承担安装调试、定期维修和检查试验,从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。
因此,可以说乘坐电梯更安全。
美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算,其结论是:
乘电梯比走楼梯安全5倍。
据资料统计,在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次,而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。
1.4国内电梯情况
解放前,全国只有2000台电梯,几乎没有电梯生产企业。
解放后,随着我国经济建设的发展,电梯企业应运而生。
我国的电梯企业由60年代开始起步,到了70年代己初具规模。
改革开放以来,我国电梯的需求量急剧上升。
在我国通过引进国际电梯标准以及发达国家的先进产品和技术,产生了一支以中外合资企业为主体的外向型企业队伍。
如中国迅达公司、天津奥梯斯公司、上海三菱公司、苏州迅达公司和广州电梯工业公司等企业,就是通过合资和补偿贸易方式,引进发达国家的先进管理和技术,不断改善现有产品结构和管理体制,使企业素质和产品质量都提高到了一个新水平,推出一代电梯新产品。
目前,交流调压调速电梯技术己趋成熟,一些企业都有成功的产品。
微机控制电梯是电梯技术的方向,一些生产企业与科研单位相结合,相继推出了微机控制的电梯新机型,使控制功能得到增强,电梯的性能得到改善,明显提高了可靠性。
除了合资企业外,也有其他厂家开发出了变频调速电梯新产品。
另外,用FPGA/CPLD取代原来的控制系统的机型对单梯进行控制还是有前途的。
有些生产企业开发了紧急供电装置、放火厅们、地震控制、自检测以及语言合成等电梯新功能;对机械系统采用了新结构、新材料、新技术和新工艺。
总之,与国外先进技术水平相比,虽然还存在一定差距,但国内电梯技术正以迅猛的发展速度赶超世界先进水平。
中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置,每年销售量己达1万台左右,约占亚洲市场的1/50,一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。
近年来,为保证电梯最终质量,在建立全国性完整的电梯管理法规、落实检查机构、壮大安装调试队伍、组建维修保养网络和提高相关人员技术素质等方面,正在进行着一系列实质性的工作。
我国电梯行业,正在走向法规化,加速步入世界先进行列。
第2章整体方案设计
整个方案由主控制电路,系统硬件,传动部分组成。
2.1电梯组成框图
图2-1电梯组成框图
主控制电路板位于电梯内部所有线缆均与控制电路相连,由控制电路控制电机的转动,电机部分由L293控制,从而控制电梯的上下行和电梯轿厢的开关,各楼层及电梯内部乘客对电梯的呼叫等信息的处理。
系统硬件由电梯主框架和电梯轿厢组成,主要负责支撑和装载。
传动装置由上下行电机、开关门电机、传动线缆及各种规格齿轮组成主要负责电梯的动作响应。
2.2电梯主控制电路原理
2.2.1电梯控制系统图
图2-2主控制原理图
本电梯系统的整个控制系统结构如图2-2所示,它由四个控制部分组成。
(1)运行管理控制部分:
电梯的呼叫登陆层次表示以及电梯的运行管理等。
(2)运动控制部分:
电梯的楼层监视,产生到达目标层的指令等。
(3)电动机控制部分:
直流电动机的运行速度控制,停开控制,正反转控制等。
(4)门的控制部分:
电梯门的开闭控制。
以上各部分的控制均使用单片机控制,各部分之间通过导线的连接构成了整个电梯的控制系统。
2.2.2主控制电路原理图
图2-3主控制电路图
整个系统由脉冲检测,脉冲计数,层选,比较判断,输出执行,预置以及手动升降等部分组成。
脉冲检测由装在电梯上的干簧管或红外开关完成。
输出执行部分:
控制单元送出的控制信号经电磁继电器和接触器来控制电梯轿厢的运动。
脉冲计数,层选和比较判断等由SST89E516RD单片机来完成[4]。
第3章电梯控制系统的实现及主要元器件介绍
3.1电动机控制模块
3.1.1电动机控制原理
电动机运行行定向控制模块原理如图3-1所示。
图3-1电梯电机控制原理
采用直流电机作为本设计的执行元件,直流电机工作是让线圈始终交替地处于稳定状态和非稳定平衡状态,通过两个半圆环形电枢将线圈的稳定平衡状态消除掉。
这样,载流线圈在磁场中就会一直地转动下去。
直流电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用到,由于本次设计为电梯模型不需要精度很高的控制,主要目的是电梯的控制系统的功能实现,所以,采用直流电机为动力系统[9]。
电梯上、下行的动作由电动机1来完成,相应的控制电动机转动的正反方向来控制电梯的上下行。
正反方向由继电器来控制。
电梯的上、下行定向控制是根据呼梯信号的先后次序,以及当前轿箱所在楼层位置,按照同向优先逆向记忆的规则,由主机根据扫描电路输入的键值,经逻辑控制电路分析处理后,发出相应控制命令,指挥电梯的运行,在电梯运行过程中,随时检测顺呼信号,若无,则方向保持至所选层。
程序采用数据比较指令,对选层信号通道的内容与轿箱位置通道内容进行数据比较,当前者大于后者时,上行定向开关打开。
反之下行定向开关打开[10]。
电梯轿厢的开关由电机2来控制,当电梯轿厢的门开着的时候红外传感器发射管发射的红外信号因为光强的原因达不到红外接收管的一端,所以检测不到信号脉冲。
证明轿厢的门状态为开,反之则为关闭状态[11]。
3.1.2继电器介绍
继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
本系统需要用到两个继电器,一个是用于电梯上下行电机的正反转,一个是用于电梯轿厢开关电机的正反转。
图3-2继电器结构图
电磁继电器的工作原理和特性:
在输入电路内电流的作用下,由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。
它包括直流电磁继电器、交流电磁继电器、磁保持继电器、极化继电器、舌簧继电器,节能功率继电器。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
图3-3继电器结原理图
继电器主要产品技术参数:
(1)额定工作电压:
是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。
根据继电器的型号不同,可以是交流电压,也可以是直流电压。
(2)直流电阻:
是指继电器中线圈的直流电阻,可以通过万能表测量。
(3)吸合电流:
是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。
在正常使用时,给定的电流必须略大于吸合电流,这样继电器才能稳定地工作。
而对于线圈所加的工作电压,一般不要超过额定工作电压的1.5倍,否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。
(4)释放电流:
是指继电器产生释放动作的最大电流。
当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时,继电器就会恢复到未通电的释放状态。
这时的电流远远小于吸合电流。
(5)触点切换电压和电流:
是指继电器允许加载的电压和电流。
它决定了继电器能控制电压和电流的大小,使用时不能超过此值,否则很容易损坏继电器的触点。
3.1.3红外传感器介绍
传感器就是一种能感知某一物理量(如化学量,生物量等)的信息,并能将该信息转化为有用信号的装置。
传感器是人的五官功能的扩展,其功能各种各样。
它能代替人的视觉、触觉、听觉等五官感觉的功能,它能检测人的五官不能感觉的现象。
传感器功能的潜在性决定了应用的广泛性。
它既可用于军事工程,又可用于工农业等国民经济各部门。
它被誉为“八十年代最具有时代性的大量生产的商品”。
传感器的重要作用就是信息的收集、信息数据的交换以及控制信息的采集。
另外,传感器的制作工艺也很复杂。
传感器技术的应用范围非常之广。
它会随着不断满足社会性的需求而不断增加。
新传感器的开发和应用,要求传感器技术的三大支柱即“检测原理”、“生产技术”和“现场(试验)数据”协调发展,传感器必然走向全数字化。
传感器系统将集成在一个芯片上,其中包括为传感器处理器和位执行器,它们构成一个闭环工作为系统。
随着技术的发展,传感器的功能会更多,精度和可靠性会更高,智能化的程度也将不断的提高,优点会越来越明显[12]。
红外技术发展到现在,已经为大家所熟知,这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。
红外传感系统是用红外线为介质的测量系统,按照功能能够分成五类:
(1)辐射计,用于辐射和光谱测量;
(2)搜索和跟踪系统,用于搜索和跟踪红外目标,确定其空间位置并对它的运动进行跟踪;
(3)热成像系统,可产生整个目标红外辐射的分布图像;
(4)红外测距和通信系统;
(5)混合系统,是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。
本电梯控制电路板运用了两只红外管,一只发射,一只接收,构成红外传感器,主要用来检测电梯轿厢是否已经关门,根据检测光线射进轿厢内光线的不同,来判断电梯轿厢门的开关状
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