基于单片机的电梯模型控制系统设计.docx
- 文档编号:9952333
- 上传时间:2023-02-07
- 格式:DOCX
- 页数:39
- 大小:2.97MB
基于单片机的电梯模型控制系统设计.docx
《基于单片机的电梯模型控制系统设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于单片机的电梯模型控制系统设计.docx(39页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的电梯模型控制系统设计
广西科技大学
毕业设计说明书
课题名称:
基于单片机的电梯模型控制系统设计
院别电气与信息工程学院
专业电气工程与自动化
班级电气101
学号************
姓名韦英鹏
指导教师李克讷
2014年5月20日
摘要
本设计是基于AT89C52单片机,主要利用单片机的可编程特点实现电梯控制系统基本功能的设计。
根据国内外研究现状和背景对比,选择出可行的电梯系统设计方案。
本系统具有结构简洁,便于设计的特点。
在体积与重量得到优化的基础上,增加了灵活控制、精确实现的功能。
本设计的硬件主要是由最简单的微控制器模块,楼层信息数码管实时显示模块,内部和外部的电梯按键控制模块,LED显示和报警目的楼层模块显示模块等构成的。
对于软件部分,本设计使用KEIL通过C语言对程序进行编译。
此外,通过Proteus软件对本设计系统进行仿真调试处理,从理论上证明了方案的可行性。
本设计可以实现由外部呼叫以及内部按键对控制方向进行选择。
使用LED数码管对实现楼层信息进行同步显示。
以直流电机模拟真实电梯工作状态,通过H桥驱动直流电机,实现电梯运行的精确控制。
关键词:
AT89C52;电梯;控制系统;C语言
ABSTRACT
ThedesignisbasedonAT89C52,themaincharacteristicsoftheuseofprogrammablemicrocontrollertoachievethebasicfunctionsoftheelevatorcontrolsystemdesign.Basedonthecomparisonofdomesticandinternationalsituationandbackground,selectaviableelevatorsystemdesign.Thesystemhasasimplestructure,easydesignfeatures.Optimizedinsizeandweight,basedontheincreasedflexibilityandcontrol,toachieveprecisefunction.Thisisprimarilydesignedhardwaresimplemicrocontrollermodules,real-timedigitalfloorinformationdisplaymodule,theinternalandexternalcontrolmoduleselevatorbuttons,LEDdisplaymoduletodisplaythedestinationfloorandalarmmoduleconfigured.Forthesoftwarepart,thedesignbyusingKEILClanguageprogramtobecompiled.Inaddition,thedesignofthesystemProteussoftwaresimulationdebuggingprocesstheoreticallyprovethefeasibilityoftheprogram.Thisdesigncanbeachievedbyexternalandinternalcallbuttonsonthecontrolofthedirectionofselection.UseLEDdigitalfloorinformationforachievingsimultaneousdisplay.ElevatorDCmotortosimulaterealworkingconditions,throughtheH-bridgeDCmotordrivertoachieveprecisecontroloftheelevatoroperation.
KEYWORDS:
AT89C52;elevator;controlsystem;Clanguage.
1.绪论
随着现代社会科技的高速迅猛发展,人们的住宅、写字楼和商业楼宇等,现已经慢慢往高楼大厦方向发展[1]。
电梯已经是高层建筑,住宅,写字楼等高大建筑中不能缺少的垂直升降机输送工具。
因此,电梯在我们生活中有着非常重要的作用。
电梯不仅是生产过程中的重要设备,更是在高楼大厦建筑中的一种垂直运输工具,亦是人们经常使用到的工具。
1.1课题背景和意义
首先电梯是集电气控制技术,机械原理的多学科应用,微处理技术系统工程于一体的垂直交通工具,亦是电气设备之一[2]。
其次,它也是建立一个永久性的垂直运输工具。
在电梯的生产生活作为一种典型的运输的工具已经非常流行了,它的控制信号类型,复杂的关系,控制的高性能要求。
现如今,越来越多的对电梯控制性能与运行速度也提出了更高的要求[3]。
在中国,早在20世纪90年代初和80年代投入使用的电梯,大都采用继电器阵列结构。
这种结构布线复杂,噪音大,事故率高,维修也不便,因此无法满足现代社会的要求。
在第二十世纪,八十年代初期以来,随着计算机控制的大力发展。
经常使用计算机控制的主要有两种技术:
基于单片机控制和基于PLC控制的两种技术[4]。
可编程逻辑控制器,继电器保护装置是一种传统的控制技术和计算机技术一起结合的产品,它是以微处理器为核心的专用计算机数字控制[5]。
这种技术具有很强的抗干扰能力,在很多较差和恶劣的环境下也适用于许多工业控制领域。
所以现在的电梯控制主要由PLC控制。
但针对性是比较强的,根据每个个体的设备而设计的,所以价格也更贵。
而使用单片机芯片价格十分便宜,也不像PLC那样具有针对性的。
用该设备可以不断更新修订和完善设备,这样可以更好的使设备升级。
基于单片机的控制可以减少较多的成本,运行起来也是非常可靠的。
因此,采用单片机改进电梯控制系统无疑是最佳方案。
而单片机具有体积玲珑,电路简便,声音小,可靠性高,维修容易的优势,是一些投入少、高回报的投资方案[6]。
1.2国内外的发展现状
在现代社会中,电梯已然成为一个都市物质文明的象征和标志了[5]。
尤其是在高层的建筑楼宇中,电梯更是上下楼的主要交通工具的必须品。
1951年,电梯安置在天安门的是中国庆生电机工厂自己研发的[3]。
在电梯行业的快速发展,改革开发的今天。
在任何一个城市,电梯都被广泛应用于高层建筑之中。
电梯可以为让每个主要的高层建筑成为一个垂直的小城市。
中国第一高楼,位于浦东,上海金茂大厦,地上主楼有88层,420.5米高,面积220000平方米,是一栋集有贸易,金融,办公和游览等综合性大型建筑。
这里共有60部电梯,18部自动扶梯,这其中的重要作用显然是不言而喻的。
之前纽约的前世贸大厦中,除了每日有五万人上班之外,还会有八万人次的旅游和来访[7]。
因此,这里的250部电梯和75部自动扶梯将发挥运输全部功能,运输人员合理调度变成了现实。
随着电力电子技术的发展,在上世纪80年代后期,通过控制电机的定子电压和频率调整成功开发了电梯速度调节器技术,出现了交流变压变频(VVVF)调速电梯[8]。
近年来,日本做出了世界上最高速的AC变压器调频调速电梯12.5米每秒的速度,这也是直流高速电梯开始的历史新领域。
为了缩小中国和国外的差距,我国的许多企业都和外国企业加强合作。
通过外派学习,以及进口产品,不断的提高我们技术水平和质量。
1.3课题设计内容
在现代科技的高速发展,微型计算机也在不断的更新升级。
未来将会大大降低电梯的容积,功能也会不断地完善,控制过程更稳定,机械和电气可靠性强。
单片机控制技术也更好的集成分配设备中的各个内部部件,计算机,仪器仪表和电子功能使用在一起。
所以,微机控制技术将成为一个在电梯运行中的非常重要的技术。
本设计是基于单芯片控制系统的一种电梯控制系统。
原本的电梯控制系统不是一个简单的系统,在本设计中只实现电梯的基本功能:
命令响应、楼层呼叫、主动停止等。
微控制器的输出电压经由驱动电路并控制电机工作。
在本次设计中,是以5层电梯作为研究对象,利用单片机(AT89C52)控制系统的设计作为计算机控制系统。
1.4软件与硬件的开发环境
目前的计算机软件的可编写程序的有C语言、C++、汇编语言、VB、JAV等语言。
本设计的使用的是C语言编写程序;因为C语言的程序设计结构化简单,运算符丰富。
还有数据结构类型丰富,适应性广,书写灵活方便,关键字简洁,控制结构灵活简单。
1.4.1C52的程序开发软件Keil
除了必须要的硬件开发之外,也不能没有所需的软件开发。
在这之前,首先要编写汇编语言。
然后转换成CPU能够读取的机器代码。
这有两种方式,一种是手工手动组装,另一个是机器编写。
现在很少有人用手工装配方法。
机器码是利用编制软件编的,最早出现在MSC-52装配软件的早期52软件中。
随着单片机技术的发展,还有计算机的汇编源代码的进步。
从一开始就利用汇编语言来做高级语言的开发,目前单片机写入程序代码的软件也在持续发展,KEIL是最常用到的编码MCS-52系列的单片机的软件[9]。
近年来,许多仿真机厂商都不断宣布,全面支持KEIL软件就可以看出。
KEIL软件供应了几乎全部的开发程序包涵宏汇编器、C语言编译器、库的管理、链接器和健全的调试程序,还包涵了模拟仿真。
目前,计算机可以与KEIL软件中运行时,操作系统需要WIN98,WIN2000,WinXP的,Win7等更高版本系统都可以使用。
本论文利用到51系列单片机,所以KEIL软件是必须要到的。
很容易在集成环境(uVision)下使用到的,本设计使用C语言编程,所以选择功能强大的软件仿真的KEIL软件调试工具。
KEIL是一个很好的单片机应用开发软件,编辑,编译,仿真,和许多其他功能。
也有着汇编语言,PLM语言和C语言的设计。
其结构合理化,操作简单,使用方便。
KEIL生成目标的代码效率是非常高的,大多生成的汇编代码语句也很紧凑,理解方便[10]。
这在大型软件开发利用高级语言中更准确反映出来。
1.4.2Proteus硬件仿真软件
Proteus软件是一个电子设计自动化用的软件,投资少[10]。
有着不计其数的数字和模拟组件,还能够模拟仿真,直流和交流等多种元器件。
有超过30组件库,Proteus软件还提供了多种实用的仿真工具。
在这里,软件提供了一个图形显示,可以将线路上变化的信号,以图形的方式实时地显示出来。
这些虚拟仪器带有一个更精确的指示器的参数。
如:
高输入阻抗,显示低输出阻抗与最小化仪器上的衡量结果,还有充足的空间给测试电路的标出结果,这包涵了数字和模拟信号影响。
还有提供PCB设计功能。
单片机模拟及其外围设备的同时,单片机也可以仿真运用。
还有设备的仿真,如:
示波器,LED,马达等。
Proteus软件亦是一个元器件库。
有许多组件,如ROM、RAM、LED、LCD、电机、键盘、SPI设备等。
而在编译方面,KEIL是和MPLAB是可以相互支持的。
一部电脑,一个电脑仿真软件,一册实验虚拟教程,这些和一先进实验设备几乎是等价的。
用虚拟先代替实物、软件先代替硬件,就可以建立完整虚拟实验室。
在学习单片机的应用中,也要再看看学习模电、数电和电路等一些课程。
然后再做电路设计,仿真,调试,最终做出一个实物和调试出来。
Proteus与其他的仿真软件比较还是有许多差别的地方[11]。
它不但是可以做仿真单片机的CPU仿真工作,也可以做单片机外围电路仿真,或者没有单片机参与其他电路的仿真。
因此,在仿真和调试里,还是要看看另外给出微控制器的寄存器和这个存储器实际情况的报告。
进行仿真时,不仅仅是看某些语句的执行,要看变化的过程和结果,并观察程序与电路是怎么工作的。
2.设计比较和论证
2.1方案论证
本章节主要讲的是准备材料和运用什么样的方法选择和实现。
分别介绍的是主控制芯片的选择、楼层显示模块选择、电机模块的选择、电机驱动模块的选择等。
主要从它们的性价比和优缺点来进行选择。
2.1.1主控制芯片的选择
方案一:
用多块单片机的控制方案。
这样的解决方案是同时使用多芯片微控制器,除了设置电梯的控制系统,每个控制系统都是由一个微控制器控制的,用于作为主控制器[9]。
然后通过主控制器和次控制器之间的联系,实现对电机以及电梯歌部分的控制。
该方案控制系统结构简单、清晰,便于维修和控制独立测试。
因此,按照功能的需要,需用到5块AT89C52才能完成电梯基本功能。
但单片机之间有很多通讯联系,依靠目前的状况是一个艰难的问题,可能会导致在运行时不够稳定。
方案二:
就用1块单片机做电梯主控制器的使用。
单片机与单片机控制按钮,电机转动,传感器的输出信号,数码管显示,还对各个元件信号做出处理。
这种方法是不太好做复杂的控制系统,适合用在一些简单的电梯控制系统中。
单芯片技术如今已经比较成熟,硬件的设计也较为简单,资源较多,安全性高,本钱低,再加上一些基本的软件,就可做出了简单的模拟电梯运作状态[1]。
因为这个实验的内容是5层电梯控制设计,硬件和软件方面设计要求简单,还有从性价比方面的对比。
所以使用方案一。
2.1.2楼层显示模块的选择
方案一:
使用点阵液晶显示(LCD)显示所有的数据和相关信息。
点阵液晶显示是一种低功耗器件。
但它的可视角度较小,亮度不够高,画面也均匀度和反应时间都还有点瑕疵,其价格昂贵。
方案二:
使用平常的7段发光二极管(LED)显示出实时信息。
功耗也不是很大的,它的软件驱动硬件电路简单,硬件不复杂,价格也便宜,亮度够,工作电压低,寿命长[13]。
这是可以满足设计要求的。
电梯的层站显示应该要较高亮度,寿命较长和功耗上考虑的,还有从性价比的考虑。
两种方案,进行比较一下,应选择方案二。
2.1.3电动机模块的选择
方案一:
采用步进电机作为本毕业设计的执行器件,步进电机在定位性能方面有非常多的优点的。
步进电机与普通电机之间的差异是驱动脉冲的形式,是没有A/D转换的,数字脉冲信号直接转换成角位移。
通常每转的步进电机角为1.8°。
在应用中,步进电机能够同时做2份工作,一个扭矩传递,信息的传输是另一个,升降准确度高。
但是它的转矩不够大,负载能力比较小[14]。
方案二:
选直流电机作为本毕业设计的执行器件。
直流电机的工作总是使其线圈轮流在稳态下和不稳态下的平衡状态交替着,经过电流的方向可以实现电机(马达)的正反转控制[14]。
直流电机在平时高起动转矩、低惯性量、大转矩的系统中常常用到的。
本次设计主要是采用相对负载较大电机的,而升降精度要求不是非常高,转矩较大。
所以这选择了方案二。
2.1.4电机驱动模块的选择
本设计的直流电机工作需要一个驱动来使它转动,因为单片机的I/O接口电压过低,不能让电机转动起来,所以需要个驱动电路。
方案一:
采用H桥电机驱动电路
H桥电机驱动电路是可以自己制做,只需采用几个三极管和二极管连接到直流电机上就做成了一个较简单的电机驱动电路。
也可以驱动负载较大的直流电机。
优点有内阻极小、开关速度快、简单易懂、价格优惠、自主性强等。
方案二:
采用MC33886电机驱动模块
MC33886的电机驱动模块是由飞思卡尔这家半导体公司提供制作的。
这驱动板呢,是可一起驱动2个电机的,输出电流能够可达5A,能够实现PWM控制,正反转,调速,刹车和其他实时控制功能[3]。
具备过流,高温与欠压的自动保护,故障状态提示等功能。
MC33886电机驱动模块有以下特点:
1)具有短路保护;
2)具有欠压保护;
3)具有过温保护;
本课题设计要求电机驱动模块是能够实现直流电机正反转,而且还要平稳调速、抗干扰性强、价格便宜、使用简单方便等。
对以上两种电机驱动模块做比较,应选择使用方案一。
2.2单片机控制电梯的主要方法
第一,对实际的电梯系统进行模拟。
通常来说,做模拟电梯应有相关配件,有几个发光二极管、数码管和有关按键等等。
因为这仅仅是一个调度模块,所以就没有设计轿厢和其他实物部件的设施。
其次,联系所用到的实物,选出合适的单片机芯片,并且分为几个模块,分配好各自之间的工作。
因为它有许多按钮和显示的链接环节,但单片机I/O端口引脚较少。
所以对I/O端口的扩展就显得有必要了,连接管理二极管,也需要特殊的键盘控制芯片,这样才好方便按键的管理。
然后,设计一个完整的电路图,焊接的相关硬件设备,并且进行硬件调试,看看它是否正确可用。
完成之后,再加以适当的校正调试,这样可让硬件设计简单又实用。
最后,如果每个选层按键使用一个独立的按键设计。
这样可以大大的简化了按键扫描按钮的流程,也就很容易收集信号的。
由于单片机的I/O接口较少,而模拟电梯控制系统会用到较多按钮,所以无足够的接口。
为了节省端口是使用,本设计采取4×4矩阵开关电路为一个按键,做选择的外呼内选的请求控制。
同样的问题,显示楼层电路选用数码管用数字显示出来。
为针对电梯控制系统与现实相类似的设计,这必须有电梯往上运行和往下运行的要求。
五层楼,可以使用五个发光二极管为代表,表示目的楼层站是不是有请求,有的话就亮,没有就灭。
对于选用查询模式还是中断模式来检测乘客请求信息,还需要根据实际的设计方案的确定。
还需要正确的按钮请求状态的采集,系统必须不断地调用键盘扫描程序,这也多了一点软件编程的难易程度。
使用微控制器为核心,加上适当的接口的输入和输出通道,即可解决问题。
在现实生活里的每层楼的电梯控制系统都配备了传感器,这是为了确定电梯的准确位置。
这个模型使用的是延时功能,是对多层站电梯而控制的。
当电梯抵达目的地时,电梯门就缓缓地开。
然后又延时关门,如果是没有呼叫申请的话电梯就在这楼层停止并等待着。
而软件部分采取KEIL软件作为开发环境,使用C语言编程,利用查询方式来检测用户请求的按键信息和相对应的函数。
电梯在现代社会中起着越来越重要的地位,如何使其发挥更大的作用是改善电梯更加先进和减少成本控制方案的关键[15]。
使用单片机,是因为它性价比高,操作性能可靠而如此受欢迎的。
所以单片机作为电梯控制系统的应用将成为电梯的未来发展方向的一个趋势。
促进更便宜的电梯行业的发展成本的方案设计和优化起着重要的作用。
通过对具体问题,对具体程序进行分析,这个设计也是在努力朝这个方向靠近。
并且同老师同学交流解决问题。
3.硬件模块设计与仿真
3.1硬件的整体设计
①设计思路
其基本想法思路是基于AT89C52单片机为核心,利用其灵活的I/O接口和外围电路与控制的多样性优势进行配合控制。
采用延时功能控制电梯位置验证,对电梯层站建设与静态数码管显示实时楼层,使用矩阵按键作为电梯的内外选择。
因为本设计只是五层的,所选择要4×4矩阵键盘就足够了。
这样如果电梯到目的楼层,电梯不就再运行,那么人员就可以进去和出来了。
然后进入的乘客可以选择进入楼层,根据所选择的层,以确定该乘客的去向。
然后继续运行。
往上的过程当中用单片机来控制,梯仅呼应往上走的请求。
而在向下运行的过程里,它就仅理会向下的请求。
由单片机是用来来控制电梯的正常工作的。
②功能框架图
本电路主要由六个部分构成,其分别是:
1、单片机最简系统电路;2、键盘电路;3、电机(马达)驱动电路;4、楼层显示电路;5、警报电路;6、目标显示电路。
六个部分中的单片机最小系统主要是由复位电路构成。
经过电路复位楼层显示数字“1”表示在一楼,这个是通过数码管来显示。
电梯的具体位置,通过延时这个电路来控制的。
延时的电路有5s延迟和3s延迟。
通过五秒的延迟,每层控制之间没有间隔或五秒的延迟,5s运行了一层。
其中三秒延时是开门时间,三秒后电梯关门又继续运行。
电梯的运行状态是由2个LED来表示的。
上面的灯亮,说明电梯朝上运行。
而下面的灯亮,说明电梯往下运行的。
电梯是由单片机进行控制的,而单片机是由单片机程序控制。
③实物前期准备
在做实物之前,先根据仿真图中需要到多少个元器件。
然后按照这个列出一个元器件清单。
按照清单上所列举的器件在网上或者实体店买,有时要多买一个防备着。
总体方案图如下图1所示:
图1总体方案方框图
AT89C52是一款低电压,高性能CMOS8位单片机,如图2所示。
器件使用的是ATML公司的高密度,不容易失性储存技术生产的。
和标准MCS-51指令系统与8052产品引脚兼容。
单片机里有通用的八位中央处理器(CPU)和Flash存储单位[16-19]。
图2封装过的AT89C52引脚
3.2单元模块的设计
①键盘矩阵电路的设计
因为这个电路要需要蛮多的按键,所以在此为省点单片机的I/O接口,就应采用行列键盘。
本设计电路使用的是4×4的键盘矩阵,分成外部按键和内部按键两个部分。
电路图如总图8所示,0到7是接在单片机P3接口上的。
单片机用行列扫描的方法来确定这16个按钮的,并且判断确认哪一个按键被按下。
而后把这信号储存起来,接着是依据每一个按钮的作用由单片机来控制电梯的工作。
现在把每个按键的功能简单地做一下介绍解释,如下:
NF上:
N层向上的按钮。
这个按扭按下去,就说明有人要在第N层要乘电梯上去,然后单片机就把这信号读取转化,待电梯走到该层时,就等待响应。
N表示“1”到“4”的数字,比如1F上。
具体在按键上标有就行。
如图3所示:
图3向上按钮
NF下:
N层向下的按扭。
这个按扭按下去,就说明有人要在第N层要乘电梯下去,然后单片机就把这信号读取转化,待电梯走到该层时,就等待响应。
N表示“2”到“5”的数字。
比如2F下。
如图4所示:
图4向下按钮
下图是设计中运用的上下行按键,如图5所示:
图5电梯的上下按键
选NF:
电梯中的选择第N层按键。
这个按钮呗按下,说明电梯中人要去第N层,单片机就根据这信号来控制电梯动作。
如图6所示。
N代表的是“1”到“5”的数字。
比如选1F。
图6选层按钮
警报:
电梯的警报按键。
这个按键被按下说明电梯出现一个状况,单片机根据这信号就会停止电梯的运行,然后警报灯亮,并且发出警报声。
这个报警按键是装在电梯轿厢内部的。
如图7所示。
图7报警按钮
还要说明的是:
实物中的按键与仿真软件中的各个按键命名会不一样,但无妨,按键顺序设计的。
比如仿真“1F上”是对应实物的“S1”、“警报”对应实物的“S16”等等。
这样是为了便于记忆,简单明了。
下图是本设计运用的键盘按钮全图。
其如图8所示:
图8键盘矩阵电路
②单片机的最小系统设计
单片机的最小系统,也称做最简单的应用系统[11]。
指的是一个系统以最小的部件,并且可以配置在微控制器工作。
在本设计中,这个最简系统应包涵有:
单片机集成电路、复位电路、晶体振荡电路等电路。
如下图所示,一个晶体振荡电路是由两个电容构成。
晶体振荡器是提供脉冲信号的,其频率就是单片机的工作频率。
这意思是说,如果没有晶体,也意味着没有时钟周期,当然也就不能执行程序代码了。
这样单片机也就不能工作了。
然后在晶体2个引脚接口地方放2个10pF的到50pF电容,其目的是为了减少谐波对电路的稳定性的影响。
复位电路使用一个按钮来重置的方式,是由2个电阻,1个电容和1个复位按钮构成。
假如芯片的RST引脚有两个或多个周期的高电平,它就复位操作。
如果RST仍高,单片机它自己循环复位的。
其每一次复位之后,然后就会从第一个程序最先执行,新的工作就开始。
最小系统电路如图9所示:
图9
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 单片机 电梯 模型 控制系统 设计