基于单片机的6层电梯模拟控制系统设计.doc

单片机原理及系统课程设计报告
单片机原理及系统课程设计

评语：

考勤10分
守纪10分
过程30分
设计报告30分
答辩20分
总成绩（100分）

专 业：自动化
班 级：自动化02班
姓 名：魏振东
学 号：201209110
指导教师：张鑫
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2015年1月7日
单片机的6层电梯模拟控制系统设计
1设计目的
这次设计给出了一种基于AT89C52单片机的电梯模型控制系统设计。以单片机为核心，再辅以适当的硬件电路和控制程序来检测和控制整个电梯的信号，具有成本低、通用性强、灵活性大、扩展容易及易于实现复杂控制等优点。
2 方案设计
2.1 设计要求
(1)设置电梯的内外按键，即电梯外都有上或下的按键，电梯内有楼层的选择按键。
(2)电梯状态要有指示灯显示，即电梯目前运行到达楼层的实时显示，电梯升降的状态显示等。
(3)电梯无人时，应默认停在第一层。
2.2 系统的结构框图

图2-1 系统的结构框图
如上图2-1所示，楼层电梯呼叫按键就是楼层外面的上行、下行按键，有需求时即可按下；电梯内呼叫按键就是电梯内部的数字按键，它是内部按键需求的输入；单片机就是整个系统的核心，接收输入信息，经过处理后输出信息；楼层显示数码管就是接收单片机处理的信息，显示此时的楼层数；电梯状态指示灯就是接收单片机处理的信息，显示电梯的状态：上升、下降、停止。电动机的驱动和控制就是接收单片机的PWM脉冲信号来控制驱动器，进而控制电动机的正反转，使电动机牵引电梯做上下运动。
2.3 电动机的选择
我们选用Y100L24三相异步电动机，因为它还具有性能好、寿命长、可靠性高、维护方便、启动转矩大等优点，其功能参数为额定电压380V，额定频率50HZ，额定功率3000W，额定转速1400转/分。
2.4 AT89C52单片机
这次设计采用的是AT89C52单片机，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。其外形及引脚排列如图2-2所示：

图2-2 AT89C52单片机外形及引脚排列
3 硬件系统的设计
3.1 硬件设计思路
电梯最底层为1楼，因此在1楼仅有上升按键，而电梯最高层为6楼，因此6楼
应仅有下降按键。其他楼层则既有上升按键，也有下降按键。在电梯内部按键设
置方面，则应有1～6楼的各层选择按键。按键的一端接地，另一端通过集成电路
芯片连至单片机引脚。 这里用五片双4输入与门74LS21实现16个按键对象的集
体与运算的最终结果，按键动作最终是送到单片机的端。
无论哪一个按键有动作，低电平信号就会送到端，从而引发外部中断0服务子程序运行。当定时器0中断时，单片机向电动机发送PWM脉冲信号，电动机接到脉冲信号后，经过驱动器的驱动，电动机便牵引电梯上下运动。
电梯的楼层显示用七段数码管完成显示。数码管的显示数据通过单片机的P0口来进行传送。
电梯升降的状态用上升和下降指示灯来进行显示，通过单片机的P3.7和P3.6引脚分别连接上升和下降指示灯的负极，其正极均连接至系统正电源处。
3.2 时钟电路

图3-1 时钟电路图
单片机的时钟电路有振荡电路和分频电路组成。其中振荡电路由反相器以及并联外接的石英晶体和电容构成，用于产生振荡脉冲。而分频电路则用于把振荡脉冲分频，以得到所需要的时钟信号。这次设计选择频率为12MHz的晶振，当振荡脉冲频率为12MHz时，一个机器周期为1us。
3.3 复位电路

图3-2 复位电路图
复位是单片机的初始化操作，程序给单片机的复位引脚RST加大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使单片机复位。我们采用电平方式的复位。如图3-2所示，我们通过RST端经由电阻与电源VCC接通而实现，当按键按下时，RST端为高电平复位。
3.4 中断电路
各中断的优先级：外部0中断、定时器T0中断、外部1中断、定时器T0中断、串行发送中断、串行接收中断、定时器T2中断。

图3-3 中断电路图
中断电路如上图3-3所示。图中外部0中断与74LS21与门相接，低电平有效，所以当单片机接电源后，P1.0～P1.3引脚此时为高电平，当任一按键按下后，相应的中断输入口直接与地相接，高电平变为低电平，外部0中断立即响应，单片机系统进入中断控制子程序系统，在中断服务子程序中做出相应的执行指令。
3.5 电动机正反转控制电路

图3-4 带有联锁的正反控制电路
如上图3-4所示，继电接触控制电路，通过接触器、继电器之间的相互联锁，可以实现多台设备按生产工艺进行工作，是实现自动控制及保护的重要环节。当接通电源后，闭合负荷开关QM，按下开关SB1，线圈C1得电，使电动机启动，此时电动机正转。按下开关SB2，线圈C2得电，线圈C1断开，此时电机开始反转。
3.6 数码管显示模块
LED是Light Emiting Diode（发光二极管）的缩写，发光二极管是可以将电信号转换为光信号的电致发光器件。由条形发光二极管组成“8”字形的LED显示器称数码管。通过数码管中发光二极管的亮暗组合，可以显示多种数字,字母以及其他符号。这次设计采用七段数码管。外形如图3-5所示，即左边的7个引脚跟单片机P0口相接，下边的引脚连接地。

图3-5 七段数码管
3.7 按钮控制电路模块

图3-6 电梯不同楼层的按钮
如图3-6所示，按键显示电路模块包括电梯内部的按钮和每层楼的上下按钮，这些按钮一端与地相接，一端又与单片机和与门74LS21相接，外部0中断低电平有效，这样可以实现模拟按键的自如操作。
3.8 模拟电路图

图3-7 模拟电路原理图
4 软件系统的设计
4.1 程序设计思路
首先，必须得合理考虑按键的响应问题。一段时间内可能有多个不同的按键有动作，程序必须记录每一个按键的动作，并根据电梯本身所处的楼层情况与按键楼层之间的位置关系，合理判断出电梯应当做出上升或下降的响应动作。
其次，电梯系统还有一个判断是否无人的情况。即电梯到达某楼层后，其他楼层无按键动作，且电梯内也无楼层选择按键动作，电梯应自动返回到1层等待。
然后，两个楼层之间应考虑有一段运行时间，而且也要设置在一个楼层的停留时间。本设计中两个楼层之间的运行时间设为1s，每层停留时间设为5s。另外，当电梯上升或者下降时，相应的状态指示灯应及时同步点亮。
4.2 程序流程图

图4-1 主程序流程图

图4-2 启动电梯子程序流程图

图4-3 选择当前要去楼层子程序流程图
本设计程序流程图主要包括主程序流程图、启动电梯子程序流程图、选择当前要去楼层子程序流程图。如上图所示。
5.电路仿真及调试

图5-1 电梯默认停在一楼
解析：
如上图5-1所示，电梯没有其他响应时，默认停在一楼，数码管显示1楼。此时各内外按键接地的一侧全部为低电平，接单片和74LS21与门一侧全部为高电平，一旦按钮按下，凡是按键所接的引脚全部为低电平，此时外部0中断低电平有效，外部0中断立即响应。当定时器0中断响应后，开始计时并向电动机发送PWM脉冲信号，经驱动器驱动后，电动机就会牵引电梯做上升或者下降运动，数码管收到单片机的控制信号后就会显示楼层的同步变化，相应的上升、下降指示灯会有所指示。

图5-2 电梯处于上行中，经过三楼，上行指示灯亮
解析：
如上图5-2所示，电梯在四楼及以上有响应，经过三楼，上升指示灯亮。按键按下后，外部0中断立即响应，去执行外部0中断服务子程序。当定时器T0开始计数时，并向电动机发送PWM脉冲信号，经驱动器驱动后，此时电机正转，就会牵引电梯做上升运动，电梯经过三楼，数码管同步显示3楼，上升指示灯亮，下降指示灯灭。

图5-3 电梯处于下行中，经过四楼，下行指示灯亮
解析：
如上图5-3所示，电梯可能没有响应，在四楼以上停了5s就返回一楼，或者是在四楼以下有响应，执行外部0中断服务子程序。当定时器T0开始计数时，并向电动机发送PWM脉冲信号，经驱动器驱动后，此时电机反转，就会牵引电梯做下降运动，电梯下行，经过四楼，数码管同步显示4楼，上升指示灯灭，下降指示灯亮。
6.总结
这次设计是对传统设计电梯的部分改进，可以降低电梯的设计成本，实现楼层快速通行的模拟控制。另外由于此次设计实现的功能简单，简化处理了一些实际情况，没有去考虑电梯在实际应用中的故障问题，以及一些更智能的硬件与软件的安装与调试。
由于时间紧迫，而我能力有限，还有许多功能可以在此基础上进行拓展，例如可以扩展单片机增加智能识别系统，增加电梯内部的温度控制、增加单片机的故障预警等一些智能控制系统。随着科技与经济的深入发展，单片机技术的不断进步，以后的电梯控制系统将会越来越智能化，这对提升人们的生活质量有着深远的意义。
此次设计中我也是遇到了各种各样的难题，经过我的努力以及同学的帮助也是解决了。通过这次的课程设计，使我认识到一个人的能力是有限的，但是一群人的能力是无限的，在以后的工作和学习中，要勤奋踏实，善于思考，这样才能在竞争激烈的社会中提升自我的实用价值。
最后我还要感谢老师的指点迷津以及细心答疑，这让我受益匪浅。

参考文献
[1] 王思明,张金敏,苟军年.单片机原理及应用系统设计[M].北京:人民邮电出版社,2008.
[2] 冯育长,邹小兵.单片机系统设计与实例指导[M]. 西安：西安电子科技大学出版社,2004.

附录：源程序代码
#include<reg52.h>
#define MAXFLOOR 6
unsigned char code LED_CODES[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d};
//电梯外面的按键上下键
sbit F6D=P1^0;
sbit F1U=P1^1;
sbit F2D=P1^2;
sbit F2U=P1^3;
sbit F3D=P1^4;
sbit F3U=P1^5;
sbit F4D=P1^6;
sbit F4U=P1^7;
sbit F5D=P3^0;
sbit F5U=P3^1;
//电梯内的按键
sbit F1=P2^0;
sbit F2=P3^3;
sbit F3=P3^4;
sbit F4=P3^5;
sbit F5=P2^1;
sbit F6=P2^2;
//指示灯
sbit ledu=P3^7;
sbit ledd=P3^6;
sbit open=P2^3; //开门键
sbit close=P0^7; //关门键
//电动机的驱动接线
sbit a1=P2^4;
sbit a2=P2^5;
sbit a3=P2^6;
sbit a4=P2^7;
bit dir=1,stop=0; //dir表示1为向上，0为向下；stop表电梯是否停止
unsigned char nf=1; //当前楼层
unsigned char cf=1; //要去楼层
unsigned char df; //楼层差（电梯停止依据）：df=|cf-nf|
unsigned char tf; //暂存当前楼层（显示码指针）：tf=nf
unsigned char flag,count=0; //flag=1表示正在运行；count=乘坐时计数值
unsigned int timer1=0,timer2=0; //timer1为楼层间运行时间计数值，timer2为等待计数值
unsigned char call_floor[7]={0,0,0,0,0,0,0}; //存储每层楼的信息，1为有人呼叫或者有人前往
//主程序
void select_next();
void step(bit dir);
void delay(unsigned int z);
void main(void)
{P0=LED_CODES[1];
TH0=0x3C;
TL0=0xB0;
TMOD=0x01;//工作方式1
ET0=1;//允许定时器中断
EA=1;//中断总允许
EX0=1;//允许外部0中断
IT0=1;//为脉冲触发方式，下降沿有效
while(1)
{ if(!flag&&!stop)
{select_next(); // 决定电梯去哪一层
step(dir); // 电梯启动
}
else if(stop)
{timer2=0;
TR0=1; //启动定时器/计数器工作
while(timer2<100&&stop);
TR0=0;
timer2=0;
stop=0;}
}
}
//选择当前要去的楼层子程序
void select_next()
{ char i;
if(nf==MAXFLOOR)
{
dir=0;
}
else if(nf==1)
{
dir=1;
}
if(dir==0)
{
if(call_floor[nf]==1) //要去的为当前层，即只需延时5s
{call_floor[nf]=0;
stop=1;
return;
}
for(i=nf-1;i>=1;i--) //向下运行时查找下一个要去的楼层
if(call_floor[i])
{cf=i;return;}
dir=1;
for(i=nf+1;i<=MAXFLOOR;i++) //没有向下走的人，即反向运行
if(call_floor[i])
{cf=i;return;}
dir=0;
cf=1; //经过上面的判断此处表示电梯没有人，默认停在一楼
}
if(call_floor[nf]==1)
{
call_floor[nf]=0;
stop=1;
return;
}
for(i=nf+1;i<=MAXFLOOR;i++)
if(call_floor[i])
{cf=i;return;}
if(i==7)
{dir=0;
}
}
//启动电梯子程序
void step(bit dir)
{
if(cf==nf)
return;
else if(!flag)
{flag=1;
delay(50);
if(dir==1)
{ledu=0;
ledd=1;
}
else
{ledd=0;
ledu=1;
}
timer1=0;
TR0=1;
}
}
void delay(unsigned int z) //延时程序
{
unsigned int x,y;
for(x=z;x>0;x--)
{
for(y=125;y>0;y--)
;
}
}
//定时0中断，可利用此发送电机PWM脉冲信号
void time0_int() interrupt 1
{
TH0=0x3C;
TL0=0xB0;
timer1++;
timer2++;
if(flag)
{
if(timer1==20) //到达一个楼层延时1s
{ timer1=0;
if(dir)
nf++;
else
nf--;
call_floor[nf]=0;
flag=0;
TR0=0;
P0=LED_CODES[nf]; //显示当前楼层
if(cf==nf) //到达呼叫楼层，关电机
{TR0=0;
ledu=ledd=1;
stop=1;
return;
}
}
}
}
//外部中断0服务子程序
void int0() interrupt 0
{if(F6D==0)
call_floor[6]=1;
else if(F1U==0)
call_floor[1]=1;
else if(F2D==0||F2U==0)
call_floor[2]=1;
else if(F3D==0||F3U==0)
call_floor[3]=1;
else if(F4D==0||F4U==0)
call_floor[4]=1;
else if(F5D==0||F5U==0)
call_floor[5]=1;
else if(F6==0)
{call_floor[6]=1;stop=0;}
else if(F1==0)
{call_floor[1]=1;stop=0;}
else if(F2==0)
{call_floor[2]=1;stop=0;}
else if(F3==0)
{call_floor[3]=1;stop=0;}
else if(F4==0)
{call_floor[4]=1;stop=0;}
else if(F5==0)
{call_floor[5]=1;stop=0;}
}

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