基于单片机控制电梯的超载显示与报警大学论文.doc

基于单片机控制电梯的超载显示与报警

摘要

本文将介绍一种基于单片机控制的电梯超载显示及报警，就是用单片机实现载重的测量，传统的重量检测大多以压电阻为压力传感器，但压敏电阻的可靠性差，测量载重准确率低，而且必须经过专门的接口电路转换成数字信号才能由单片机进行处理。本次采用JPT系列数字温度传感器来实现基于89S51字重量计的设计用LED数码管以串口传送数据,实现重量显示,能准确达到以上要求，可以用于重量等非电信号的测量，主要用于对测重比较准确的场所，或科研实验室使用，能独立工作的单片机载重检测、载重控制系统已经广泛应用很多领域。

关键字：89S51单片机 IDS4004 ; JPT

引言 
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。而由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级，且有价格便宜，电路简单，出现故障容易维护等优点。 

电梯超载存在问题

随着我国城镇化速度的加快和人民生活水平的不断提高，电梯已成为生活、生产不可或缺的垂直交通工具，但电梯在提升公众生产、生活效率与质量的同时，其安全保障工作也成为一项民生工程，其安全状况备受公众与媒体关注。  在这个不断膨胀的“世界第一”电梯市场中，安全应是第一要素。据国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局公布的资料，在近年电梯事故中，违章操作占62.7%，设备缺陷为22.7%，意外为8.0%，非法使用设备为6.6%；在事故伤害人员中，普通乘客为50%，维保人员为13%，安装工人为12%，电梯操作人员为4%，其他保安等未经培训人员为21%。通过比较，设备缺陷及普通乘客伤害所占比例较高，加之在整体电梯事故中因超载发生的事故对人员伤亡很大，损失很重，所以对超载导致的事故引起相关部门的足够重视。 本文统计了数起因电梯超载装置问题引起的事故，并对各起事故进行了分析，进而探讨了解决方案，以防止超载装置失效和事故预防的目的。

解决方案
根据电子秤原理设计制造的一种电梯超载保护装置， 并已广泛应用于电梯的称重超载保护装置。如图 1所示：
图1 电 梯超 载保护装置图
电阻应变传感器是七十年代初发展较快的一种传感器， 具有灵敏度高、 稳定性好、 线性好 、 准确可靠和极好的过载能力， 加上现在的电子技术， 很容易实现对电梯的准确称重并给出相应的接口信号， 传送到电梯的控制系统中实现系统控制， 实现电梯的超载保护。
工作原理， 当电阻应变传感器受重力作用时， 传感器输出与重力成线性关系的电压信号(满量程为12my左右)， 电阻应变传感输出的电压信号经放大器放大送到模数转换器(A／ D )， 将模拟信号转换成数字信号送到微处理机处理后， 传输到电梯控制系统中实行电梯的整机功能调节。例如， 电梯根据称重装置实际负载， 给出相应的启动电流， 让电梯控制变得更为平稳顺畅， 使电梯运行的舒适感 、 稳定性以及节能性达到最佳状态。当电梯出现超载时， 经电梯控制系处理后， 使电梯门不能关闭、 不能选层、 同时切断相应的供电回路， 使电梯不能启动， 并满足 GB7588- - 2003(电梯制造与安装安全规范》 第 l4． 2． 5 条(新增)规定要求， 实现对电梯的超载保护。另外还可以送到电梯轿厢内显示轿厢内的实际重量， 给电梯乘客指示当前轿厢内的实际重量， 使电梯乘客感到直观并且不容易出现超载现象。
电阻应变传感器是一种可双向受力的传感器， 既可受拉力， 又可手压力， 用于电梯的称重超载保护装置时， 安装简单方便， 可安装在电梯机房或电梯轿顶等地方， 应变传感器电压信号可直接送到主控制器， 也可通过应变传感器电压信号处理仪， 将应变传感器电压信号变为数字信号送到中央微机， 该仪器体积小， 重量轻， 灵活方便。

设计要求
当客梯正常运行时，指示灯显示绿色LED灯点亮，数码管显示载重记数，以50Kg为一个单位记数，语音播报“欢迎光临”；以记数10人为满载；客梯超载时，指示灯显示红色LED灯点亮，数码管显示载重记数，语音播报“乘客已满，谢绝进入”。

方案设计

由设计要求可知，要完成预定功能，需要预设压力感应器，将感应信号传输到单片机系统、执行机构。如图2所示框图结构。

单片机
JPT-8检测载重重
LED指示灯
数码管显示
语音播报
JPT-8检测载重
JPT-8检测载重

图2 结构框图

原理介绍

JPT载重检测
JPT 系列平膜片压力传感器采用无腔结构，保证测量过程中无粘稠介质堵塞的情况， 一体结构，内部无硅油填充，膜片采用专用的硬质不锈钢，其厚度在1mm以上， 即使测量
介质中含有坚硬颗粒， 也不会损伤膜片。敏感元件采用高灵敏度的精密硅应变计，采用特殊工艺经高温烧结与不锈钢结合到一起，该产品具有优异的稳定性，耐高温，抗过载，抗
腐蚀能力。后端的放大电路采用精密数字补偿电路， 消除温度变化带来的误差，产品有4 ～ 20mA, 0 ～ 5V, 1 ～ 5V 等多种输出形式，电路具有抗干扰、过压保护等功能。使用于环境恶劣的泥浆，沥青，原油，融腊，化工涂料，油漆等粘稠介质的测量与控制。该类传感器通常也称为：平膜压力传感器，无腔压力传感油漆等粘稠介质的测量与控制。该类传感器通常也称为：平膜压力传感器，无腔压力传感器， 膜片型压力传感器，原油压力传感器，泥浆压力传感器，化工压力传感器，油漆压力传感器， 食品压力传感器，隔膜压力传感器，卫生型压力传感器等名称
如图3，JPT外形接线图

89S51单片机介绍

组成：运算器、控制器。8051的CPU包含以下功能部件：
（1）8位CPU。
（2）布尔代数处理器，具有位寻址能力。
（3）128B内部RAM数据存储器，21个专用寄存器。
（4）4KB内部掩膜ROM程序存储器。
（5）2个16位可编程定时器/计数器。
（6）32个（4×8位）双向可独立寻址的I/O口。
（7）1个全双工UART（异步串行通信口）。
（8）5个中断源、两级中断优先级的中断控制器。
（9）时钟电路，外接晶振和电容可产生1.2MHz～12 MHz的时钟频率。
（10）外部程序/数据存储器寻址空间均为64KB。
（11）111条指令，大部分为单字节指令。
（12）单一+5V电源供电，双列直插40引脚DIP封装。
（1）运算器
组成：8位算术逻辑运算单元ALU（Arithmetic Logic Unit）、8位累加器A（Accumulator）、8位寄存器B、程序状态字寄存器PSW（Program Status Word）、8位暂存寄存器TMP1和TMP2等。
功能：完成算术运算和逻辑运算。
（2）控制器
组成：程序计数器PC（Program Counter）、指令寄存器IR（Instruction Register）、指令译码器ID（Instruction Decoder）、堆栈指针SP、数据指针DPTR、定时控制逻辑和振荡器OSC等电路。
功能：CPU根据PC中的地址将欲执行指令的指令码从存储器中取出，存放在IR中，ID对IR中的指令码进行译码，定时控制逻辑在OSC配合下对ID译码后的信号进行分时，以产生执行本条指令所需的全部信号。

存储器
MCS-51的存储器可分为程序存储器和数据存储器,又有片内和片外之分。
（1）程序存储器
一般将只读存储器（ROM）用做程序存储器。可寻址空间为64KB，用于存放用户程序、数据和表格等信息。MCS-51单片机按程序存储器可分为内部无ROM型（如8031）和内部有ROM型（如8051）两种。
（2）数据存储器
一般将随机存储器（RAM）用做数据存储器。可寻址空间为64KB。MCS-51数据存储器可分为片内和片外两部分。
片外RAM：
最大范围：0000H～FFFFH，64KB；用指令MOVX访问。
片内RAM：
最大范围：00H～FFH，256B；用指令MOV访问。又分为两部分：低128B（00～7FH）为真正的RAM区，高128B（80～FFH）为特殊功能寄存器（SFR）区。如右图所示。
3．特殊功能寄存器 （SFR）
MCS-51有21个特殊功能寄存器（也称为专用寄存器），包括算术运算寄存器、指针寄存器、I/O口锁存器、定时器/计数器、串行口、中断、状态、控制寄存器等，它们被离散地分布在内部RAM的80H～FFH地址单元中（不包括PC） ，共占据了128个存储单元，构成了SFR存储块。其字节地址可被8整除的SFR可位寻址。SFR反映了MCS-51单片机的运行状态。
外部接线
1．电源线
GND：接地引脚。
VCC：正电源引脚。接＋5V电源
2．端口线
P0～P3口：4×8=32条。
（1）P0口（ P0.0～P0.7 ）
8位双向三态I/O口，可作为外部扩展时的数据总线/低8位地址总线的分时复用口。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动8个TTL负载。 对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，P0口用于输入/输出数据。
（2）P1口（P1.0～P1.7）
8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为通用I/O口。每个引脚可驱动4个TTL负载。
（3）P2口（P20～P2.7）
8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻，可作为外部扩展时的高8位地址总线。又可作为通用I/O口，每个引脚可驱动4个TTL负载。
对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，用来接收高8位地址。
（4）P3口（ P3.0～P3.7 ） 8位准双向I/O口，内部具有上拉电阻。它是双功能复用口，作为通用I/O口时，功能与P1口相同，常用第二功能。每个引脚可驱动4个TTL负载。作为第二功能使用时，各位的作用如下页表所示。
3．控制线
（1）RST/VPD
RST/VPD引脚是复位信号/备用电源线引脚。当8051通电时，在RST引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。
（2）ALE/
地址锁存允许/编程引脚。当访问外部程序存储器时，ALE的输出用于锁存地址的低位字节，以便P0口实现地址/数据复用。当不访问外部程序存储器时，ALE端将输出一个1/6时钟频率的正脉冲信号。 ALE/是复用引脚，其第二功能是对EPROM型芯片（如8751）进行编程和校验时，此引脚传送52ms宽的负脉冲选通信号，程序计数器PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令码放到P0口上，由CPU读入并执行。
（3） /VPP
允许访问片外程序存储器/编程电源引脚。对于片内无程序存储器的MCS-51单片机（如8031），必须接地。片内有程序存储器的MCS-51单片机（如8051）， 必须接高电平。 /VPP是复用引脚，其第二功能是片内EPROM编程/校验时的电源线，在编程时，VPP脚需加上21V的编程电压。
（4）XTAL1和XTAL2
XTAL1脚为片内振荡电路的输入端，XTAL2脚为片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在XTAL1和XTAL2脚外接石英晶体（频率为1.2～12MHz）和振荡电容，振荡电容的值一般取10～30pF，典型值为30pF；另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入，如下图所示。

ISD4004 系列语音芯片

美国华邦公司的 ISD4004 系列语音芯片，应用电路简单、不怕掉电、存储量大、编程方便，
适合于不同的应用场合。该系列有 4 种规格的芯片，分别是 8 分钟、10 分钟、12 分钟和 16 分钟。该系列的语音芯片必须使用 SPI 接口与外部的微控制器或微处理器通信，而低档的 AT89×51 系列单片机没有专门的硬件 SPI 模块，故使用软件模拟 SPI 的方式来控制 ISD4004（下面简称 ISD） 。语音放大部分用一片 TDA2822，外围仅几个元件，十分简单。
读取的红外编码有 4 组，分别是系统码及其反码，信息码及其反码。在 INT0 中断服务程序读取码值之后，将其放在一个数组中，红外码格式如图 2 所示。

中断服务程序将头脉冲和结束码自动丢弃。
由于 ISD 使用的是 3V 电源，而 89551 使用的是 5V 电源，因此在单片机的 I／O 口输出时，应该串 10kΩ电阻后再接到 ISD 的 SPI 接口， 而 MISO 口是由 ISD 输出、 89S51 输入的， 为使 89S51能准确地识别其电平， 要在 ISD 的 MISO 脚加一只 NPN 三极管接成的反相器， 向 89S51 的 MISO提供足够电压。注意，此时在程序中应该把 MISO 的所有读入信号取反。ISD 的 SPI8 位命令模式通信的格式如图 3 所示。

在片选信号 SS 为低电平时，控制器在每个 SCLK 时钟节拍发送一位命令码，发送完一个字节命令后将 SS 置为高电平。 ISD 内部的存储器地址也是通过 SPI 接口发送的。
语音部分：ISD 部分的电路设计比较简单。值得一提的是其 AGC 的功能。语音芯片自身的采样频率较高。如果对于音质要求很高，可以参考华邦公司 ISD 系列产品的应用笔记，设计3V 的 AGC。ISD 的语音输出经过电容耦合后，接至 TDA2822 放大、输出即可。设计如下图

数码管显示
LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的 2个8数码管字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

led数码管（LED Segment Displays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。led数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。颜色有红，绿，蓝，黄等几种。led数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。下面将介绍常用LED数码管内部引脚图片
LED数码管引脚定义

总电路图

结 论

通过对通过这次课程设计，我发现了我的理论知识掌握的不是特别好，而且很多方面掌握的都不到位，这次课程设计学到了很多。
在本次设计中，我们还需要大量的以前没有学到过的知识，于是图书馆和网路成了我们很好的助手。在查阅资料的过程中，我们要判断优劣、取舍相关知识，不知不觉中我们查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。我们学整个设计通过软件和硬件上的调试。我想对自己以后的学习和工作都有很大的帮助。在课程设计中遇到了很多实际性的问题，在实际设计中才发现，只有理论与实际相结合，才能更加深入的了解问题。只有了解了实际与理论知识并把它们相结合，才能解决问题。一切问题必须靠自己一点一滴的解决，而且要不断的更正以前的错误。设计是比较简单的，主要是解决程序设计中的问题，而程序设计是一个很灵活的东西，它反映了你解决问题的逻辑思维和创新能力，它才是一个设计的灵魂所在。

参 考 文 献

[1] 李朝青．单片机通讯技术与工程实践．北京：航空航天大学出版，2007.2
[2] 李群芳．单片机原理接口与应用．北京：清华大学出版社，2005.6
[3] 杨志亮. Protel 99 SE电路原理图设计技术.西安：西北工业大学出版社，2002.2
[4] 马忠梅．单片机C语言应用程序设计.北京：航空航天大学出版社，1997.10
[5] 谢自美．电子线路设计.武汉：华中科技大学出版社，2000.5
[6] 中国电器工业协会微电机分会.微特电机应用手册.福建:福建科技出版社，2010.4
[7] 胡烨．Protel99SE电路设计与仿真教程.北京：机械工业出版社，2005.5