基于單片機(jī)的電梯自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：文中介紹了以89C52單片機(jī)為核心控制器件的電梯自動(dòng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，通過(guò)掃描內(nèi)外按鍵按下與否引起的電平的改變，作為用戶請(qǐng)求信息發(fā)送到單片機(jī)，控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，單片機(jī)根據(jù)樓層檢測(cè)結(jié)果控制電機(jī)停在目標(biāo)樓層。開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)可以方便用戶自行輸入所要到達(dá)的樓層，顯示電梯當(dāng)前到達(dá)層數(shù)等功能，這樣可以大大提高其工作效率，徹底的脫離電梯操作工的模式，更主要的是為電子技術(shù)融入到計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域提供一種新思路，為單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供更廣闊的空間，為開(kāi)發(fā)更科學(xué)的電梯控制系統(tǒng)提供參考。

伴隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，人們的生活水平的提高和節(jié)約用地的倡導(dǎo)，越來(lái)越多的高樓聳立，使人們的生活和工作受到很大的影響，垂直運(yùn)輸?shù)膯?wèn)題也隨之出現(xiàn)，人們迫切需要一套安全、快捷、高效、穩(wěn)定的電梯控制系統(tǒng)。電梯控制模型的設(shè)計(jì)主要涉及數(shù)電、模電、單片機(jī)及接口技術(shù)、C51的編程等知識(shí)，可謂知識(shí)面含量非常廣，但因現(xiàn)代的微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和嵌入式微控制器技術(shù)等的飛速發(fā)展，讓我們做出應(yīng)用型的電梯已成為可能。目前各小區(qū)居民樓都已經(jīng)安裝上了快捷、方便的電梯系統(tǒng)，但某些方面如安全性和穩(wěn)定性還有待提高，用戶也給出了更高的要求。

目前電梯控制主要有繼電器控制、可編程控制器控制、微機(jī)控制(單片機(jī)控制)這3種控制方式。利用單片機(jī)控制電梯具有成本低、高精度的重量檢測(cè)和顯示、功能多樣等明顯優(yōu)點(diǎn)?；趩纹瑱C(jī)電梯控制系統(tǒng)主要的核心技術(shù)在于單片機(jī)的應(yīng)用。明顯的優(yōu)勢(shì)就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)的是對(duì)象的智能化控制，這一點(diǎn)是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)可以方便用戶自行輸入所要到達(dá)的樓層，顯示電梯當(dāng)前到達(dá)層數(shù)等功能，這樣可以大大提高其工作效率，徹底的脫離電梯操作工的模式，更主要的是為電子技術(shù)融入到計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域提供一種新思路，為單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用提供更廣闊的空間，為開(kāi)發(fā)更科學(xué)的電梯控制系統(tǒng)提供參考。

1 系統(tǒng)框圖及功能

1.1 系統(tǒng)框圖

基于單片機(jī)的電梯控制模型設(shè)計(jì)的基本思想是采用AT89C52單片機(jī)作為核心，利用其豐富的I/O接口與外圍電路配合進(jìn)行控制。采用8位LED靜態(tài)顯示來(lái)實(shí)時(shí)顯示電梯所在樓層，并用4511來(lái)驅(qū)動(dòng)LED顯示。采用行列式鍵盤(pán)矩陣作為外呼內(nèi)選電路，由于是5層樓，故選用4×4矩陣鍵盤(pán)，鍵盤(pán)矩陣共16個(gè)按鍵，其中8個(gè)按鍵是各層樓外呼按鍵，5個(gè)表示電梯內(nèi)部的選擇鍵，另外設(shè)有緊急停止按鍵，啟動(dòng)按鍵和電梯演示按鍵。電梯狀態(tài)是通過(guò)兩個(gè)發(fā)光二極管顯示的，左邊燈亮表示電梯在向上運(yùn)行，右邊燈亮表示電梯在向下運(yùn)行，另設(shè)有一燈燈亮表示開(kāi)門(mén)狀態(tài)，燈熄表示關(guān)門(mén)狀態(tài)。電梯間豎并部分由有機(jī)玻璃粘成無(wú)上蓋板的六面體 ABCDEFGH，高度AE為1.2 m;電梯橋廂模型J通過(guò)滑輪懸掛并由電動(dòng)機(jī)M牽引，可在電梯間豎井模型的空間內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)。

1.2 系統(tǒng)功能

1)識(shí)別樓層的高度和各個(gè)平層的位置，及時(shí)響應(yīng)各樓層的請(qǐng)求信號(hào);

2)運(yùn)行速度穩(wěn)定、定位準(zhǔn)確，電梯運(yùn)行時(shí)有相應(yīng)的指示燈亮，以示電梯正在上行或下行，實(shí)時(shí)顯示電梯所在樓層位置。

3)平層時(shí)開(kāi)門(mén)，關(guān)門(mén)等操作，平層結(jié)束時(shí)給出提示信號(hào)。平層位置誤差10 mm，要求平均每層運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)5 s。

4)及時(shí)接受各樓層的呼叫信息，以先方向后距離的優(yōu)先原則判斷并自動(dòng)響應(yīng)外招信號(hào)、自行選擇運(yùn)行路徑。

5)具備不可逆響應(yīng)功能：電梯上升途中只響應(yīng)上升呼叫，下降途中只響應(yīng)下降呼叫，任何反方向呼叫均無(wú)效。

2 硬件部分的設(shè)計(jì)

2.1 樓層顯示模塊

數(shù)碼管顯示，電梯的基本功能具備顯示電梯當(dāng)前的樓層，所以設(shè)計(jì)中在轎廂和每個(gè)樓層中都設(shè)置了一個(gè)數(shù)碼顯示管，用來(lái)顯示當(dāng)前電梯所在的層數(shù)，數(shù)碼管顯示電梯所到達(dá)的樓層數(shù)。接線圖如圖2所示，圖中共有1個(gè)數(shù)碼管，通過(guò)對(duì)8根數(shù)據(jù)線進(jìn)行寫(xiě)操作進(jìn)行樓層顯示。

2.2 按鍵電路模塊

由于本電路所需按鍵較多，為了節(jié)省單片機(jī)的I/O口，故選用行列式鍵盤(pán)矩陣。本電路采用的是4鍵盤(pán)矩陣。電路如圖所示，P2.0-P2.3是接單片機(jī)的 P2端口，單片機(jī)采用行和列掃描法來(lái)判別這16個(gè)按鍵中哪個(gè)鍵按下，然后可根據(jù)每個(gè)按鍵的功能來(lái)通過(guò)單片機(jī)控制電梯的運(yùn)行。

鍵盤(pán)電路如圖3所示。

各按鈕開(kāi)關(guān)說(shuō)明：

按鈕開(kāi)關(guān)1：轎廂內(nèi)一樓呼叫開(kāi)關(guān);按鈕開(kāi)關(guān)2：轎廂內(nèi)二樓呼叫開(kāi)關(guān);

按鈕開(kāi)關(guān)3：轎廂內(nèi)三樓呼叫開(kāi)關(guān);按鈕開(kāi)關(guān)4：轎廂內(nèi)四樓呼叫開(kāi)關(guān)。

2.3 電梯門(mén)指示模塊

在本次設(shè)計(jì)中電機(jī)正反轉(zhuǎn)用兩個(gè)發(fā)光管來(lái)表示，如圖4所示，用單片機(jī)的P33，P34口做輸出口來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)光管，其中D11亮表示開(kāi)門(mén)、D12亮表示關(guān)門(mén)。

2.4 鈴聲提示模塊

采用蜂鳴提示音提示當(dāng)轎箱到達(dá)所需的樓層時(shí)，蜂鳴器響，提示乘客到達(dá)了所需的樓層，另外可以作為緊急停止時(shí)的報(bào)警提示信號(hào)，其軟件驅(qū)動(dòng)、硬件電路調(diào)試非常簡(jiǎn)潔方便，而且價(jià)格便宜，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)?shù)竭_(dá)所選樓層后，蜂鳴機(jī)會(huì)響一聲，表示開(kāi)門(mén)，同時(shí)綠燈亮;3 s后，蜂鳴機(jī)響兩聲，表示關(guān)門(mén)，同時(shí)紅燈亮。

2.5 升降指示模塊

當(dāng)電梯上升時(shí)，指示燈一次從下到上亮燈，一直循環(huán)，直到到達(dá)所選樓層。

當(dāng)電梯下降時(shí)，指示燈一次從上到下亮燈，一直循環(huán)，直到到達(dá)所選樓層。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)思想：采用模塊化的分層次設(shè)計(jì)方法，將軟件系統(tǒng)功能由多個(gè)實(shí)現(xiàn)單一功能的子程序?qū)崿F(xiàn)。通過(guò)調(diào)用不同的子程序，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜功能控制。這樣便于調(diào)試、修改。軟件編程是實(shí)現(xiàn)多功能、智能化、操作方便的關(guān)鍵。在本設(shè)計(jì)中，可以把程序的各部分相互結(jié)合起來(lái)，達(dá)到完成各項(xiàng)設(shè)計(jì)的功能。

根據(jù)系統(tǒng)要求，電梯的程序應(yīng)滿足以下要求：

1)初始化程序使數(shù)碼管顯示“1”表示電梯處在一樓，等待人進(jìn)入電梯;

2)主程序主要包括：

①判斷乘客進(jìn)入電梯后選擇去哪一層，根據(jù)判斷情況來(lái)控制電梯運(yùn)行，到達(dá)目標(biāo)樓層后相應(yīng)的呼叫指示燈熄滅;

②電梯在運(yùn)行過(guò)程中要不斷的掃描鍵盤(pán)，從而來(lái)判斷各樓層有無(wú)呼叫請(qǐng)求，并點(diǎn)亮相應(yīng)的呼叫指示燈;

③設(shè)置演示功能按鍵、緊急停止按鍵、啟動(dòng)按鍵;

④實(shí)時(shí)顯示電梯所在位置及運(yùn)行狀態(tài)(上行/下行);

⑤開(kāi)關(guān)門(mén)有一定的延時(shí)來(lái)保證乘客走出/進(jìn)入電梯;

圖7為主程序工作流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

連接5 V電源后，電梯通電使用，各模塊使用正常，電梯響應(yīng)上升下降隊(duì)列時(shí)，相應(yīng)的指示燈、上下行狀態(tài)均能顯示。通過(guò)選取各樓層按鍵，電梯都能完成請(qǐng)求，基本實(shí)現(xiàn)了電梯運(yùn)行的模擬。

4.1 方向及距離優(yōu)先測(cè)試

電梯按某方向運(yùn)行時(shí)，優(yōu)先響應(yīng)該運(yùn)行方向的按鈕;

測(cè)試初始，轎箱位于一樓，按下二樓，三樓的上下按呼叫，和四樓的向下呼叫。按鍵順序可隨意。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

結(jié)論：系統(tǒng)在向上運(yùn)行時(shí)候，優(yōu)先相應(yīng)各樓層的向上呼叫信號(hào)，不響應(yīng)向下的呼叫信號(hào)，向下運(yùn)行時(shí)相反，符合設(shè)計(jì)要求。

同一方向有多個(gè)按鈕呼叫時(shí)，優(yōu)先響應(yīng)最近的樓層。測(cè)試初始時(shí)，電梯位于任一層，如二樓。此時(shí)三樓和四樓分別向上呼叫。測(cè)試結(jié)果：先響應(yīng)三樓呼叫，再響應(yīng)四樓呼叫。

結(jié)論：電梯具有距離優(yōu)先響應(yīng)的功能，當(dāng)多層同方向呼叫，首先響應(yīng)距離當(dāng)前樓層較近的呼叫，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

各按鈕呼叫時(shí)指示燈顯示正常，電梯響應(yīng)該按鈕的呼叫后，其指示燈應(yīng)自動(dòng)熄滅。

4.2 綜合測(cè)試

測(cè)試條件：電梯位于1樓，進(jìn)入3人，其中一人要到3樓，另兩人到4樓。電梯運(yùn)行后，3樓和4樓有人向上呼叫，3樓有人向下呼叫到1樓。

測(cè)試結(jié)果如表2所示。

測(cè)試結(jié)論：系統(tǒng)具有方向優(yōu)先、距離優(yōu)先的功能，基本模擬了實(shí)際電梯運(yùn)行，完成設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)是基于89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的電梯自動(dòng)控制系統(tǒng)，充分利用單片機(jī)的軟硬件資源，以四層電梯為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)基本的功能如：層站呼叫、自動(dòng)停層、轎廂命令響應(yīng)等。通過(guò)單片機(jī)輸出電壓通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路然后控制電梯拖動(dòng)。開(kāi)發(fā)此系統(tǒng)可以方便用戶自行輸入所要到達(dá)的樓層，大大提高其工作效率，徹底的脫離電梯操作工的模式，為開(kāi)發(fā)更科學(xué)的電梯控制系統(tǒng)提供參考。