基于單片機(jī)的電梯自動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，通過掃描內(nèi)外按鍵按下與否引起的電平的改變，作為用戶請求信息發(fā)送到單片機(jī)，控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動，單片機(jī)根據(jù)樓層檢測結(jié)果控制電機(jī)停在目標(biāo)樓層。開發(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)融入到計算機(jī)專業(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，為開發(fā)更科學(xué)的電梯控制系統(tǒng)提供參考。

伴隨著社會的發(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)膯栴}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，可謂知識面含量非常廣，但因現(xiàn)代的微電子技術(shù)、計算機(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、高精度的重量檢測和顯示、功能多樣等明顯優(yōu)點?；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)勢就是可以嵌入到各種儀器、設(shè)備中，實現(xiàn)的是對象的智能化控制，這一點是巨型機(jī)和網(wǎng)絡(luò)不可能做到的。開發(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)融入到計算機(jī)專業(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)顯示來實時顯示電梯所在樓層，并用4511來驅(qū)動LED顯示。采用行列式鍵盤矩陣作為外呼內(nèi)選電路，由于是5層樓，故選用4×4矩陣鍵盤，鍵盤矩陣共16個按鍵，其中8個按鍵是各層樓外呼按鍵，5個表示電梯內(nèi)部的選擇鍵，另外設(shè)有緊急停止按鍵，啟動按鍵和電梯演示按鍵。電梯狀態(tài)是通過兩個發(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)有一燈燈亮表示開門狀態(tài)，燈熄表示關(guān)門狀態(tài)。電梯間豎并部分由有機(jī)玻璃粘成無上蓋板的六面體 ABCDEFGH，高度AE為1.2 m;電梯橋廂模型J通過滑輪懸掛并由電動機(jī)M牽引，可在電梯間豎井模型的空間內(nèi)上下運(yùn)動。

1.2 系統(tǒng)功能

1)識別樓層的高度和各個平層的位置，及時響應(yīng)各樓層的請求信號;

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

3)平層時開門，關(guān)門等操作，平層結(jié)束時給出提示信號。平層位置誤差10 mm，要求平均每層運(yùn)行時間不超過5 s。

4)及時接受各樓層的呼叫信息，以先方向后距離的優(yōu)先原則判斷并自動響應(yīng)外招信號、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效。

2 硬件部分的設(shè)計

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)計中在轎廂和每個樓層中都設(shè)置了一個數(shù)碼顯示管，用來顯示當(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個數(shù)碼管，通過對8根數(shù)據(jù)線進(jìn)行寫操作進(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，故選用行列式鍵盤矩陣。本電路采用的是4鍵盤矩陣。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判別這16個按鍵中哪個鍵按下，然后可根據(jù)每個按鍵的功能來通過單片機(jī)控制電梯的運(yùn)行。

鍵盤電路如圖3所示。

各按鈕開關(guān)說明：

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

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

2.3 電梯門指示模塊

在本次設(shè)計中電機(jī)正反轉(zhuǎn)用兩個發(fā)光管來表示，如圖4所示，用單片機(jī)的P33，P34口做輸出口來驅(qū)動發(fā)光管，其中D11亮表示開門、D12亮表示關(guān)門。

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，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的報警提示信號，其軟件驅(qū)動、硬件電路調(diào)試非常簡潔方便，而且價格便宜，能滿足本設(shè)計的要求。當(dāng)?shù)竭_(dá)所選樓層后，蜂鳴機(jī)會響一聲，表示開門，同時綠燈亮;3 s后，蜂鳴機(jī)響兩聲，表示關(guān)門，同時紅燈亮。

2.5 升降指示模塊

當(dāng)電梯上升時，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，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

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

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)行過程中要不斷的掃描鍵盤，從而來判斷各樓層有無呼叫請求，并點亮相應(yīng)的呼叫指示燈;

③設(shè)置演示功能按鍵、緊急停止按鍵、啟動按鍵;

④實時顯示電梯所在位置及運(yùn)行狀態(tài)(上行/下行);

⑤開關(guān)門有一定的延時來保證乘客走出/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)上升下降隊列時，相應(yīng)的指示燈、上下行狀態(tài)均能顯示。通過選取各樓層按鍵，電梯都能完成請求，基本實現(xiàn)了電梯運(yùn)行的模擬。

4.1 方向及距離優(yōu)先測試

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

測試初始，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。測試結(jié)果如表1所示。

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

同一方向有多個按鈕呼叫時，優(yōu)先響應(yīng)最近的樓層。測試初始時，電梯位于任一層，如二樓。此時三樓和四樓分別向上呼叫。測試結(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)計要求。

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

4.2 綜合測試

測試條件：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。

測試結(jié)果如表2所示。

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

5 結(jié)論

本系統(tǒng)是基于89C52單片機(jī)設(shè)計的電梯自動控制系統(tǒng)，充分利用單片機(jī)的軟硬件資源，以四層電梯為研究對象，實現(xiàn)基本的功能如：層站呼叫、自動停層、轎廂命令響應(yīng)等。通過單片機(jī)輸出電壓通過驅(qū)動電路然后控制電梯拖動。開發(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，為開發(fā)更科學(xué)的電梯控制系統(tǒng)提供參考。