基于單片機(jī)的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

（西安交通工程學(xué)院 陜西 710300）

1 引言

從電梯的誕生至今，電梯的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多種控制類型，對(duì)運(yùn)行性能有較高的要求。在電梯發(fā)展初期采用的是陣列控制結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)占用較大空間、線路繁雜、會(huì)產(chǎn)生較大噪聲、發(fā)生故障的概率較高、日常的維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且電梯的運(yùn)行速度和運(yùn)行穩(wěn)定性已經(jīng)得不到滿足，而單片機(jī)正好具有強(qiáng)大的控制和運(yùn)算能力，能滿足人們對(duì)電梯功能的需求，將單片機(jī)應(yīng)用到電梯控制系統(tǒng)中，具有很好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和研究意義。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

（1）主控芯片選擇：采用STC89C52RC 作為核心控制器[1]，該處理器包含完整的控制電路，其識(shí)別對(duì)象精確到位。不僅可以對(duì)片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進(jìn)行處理同時(shí)還可以進(jìn)行邏輯運(yùn)算，能基本處理較小信息的請(qǐng)求，同時(shí)能減少設(shè)計(jì)人員的程序編寫。

（2）樓層顯示模塊：采用常見的一位數(shù)碼管顯示模塊。該模塊使用簡單，操作方便，價(jià)格實(shí)惠，能清晰顯示數(shù)字，能很好達(dá)到本設(shè)計(jì)對(duì)處顯示器的要求。

（3）報(bào)警提示模塊：采用蜂鳴器作為報(bào)警器，當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，可以按下報(bào)警按鈕，觸發(fā)報(bào)警信號(hào)。其硬件電路簡單，軟件控制IO 輸出高低電平即可。

（4）電動(dòng)機(jī)模塊：采用步進(jìn)電機(jī)作為系統(tǒng)模塊，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在定位上精度高。并且步進(jìn)電機(jī)不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移。與其他電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)除了傳遞信息外還能傳遞矩陣，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)在電梯的升降上也有較高的精確度。

（5）按鍵選擇模塊：采用矩陣鍵盤作為輸入設(shè)備，它由相同的行和列所組成的線路構(gòu)成，在行與列的交叉點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)按鍵，該矩陣鍵盤集成度高，使用簡單，易于驅(qū)動(dòng)，線路直觀。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件框圖

基于單片機(jī)的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是以STC89C52RC 最小系統(tǒng)作為核心處理器，利用其較多的端口資源與外部模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，實(shí)現(xiàn)電梯的基本功能。采用行列式鍵盤矩陣作為外呼內(nèi)選設(shè)備，有源蜂鳴器作為報(bào)警器，NLN2003A 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)作為執(zhí)行單元，1 位共陰數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電梯當(dāng)前所在層數(shù)，采用9個(gè)發(fā)光二極管作狀態(tài)指示燈，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要模塊設(shè)計(jì)

（1）按鍵電路：按鍵電路為4 按鍵鍵盤矩陣，矩陣鍵盤的p1.0-p1.3是接STC89C52的RCP1.0-P1.3，用來檢測(cè)是否有鍵盤按下，P1.4-P1.7是接STC89C52RC的P1.4-P1.7，用來換掃描信號(hào)。

（2）顯示電路：選擇則共陰數(shù)碼顯示管來顯示當(dāng)前電梯所在的層數(shù)，將所有的LED燈的正極與STC89C52RC的P0.0-P0.6端口連接。通過單片機(jī)編程控制輸出數(shù)字進(jìn)行樓層的顯示[2]。

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：采用步進(jìn)電機(jī)，利用其驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與微型控制器的P3.0-P3.6端口連接[3]。

（4）指示電路：指示電路由9個(gè)獨(dú)立的LED燈組成，其中5個(gè)LED燈表示目的樓層指示、2個(gè)LED燈電梯運(yùn)行狀態(tài)指示，2個(gè)燈表示電梯門開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)選擇按下按鍵選擇目的樓層后，對(duì)應(yīng)的樓層指示燈亮起，當(dāng)?shù)竭_(dá)目的樓層后，指示燈熄滅。電梯運(yùn)行狀態(tài)由對(duì)應(yīng)的指示燈來表示，當(dāng)電梯向上運(yùn)行時(shí)，UP燈點(diǎn)亮，表示電梯在向上運(yùn)行，反之則在下運(yùn)行，當(dāng)按下開門按鈕時(shí)OPEN燈點(diǎn)亮，當(dāng)按下關(guān)門按鈕時(shí)，Close燈點(diǎn)亮。

（5）報(bào)警電路：電梯內(nèi)設(shè)置了緊急報(bào)警按鈕，在電梯運(yùn)行過程中，由于某種原因?qū)е铝穗娞莸墓ぷ魍Ｖ?，電梯?nèi)的乘客可以按下緊急按鈕，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用有源蜂鳴器作為報(bào)警器，與STC89C52RC的P3.7的端口進(jìn)行連接[4]。

（6）供電電路：采用LM7805 降壓、穩(wěn)壓芯片提供+5V 電壓，給單片機(jī)以及各部分電路供電。

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用矩陣鍵盤來模擬個(gè)樓層之間的按鈕，當(dāng)乘客按下具體的樓層數(shù)時(shí)，STC89C52RC 檢測(cè)出高低電平并做出反應(yīng)，將結(jié)果反饋給NLN2003A 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而控制電梯的上下移動(dòng)。將單片機(jī)掃描到的按鍵信息存儲(chǔ)起來，并與電梯的工作狀態(tài)比較，實(shí)時(shí)判斷電梯的移動(dòng)是否與按鍵相對(duì)應(yīng)。當(dāng)電梯停在指定樓層時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，指示燈熄滅。開門指示燈點(diǎn)亮?xí)r，表示可進(jìn)、出乘客，延時(shí)一段時(shí)間等待進(jìn)出乘客完成，之后關(guān)門指示燈點(diǎn)亮，電梯門準(zhǔn)備關(guān)閉，當(dāng)乘客進(jìn)入電梯之后，按下想去的樓層數(shù)，然后電梯根據(jù)乘客的選擇判斷去哪一層，繼續(xù)運(yùn)行。電梯在上升過程中只響應(yīng)上升呼叫請(qǐng)求，下降過程中只響應(yīng)下降呼叫請(qǐng)求。軟件流程圖如圖2所示。

4.1 電梯主程序

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)電梯基本功能的程序應(yīng)滿足以下要求：

（1）當(dāng)電梯正式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入初始化程序，顯示器顯示“電梯表示電梯處在二樓，等待乘客進(jìn)入電梯；初始化程序結(jié)束后進(jìn)入循環(huán)主程序中。

（2）主程序主要包括：

單片機(jī)判斷當(dāng)有乘客進(jìn)入電梯后，選擇去哪一層，根據(jù)判斷情況來決定電梯運(yùn)行，到達(dá)目標(biāo)樓層后做相應(yīng)的處理，如呼叫指示燈熄滅，控制電梯門開閉等，開關(guān)門有一定的延時(shí)來保證乘客走出/進(jìn)入電梯。當(dāng)電梯在移動(dòng)時(shí)，最小系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)的掃描按鈕，用來判斷各樓層是否有請(qǐng)求，若檢測(cè)到有按鈕信息，表示正在有乘客呼叫，此時(shí)，在主控制系統(tǒng)中會(huì)有指示燈亮起顯示器以及指示燈會(huì)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電梯所在樓層和電梯是在移動(dòng)還是在停止；當(dāng)發(fā)生意外時(shí)，緊急處理程序。

圖2 主程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 方向優(yōu)先測(cè)試

電梯按單方向響應(yīng)設(shè)計(jì)，即電梯按某一方向運(yùn)行時(shí)，會(huì)優(yōu)先響應(yīng)該運(yùn)行方向的呼叫請(qǐng)求。測(cè)試方案：假設(shè)初始狀態(tài)電梯在一樓停留，一次點(diǎn)擊2樓，4樓的上、下按呼叫按鈕和5樓的向下呼叫，觀察電梯方向指示燈和電梯門開啟指示燈，測(cè)試結(jié)果記錄如表1所示。

表1 方向優(yōu)先測(cè)試

5.2 距離優(yōu)先測(cè)試

在同一箭頭方向上，當(dāng)有多名乘客按下不同的按鈕時(shí)，電梯采取就近原則。測(cè)試初始時(shí)，電梯位于任一層，如一樓。此時(shí)三樓和四樓分別向上呼叫。測(cè)試結(jié)果：電梯先完成3樓的請(qǐng)求，隨后完成4樓的請(qǐng)求。各按鈕呼叫時(shí)指示燈顯示正常，當(dāng)電梯完成該按鈕的呼叫后，與之對(duì)應(yīng)的樓層指示燈將自動(dòng)熄滅。

5.3 綜合測(cè)試

測(cè)試方案：假設(shè)電梯在1樓停留，此時(shí)有3 名乘客需要搭乘電梯，甲的目的地是2樓，乙丙目的地是4樓。電梯運(yùn)行后，3樓和4樓有乘客按了向上方向的按鈕，3樓有乘客按了向下方向的按鈕到1樓[5]，如表2所示。

表2 邏輯測(cè)試

測(cè)試結(jié)論：該測(cè)試比較完整的演示了電梯具有的性能，實(shí)現(xiàn)了多層呼叫請(qǐng)求的排序，對(duì)電梯進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)測(cè)試了樓層以及運(yùn)行信息顯示，指示燈狀態(tài)信息的變化，經(jīng)過測(cè)試，電梯實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求。

6 結(jié)論

本文主要以單片機(jī)為核心控制器，以五層電梯為研究對(duì)象。實(shí)現(xiàn)的功能有：樓層間的通信，樓層數(shù)的按鍵顯示，電梯的上下運(yùn)轉(zhuǎn)，在遇到特殊情況比如電梯突然停止工作室有警報(bào)按鈕。選用STC89C52RC 作為其控制器，通過矩陣鍵盤輸出，STC89C52RC 負(fù)責(zé)處理矩陣鍵盤上傳來的電平變化信息，處理完成后將結(jié)果以輸出電壓的方式傳給ULN2003A 然后促進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，來控制電梯的上下移動(dòng)。未來單片機(jī)將成為電子控制器領(lǐng)域的主流，電梯系統(tǒng)作為微處理器的重要領(lǐng)域之一，將會(huì)變得更加安全穩(wěn)定，朝著智能化方向發(fā)展。