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  简介:本文档为《基于单片机的电梯控制系统设计 - 副本doc》,可适用于高等教育领域

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  本科毕业设计基于单片机的电梯控制系统设计摘要本文主要介绍了基于单片机的电梯控制系统在本次设计中我们模拟了三层楼层的电梯的运行以及其中相应的逻辑关系。在没有使用到真正的电梯箱和电机的情况下我们使用LED指示灯以及电梯内部和电梯外部各个楼层的按键来模拟电梯接收到按键信号后的运行情况。电梯控制系统的硬件部分主要由单片机最小系统模块、LED显示模块、按键中断请求模块等部分组成。该系统采用单片机(C)作为控制核心根据各楼层按键检测结果来控制电梯并实现相应的操作。软件部分使用C语言编程程序部分由主程序、判断电梯运行方向子程序、电梯运行子程序和到达目的地操作子程序等部分组成。硬件电路的设计简单可靠结合软件基本实现了三层楼层的电梯运行的模拟。关键词:C电梯控制系统C语言DesignofElevatorControlSystemBasedonMCUZhanDongzhe(CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou,China)Abstract:ThistextprimarilyintroducedElevatorcontrolsystemthatbasedonMCU(microcontrolunit),thedesignwesimulatetheoperationoftheelevatorofthethreefloorsandthecorrespondinglogicalrelationshipwithoutusingtherealelevatorcarandmotor,wedescribestheelevatorcontrolsystembasedonsinglechip,weuseaLEDindicator,andbuttonsinsidetheelevatorandtheelevatorthevariousfloorsoftheexternalbuttontosimulatetheelevatortorunafterthekeysignalisreceivedThehardwareportionoftheelevatorcontrolsystemmainlybythesmallestsinglechipsystemmodule,LEDdisplaymodule,keyinterruptrequestmoduleThesystemusesamicrocontroller(C)asthecontrol,tocontroltheelevatorandtheappropriateactioninaccordancewiththekeytestresultsofeachfloorSomeuseofClanguagesoftwareprogramming,partoftheprogrambythemainprogramtodeterminetheelevatorrunningdirectionofthesubroutine,elevatoroperationsubroutineandreachthedestinationoperationsubroutinepartsThedesignofthehardwarecircuitissimpleandreliable,combinedwithsoftware,thebasicrealizationofthethreefloorelevatorrunningsimulationKeywords:CelevatorcontrolsystemClanguage目录绪论方案论证以及系统功能介绍方案选择设计要求系统的结构框图STCC单片机硬件电路系统的设计硬件电路设计的主要思路复位电路晶振电路LED指示灯电路按键中断电路软件系统的设计程序的设计思路主程序流程图判断方向流程图电梯运行流程图梯到达目的地操作流程图中断处理程序框图结论心得参考文献附录A附录B致谢华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表绪论电梯进入人们的生活已经年了。一个半世纪的风风雨雨翻天覆地的是历史的变迁永恒不变的是电梯提升人类生活质量的承诺。年在纽约水晶宫举行的世界博览会上美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明。他站在装满货物的升降梯平台上命令助手将平台拉升到观众都能看得到的高度然后发出信号令助手用利斧砍断了升降梯的提拉缆绳。令人惊讶的是升降梯并没有坠毁而是牢牢地固定在半空中奥的斯先生发明的升降梯安全装置发挥了作用。“一切安全先生们。”站在升降梯平台上的奥的斯先生向周围观看的人们挥手致意。谁也不会想到这就是人类历史上第一部安全升降梯。生活在继续科技在发展电梯也在进步。年来电梯的材质由黑白到彩色样式由直式到斜式在操纵控制方面更是步步出新手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等多台电梯还出现了并联控制智能群控双层轿厢电梯展示出节省井道空间提升运输能力的优势变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间不同外形扇形、三角形、半菱形、f66永乐国际半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。如今以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿仍在继续进行电梯新品的研发并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉人们的生活因此变得更加美好。中国最早的一部电梯出现在上海是由美国奥的斯公司于年安装的。年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。年党中央提出要在安装一台由我国自行制造的电梯天津从庆生电机厂荣接此任四个月后不辱使命顺利地完成了任务。十一届三中全会后沐浴着改革开放的春风我国电梯业进入了高速发展的时期。如今在我国任何一个城市电梯都在被广泛应用着。电梯给人们的生活带来了便利也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。电梯是高层建筑中安全、可靠、垂直上下的运载工具对改善劳动条件、减轻劳动强度起到很大的作用。电梯的应用范围很广可用于宾馆、饭店、办公大楼、商场、娱乐场所、仓库以及居民住宅大楼等。在现代社会中电梯已成为人类必不可少的垂直运输交通工具。年美国奥梯斯升降机公司推出了世界第一部以电动机为动力的升降机同年在纽约市的马累特大厦安装成功标志着电梯的诞生。年已设计成功电梯自动平层控制系统。年美国制造出ms的高速电梯。年研制出台电梯群控系统。年出现真空电子管小型计算机控制电梯。年在美国已出现ms的超高速电梯。年将固体晶闸管用于电梯拖动系统。电梯使用的驱动由最初的直流电机到单速交流感应电机后来的交流双速电机的发明才基本满足了电梯的运行要求。年将微处理器应用于电梯。年日本三菱电机开发出ms的超高速电梯。至此电梯的控制技术已有了很大的发展。目前电梯控制系统大多采用继电器或者可编程控制器(PLC)的控制方式存在着成本高需要三相供电等缺点本设计给出了一种基于STCC单片机的电梯模型控制系统设计。以该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系统的运行该系统具有成本低、通用性强、灵活性大、扩展容易及易于实现复杂控制等优点。本设计注重基本理论知识与实际情况的紧密结合同时对学生独立创新和分析问题的能力进行培养加深对知识的理解同时培养学生的团队合作能力为以后的工作和学习打下坚实的基础。方案论证以及系统功能介绍方案选择方案一:采用可编程控制器(PLC)作为主要器件来控制电机的运动、内外按键的响应、按键后的电路显示等等。使用PLC编程较简单电路也不复杂但是此方案的各个模块的费用都比较高硬件设计不灵活故不采用本方案。方案二:采用一个MCU单片机控制所有的按键、LED显示、限位开关的输出信号等等并对以上所有信号进行处理作出相应的相应。单片机技术目前较为成熟自身资源丰富硬件设计简单成本低可靠性高结合软件完全可以实现电梯运行状况的简单模拟。故采用本方案。系统框图如所示。设计要求()电梯至少要有三层且电梯外部要有向上向下的按键电梯内部要有每个楼层的按键和开门关门的按键。电梯内外都要有相应的指示LED。()每一层设有限位开关结合限位开关对电梯的运行进行控制。()程序初始默认电梯在一楼当楼层内外都没有按键按下的时候电梯保持不动。系统的结构框图系统的结构框图如图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限位开关就每一楼层的位置信号。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LED就是接收单片机处理的信息显示此时的楼层数。模拟电梯运行指示灯就是接收单片机处理的信息模拟电梯的工作状态:上升、下降、停止。图系统结构图STCC单片机本设计采用的是STCC单片机STCC是一个低电压高性能CMOS的位单片机器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产兼容标准MCS指令系统片内置通用位中央处理器和Flash存储单元功能强大的STCC单片机可以为您提供许多较复杂系统控制应用场合。其主要功能特性如下所示(冯涛等):()与MCS指令和引脚完全兼容()K字节可重复檫写Flash闪烁存储器()寿命:次檫写周期()三级加密程序存储器()全静态工作:HzMHz()×字节内部RAM()个可编程IO口线()三个位定时器计数器()个中断源()可编程串行UART通道()低功耗空闲和掉电模式。图STCC单片机外形及引脚排列图硬件电路系统的设计硬件电路设计的主要思路电梯最底层为楼因此在楼仅有上升按键而电梯最高层为楼因此楼应仅有下降按键。楼则应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~楼的各层选择按键还要有开门和关门的按键。除了这些按键以外还要有三个限位开关分别模拟电梯到达每一层的触发信号。按键的一端接VCC另一端连至单片机引脚。这里由于按键数量很多又要求电梯控制系统能以最快速度响应按键的需求因此所有按键通过连接到门电路进行逻辑转换再送到单片机的端。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外部中断服务子程序运行。由于此次有十二个按键所以使用一个双五输入或非门和一个双四输入与非门来实现。由于电梯的楼层只有三层而且单片机的端口也不是很够所以本次设计没有使用七段数码管来进行楼层显示而是直接使用三个LED用来代表电梯外部的三个楼层。此外电梯内外部的按键都有相应的指示灯还有电梯运行状态指示灯开门与关门的指示灯。所有LED指示灯的正极都接单片机IO口负极经由限流电阻接地当有按键按下的时候程序会置对应的IO口使指示灯亮起。复位电路复位是单片机的初始化操作程序给单片机的复位引脚RST加大于个机器周期(即个时钟振荡周期)的高电平就可以使单片机复位(夏明娜等)。STCC的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用两种复位方式即上电复位和手动复位两种方式手动复位又有电平方式和脉冲方式两种。本次设计采用了上电复位作为单片机的复位方式。如图所示通过RST端经由电阻与地电容与电源VCC接通而实现当单片机上电时RST端为高电平复位。当时钟频率选用MHz时C取uFR取KΩ时电容C充放电时间τ=R*C=sus(个机器周期)。复位电路如图所示。图复位电路图晶振电路单片机的晶振电路由时钟电荡电路和分频电路两部分电路组成。其中振荡电路是由反相器以及并联外接的石英晶体和电容所构成用于产生振荡脉冲信号。而分频电路则是用于把振荡电路产生的振荡脉冲信号分频以得到所需要的时钟信号(李广弟等)。ATC单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准有条不紊地一拍接一拍地工作因此时钟频率直接影响了单片机的运行速度时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性(周坚)。STCC单片机电路中的电容C和C典型值通常选择为pF。晶振的频率越高则系统的时钟频率也越高单片机的运行速度也越快。但是反过来运行速度越快对内存的速度要求也就越高对印刷电路板的工艺要求也越高即要求产生的寄生电容要小晶振和电容应尽可能的安装得与单片机的芯片引脚靠近以减少寄生电容更好的保证振荡器稳定、可靠的工作。基于以上本设计我们考虑选择频率为MHz的晶振当振荡脉冲频率为MHz时一个机器周期为us。晶振电路如图所示。图晶振电路图LED指示灯电路LED指示灯电路全部采用蓝色的LED灯作为电梯的指示灯。采用LED作为电梯控制系统的指示灯主要是因为其功耗小单片机的IO口足以驱动LED~LED为电梯停留所在楼层指示灯LED~LED为各楼层外部请求指示灯LED~LED为电梯内部楼层请求指示灯LED~LED为电梯运行状态指示灯LED电梯开关门指示灯。指示灯一端通过限流电阻接地另一端接单片机IO引脚。当有按键按下的时候该按键所对应的指示灯应当同步亮起。此外电梯运行指示灯和开关门指示灯应当能够正确的亮灭。电路图如图所示。图LED指示灯电路图按键中断电路单片机的各中断的优先级(由高到低排列):外部中断、定时器T中断、外部中断、定时器T中断、串行发送中断、串行接收中断、定时器T中断(王宜怀)。按键中断电路如下图所示。图中LS为双输入与非门芯片LS为双输入或非门芯片单片机的外部中断引脚与LS芯片的输出端相接按键信号通过LS芯片进行逻辑转换然后将逻辑转换后的输出信号与LS芯片相连通过这样逻辑的转换可以使得十二个按键当中的任意一个按键按下时就会触发单片机的外部中断。当单片机接通电源后外部中断对应IO引脚此时为高电平当任一按键按下后通过相应的逻辑转换使得LS输出为低电平令外部中断的引脚变为低电平。此时引脚的高电平变为低电平产生了一个电压的下降沿触发外部中断。此时外部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。按键的另一端同时与单片机的IO引脚相连其中S~S为电梯内部的按钮请求按键S~S为每层楼外部的请求按钮S~S为电梯内部开关门请求按键S~S为电梯到达楼层指示按键。这些按钮一端与电源相接一端又与单片机和门LS和LS相接当按键按下时会使按键对应的IO引脚变为高电平通过重点子程序就可以检测出到底是哪个按键。图按键中断电路图软件系统的设计程序的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电梯应当做出上升或下降的响应动作再结合限位开关使电梯能够准确的在目标楼层停留。其次电梯到达某楼层后如果没有后续的按键动作也就是当电梯外部的人进入电梯内部之后没有按下按钮且电梯其他楼层也没有按键动作时经过开关门程序之后电梯保持在该楼层不动直到有新的请求。然后需要注意几种情况:当电梯在下层高层楼层有按键按下时电梯上行该层以下楼层如果有向下的请求时电梯会开门但是请求不会被忽略等到电梯处理完高层的请求开始下行到达该楼层的时候再执行相应的请求。同样的如果电梯在高层低层楼层有请求指示该层以上的楼层如果有向上的请求时电梯经过此楼层也是不会开门的要等到电梯处理完低层请求上行经过此楼层的时候才会处理相应请求。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到达目标楼层后楼层的请求指示灯也要同时熄灭。主程序流程图主程序首先对单片机进行初始化使得相应的IO口以及中断寄存器置位以满足接下来的操作。系统开始运行的时候电梯默认停留在楼此时楼层所在指示灯应该指示电梯停留在一楼。然后主程序会进入循环检测有没有按键按下一旦有按键按下外部中断会触发程序进入中断子程序然后置位相应的标志量主程序会检测出按键对应的标志位是否置位来判断哪个楼层有按键请求然后主程序会依次调用判断电梯运行方向子程序、电梯运行子程序和到达目的楼层操作子程序来对按键请求进行处理并让电梯做出相应的执行程序框图如图所示。图主流程图判断方向流程图当有请求按键按下时主程序首先调用会判断方向子程序。该子程序首先判断中断子程序中哪个标志量被置位来确定电梯所要到达的的目标楼层然后通过对比电梯停留的当前楼层与目标楼层之间的上下关系确定电梯将要上升还是下降。然后电梯做出相应的模拟上升或者下降。当请求楼层就是电梯所在楼层的时候此时电梯不用移动判断方向电梯运行方向子程序将通知主程序已到达目标楼层主程序将跳过电梯运行子程序直接调用到达目的楼层子程序。程序框图如图所示。图判断方向流程图电梯运行流程图经过判断方向的子程序之后主程序就会调用电梯运行子程序。该程序首先判断电梯是否运行如果没运行即没有按键按下的时候立即返回主程序。当有按键按下时即电梯是运行的那么当电梯到达下一层时楼层指示信号会跳到下一层。然后子程序会判断电梯是否到达目标楼层如果没达到目标楼层则电梯继续运行如果已经到达目标楼层那么执行结束返回主程序。当有多个请求同时发生的时候根据电梯的运行状况判断哪些请求先执行哪些之后再执行。执行哪个请求应该与真实的电梯的逻辑顺序一致。程序框图如图所示。图电梯运行流程图梯到达目的地操作流程图如果电梯到达了目的地这个时候主程序就会调用到达目的操作子程序。当到达目标楼层时相应的请求指示灯会熄灭然后电梯门打开持续大概s。如果在这s之内人员还没上齐那么可以按下开门的按键此时电梯会从按键按下的那一时刻开始重新计时重复按下看门按钮可以多次延迟关门的时间。如果在s之内人已经上齐了那么为了减少等待时间可以按下关门的按键电梯门就会提前关闭。当电梯门关闭时子程序处理结束返回主程序。程序框图如图所示。图电梯到达目的地操作流程图中断处理程序框图当外部有按键按下的时候此时单片机的外部中断被触发程序进入中断如理子程序中执行。在中断处理子程序中依次判断每一个按键是否按下如果检测到某个按键按下则置位相应的标志量然后返回主函数处理。每次中断只处理一个请求由于按键几乎不可能同时被按下所以即使几个按键请求相差很少的时间单片机也会通过调用多次中断子程序分别处理每次请求所以不会漏掉每个按键请求。程序框图如图所示。图中断处理流程图结论心得本文主要介绍了基于单片机的电梯控制系统在本次设计中模拟了三层楼层的电梯的运行以及其中相应的逻辑关系。在没有使用到真正的电梯箱和电机的情况下使用LED指示灯以及电梯内部和电梯外部各个楼层的按键来模拟电梯接收到按键信号后的运行情况。电梯控制系统的硬件部分主要由单片机最小系统模块、LED显示模块、按键中断请求模块等部分组成。该系统采用单片机(C)作为控制核心根据各楼层按键检测结果来控制电梯并实现相应的操作。软件部分使用C语言编程程序部分由主程序、判断电梯运行方向子程序、电梯运行子程序和到达目的地操作子程序等部分组成。硬件电路的设计简单可靠结合软件基本实现了三层楼层的电梯运行的模拟。此次设计不仅仅是一个硬件电路设计和程序编写的过程更重要的是实际问题的分析和设计阶段的努力。在软硬件的设计过程当中遇到了许多意想不到的问题。硬件方面最大的问题就是在设计按键中断的过程中发现此次设计共有十二个按键需要通过门电路传给中断然而找不到相应的芯片所以最后使用了几个门电路的逻辑叠加最后解决了问题。软件方面最大的问题就是逻辑的问题有时候想法不够细腻和仔细使得在进行模拟的时候会出现逻辑上的错误然而通过不断的尝试和实验最后发现了漏洞并且解决了问题。此时毕业设计充分利用单片机开发上的灵活、快速的特点来实现智能控制的设计。通过本次毕业论文的设计使我认识到作为科技人员重要的是思维缜密知识经验积累深厚坚强的意志同时还要创新的精神当你觉得一种做法可能可以实现的时候就应该勇于尝试遇到问题的时候应该多问多想不轻易放弃。在以后的工作和学习中要勤奋踏实善于思考才能在竞争激烈的社会中提升自我的实用价值。这次的毕业设计给了我一个很好的学习机会我在这里面学习到很多东西受益匪浅。参考文献冯涛秦永左单片机原理及运用M北京:国防工业出版社年:~。李广弟朱月秀冷祖祁单片机基础(第版)M北京:北京航空航天大学出版年:~。王宜怀单片机原理及其嵌入式应用教程M北京:北京希望电子出版社年:~。f66永乐国际夏明娜高玉芝单片机系统设计及应用M北京:北京理工大学出版社年:~。周坚主单片机轻松入门M北京:北京航天航空大学出版社年:~。附录A总电路图附录B程序列表#includeregh#defineMAXFLOORsbitBUTTON=P^sbitBUTTON=P^sbitBUTTON=P^sbitOPEN=P^sbitCLOSE=P^sbitLEDDOWN=P^三楼向下请求指示灯sbitLEDUP=P^二楼向上请求指示灯sbitLEDDOWN=P^二楼向下请求指示灯sbitLEDUP=P^一楼向上请求指示灯sbitFLOORDOWN=P^sbitFLOORUP=P^sbitFLOORDOWN=P^sbitFLOORUP=P^sbitFLOOR=P^sbitFLOOR=P^sbitFLOOR=P^sbitLED=P^sbitLED=P^sbitLED=P^sbitL=P^sbitL=P^sbitL=P^sbitLEDUP=P^向上向下指示灯sbitLEDDOWN=P^sbitDOOR=P^bitDIRECTION=STOP=BUTTONS=OPECLO估计是标志位电梯即将走向unsignedcharCURFLOOR=电梯所在位置unsignedcharDESTFLOOR=电梯要去的位置unsignedcharRUN=unsignedcharCALLFLOORUP={}向上请求的数组unsignedcharCALLFLOORDOWN={}向下请求的数组unsignedcharCALLFLOOR={}内部请求的数组unsignedcharLEDCODES={xcxxx}unsignedcharBUTTON={}voidSELECTNEXT()voidstep(bitDIRECTION)步骤(方向)voidDELAY(unsignedintZ)延时函数voidJUDGESIT()voidRUNNING()voidmain(void){P=P=PXP=P=P=(PLEDCODES)LEDCODES数码管TH=xCTL=xBTMOD=xET=EA=EX=IT=while(){if(!RUN!STOP){SELECTNEXT()step(DIRECTION)RUNNING()}elseif(STOP){if(CURFLOOR==)LED=DOOR=DELAY()STOP=DOOR=}}}voidSELECTNEXT(){charnif(CURFLOOR==MAXFLOOR){DIRECTION=}elseif(CURFLOOR==){DIRECTION=}if(DIRECTION==){if(CALLFLOORDOWNCURFLOOR){CALLFLOORDOWNCURFLOOR=STOP=return}for(n=CURFLOORn=n)if(CALLFLOORDOWNn){DESTFLOOR=nreturn}for(n=nCURFLOORn)if(CALLFLOORUPn){DESTFLOOR=nreturn}DIRECTION=for(n=CURFLOORn=MAXFLOORn)if(CALLFLOORUPn){DESTFLOOR=nreturn}for(n=MAXFLOORnCURFLOORn)if(CALLFLOORDOWNn){DESTFLOOR=nreturn}}else{if(CALLFLOORUPCURFLOOR)CALLFLOORDOWNCURFLOOR{CALLFLOORDOWNCURFLOOR=CALLFLOORUPCURFLOOR=STOP=if(CURFLOOR)LEDUP=return}for(n=CURFLOORn=MAXFLOORn)if(CALLFLOORUPn){DESTFLOOR=nreturn}for(n=MAXFLOORnCURFLOORn)if(CALLFLOORDOWNn){DESTFLOOR=nreturn}DIRECTION=for(n=CURFLOORn=n)if(CALLFLOORDOWNn){DESTFLOOR=nreturn}for(n=n=CURFLOORn)if(CALLFLOORDOWNn){D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