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电梯定位控制系统
摘要：
本系统以AT89S52作为主控制器，以+9VDC驱动的步进电机作为执行器，以L297+L298作为执行器的驱动器。用电压比较器对电源电压进行比较，用来判断是否选通备用电源。用掉电记忆功能对设定运行顺序进行存储。
对步进电机的控制使用脉宽调制技术（PWM），从位置控制，速度控制，加减速控制三个方面对执行器进行精确控制，并使用了定时器法实现步进电机加减速控制。

MCU，步进电机，“H”桥，EEPROM，脉宽调制技术（PWM），位置控制，速度控制，加减速控制，定时器法

一、引言
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系，在工业生产及其他方面的应用十分广泛，特别是近年来随着计算机、数控技术及永磁体材料的迅速发展，为步进电机的应用开辟了更为广阔的前景。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。单片机控制步进电机具有功能灵活多样，脉冲输出准确，实时性强等特点，通过软件设计可以实现各种复杂的控制，其系统成本低。本文主要通过使用单片机对步进电机编程控制以实现对电梯定位控制系统的控制。
二、总体方案论证与选择
2.1根据题目要求制定的设计目标
根据设计要求和使用的需要，设计的电梯定位控制系统具有以下功能：
（1）对电梯上的四个位置（从低到高为O，A，B，C）按照O→C→A→B→C→O的运行顺序控制电梯运行；
（2）启动，加速，运行，减速过程平稳，没有震动或抖动；
（3）能准确定位在每个位置，并静止10S；
（4）对当前运行位置进行显示；
（5）能显示运行时间，下一个运行位置和静止时间倒记时；
（6）可预置运行顺序和指定位置的静止时间；
（7）可随意发出终止当前运行状态命令，电梯按当前方向运行到最近的定位点上；
（8）可实现停电保护和报警；
（9）其它。
另外，本题还有如下要求：
（1）电机可自选，步进电机和直流伺服电机均可，但驱动电压不得超过+12VDC；
（2）量筒容积约100mL，直径不得小于65mm，无上盖；
（3）整个装置由电梯定位控制系统供电。
2.2各种实现方案比较论述
对于电梯定位控制系统，典型系统框图为：用主控制器（MCU）对执行器进行控制，使执行器按主控制器发出的命令完成设计任务。我们使用这种典型系统框图，所以本设计现在需按照这个框图分别对执行器和主控制器进行选择。
2.2.1对执行器的选择：
（1）执行器选用直流伺服电机
伺服电机常用于工控现场的执行器，它具有以下特点：力矩范围为全范围；速度范围宽，可达1~2万转/分；控制方式多样化，智能化；平滑性好；精度高（具体要看反馈装置的分辨率）；力矩特性好，特性较硬；可3~10倍过载（短时）；反馈方式为闭环方式，编码器反馈；响应速度快；耐振动性一般；维护性较好等。
传统的直流调速系统包含2个反馈环路，即速度环和电流环，采用测速机、电流传感器（霍尔器件）及模拟电子线路实现速度的闭环控制。现代数字直流伺服控制则采用高速数字信号处理器（DSP），直接对速度和电流信号进行采样，通过软件实现数字比较、数字调节运算（数字滤波）、数字脉宽调制等各种功能，从而实现对速度的精确控制。二者相比，模拟调速系统结构简单、成本低、可靠性高，但调试较复杂，因为其电路参数的修改往往需要硬件上的改动；而数字调速系统结构复杂、成本高。
由上可知伺服电机除耐振动性和维护性不够好外其它性能优良，但是它的缺点是传统调速系统调试复杂，数字方法结构复杂，成本高；另外，它还有一个致命弱点，那就是价格高。

（2）执行器选用步进电机
和伺服电机一样，步进电机也常常用来做工控现场的执行器，它主要具有以下特点：力矩范围为 中小力矩（一般在20Nm以下）；速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）；控制方式主要是位置控制；平滑性不太理想，低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）；精度一般较低，细分型驱动时较高；矩频特性不太好，高速时力矩下降快；过载时会失步；大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步；响应速度一般；耐振动性好；基本可以免维护；价格低等。
综上所述，伺服电机在许多性能方面都优于步进电机，但是由于步进电机有耐振动性好，基本可免维护，价格低廉等伺服电机不具有的特点，在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。
因为本系统对控制要求不高，步进电机的力矩、速度、精度、响应速度等都已足够，且步进电机成本低，耐振动性好，基本可免维护，所以，在本系统的设计过程中，我们综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选择步进电机来做执行器。
2.2.2对主控制器（MCU）的选择：
在众多MCU芯片系列中，我们主要有以下选择：
（1）MSP430系列
MSP430系列单片机是由TI公司开发的16位单片机。其突出特点是超低功耗，非常适合于各种功率要求低的场合。它的另一个特点是a/d，包含了具有8个外部通道的12位高性能A/D转换器。利用芯片内置的自动扫描功能，A/D转换器可以不需要中央处理器的协助而独立工作。另外它还包括看门狗、脉宽调制定时器(PWM)、比较器、USART口以及输入/输出引脚等部件。
由上可知MSP430系列单片机具有很多外加功能，但是它的这些外加功能在本题中几乎不需要，而且它还有一个弱点：价格较高。
（2）Avr系列
Avr系列单片机是ATMEL公司生产的8位单片机。它废除了机器周期，抛弃复杂指令计算机(CISC)追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容丰富的操作数与操作码安排在一字之中(指令集中占大多数的单周期指令都是如此)，取指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃，是以高可靠性为其后盾的。
它的flash+内置eeprom是很好的卖点。而且它还内置10位A/D、看门狗、脉宽调制定时器(PWM)、比较器、USART口等部件，功能强大。但是这些功能在本设计中几乎无用武之地，另外，Avr单片机价格较高。
（3）MCS-51系列
MCS-51系列单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O等基本功能部件，它是单片机的基本型号，其他系列单片机多是在51系列的基础上添加一些其他功能或是某些功能更加完善。它应用广泛，价格低廉，具有单片机的基本功能，对于完成本题指标已经完全够用。AT89S51有128字节的RAM，4K的ROM；AT89S52有256字节的RAM，8K的ROM。本设计因需要单片机完成众多任务，程序较大，需要更多的ROM，而且为了提高速度，需要更大的RAM。
综合上述，MSP430系列和Avr系列的单片机都内带脉宽调制定时器(PWM)，而对步进电机的控制需要脉宽调制，选择MSP430系列和Avr系列的单片机无疑会使控制得到简化，但是若使用51系列也可以较易实现脉宽调制，而且51系列价格低廉，考虑到设计成本，我们最终选择了MCS-51系列的AT89S52单片机。
三、详细软硬件设计
根据题目要求和论证结果,本系统的系统框图如下：

步进电机
驱动模 块
主控制
器
MCU

AT89S52

键盘模 块

显示模 块

电 源 电 压 比 较 及 选 择 模 块

电 源 模 块 及 备 用 电 池

系统工作原理：
步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲转变为角位移的执行器。由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格的与输入脉冲的数量和频率成正比。改变通电顺序可以改变电机的旋转方向；改变脉冲频率可以改变电机的转速。
用AT89S52作为主控制器，用+9VDC步进电机作为执行器，用L297+L298作执行器的驱动电路。步进电机用脉宽调制技术控制转速，控制信号由MCU发出，297用来产生控制298的序列信号，由298产生驱动脉冲电流。通过MCU控制步进电机实现电梯的运行、定位、计时、终止等功能。外加掉电启用备用电源功能，系统电源与备用电源的电压通过比较器比较大小，用比较结果控制继电器选通系统电源通道或备用电源通道，在选通备用电源时打开报警系统。
1、硬件设计
本系统硬件电路主要包括：AT89S52单片机最小系统，电源电路、电机驱动电路、掉电保护及报警电路、键盘与显示电路等。下面分别说明各个电路模块。
（一）电源的设计
根据系统要求，本电源要带动电机，我们选用的电机电流为0.6A，再加上控制及驱动部分，整个系统的电流较大，为了提高系统稳定性，电源要留有一定余地，故我们制作了输出可调的开关电源。这里使用LM2576，它具有功率大，体积小，效率高，外围电路简单，价格合理等特点。
为了减少电源引线，增加系统的安全性，整个系统只用+9V电源供电，而最小系统需要+5V电源，我们在+9V电源输入端接一个7805把电压稳定在+5V给最小系统供电，电机驱动部分使用+9V电源供电，这样就减少了系统的电源引线，增加了安全性和可靠性。
电源部分电路图如下所示 ：

（二）步进电机驱动部分的设计
（1）驱动步进电机需要“H”桥电路结构，可用三极管和与门自搭，电路图如下：

此方法对三极管参数要求较高，稳定性不够高，技术不好的话驱动电流不够大，电机运行不稳。
（2）用L297+L298的典型电路。L297与L298是专门为驱动步进电机设计的配套芯片。298内部主要是双‘H’桥电路，因三极管集成在一起，性能参数匹配良好，稳定性好，驱动能力强；297用来产生控制298的序列信号。当然297可以不用，但这样会加大单片机程序的负担。
综合比较以上两种方案，我们选择297+298的典型电路结构，其电路图如下：

我们的步进电机为四相驱动，+9VDC驱动，全步步距角为1.8°，半步步距角为0.9°，由于此题对控制精度要求不高，我们采用全步工作方式。由于步进电机在低速时易出现低频振动现象，振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。所以为了减少低频振动，我们采用阻尼技术来克服低频振动现象，在电机与框架的接触处垫了几层泡沫纸，振动效果得到了一定改善。
步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600RPM。为了增大输出力矩，减少高速丢步现象，我们经实验把转速定在了约120RPM，这样即增加了输出力矩，电梯运行速度又不会太低。经测量，电梯匀速运行速度为0.14m/s，滑轮加线直径为23.58mm。
（三）键盘显示电路设计
　　 本系统需要14个按键，我们采用4×4矩阵式键盘，需8根口线，共有16个按键，有“1～4”四个数及“O”，“A”，“B”，“C”，“+”，“-”，“确定”等按键。
键盘部分电路图如下图所示：
因为此题要求可显示运行顺序，当前楼层，运行时间，下一楼层，等待时间等项内容，若用数码管显示则需要太多的位数，且数码管消耗电能过大，加重了电源的负担，因此我们采用液晶1602，它可以显示两行，每行可显示16个字符，电路简单，并且与数码管相比节约电能。
因1602支持8位和4位两种模式，为了节约I/O口我们采用4位模式，加上3根控制线共需7根口线。
显示部分电路图如下：

（四）掉电记忆部分电路设计：
为了使电源在突然断电后，下一次开机时能记忆并按照上次设定顺序运行，我们在原有的系统基础上增加了掉电记忆功能。此部分采用EEPROM，型号24C16。它具有容量大，体积小，可擦写1000000次以上，数据可保持100年以上不丢失，外围电路简单等优良特性。其电路图如下：

（五）停电保护及报警部分的设计：

为了让电梯系统在突然断电时还能做短暂的运行以备急需，我们增加了掉电保护及报警功能。
使用电压比较器对系统电源电压进行监测，用比较信号控制继电器的开合以选通系统电源或备用电源。考虑到电机电流较大，在继电器换相时有电压跳变会影响电机运行稳定性，我们在继电器输出端增加了一个大电容蓄能，这样能明显改善电机在掉电时的运行稳定性。电压比较器可用运放来做，但一般用运放效果不是很好，稳定性不太高。这里我们选用专用电压比较芯片LM393，它转为电压比较设计，稳定性较高，供电电压范围宽。
为了在继电器选通备用电源时发出报警信号，我们在继电器线圈两端并接了一个蜂鸣器，这样就能在备用电源选通的同时驱动蜂鸣器，发出报警信号。

停电保护及报警部分的电路图如下：

综上，硬件部分整体电路图如下：

2、软件设计
本系统软件流程框图如下

键 盘 扫 描
等 待 命 令
系 统 初 始 化

无键按下

确 认 键
被按下？
设定相应顺序
上
静止时间
设定相应顺序
上
对应楼层
选 择 设定运行次序
按照规定默认值输出
有键按下

按照相应设定运行
N

四、测试结果
本系统对电梯上的四个位置（从低到高为O，A，B，C）可以按照O→C→A→B→C→O的运行顺序控制电梯运行；启动，加速，运行，减速过程平稳，没有震动但有微弱的抖动；能准确定位在每个位置，并静止10S；可以对当前运行位置进行显示；能显示运行时间，下一个运行位置和静止时间倒记时；可预置运行顺序和指定位置的静止时间；可随意发出终止当前运行状态命令，电梯按当前方向运行到最近的定位点上；实现了停电后短暂启用备用电源并报警的功能；为了使电源在突然断电后，下一次开机时能记忆并按照上次设定顺序运行，我们在原有的系统基础上增加了掉电记忆功能。
五、结论
我们使用AT89S52单片机作为中央控制器，使用+9VDC驱动的步进电机作为执行器，用L297+L298作为电机驱动器。本系统有功能强、性能可靠、体积小、电路简单的特点，对电梯上的四个位置可以按照预置运行顺序控制电梯运行；启动，加速，运行，减速过程平稳，没有震动但有微弱的抖动；能准确定位并静止；可以对当前运行位置进行显示；能显示运行时间，下一个运行位置和静止时间倒记时；可预置运行顺序和指定位置的静止时间；可随意发出终止当前运行状态命令；实现了停电后短暂启用备用电源并报警的功能；增加了掉电记忆功能。
但是由于时间仓促，本设计在一些方面还不完善，如加速与减速时水面有一些涟漪；运动过程中容器有轻微晃动；在紧急终止运行时容器有短暂抖动，这些都有待提高，以后定加改进。
总之，本系统定位精度较高，性能好，性价比高，稳定性好，智能化程度高，基本的达到了设计要求。