基于单片机的电梯控制综合系统.doc

1 课题概述
1.1　课题关键研究内容及设计步骤
本课题关键任务是完成一个电梯系统调度模块，即依据每个楼层不一样用户按键需求，让电梯做出合理判定，正确高效地知道电梯完成各项载客任务。依据此任务，本课题需要研究内容有：
1、依据系统技术要求，进行系统硬件总体方案设计；
2、学习单片机相关知识，而且加以利用；
3、选择合适芯片，并对其内部协议有所掌握，便于应用。
4、研究C语言编程，而且要求电梯工作规则，用C语言加以实现；
5、对软件和硬件进行调试，让其协调工作，完成指定任务。
结合以上内容，本课题设计方案步骤以下：
相关硬件部分：
首先，对实际电梯系统进行模拟，通常情况下，一个电梯应该含有相关按键、显示二极管、数码管等，因为这是一个调度模块，故没有设计具体轿厢等机械部分。然后，结合这些实物，选择合适芯片，并分成若干模块，安排好各自之间关系。接着，要完成电路图设计，画出PCB板，焊接相关器件后进行硬件调试，看是否好用并加以合适更正。
相关软件部分：
相关电梯调度时所遵照标准作出要求，其必需基于高效和人性化两个标准。最终是使用C语言将要求程序化，方便电梯真正运作。
当然，二者关系并不是分离，它们是相辅相成，硬件依据软件来验证，软件依据硬件来调试。经过一个个发觉问题、一个个处理问题，最终做出完美电梯调度模块。
1.2课题开发环境介绍
1.2.1　电路图制作软件proteus 7.2
Proteus是现在最好模拟单片机外围器件工具，所以在仿真和程序调试时，关心不再是一些语句实施时单片机寄存器和存放器内容改变，而是从工程角度直接看程序运行和电路工作过程和结果。对于这么仿真试验，从某种意义上讲，是填补了试验和工程应用间脱节矛盾和现象。
1.2.2　C51程序开发软件Keil
Keil C51 软件是众多单片机应用开发优异软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM 语言和 C 语言程序设计，界面友好，易学易用。
2 方案论证
2.1 设计功效要求
本设计是为一六层电梯设计一调度系统，即使电梯能够合理高效地运行，完成各楼层用户接送任务。形象地说，就是要应对不一样楼层用户不一样需求，作出合理高效判定，使全部用户在整体利用时间最短条件下将其运往各自目标地。
这个设计成品应该能够作为真实电梯控制系统一样，遵守以下两个标准：一是高效性，二是人性化。而实际电梯所面临情况无比复杂，故本设计难点除了硬件上面外，还有对这些复杂情况归类化，分为若干个基础情况，另外是用合适C语言描述来表示这些复杂逻辑。
关键处两个步骤：第一判定电梯是上行还是下行；第二，判定是去接人还是去送人。
2.2 系统结构框图

图2-1 系统结构框图
如上图2-1所表示，楼层电梯呼叫按键就是楼层外面上行、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数字按键，它是内部按键需求输入；单片机就是整个系统关键，接收输入信息，经过处理后输出信息；楼层显示数码管就是接收单片机处理信息，显示此时楼层数；电梯状态指示灯就是接收单片机处理信息，显示电梯状态：上升、下降、停止。电动机驱动和控制就是接收单片机PWM脉冲信号来控制驱动器，进而控制电动机正反转，使电动机牵引电梯做上下运动。
3 系统硬件设计
电梯最底层为1楼，所以在1楼仅有上升按键，而电梯最高层为6楼，所以6楼应仅有下降按键。其它楼层则现有上升按键，也有下降按键。在电梯内部按键设置方面，则应有1～6楼各层选择按键。按键一端接地，另一端经过集成电路芯片连至单片机引脚。这里，因为按键数量很多，又要求电梯控制系统能以最快速度响应按键需求，所以，全部按键经过和门连接单片机。用五片双4输入和门74LS21即可实现16个按键对象集体和运算最终止果，按键动作最终是送到单片机端。即：
←（P1.0*P1.1*P1.2*P1.3）*（P1.4*P1.5*P1.6*P1.7）*（P3.0*P3.1*P2.0*P3.3）*（P3.4*P3.5*P2.1*P2.2）
不管哪一个按键有动作，低电平信号就会送到端，从而引发外部中止0服务子程序运行。当定时器0中止时，单片机向电动机发送PWM脉冲信号，电动机接到脉冲信号后，经过驱动器驱动，电动机便牵引电梯上下运动。
电梯楼层显示用七段数码管完成显示。本设计电梯只有6层，所以用七段数码管即可，数码管显示数据经过单片机P0口来进行传送。设计中要求数码管伴随电梯位置改变而改变，即数码管显示数据要和楼层数同时，所以数码管片选线直接连接地，而不需要再选择。
电梯升降状态用上升和下降指示灯来进行显示，经过单片机P3.7和P3.6引脚分别连接上升和下降指示灯负极，其正极均连接至系统正电源处。
3.1单片机最小系统模块
在本设计中，最小系统应该包含：单片机、晶振电路、复位电路。图3-1所表示，晶振电路由C3和C2和晶振组成。C3和C2是两个30pF瓷片电容接地用来削减偕波对电路稳定性影响。复位电路采取为手动按键复位电路，由电容C13，电阻R1、C1和开关RESET组成，当单片机复位引脚RESET出现2个机器周期以上高电平时，单片机就实施复位操作。
图3-1 单片机最小系统
3.2电动机选择
我们选择三相异步电动机来做电梯动力装置，因为国产Y系列电动机含有高效、节能、特征好及低噪声等优点，我们将选择中国最优异Y系列异步电动机。这里我们选择Y100L24三相异步电动机，因为它还含有性能好、寿命长、可靠性高、维护方便、开启转矩大等优点，其功效参数为额定电压380V，额定频率50HZ，额定功率3000W，额定转速1400转/分。图3-2，在PROTEUS中，我们选择一般MOTOR-BCD替换进行仿真。

图3-2电动机正反控制电路
3.3中止电路

图3-3 中止电路图

中止电路如上图3-3所表示。图中外部0中止和74LS21和门相接，低电平有效，所以当单片机接电源后，P1.0～P1.3引脚此时为高电平，当任一按键按下后，对应中止输入口直接和地相接，高电平变为低电平，外部0中止立即响应，单片机系统进入中止控制子程序系统，在中止服务子程序中做出对应实施指令。

3.4 数码管显示模块
图3-4 数码管显示电路

七段数码管外形图3-4所表示，即左边7个引脚跟单片机P0口相接，下边引脚连接地。楼层内外分别用一个7段数码管显示，能够共用一个P0口。

3.5 按钮控制电路模块

图3-5电梯不一样楼层按钮

图3-5所表示，按键显示电路模块包含电梯内部按钮和每层楼上下按钮，这些按钮一端和地相接，一端又和单片机和和门74LS21相接，外部0中止低电平有效，这么能够实现模拟按键自如操作。
3.6 报警电路
图3-6所表示，电梯内添加手动报警电路，假若电梯发生故障，电梯内人可自行发出报警信号，向外界求救。该电路接在单片机P2.7口。

图3-6电梯不一样楼层按钮
3.7 模拟电路图
以下图3-7所表示，电路原理图包含状态指示灯模块、内外按键模块、中止电路模块、单片机关键外围模块、数码管显示模块和电动机驱动控制模块、报警模块。P0口P0.1～P0.6引脚和数码管模块相接，P2口P2.4～P2.7引脚和电动机驱动控制模块相接，P3口P3.2引脚和中段电路模块相接，P1口P1.0～P1.7引脚、P3.0～P3.1引脚、P3.3～P3.5引脚分别和对应内外按键模块相接，P3.6～P3.7引脚和状态指示灯模块相接。

图3-7 模拟电路原理图
4系统软件设计
从程序功效上来分，本设计高层软件程序大约能够分为以下几类：一、运行和决议函数；二、中止处理函数；三、置位各状态变量函数；
其中，第一类函数起作用于按键按下时刻，当有按键按下时，经过74LS21以中止方法发送给单片机，此时，单片机即对程序中所用到各个状态变量进行置位而且点亮相关发光二极管，如置位按键所对应去向变量等，方便决议函数使用。第二类函数起作用于电梯抵达目标楼层时，这时函数负责把相关发光二极管熄灭，而且立即清除相关状态位，以免影响判别函数作出正确判定。第三类函数是程序关键。它直接负责管理电梯下一次所要抵达楼层，而且要基于短时间、高效率、人性化等标准。每当电梯经过一楼层时，此函数即会被调用，然后返回一个变量名为aim值，它即为下一个电梯要停留目标楼层值。
4.1　单片机中止处理函数
本设计关键用到了单片机中止系统。当有按键按下时，利用函数将键值存放起来，并在单片机引脚输出高电平发出中止进行相关处理。中止相关设置和中止处理图4.1所表示。

图4.1 中止处理中相关操作
4.2　电梯判决函数
在电梯经过一个楼层时，就会自动调用该函数。其步骤图4.2所表示。

图4-2 电梯判决步骤图
由图可知，程序中将实际情况分为四种情况来判定：电梯上行且是去送人、电梯上行且是去接人、电梯下行且是去送人、电梯下行且是去接人。电梯各情况下所对应处理方法，以电梯上行两种状态为例：
在实际应用中，最简单情况莫过于电梯目前为闲置状态，然后有一人按下按键呼叫，然后电梯便响应呼叫。不过，实际情况往往比这复杂多，往往会有多人呼叫电梯。那么就必需得为电梯要求好一个特定优先级规则，以免乱作一团。
若电梯处于上行状态，则在该过程中响应不一样用户优先级为：高层呼叫上行用户>高层呼叫下行用户>底层呼叫下行用户>底层呼叫上行用户。
若上行，且是送人，比如电梯目前在二层，六楼有些人呼叫上楼，那么它就要响应这一呼叫，从而把自己目标楼层锁定为六楼并向上运行，而在六楼呼叫后很快，五楼也有些人呼叫上楼（且电梯此刻还未运行到五楼），那么在电梯运行中，每经过一个楼层，会做一次判决，因为五楼也有些人呼叫，所以正常情况下，它应该在判决后将目标楼层定位五楼。而若五楼用户按下是下行键，或二楼人按下呼叫键，电梯此时全部会临时不予理会。
在程序中，当五楼有上行键呼叫时，状态变量f5up便会被置位，程序走到判别if((f5up==0)|(present>5))时，里面内容即为假，则不再继续向下判定，而转向else语句中，里面又有一个判定，当确定此时确实有键按下且电梯目前所处楼层小于五楼时，目标楼层就会被变更到五楼，程序最终返回一个aim值。因为程序中没有下行键出现，故下行键状态是不会影响到该程序判决。
此时程序检测依据两个标准：第一，由低层像高层开始检验；第二，对于电梯已经过楼层和按下下行键所发出请求，电梯临时是不予理会。这也是很显著，因为上行送人状态中，低层优先权大于高层。程序就是靠着上面这些if语句嵌套，来完成这种优先级设置。
至于上行接人状态时，所坚持标准是由高层到底层次序进行排查，而对于上行键呼叫临时不予理会。下行状态，恰好和上行相反，在此不再赘述。
4.3　电梯运行函数
该函数直接控制电梯上行和下行、运行和停止。起关键作用还是判决函数给它提供目标楼层值。其具体步骤图4.3所表示。它功效就是判定目标楼层和目前楼层间关系：若前者大于后者，则上行；若前者小于后者，则下行；若相等，则停止片刻把门打开。当然，以后它还要做一次判定，因为可能还有其它楼层需要呼叫，此时程序会自动装入适宜目标楼层值，指挥电梯继续运行下去，直到全部呼叫全部完成为止。

图4.3 运行函数步骤图
4.5 主函数
之所以把主函数放于最终才说，是因为它最为简单，它之上把上面全部函数根据合适次序排列起来，便于相互调用而已。
首先，各按键按下信息是经过中止来通知单片机，故我们要对单片机中止有对应程序语句加以说明，如开总中止，开外部中止0和其触发方法等等。最终就是一个大死循环了，当电梯运行到这里时候，就一直实施判决函数，检测有目标楼层有没有改变，假如有，就开始调用运行函数，而运行函数没当经过一个楼层又会再次调用判决函数等等。而当有中止发生时，单片机又能够转而处理对应中止。就这么，各子函数间经过主函数形成了一个统一整体，使得整个系统得以完美运行。
5 电路仿真及调试
在画好电路图和将程序导入单片机中后，进行仿真，部分结果以下

图5-1 电梯默认停在一楼

解析：
如上图5-1所表示，电梯没有其它响应时，默认停在一楼，数码管显示1楼。此时各内外按键接地一侧全部为低电平，接单片和74LS21和门一侧全部为高电平，电动机处于停止状态。

图5-2 高处5楼呼叫电梯，上行指示灯亮

解析：
如上图5-2所表示，电梯在1楼，电梯内有上升到5楼指令，电梯上行，经过四楼且上行指示灯亮，而到一到五楼，五楼按键和指示灯另一侧立即转为高电平，指示灯熄灭，所以截上升到四楼图。

图5-3 电梯下行要去2楼，经过三楼，此时外部按下6楼下指令

解析：
如上图5-3所表示，电梯在接到下行指令要去2楼，经过三楼时，此时6楼外有些人呼叫电梯，因为电梯内仍然有些人，电梯依旧处于下行中，此时电梯内2楼和电梯外6楼指示灯全部亮，且电梯下行指示灯也亮，先不理会6楼向下指令，抵达2楼后，直接前往6楼，抵达六楼时，六楼指示灯也会立即熄灭。在这个过程中电动机先反转到2楼，然后正转到6楼。

总 结
本文对电梯控制系统这一课程设计做了具体汇报和总结，其中包含硬件部分和软件部分两大模块，而且对其中各个关键子模块加以了关键具体地说明。
经验证，本设计所设计电梯完全符合当初预想，该电梯调度完全符合高效、省时、人性化特点。运行结果完美无误，能够作为真实电梯调度系统使用。
本毕设主导思想是：当有用户按下按键呼叫电梯时，利用单片机中止，将该信息传输给单片机，从而单片机置位相关状态参量，为电梯判决函数判定提供依据，然后单片机再实时地点亮或熄灭相关发光二极管。其中，单片机中止系统是基础，电梯运行函数为主导，电梯目标楼层判决函数为关键和关键。
总来说，因为精心设计和调试，课设成品还是很成功，而且本程序编写不仅仅是为了应对六层楼电梯，更多层电梯也能够实现，比如使用矩阵键盘就能够实现十几层电梯需求。当然，假如更高层电梯，就会受到单片机管脚资源限制了。而程序本身思想本身是能够支持更多层电梯运行调度，假如用其它管脚多处理器话（如ARM型处理器），则这一设想完全能够实现。
当然，本设计还是有些不足之处，比如这只是单个电梯在运行，假如一些大楼载客量过多时，当然无法满足需求，故我想以后能够设计出两个轿厢电梯，这么二者相互补充，能够满足更多要求，使用户更方便。当然难度也是有，它们之间需要共同维护部分变量，全部会带来部分未知麻烦等等，但我想只要去思索，总会能够找四处理之路。