基于PIC 單片機的電梯模擬控制研究

張亦農(nóng)

(天津鐵道職業(yè)技術學院，天津 300240)

隨著建筑業(yè)的發(fā)展和科技的進步，電梯作為多層建筑內(nèi)對乘客、貨品進行上下運輸?shù)奶胤N機電設備，不僅在結構和功能上要逐漸切合多種實際需求，在控制系統(tǒng)的可移植性、靈敏性、安全性方面也要不斷提出新要求。據(jù)統(tǒng)計，截止2014 年，僅全國各大車站就裝配有電梯設備近6 萬部，分布在900 余個站場。我國現(xiàn)有整機生產(chǎn)企業(yè)近500 家，正逐漸實現(xiàn)智能化、信息化和網(wǎng)絡化［1］。

目前電梯的控制系統(tǒng)大多采用繼電器及可編程控制器，針對PLC 控制存在的成本高且需三相供電等缺點，本文給出基于單片機的電梯模型控制系統(tǒng)的設計概念，旨在利用單片機設計電梯控制系統(tǒng)的核心部分。單片機系統(tǒng)具有結構簡單，使用方便，易于實現(xiàn)模塊化等特點，具有較高可靠性，處理功能強，速度快。

1 系統(tǒng)的硬件設計

電梯的控制系統(tǒng)由單片機控制電梯的顯示、調(diào)速、選項等，硬件構成圖如圖1 所示［2］。電梯選層呼梯系統(tǒng)主要收集電梯內(nèi)、外呼按鍵信號控制電梯走向和平層，除兩個終端站具有單向運行指令按鈕外，每一中間層站均具有兩個運行方向指令按鈕。對各單元模塊的設計可分為電機正反轉控制電路、鍵盤矩陣電路、顯示電路、目的樓層顯示電路、警報電路等五部分設計。

圖1 單片機控制系統(tǒng)原理結構圖

1.1 PIC16F877 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)采用Microchip 技術公司的PIC 系列單片機PIC16F877 作為主控制器，并輔以相關外圍電路。PIC 系列單片機具有尋址方式簡單、代碼壓縮率高、運行速度高、功耗低、驅動能力強等特點［3］，內(nèi)部集成一系列具有獨特功能的專用電路，應用于電梯這種特種機電設備，具有較高的可靠性。微控制器PIC16F877 是一款具有最低功耗、采用全新流水線結構、嵌入閃存的10 位、7 通道A/D 轉換器，具有8 位CMOS 以及高性能RISC CPU，其I/O 端口具有較強的驅動負載能力。系統(tǒng)功能結構圖如圖2 所示。

圖2 PIC16F877 單片機系統(tǒng)結構圖

1.2 PIC 振蕩頻率電路

根據(jù)單片機的工作條件和要求可知，其振蕩電路與電梯控制系統(tǒng)工作速度有直接的關系，PIC16F877 單片機振蕩頻率最高可達20 MHz，滿足電梯運行控制的要求，電路圖如圖3 所示。

圖3 PIC16F877 振蕩頻率電路圖

1.3 PIC 外接電源與復位電路

作為一款低功耗單片機，PIC16F877 的工作電壓為5V，Pin12 與Pin31 為地線接腳，Pin11 與Pin32 連接，Pin1 連接重置電路，按Reset 后，內(nèi)部指令從頭開始執(zhí)行。其接口電路如圖4 所示。

圖4 復位電路圖

2 系統(tǒng)的軟件設計

在系統(tǒng)下位機軟件Keil C51 的開發(fā)環(huán)境下，基于單片機電梯控制系統(tǒng)的核心部分，采用結構化編程，利用C 語言進行模塊化設計程序開發(fā)，簡化編制過程，對系統(tǒng)的微調(diào)可通過對相應模塊進行修改提高程序的可移植性。電梯控制軟件系統(tǒng)劃分為端口定義及系統(tǒng)初始化、硬件驅動、模數(shù)轉換、轎廂運行程序編制和按鍵程序用戶自定義命令解析、系統(tǒng)監(jiān)控等在內(nèi)的多個模塊。

系統(tǒng)初始化模塊對內(nèi)部資源的初始化包括時鐘頻率的顯示和設定、I2C 總線設定等，對外部資源的初始化包括步進電機驅動器模塊配置、點陣式液晶顯示模塊配置等;硬件驅動模塊依據(jù)廠商范例編寫驅動程序，包含有電梯內(nèi)外控制模塊、電機邏輯運行模塊及中央運算模塊等;系統(tǒng)監(jiān)控模塊屬于系統(tǒng)資源管理模塊，包括看門狗復位，定時器復位，模擬電梯系統(tǒng)運行狀態(tài)的更新等［4］。

如下程序段是結合電梯內(nèi)外呼梯電路所編制的加入抗干擾和按鍵去抖動處理的按鍵程序，不同按鍵判斷執(zhí)行不同的功能(WORK0、WORK1、WORK2)，將采集的按鍵信息實時存儲，便于系統(tǒng)程序的讀取。

3 系統(tǒng)的調(diào)試

采用VS2010 作為系統(tǒng)調(diào)試軟件開發(fā)工具，為進一步簡化編程過程、提高編程效率，采用MFC(Microsoft Foundation Classes)庫，利用C++語言進行面向對象設計(Object-Oriented Design)編程，將模型的分析與設計分開建立，根據(jù)功能劃分各模塊層次。MFC 庫以C++類的形式封裝Windows API，包含大量Windows 句柄封裝類和Windows 的內(nèi)建控件和組件的封裝類，可以通過面向對象的方式調(diào)用Windows API，其中還包含一個應用程序框架，大大減少了工作量［5］。

調(diào)試軟件是采用單片機的串口通信方式進行信息交互，實現(xiàn)其與下位機軟件的通信，完成命令發(fā)送、故障診斷、信息返回等功能。軟件利用系統(tǒng)提供的API 函數(shù)實現(xiàn)對串口的操作，如串口的打開、關閉以及讀寫串口等。

Win32 中用于打開串口的API 函數(shù)為CreateFile，其原型為:

本軟件以同步讀寫的方式打開串口，代碼如下:

利用API 函數(shù)實現(xiàn)串口通信時關閉串口只需使用CreateFile

函數(shù)返回的句柄作為參數(shù)調(diào)用CloseHandle:

讀串口所用函數(shù)原型如下:

寫串口所用函數(shù)原型如下:

上位機的軟件運行界面如圖5 所示。

圖5 上位機軟件運行界面圖

軟件中的編輯窗口用來接收用戶命令，點擊“Send”按鈕后將通過串口發(fā)送到下位機中。同時軟件中的列表窗口將顯示軟件通過串口讀取的下位機反饋數(shù)據(jù)。以便用戶判斷用戶命令的執(zhí)行情況。“Test”按鈕主要用來完成系統(tǒng)的測試及故障診斷工作。值得注意的是，用戶發(fā)送命令時，一定要嚴格按照命令協(xié)議中的規(guī)范進行書寫，否則下位機將不能有效識別命令，可能造成意想不到的操作。

4 結論

本文采用微控制器PIC16F877 作為主控制器，選用Keil C51 作為下位機軟件開發(fā)環(huán)境，利用結構化編程進行模塊化設計。本系統(tǒng)設計將電梯控制系統(tǒng)劃分為端口定義及系統(tǒng)初始化、硬件驅動、模數(shù)轉換、轎廂運行程序編制和按鍵程序用戶自定義命令解析、系統(tǒng)監(jiān)控等在內(nèi)的多個模塊。系統(tǒng)調(diào)試軟件采用VS2010 為開發(fā)工具，運用MFC 庫進行編程，與下位機軟件進行通信，采用串口通信的方式進行信息交互，實現(xiàn)串口操作，實現(xiàn)電梯的部分功能，如內(nèi)外呼梯的按鍵功能，進一步驗證了電梯控制程序的可編性。

［1］陳家盛.電梯結構原理及安裝維修［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［2］鞏玉濱，陳繼文，于復生，等.基于單片機的電梯控制仿真系統(tǒng)［J］.計算機系統(tǒng)應用，2011，20(11):114－117.

［3］吳正民.PIC 單片機特點及應用時的注意事項［J］.實驗室研究與探索，2003，2(6):79－82.

［4］郭雷崗.基于單片機的模擬電梯控制系統(tǒng)［J］.福建電腦，2012，28(9):101－102.

［5］何春晗，夏明飛.運載火箭主動段綜合引導機制研究與實現(xiàn)［J］.計算機應用與軟件，2014，31(10):82－85.