基于單片機(jī)的電梯控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

何超

摘要：本方案以STC89C52芯片為核心，模擬了電梯控制系統(tǒng)所需的一些基本功能，通過按鍵選擇樓層，數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)樓層數(shù)，LED燈組成的箭頭指示上下方向。同時(shí)，采用uln2003來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，以步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向來模擬電梯運(yùn)行方向。根據(jù)電梯運(yùn)行到不同的樓層，產(chǎn)生不同的電平量，以此實(shí)現(xiàn)對電梯的控制。該方案軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單可靠，實(shí)現(xiàn)了對電梯的運(yùn)行控制。

關(guān)鍵詞：電梯；步進(jìn)電機(jī)；STC89C52

引言

目前電梯控制系統(tǒng)大多采用繼電器或者可編程控制器（PLC）的控制方式，存在著成本高，需要三相供電等缺點(diǎn)，本方案給出了一種基于單片機(jī)的電梯模型控制系統(tǒng)。以單片機(jī)為核心，再輔以適當(dāng)?shù)挠布娐泛涂刂瞥绦騺頇z測和控制整個電梯的信號，具有成本低、通用性強(qiáng)、靈活性大、擴(kuò)展容易及易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制等優(yōu)點(diǎn)。

1 總計(jì)設(shè)計(jì)方案

本方案采用開關(guān)作為電梯內(nèi)外的請求按鍵，按鍵和單片機(jī)的插針接口相連，按鍵按下為低電平，將信號傳送到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)各接口的信號進(jìn)行判斷處理，處理完畢后控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)電梯的上下運(yùn)動，采用傳感器確定電梯所在的樓層數(shù)及電梯準(zhǔn)確停止的位置，用七段數(shù)碼管顯示電梯所在樓層，用LED燈顯示電梯的上下運(yùn)行狀態(tài)。

本方案采用STC89C52為控制電梯的單片機(jī)[1]?？紤]到經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，選擇28BYJ48型步進(jìn)電機(jī)。采用5V直流電源為單片機(jī)、指示燈、數(shù)碼管供電?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本方案主要由5大部分組成：鍵盤模塊、單片機(jī)控制電路、顯示模塊電路、電源模塊電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路。其中單片機(jī)控制電路主要包含復(fù)位電路，電路復(fù)位后樓層顯示數(shù)字1 表示電梯此時(shí)在一樓，而電梯樓層位置是由延時(shí)電路控制的，延時(shí)電路有2秒延時(shí)，每層之間通過2秒延時(shí)控制即每延時(shí)2秒表示電梯走了一層，同時(shí)顯示相應(yīng)的上下箭頭指示。本方案的延時(shí)部分主要是由軟件控制的。電梯的狀態(tài)是通過點(diǎn)陣組成的上下箭頭和數(shù)字顯示的。鍵盤電路采用獨(dú)立式按鍵。

2 方案硬件設(shè)計(jì)

由于電梯要運(yùn)送客人到不同的樓層，所以每一層都要有按鍵才可以滿足不同樓層顧客的需求。不僅如此，電梯需要人性化的顯示，比如，哪個按鈕按下了，就把它對應(yīng)樓層按鈕的二極管點(diǎn)亮，還要有一個數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示電梯所在層數(shù)，用發(fā)光二極管組成的上下箭頭來表示電梯當(dāng)前的運(yùn)行方向等。而這些零碎的原件，又需要高效的芯片來控制，它們相互之間的物理連接問題亟待解決。

當(dāng)在89C52單片機(jī)的RST引腳引入高電平并保持2個機(jī)器周期時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作，若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡單的上電自動復(fù)位電路中，上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充放電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動上電復(fù)位。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動復(fù)位。本方案采用按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端與電源Vcc接通來實(shí)現(xiàn)。

數(shù)碼管的基本單元是發(fā)光二極管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮，當(dāng)某一字段的陽極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。由于它的價(jià)格便宜、使用簡單在電器特別是家電領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。本方案采用共陰數(shù)碼管來顯示時(shí)間。

本方案模擬的是8層樓電梯，所以有8個按鍵，每一個按鍵對應(yīng)一層樓。8個按鍵接在P2口。當(dāng)電梯到達(dá)每一層時(shí)需要有聲音式提醒，本方案采用了成本和設(shè)計(jì)難易程度更具優(yōu)勢的蜂鳴器提醒。在蜂鳴器電路中，由于單片機(jī)的IO口驅(qū)動能力不夠讓蜂鳴器發(fā)出聲音，故我們選擇三極管做驅(qū)動。三極管放大驅(qū)動電流，從而可以讓蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)要輸出高電平，三極管導(dǎo)通，集電極電流通過蜂鳴器讓蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)輸出為低電平時(shí)，三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，就不會發(fā)出聲音。

3 方案軟件邏輯設(shè)計(jì)

電梯所處的狀態(tài)是整個程序成功運(yùn)行的核心保證。在電梯每經(jīng)過一個樓層時(shí)，就會自動調(diào)用狀態(tài)函數(shù)，它的作用是基于高效率、短時(shí)間、人性化的基礎(chǔ)上，合理智能的對電梯的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度，結(jié)合實(shí)際情況，最終得出電梯下一個目標(biāo)停留樓層[2]。其流程如圖2所示。

由圖2可知，程序中將實(shí)際情況分為四種情況來判斷：電梯上行且是去送人，即電梯此時(shí)位于底層，高層有人呼叫要上樓；電梯上行且是去接人，即電梯此時(shí)位于底層，而高層有人呼叫要下樓；電梯下行且是去送人，即電梯此時(shí)位于高層，而低層有人呼叫要下樓；電梯下行且是去接人，即電梯此時(shí)位于高層，而低層有人呼叫要上樓。

而這四種情況，也就包含了實(shí)際電梯中的絕大部分情況。情況不同，分析的方法也當(dāng)然不一樣。

這可以分為兩個步驟：第一判斷電梯是上行還是下行；第二，判斷是去接人還是去送人。當(dāng)然，第一個是最好判斷的，因?yàn)殡娞菰谶\(yùn)行時(shí)，有兩個與樓層有關(guān)的變量，一個為當(dāng)前所在樓層值，一個為目標(biāo)樓層值，當(dāng)電梯運(yùn)行時(shí)，會讓這兩個值進(jìn)行比較，若前者大于后者，就為下行，從而讓狀態(tài)變量清零，由于電路中上下行的箭頭使用了非門，故在程序中，表示上下行的狀態(tài)變量清零時(shí)表示有效；反之，當(dāng)前者小于后者，即為上行，從而上行變量清零。

至于是接人還是送人，是判別的難點(diǎn)。在此，巧妙地利用了兩個狀態(tài)變量scanup和scandown，前者等于所有上行按鍵和去幾層按鍵狀態(tài)變量的或，后者等于所有上行按鍵和去幾層按鍵狀態(tài)變量的或。由此可知，當(dāng)上行按鍵和去幾層按鍵均為0時(shí)，電梯仍為上行狀態(tài)，那么此時(shí)，電梯的狀態(tài)肯定處于上樓接人的狀態(tài)中，即在高層，有人按了下行鍵；反之，若它們中有一個為1，且按鍵所處樓層高于當(dāng)前電梯所在樓層，這個由其他函數(shù)來限定，防止電梯在上行過程中受已經(jīng)過樓層按鍵按下時(shí)的干擾，則電梯此時(shí)處于上樓送人狀態(tài)，就會執(zhí)行對應(yīng)的子程序。其他的與此同理。

以電梯上行的兩種狀態(tài)為例分析電梯各種情況下所對應(yīng)的處理方法。在實(shí)際應(yīng)用中，最簡單的情況莫過于電梯當(dāng)前為閑置狀態(tài)，有人按下按鍵呼叫，電梯響應(yīng)呼叫。但是，實(shí)際情況往往比這復(fù)雜的多，在第一個人按下按鍵電梯運(yùn)行的過程中，還很有可能會有其他樓層的人按下不同的按鍵（上行或者下行）的情況發(fā)生。那么就必須得為電梯規(guī)定好一個特定的優(yōu)先級規(guī)則，讓其依據(jù)這個規(guī)則來運(yùn)行。規(guī)定，當(dāng)電梯上行時(shí)，均不理會按下行按鍵的顧客，若在上行過程中，有人在某層按的是上行按鍵，但是電梯此時(shí)已經(jīng)走過了該層，那么電梯也絕對不會再選擇先下行。當(dāng)然，當(dāng)將高層上行的顧客送完后（此時(shí)一般來說電梯已經(jīng)處于高層了），電梯便會檢測下行按鍵，若更高層有人呼叫下行，則電梯會選擇先去響應(yīng)，然后再下行的過程中依次響應(yīng)按了下行處于等待中的顧客，最后這些顧客都送完后，再去相應(yīng)那些電梯上行過程中，處于比電梯低的樓層卻按了上行鍵的顧客。

簡單地說，若電梯處于上行狀態(tài)，則在該過程中響應(yīng)不同顧客的優(yōu)先級（或者電梯響應(yīng)的先后順序）為：高層呼叫上行顧客>高層呼叫下行顧客>底層呼叫下行顧客>底層呼叫上行顧客。

4結(jié)論

基于STC89C52單片機(jī)的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)解決了電梯在上下行運(yùn)行過程中的邏輯問題。該方案達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]周鵬.基于STC89C52單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2012，35（22）：10-13.

[2]蘆艷芳，朱貴憲.基于PLC的電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤炭技術(shù)，2011，30（8）：53-55.