基于MCU的多層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

韓改寧，李永鋒，任康

（1.咸陽師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，咸陽712000；2.西北機(jī)電研究所，咸陽712000）

0 引言

電梯作為我們生活中出行的一部分，人們的出行已經(jīng)離不開它，在這個科技迅速發(fā)展的時代，各種技術(shù)的不斷創(chuàng)新，電梯的更新?lián)Q代是一個必然趨勢。所以在一定程度上，我們的關(guān)注點(diǎn)聚焦在電梯的安全性、舒適性和美觀性，給人們提供更好的服務(wù)。綠色化、降低耗能、智能化是未來電梯發(fā)展的主旋律。傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)采用繼電器邏輯控制線路，具有接觸點(diǎn)繁多，多功能性和靈活性差，接線復(fù)雜，這種線路容易出故障、維護(hù)不便、壽命短等缺點(diǎn)，給后期維修帶來了很大的挑戰(zhàn)[1]。

可編程邏輯控制器（Program Logic Control，PLC）和微機(jī)組成的電梯邏輯控制系統(tǒng)快速發(fā)展[2]，PLC采取大量的抗干擾措施，不但易于使用而且易于擴(kuò)展，但PLC的針對性強(qiáng)，從而導(dǎo)致PLC和設(shè)備都是一一對應(yīng)的，從而導(dǎo)致價格比較昂貴，得不到廣泛應(yīng)用。由于單片機(jī)有功能強(qiáng)大，易于擴(kuò)展，價格便宜等的優(yōu)點(diǎn)，所以由單片機(jī)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以隨著設(shè)備的更新而不斷完善，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的升級會滿足對控制系統(tǒng)的各種要求[3]。由于其在價格上面相比可編程邏輯控制器而言，具有很大的優(yōu)勢，將意味著電梯可以大量的應(yīng)用于任何地方，為人們的生活帶來很大的便利。

1 電梯控制系統(tǒng)的組成

基于51單片機(jī)的電梯控制系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，采用28BYJ-48永磁式步電機(jī)控制電梯的上下運(yùn)行，8×8的點(diǎn)陣作為顯示模塊，采用按鍵組成鍵盤模塊，采用Speak蜂鳴器與緊急按鍵組成報(bào)警模塊，USB移動電源作為供電裝置。總體構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

（1）控制器模塊

單控制器選擇STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器[4]。該單片機(jī)具有輸入輸出接口、定時中斷器等資源，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。

（2）顯示模塊

LED點(diǎn)陣顯示屏由大量的半導(dǎo)體發(fā)光二極管為像素點(diǎn)排列組成。具有低功耗、超高密度、視角大、引腳少、可靠性強(qiáng)、耐濕、耐冷熱、混色好、耐腐蝕、通透性高等特點(diǎn)。它按組成的發(fā)光二極管的個數(shù)可分為4×4、4×4、5×7、5×8、8×8、16×16、24×24、40×40 等，本設(shè)計(jì)顯示模塊選擇了8×8的LED點(diǎn)陣顯示，該顯示器用來接收單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)相應(yīng)的顯示當(dāng)前樓層和電梯運(yùn)行方向等提示信息。

（3）電源模塊

將室壓220V的電壓轉(zhuǎn)化為開發(fā)板可用的5V電壓，從而用來給所需的硬件設(shè)備供電力。

（4）電機(jī)控制模塊

本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)電梯的上升和下降控制。步進(jìn)電動機(jī)用脈沖信號進(jìn)行控制，以通過控制脈沖數(shù)來控制角位移量實(shí)現(xiàn)精確定位[5]。脈沖頻率決定步距角和轉(zhuǎn)速，不受其他因素的影響。

（5）鍵盤模塊

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一個六層控制電梯，按鍵數(shù)量少，所以采用獨(dú)立式鍵盤，即每個按鍵單獨(dú)占用一根I/O口，I/O口反映的信號即對應(yīng)按鍵的狀態(tài)，獨(dú)立優(yōu)點(diǎn)就是編程簡單，可以利用軟件識別功能來處理各種鍵的請求。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于MCU的多層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，硬件部分主要包括控制器、顯示電路、電機(jī)驅(qū)動電路、按鍵模塊電路、應(yīng)急報(bào)警模塊電路等。

2. 1 元器件的選擇

通過市場調(diào)研，考慮性價比的前提下，在本次設(shè)計(jì)中選擇的元件型號為：

（1）主控模塊：MCS-51。

STC89C52是MCS-51系列的一款。如圖2所示，單片機(jī)主要由中央處理器、ROM、RAM、定時器/計(jì)數(shù)器I/O等部件組成[4]。其內(nèi)部框圖如圖2所示。

圖2 STC89C52原理圖

（2）顯示模塊

本設(shè)計(jì)采用8×8的點(diǎn)陣顯示，因?yàn)樗墓牡?，性能穩(wěn)定，使用起來非常方便。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖3中所示晶格中的每個LED都放置在行和列線的交點(diǎn)處。當(dāng)相應(yīng)的列被設(shè)置為一個級別并且一行被設(shè)置為0時，對應(yīng)的二極管被點(diǎn)亮。外觀如圖3（b）所示，引腳如圖 3（c）所示。

圖3 8×8LED點(diǎn)陣圖

本設(shè)計(jì)中，LED點(diǎn)陣與STC89C52單片機(jī)的引腳連接參考文獻(xiàn)[6]。8×8點(diǎn)陣引腳點(diǎn)陣的背面引腳圖3（c）所示，共兩排各8個引腳，數(shù)字0-7代表著點(diǎn)陣的行線，0表示第一行的8個發(fā)個二極管；A-H代表著點(diǎn)陣的列線，A表示第一列的8個發(fā)光二極管。STC89C52單片機(jī)P0口與LED點(diǎn)陣的行連接，P2口與51單片機(jī)的列連接。

（3）電機(jī)控制模塊：28BYJ-48永磁步進(jìn)電機(jī)。

STC89C52不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，因此需要由功率電路來擴(kuò)展輸出電流以滿足被控元件的電流、電壓。ULN2003達(dá)林頓晶體管屬于可控大功率器件。它是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時，ULN2003輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003輸出端為高電平。本設(shè)計(jì)通過P3.0、P3.3控制每個線圈的開啟和關(guān)閉，打開時P3.0和P3.3均為高電平，將P3.0和P3.2（或P3.1和P3.3反轉(zhuǎn)）可切換至低電平，以達(dá)到驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。電梯上行電機(jī)正轉(zhuǎn)，電梯下行電機(jī)反轉(zhuǎn)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈電梯移動一層。本系統(tǒng)電機(jī)控制電路如圖4所示。

圖4 電機(jī)控制電路圖

（4）按鍵模塊電路

本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式鍵盤，6個樓層設(shè)計(jì)6個獨(dú)立按鍵，分別連接到P1口的P1.2-P1.7的6個引腳上。工作原理：未按下，對應(yīng)端口為高電平；按下鍵，對應(yīng)端口為低電平。

表1 按鍵表

只有（P1）≠0FFH，則有按鍵按下，或者將（P1）的值取反（CPL），則只有（P1）≠00H，則有按鍵按下。JZ rel或者JNZ rel指令即可實(shí)現(xiàn)判斷。

（5）應(yīng)急報(bào)警模塊電路

本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器作為報(bào)警系統(tǒng)，方便又簡單。如果電梯在運(yùn)行過程中遇到緊急情況，用戶可以按下按鍵進(jìn)行報(bào)警[6]。同時電梯還會停在最近的樓層，并禁止用戶對電梯按鍵操作上下樓，以免電梯再次出現(xiàn)意外。等救援人員到達(dá)，并修復(fù)故障后，按下復(fù)位按鍵，電梯恢復(fù)正常運(yùn)行。蜂鳴器連接著三極管的發(fā)射極，三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量，從未體現(xiàn)了三極管具有放大電流的功能。集電極接電源，排母接插口和電源，三極管的基極接一個1K的電阻過去再接單片機(jī)的P3.6。電路如圖5所示。

圖5 應(yīng)急報(bào)警圖

2. 2 硬件電路原理圖

采用MCS-51系列STC89C52單片機(jī)作為控制器，步進(jìn)電機(jī)用于電梯控制，8×8 LED點(diǎn)陣作為顯示模塊，在Protues下設(shè)計(jì)各個模塊之間的原理圖如圖6所示。

2. 3 實(shí)物整體連接

硬件整體連接將STC89C52單片機(jī)、28BYJ-48永磁式步電機(jī)、8×8 LED點(diǎn)陣顯示屏模塊、SPEAK蜂鳴器等組合到一塊，焊接實(shí)物如圖7所示。

圖6 STC89C52單片機(jī)電梯控制電路原理圖

圖7 硬件整體連接

3 電梯控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的控制，以C語言實(shí)現(xiàn)的控制程序，按模塊儲存在STC89C52單片機(jī)的內(nèi)部存儲器中，無需單片機(jī)擴(kuò)展存儲器接口，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，減低了成本，同時又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于多層電梯控制系統(tǒng)，包括鍵盤輸入模塊、LED點(diǎn)陣顯示模塊、電機(jī)控制模塊和應(yīng)急報(bào)警模塊。電梯控制過程分為兩部分，電梯外的面板控制和電梯廂內(nèi)的面板控制。電梯內(nèi)外控制原理及流程相同，在實(shí)際進(jìn)行電梯控制是兩個控制是嵌套融合的。本設(shè)計(jì)模擬電梯控制，由于按鍵數(shù)量有限，分別單獨(dú)對內(nèi)外面板進(jìn)行控制設(shè)計(jì)?？刂七^程：系統(tǒng)初始狀態(tài)或者復(fù)位后，電梯設(shè)置在1樓（LED點(diǎn)陣顯示“1”）。當(dāng)按下樓層按鍵，如果目標(biāo)樓層高于當(dāng)前樓層時，控制器判斷處于上樓狀態(tài)，控制LED點(diǎn)陣顯示“↑”，同時LED點(diǎn)陣顯示電梯所處樓層數(shù)；如果目標(biāo)樓層低于當(dāng)前樓層時，控制器判斷處于下樓狀態(tài)，控制LED點(diǎn)陣顯示“↓”，同時LED點(diǎn)陣顯示電梯所處樓層數(shù)。通過控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制電梯的上下運(yùn)行，電梯正轉(zhuǎn)一圈，電梯上一層，否則，電梯下一層樓。如果有緊急情況則可啟動緊急按鍵進(jìn)行報(bào)警進(jìn)行應(yīng)急，無論電梯處于何種狀態(tài)，緊急按鍵優(yōu)先級最高，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急報(bào)警。電梯內(nèi)、外的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

整個系統(tǒng)運(yùn)行過程設(shè)計(jì)為：當(dāng)啟動電梯后，判斷是否呼梯，如果有，判斷是否梯外按鍵，如果不是，再判斷是否梯內(nèi)按鍵，如果有按鍵，直接計(jì)算目標(biāo)樓層與當(dāng)前樓層，如果目標(biāo)樓層與當(dāng)前樓層相同，打開電梯門，如果目標(biāo)樓層高于當(dāng)前樓層，電梯上升，如果目標(biāo)樓層低于當(dāng)前樓層，線條下降，電梯再運(yùn)行過程中，不斷判斷進(jìn)行樓層檢查，直到到達(dá)目標(biāo)樓層，電梯停止，打開電梯門，最后判斷電梯是否運(yùn)行，如果運(yùn)行繼續(xù)返回檢查按鍵，如果不運(yùn)行就結(jié)束。流程如圖9所示。

圖9 電梯總體控制流程

應(yīng)急報(bào)警模塊設(shè)計(jì)流程，該模塊采用外部中斷控制，外部中斷優(yōu)先級高，當(dāng)有按鍵請求，立即中斷響應(yīng)，蜂鳴器發(fā)聲，報(bào)警指示燈亮，電梯無論上升還是下降，選擇最近樓層停止運(yùn)行。控制流程如圖10所示。

圖10 電梯應(yīng)急報(bào)警控制流程

仿真測試中，電路通過Proteus設(shè)計(jì)，控制程序通過Keil C設(shè)計(jì)，整個仿真測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 仿真運(yùn)行效果圖

4 軟硬件測試

將Keil C下編寫好的控制程序編譯生成.hex文件，然后根據(jù)前面選型的芯片及元器件，按照原圖了進(jìn)行焊接，再將各個模塊連接好，最后將.hex文件燒寫到STC89C52單片機(jī)中。運(yùn)行效果如圖12所示。

圖12 實(shí)物電路測試圖

本設(shè)計(jì)的電梯控制系統(tǒng)只單獨(dú)針對電梯外的控制或者電梯內(nèi)的控制，后續(xù)將其電路及控制系統(tǒng)擴(kuò)展為多功能的室內(nèi)外電梯控制系統(tǒng)。

5 結(jié)語

針對多層和高層上下樓問題，利用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)的電梯控制系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)控制電梯上升和下降，LED點(diǎn)陣顯示技術(shù)、鍵盤及應(yīng)急報(bào)警控制等，實(shí)現(xiàn)了從輸入到控制和顯示的過程，該系統(tǒng)成本低、操作簡單方便。電梯的安全性是電梯控制系統(tǒng)至關(guān)重要的，利用單片機(jī)控制，電路原理簡單，后期維護(hù)與故障檢測容易，降低人力成本；同時該系統(tǒng)可以應(yīng)用于其他需要電機(jī)控制的電梯廂場所。