基于单片机的电梯控制系统毕业设计

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指导教师单位：姓职

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摘要

本文主要介绍了一种基于单片机的四层电梯智能控制系统。该系统以ATS51为控制核心，电梯机箱内外运行数据通过数码管和LCD1602液晶芯片显示，内外召唤采用矩阵按键，楼层检测采用光敏电阻与激光二极管组成的检测电路检测，电机采用型号39L的步进电机，电机采用LN298驱动电路驱动。

该设计实现的功能有：可以显示电梯运行方向和所在楼层位置；电梯在运行过程中能接受各楼层处和电梯内的楼层请求，并根据情况予以实现；电梯停止到启动期间，可以接受电梯内部和外部的延迟关门请求；通过紧急按键使电梯在运行中过程中安全停止；遇危险情况下可以进行迫降和声光报警；实现实现电梯的加速—匀速—减速功能。

关键词：ATS51;液晶显示;矩阵键盘;LN298;步进电机;激光二极管;直流稳压电源;LM339

Abstract

Thispapermainlyintroducesamicrocontroller-basedonthefourlayersofelevatorintelligentcontrolsystem.ThesystemtakesATS51asthecontrolcore,theelevatorchassisandrunningdatathroughthedigitaltubeandliquidcrystaldisplayLCD1602chip,andcallthematrixofkeys,thefloorisdetectedbythephotosensitiveresistoranddiodelaserconsistsofthedetectioncircuit,motorusingthemodel39Lsteppermotordrivecircuit,motordriveusingLN298.

Thedesignandimplementationofthefunction:canshowthedirectionoftheliftandthefloorwheretheelevatorposition;intheoperationprocesscanacceptallfloorsandtheelevatorfloorrequest,andaccordingtothesituationofimplementation;theelevatortostoptostartperiod,canacceptelevatorinternalandexternaldelaycloserequest;throughtheemergencybuttonsothattheelevatorrunningintheprocessofsafetystop;hazardoussituationscanmakeaforcedlandingandthesound-lightalarm;realizationofelevatoracceleration-decelerationfunction,uniform.

Keywords:ATS51;LCD1602;LN298;matrixkeyboard;steppingmotor;laserdiode;DCpowersupply;LM339

目

1录

23456绪论...............................................................................................................................................11.1电梯的定义与简介..............................................................................................................11.2电梯的组成..........................................................................................................................21.3国内外电梯的发展状况......................................................................................................21.3.1国内电梯发展状况....................................................................................................21.3.2国外电梯发展状况....................................................................................................31.4电梯的发展趋势..................................................................................................................41.5课题的主要研究内容及意义..............................................................................................51.6设计功能要求......................................................................................................................6电梯系统设计方案论证及选择...................................................................................................62.1控制核心..............................................................................................................................62.2曳引动力选择......................................................................................................................72.3曳引机驱动电路..................................................................................................................82.4内外显示电路......................................................................................................................82.5召唤电路..............................................................................................................................92.6定位平层系统.....................................................................................................................92.7楼层提示及报警系统........................................................................................................10硬件基础知识...........................................................................................................................113.1步进电机............................................................................................................................113.2激光二极管........................................................................................................................113.3LN298驱动芯片................................................................................................................123.4LM339比较器....................................................................................................................133.5LCD1602液晶....................................................................................................................14硬件电路设计...........................................................................................................................154.1单片机小系统电路............................................................................................................1.2电机驱动电路....................................................................................................................174.3液晶显示电路....................................................................................................................184.44*4矩阵键盘电路..............................................................................................................194.5定位平层电路....................................................................................................................194.6楼层提示及声光报警电路................................................................................................204.7电源电路............................................................................................................................21软件设计.......................................................................................................................................215.1液晶显示模块....................................................................................................................235.2矩阵按键扫描模块............................................................................................................255.3速度变换（加速-匀速-减速）模块.................................................................................285.4楼层检测模块....................................................................................................................305.5电机驱动模块....................................................................................................................31电梯的模型的制作与功能调试.................................................................................................336.1电梯模型的制作................................................................................................................336.2电梯系统各模块功能调试................................................................................................346.3电梯系统整体功能调试....................................................................................................367总结与展望.................................................................................................................................367.1设计总结............................................................................................................................377.2展望....................................................................................................................................38谢辞...............................................................................................................................................40参考文献...........................................................................................................................................411绪论

1.1电梯的定义与简介

随着社会的发展，城市人口规模不断扩张，受到土地面积的，高层建筑日益增多。人们居室环境发生了很大的变化，人们对生活起居便利的需求日益迫切，电梯作为一种垂直方向的交通工具，在多楼层建筑方面更是不可或缺，人们对电梯的依赖性也越来越高。

电梯是一种以电动机为动力的垂直升降机，服务于规定楼层的固定式升降设备。它具有一个轿厢，运行在至少两列垂直的或倾斜角小于15°的钢性导轨之间。轿厢尺寸与结构形式便于乘客出入或装卸货物。

电梯按外观主要有两种：卧式电梯和立式电梯。卧式电梯主要应用与大型商场、娱乐场所、旅游场所等公共场合。卧式电梯的运动规律是固定的，在带状的轨道上循环运转，正常工作状态下，它只按照设定的方向做一个方向的运动，与乘客之间没有信息的交流，将乘客送至指定的位置，一个电梯只能到达规定的楼层。立式电梯主要应用于住宅、办公楼、大型商场等场所，它与卧式电梯最大的区别是：它是根据外部呼叫信号以及自身控制规律运行的，而呼叫信号时随机的，电梯实际上是一个人机交互的控制系统。单纯用顺序控制或逻辑控制是不能满足其控制要求的，因此，它是采用随机逻辑方式控制其垂直的上下运动的。

图1.1立式电梯图1.2卧式电梯目前立式电梯的控制普遍采用了两种方式，一是采用微机作为信号控制单元，完成电梯信号的采集、运行状态和功能的设定，实现电梯的自动调度和集选

1运行动能，拖动控制则由变频器来完成，这种方式的优势是：生产规模较小，可以自己设计和制造微机控制装置，灵活性强；第二种控制方式用可编程控制器（PLC）取代微机实现信号集选控制，这种方式的优势是：PLC可靠性高，程序设计方便灵活，抗干扰能力强，运行稳定等特点。1.2电梯的组成

现代电梯主要由以下几个部分组成：

（1）曳引系统曳引系统的主要功能是输出与传递动力，使电梯运行。曳引系统主要由曳引机、曳引钢丝绳，导向轮，反绳轮组成。

（2）导向系统导向系统的主要功能是轿厢和对重的活动自由度，使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。导向系统主要由导轨，导靴和导轨架组成。

（3）轿厢轿厢是运送乘客和货物的电梯组件，是电梯的工作部分。轿厢由轿厢架和轿厢体组成。

（4）门系统门系统的主要功能是封住层站入口和轿厢入口。门系统由轿厢门，层门，开门机，门锁装置组成。

（5）重量平衡系统系统的主要功能是相对平衡轿厢重量，在电梯工作中能使轿厢与对重间的重量差保持在限额之内，保证电梯的曳引传动正常。系统主要由对重和重量补偿装置组成。

（6）电力拖动系统电力拖动系统的功能是提供动力，实行电梯速度控制。电力拖动系统由曳引电动机，供电系统，速度反馈装置，电动机调速装置等组成。

（7）电气控制系统电气控制系统的主要功能是对电梯的运行实行操纵和控制。电气控制系统主要由操纵装置，位置显示装置，控制屏(柜)，平层装置，选层器等组成。

（8）安全保护系统保证电梯安全使用，防止一切危及人身安全的事故发生。由电梯限速器、安全钳、缓冲器、安全触板、层门门锁、电梯安全窗、电梯超载装置、限位开关装置组成。1.3国内外电梯的发展状况

当今世界，电梯的生产情况与使用数量已成为衡量一个国家现代化程度的标志之一。在理论上，电梯控制经历了从继电器接触器到PLC控制和微机控制的过程。无论是国内还是国外非常关注电梯的研究与发展，对电梯加入了大量的投资。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保——一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。1.3.1国内电梯发展状况

我国电梯发展可以按电梯交流调速的发展历史划分为如下三个阶段：

2第一个阶段主要在上世纪70年代，其主要标志是交流双速电梯，该方法采用改变牵引电机极对数来实现调速。这种电梯结构简单、价格低廉、使用和维护都很方便，但调速不够平滑、舒适感较差。

第二个阶段主要在上世纪80年代，主要使用交流调压调速方法，其性能优越于交流双速电梯。调压调速的方法是通过改变三相异步电机定子端的供电电压实现电机的调速，其制动多采用能耗制动。

第三个阶段开始于上世纪90年代，变压变频调速电梯（VVVF电梯）开始占据了世界电梯的市场。VVVF电梯通过调节电机定子绕组供电电压的幅值和频率来实现转速的调节。由于变压变频调速（VVVF）的良好特点，至今新制造的电梯都采用该方式进行速度控制。

节能问题越来越多的电梯进入高层建筑，电梯的节能运行是电梯开发和使用的关键。从控制的角度来看，有效地改善供电电能的质量、充分地利用电能是一个良好的举措。

效率电梯作为一种位能型负载，运行过程中需要作频繁地升降运动，研究一种或多种电梯速度给定曲线，合理地选择运行速度曲线，是提高运行效率至关重要的一环，而目前国内生产的大多数电梯存在着给定速度曲线实现困难、资源耗用率高等系列不足等问题，极大地了电梯高效地运行。

控制器性价比低目前国内的电梯厂家采用的电梯控制核心设备大部分都是国外进口产品，核心技术和知识产权为国外大公司所有。而少数自己开发的控制器也有开发周期长，开发成本高等缺点。另外国内的绝大部分VVVF电梯采用的变频器都是电梯用专用变频器，这种变频器虽然使用起来很方便，但其价格却是同类通用变频器的1.5到2陪，使整个控制系统的性价比大大下降。

电梯电气控制技术是一个综合性的系统技术，包括控制器、传感器和调速方法等多种技术，目前，国内电梯企业主要有：1.3.2国外电梯发展状况

国外电梯行业发展迅速，目前不仅在节能上做了很大的功夫，而且在智能化、远程化、集成化及可视化方面也有了很大的研究。例如：

（1）垂直运输与水平运输的复合运输系统，该系统采用直流电机驱动，在一个井道内设置多台轿厢。轿厢在计算机导航系统控制下，可以再轨道网络内交货各自运行线路。该系统节省了井道占用的空间，，解决了超高楼层建筑群电梯钢丝绳重量太大的问题尤其适合于具有同一底楼的多塔型高层建筑群中前往空中大厅的穿梭直驶电梯。

（2）交流永磁同步无齿轮曳引机驱动的无机房电梯，该类型电梯由于曳引机和控制柜置于井道中，省去了机房，节约了建筑成本，增加了大楼的有效

3面积，提高了大楼建筑美学的设计自由度。

交流永磁同步无齿轮曳引机的特点是：结构简单紧凑，体积小，重量轻，形状可以灵活多样；配以变频等。通过控制中心的设置还可以显示日期、时间、问候、楼层指南、广告等，甚至可以与远程计算机和寻呼系统联接发布天气预报，新闻等。

（3）电梯远程监控系统。该系统是将控制柜中的信号处理计算机获得的电梯运行和故障信息，并通过公共电话网络或者专用网络传输到远程的能够提供可视节目的专用电梯服务中心的计算机，以便哪里的服务人员掌握电梯的运行状况，特别是故障情况。该系统一般具有显示故障、故障统计与预测等功能，还有的可实现远程调试与操作，使维修人员迅速进行维修应答和采取维修措施。这样缩短了故障处理时间，简化了人工故障检查的劳动，保证了电梯安全高效的运行。1.4电梯的发展趋势

电梯作为现代建筑中的重要交通工具，它与一般的交通工具有着较大的差别。良好的电梯控制技术是电梯高质量运行的重要保障，电梯运行安全舒适、高效、节能控制器的性价比等都是电梯技术发展面临的重大问题。

（1）安全2011年“7.5”北京地铁4号线自动扶梯安全事故发生后，北京市质监局于去年年底，在轨道交通项目推行电梯制造单位“终身负责”的工作机制，要求电梯制造单位对电梯质量以及安全运行涉及的质量问题终身负责；电梯安装改造维修结束后，电梯制造单位要按照要求对电梯进行校验和调试，并对校验和调试结果负责；电梯投入使用后，电梯制造单位要对其制造的电梯安全运行情况进行跟踪调查，并给予维保单位技术指导和备修件支持。

（2）绿色节能建设节约型社会已成为我国多年来的重点工作。电梯作为能耗大户，使用节能电梯已成大势所趋，绿色节能依然成为2012年电梯行业发展的主要方向。实现电梯节能主要有以下几个途径，即改进机械传动和电力拖动系统，例如将传统的涡轮涡杆减速器改为行星齿轮减速器或采用无齿轮传动，机械效率可提高15%～25%；将交流双速拖动系统改为变频调压调速（VVVF）拖动系统，电能损耗可减少20%以上。其次，可以采取能量回馈技术，将电容中多余的电能转变为与电网同频率、同相位、同幅值的交流电能回馈给电网，可以提供给小区照明、空调等其他用电设备。从数据上看，能量回馈技术使用后节能效果显着。若以一幢20层左右的大楼为例，一台1350公斤、速度2.5米/秒的传统电梯，一周实测耗电约800千瓦时，而能量回馈型电梯仅为600千瓦时，实际节约能耗30%左右。

（3）超高速电梯。超高速电梯的研究继续在采用超大容量电动机、高性能微处理器、减振技术、新式滚轮导靴和安全钳、永磁同步电动机、轿厢气压缓解

4和噪声抑制系统等方面推进。超高速电梯在一些建筑中已经得到了充分应用，比如台北101大厦采用的电梯速度达到每分钟1010米。正在建设中的上海中心大厦将采用每分钟可运行1080米的电梯，建成后的上海中心大厦不仅成为中国最高建筑，采用的电梯也将成为世界最高速电梯。

中国城市化进程的不断加快，高层酒店和写字楼越来越多，这对电梯这种大型公共运输设备的速度和载重提出了更高的要求，研发超高速电梯成为各大电梯品牌共同目标。超高速电梯不仅能够提高电梯运行效率，更能代表整个电梯行业的发展水平，因此高速电梯也是衡量一个企业实力的重要标准。随着超高速电梯需求日益增多，也给中国正在发展壮大的民族电梯企业提供了有利的机遇。

（4）智能群控技术

电梯群控系统是指在一座大楼内安装多台电梯，并将

这些电梯与一个计算机连接起来。该计算机可以采集到每个电梯的各种信号，经过调度算法的计算向每个电梯发出控制指令。总之，电梯群控技术能够根据楼内交通量的变化，对每个电梯的运行状态进行调配，目的是为了达到梯群的最佳服务及合理的运行管理。传统的群控算法只有一个目标，即最小候梯时间。在现代高层建筑的一些特定交通模式下，不可能要求每一部电梯能够服务每一个楼层，所以电梯群控系统调度算法的研究有着重要的现实意义。智能群控技术不仅代表行业技术发展方向，也将给人们带来更多的便利。

（5）物联网监管电梯用物联网监控电梯，就是在电梯轿厢原来的监控设备上安装物联网传感器，传感器会对电梯里的视频、音频、运行状态等数据进行24小时实时监控。采集到的数据，会通过3G电信网络传输到应急处置中心，中心平台能据此进行在线故障分析诊断，及时告知救援人员。据介绍，只要电梯发生困人事件，整个系统会立即启动分级响应救援机制,电梯维保人员将在第一时间内通过手机或网络收到电梯故障消息。如果维保人员在半小时内没有处置，电梯维修的主管、小区物业公司负责人、属地质监部门的电梯运行监控室将依次收到报警短消息。若事故依然未得到有效处理，传感器将自动向上一级主管部门传输数据进行报警。在电梯产品不断走向智能化时，采用科技手段监管电梯已成大势所趋。

1.5课题的主要研究内容及意义

本课题的主要任务是通过对电梯功能的观察、研究，并用步进电机作为驱动单元模拟出电梯的运行情况，完成一个电梯系统的调度模块，即根据每个楼层不同顾客的按键需求，让电梯做出合理的判断，正确高效地知道电梯完成各项载客任务。根据此任务，本课题需要研究的内容有：

（1）根据系统的技术要求，进行系统硬件的总体方案设计；（2）学习单片机及步进电机的相关知识，并且加以运用；

5（3）研究C语言编程，并且规定电梯的工作规则，用C语言加以实现；（4）对软件和硬件进行调试，让其协调工作，完成指定任务。

研究意义：一方面：单片机具有低功耗、可刷写、低成本、高可靠性和速度快等优点，可实现智能操作控制。基于单片机的四层电梯控制系统技术为智能电梯控制系统节省了大量的硬件成本，必将成为智能电梯的一个发展方向。

另一方面：单片机在我们的生活中触手可及，尤其是在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电梯等方面拥有广泛的应用领域，对此课题研究对单片机学习有很大的帮助。1.6设计功能要求

（1）各楼层的电梯请求以及电梯运行方向和位置的显示功能；（2）电梯内的楼层选择以及电梯所在位置和运行方向的显示功能；（3）电梯在运行过程中能接受各楼层处和电梯内的楼层请求，并根据情况

予以实现；

（4）电梯停止到启动期间，可以接受电梯内部和外部的延迟关门请求；（5）用步进电机来模拟电梯运行，并实现电梯的加速—匀速—减速功能。

2电梯系统设计方案论证及选择

该系统的总体设计框图如图2.1所示：

按键电路显示电路报警电路控制电路驱动电路定位楼层电路电机图2.1系统总体设计框图2.1控制核心

方案一：采用可编程控制器（PLC）作为主要器件。PLC首先接收来自电梯的呼梯信号、平层信号，然后根据这些输入信号的状态，通过其内部一系列复杂的控制程序，对各种信号的逻辑关系有序的进行处理，最后向直流门控电机、变频器和各类显示器适时地发出开关量控制信号，对电梯实施控制。该方案编程简

6单，运行稳定，可靠性强；但由于由于电梯的控制属于随机性控制，各种输入信号之间、输出信号之间以及输入信号和输出信号之间的关联性很强，逻辑关系处理起来非常复杂。

方案二：采用51类单片机控制所有的按键、语音播报、数码管显示、电动机的转动，等等。并对以上所有信号进行处理。这样做的优点是电路比较简单，工作量小。51单片机该单片机内部资源丰富，有8K的程序存储器集成了内部看门狗、双数据指针、在系统编程（串行下载目标程序）等功能，软硬件调试方便，用起来相当熟悉。

方案三：选用凌阳单片机为控制核心。该方案的优点是：频率较高、响应快、有14个中断源，两个定时器，7路A/D转换，两路D/A转换，并且有丰富的语音资源。缺点是：价格较高，应用不够熟练。

方案选择：考虑到我对51类单片机比较熟悉，还有系统成本问题，我采用方案二。2.2曳引动力选择

图2.2步进电机内部结构2.3直流电机内部结构图方案一：采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机在定位性能方面十分优越。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。我们所用的步进电机每转一步，角度转1.8°在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息，升降精度很高。

方案二：采用直流电机作为本设计的执行元件，直流电机工作是让线圈始终交替地处于稳定状态和非稳定平衡状态，通过两个半圆环形电枢将线圈的稳定平

7衡状态消除掉。这样，载流线圈在磁场中就会一直地转动下去。直流电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用到。

方案选择：由于直流电机不易控制速度且定位性能差，而采用步进电机更容易实现对物体升降的控制，故采用方案一。2.3曳引机驱动电路

图2.4ULN2003芯片内部结构方案一:主要使用达林顿芯片ULN2003作为驱动芯片。ULN2003系列芯片从逻辑上说是个反相器，它的特点是低电平输出时候才能输出功率，高电平的时候是虚高(不负担电流输出)，芯片ULN2003在很短的时间内发热很大，所以，要想运转顺畅，就得让电机先以低速启动，然后加速到想要的速度。

方案二：主要使用L298N芯片。L298N可以为负载提供双向的电流。适合驱动2相或4相的步进电机和直流电机,特是当驱动电机的方向要改变时，只须把原来电机方向的电位置反即可，所以相对ULN2003来控制步进电机要好一些。本设计的步进电机驱动使用了方案二。2.4内外显示电路

图2.57段数码管方案一：采用7段数码管作显示。采用数码管具有价格便宜，亮度大，软件编程简单，硬件电路调试简单等优点，但它的功耗大，而且只能显示阿拉伯数字，

8占用端口多等缺点。

方案二：采用点阵式液晶显示屏显示。液晶显示屏具有功耗很低，占用端口少，软件编程简单，硬件电路调试简单，可以显示各种文字字符等优点。但是价格相对来讲也必较高，而且调用延时长。

方案选择：考虑到单片机的端口有限还有使显示内容更加人性化等问题，故选择方案二。2.5召唤电路

方案一：采用按键。该方案的最大优点是电路连接简单，软件编程容易实现，缺点是一个按键就占用一个I/O口，造成资源浪费，一般适用于单片机端口比较丰富的设计。

方案二：采用矩阵按键。该方案与方案一优缺点刚好相反，16个按键，使用矩阵按键电路，只需要8个I/O端口，但是编程比较复杂。

方案选择：为了节省I/O端口，所以采用方案二。2.6定位平层系统

方案一：采用金属接近开关检测电梯层数。在轿厢安装金属片，并在竖井各个楼层设置金属接近开关，，当轿厢运动到特定的位置时，竖井上的金属接近开关探测到金属片，其输出发生变化。单片机通过金属接近开关输出的变化知道电梯轿厢的位置。该方案安装的金属片会加重轿厢重量，并且金属接近开关体积较大、安装不便、成本较高。

图2.6金属接近开关方案二：采用反射式红外光电传感器检测电梯层数。在竖井各个楼层设置反射式红外光电传感器，在轿厢上正对传感器的一面部分抹黑，当抹黑的部分结束时，正好到达楼层位置。当接通电源时，红外线发射管不断发射红外线，当轿厢运动到特定位置（即楼层位置），反射式红外光电传感器正对轿厢非抹黑部分，发射管发射出的红外光被反射到接收管，红外线接收头接收到红外线，其输出发

9生变化（图2为发射管原理），单片机通过红外线接收头输出的变化知道电梯轿厢的位置。该传感器的响应时间为2.5ms，因而可以迅速对黑线进行检测,且体积小、功耗低、容易安装。

图2.5超声波模块图2.6超声波测距原理图方案三：采用超声波测量轿厢距离来判断轿厢所在楼层数。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。它的优点是电路简单，软件编程容易实现，且方向性好，易于获得较集中的声能，准确度高。缺点是：超声波模块价格较高，容易受干扰。

方案四：采用激光二极管与光敏电阻组成的检测电路检测电梯层数。在轿厢装一个激光二极管，在竖井的各个楼层装置光敏电阻，当激光二极管照射到光敏电阻时，阻值发生变化转变为电压变化，再将电压变化信息输送到单片机的I/O端口，让单片机根据信号判断楼层位置。该方案的优点是：装置简单，而且每一楼层有对应的光敏电阻，软件实现楼层判断非常简单，成本也比较低。

方案选择：考虑到软件编程容易，我选择方案四。2.7楼层提示及报警系统

方案一：通过A/D、单片机、存储器、D/A系统实现声音信号的采样、处理、存储和重现。该方案首先将声音进行放大，通过A/D采样将语音模拟信号转换成数字信号，并由单片机的控制和处理存放到存储器中，实现录音操作。在放音过程中由单片机控制D/A，将存储器中的数据转化成声音信号。此方案安装调试复杂，集成度低。

方案二：采用美国ISD公司的2590语音芯片，该语音芯片片内E2PROM容量为480K，录放时间长录放时间可以达到90秒。该方案具有抗断电、音质好、人性化、使用方便等优点。缺点是：语音芯片价格比较高。

方案三：采用蜂鸣提示音提示当轿箱到达所需的楼层时，蜂鸣器响一声，提示乘客到达了所需的楼层，当遇危险时，蜂鸣器就长鸣，该方案的软件驱动、硬件电路调试非常简洁方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。

10方案选择：考虑到实际的要求，我采用方案三。

3硬件基础知识

3.1步进电机

图2.739L步进电机步进电机是一种脉冲控制型电机，即给一个脉冲信号，电机就转动一个角度，电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定，因此非常适合于单片机控制。按工作类型，步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）；永磁式步进电机（简称PM）以及混合式步进电机（简称HB）。

步进电机的驱动是根据控制信号工作的，其控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下：

(1)控制换相顺序

通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

(2)控制步进电机的转向

如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。

(3)控制步进电机的速度

如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。3.2激光二极管

激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大，不能传输多频道，高性能模拟信号。

11图2.4激光二极管实物图图2.5激光二极管内部结构图3.3LN298驱动芯片

图3.2LN298实物图图3.3LN298功能管脚图LN298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以驱动两个直流电机或者一个步进电机。它的功能管脚图如图3.3所示。

12图3.4LN298内部电路图LN298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。LN298N芯片的输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压，工作状态下，INPUT1，INPUT2，INPUT3和INPUT4与单片机I/O口连接，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机的控制端，可以通过接收单片机输出的控制信号控制电机的运转，EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

表1LN298功能逻辑图EnAIn1×1010

In2×0110

运转状态停止正转反转刹停停止

01111

3.4LM339比较器

图3.5LM339实物图图3.6LM339内部电路图LM339集成块内部装有四个的电压比较器，该电压比较器的特点是：（1）失调电压小，一般为2mV；

（2）电源电压范围宽，2~36V，或者±1V~±18V；（3）对比较信号源的内阻很小；

13（4）共模电压范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vout；（5）差动输入电压范围较大，甚至可以等于电源电压；（6）输出端电位选用灵活。

LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图3.6。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器都有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，否它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

3.5LCD1602液晶

图3.7LCD1602液晶实物图图3.8LCD1602液晶管脚图液晶模块引脚功能表如表2所示：

表2液晶模块引脚功能表0123符号VssVDDVEE名称接地电路电源液晶驱动电压功能0V5V±10%保证VDD-VEE=4.5∽5V电压差144567-14RSR/WEDB0-DB7寄存器选择信号读/写信号片选信号数据线表3寄存器选择功能表H:数据寄存器L:指令寄存器H:读L:写下降沿触发,锁存数据数据传输RSR/W0101操作0011指令寄存器(IR)写入忙标志和地址计数器读出数据寄存器(DR)写入数据寄存器读出（注:忙标志为\"1\"时,表明正在进行内部操作,此时不能输入指令或数据,要等内部操作结束,即忙标志为\"0\"时。）显示位与DDRAM地址的对应关系如表4所示：

表4显示位与DDRAM地址的对应关系显示为序号DDRAM地址HEX第一行第二行100402014130242403435...4004...2744...674硬件电路设计

根据实用电梯的设计要求，并从各方面论证，将系统电路分为若干个模块，

分别是：单片机小系统电路，矩阵键盘电路，声光提示及报警电路，定位平层电路，液晶显示电路，LN298驱动电机电路以及电源电路。电路整体系统如图4.1所示。

4*4矩阵按键51单片机声光提示及报警LN298驱动电路LCD1602液晶显示定位平层电路步进电机图4.1电路整体系统其中声光提示及报警电路采用的是二极管与蜂鸣器组成的电路。声光提示电路，是N个发光二极管组成的，用于提示轿厢所在的电路所在方向。定位平层

15电路是由一个激光二极管作为光源，4个光敏电阻检测所到楼层的信息。

电路的各个部分，在下面章节中分别详细介绍。4.1单片机小系统电路

图4.2单片机小系统电路控制中心采用ATS51单片机，单片机的各个端口电路如图4.2所示。其中29、30脚悬空，不接任何电路。晶振电路、复位电路以及下载电路如图4.3所示。

图4.3晶振、复位以及下载电路晶振电路由C1与C2和晶振组成，晶振给单片机提供工作信号脉冲。晶振C1与C2电容为10pF-50pF的瓷片电容，的速率决定单片机的工作速率，接在晶振的两引脚处，作用是削减偕波对电路的稳定性的影响。

16复位电路采取的方式为手动按键复位电路，由电解电容、电阻R1和纽扣按键组成。复位电路的原理是：当单片机的复位引脚RESET出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。每次复位后，单片机的程序都会从第一条开始从新执行。需要注意的是：复位电容必须是电解电容，注意不要能接反。

下载电路：图中所显示的是下载端口的接法，该端口与单片机是通过三个数据线通信的，三个数据端口分别接单片机的P1.5，P1.6，P1.7。还有一个接口是接单片机的RESET，用于擦写程序。下载器的主控芯片为PDIUSBD12，主控电路为一个固定模块，该USB接口适合于高速数据采集系统与主机进行数据通信，同时，也为便携式系统提供了方便、快捷和可靠的接口解决方案，由于比较复杂，所以这里不作详细介绍。

表5单片机小系统电路元器件参数器件名参数数量4.2电机驱动电路

该驱动电路如图4.4所示，驱动芯片为LN298，驱动芯片的4脚为动力电源接+12V电压，9脚为逻辑电源接+5V电压，D7、D8、D9、D10二极管起泄流保护作用，步进电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，因此需要泄流，反接几个二极管即可完成此功能。J4四个插针是连接到步进电机的输入电极，控制步进电机的正反转。

为了防止步进电机的瞬间电路过大而烧坏单片机，我使用了四个光耦来作隔离。在一般的隔离电源中，光耦隔离反馈是一种简单、低成本的方式。光耦接+5V电压，光耦的输入信号来自单片机的P2.0-P2.3。图中U1、U2、U3、U4为隔离光耦，U5、U6为备用光耦。电路还设置了发光二极管作为指示光耦的运行情况。

17图4.4电机驱动电路4.3液晶显示电路

图4.5液晶显示电路显示电路如图4.5所示，电路中显示采用LCD1602液晶显示器，数据端口DB0~DB7接单片机P0口，使能端E脚接P2.5脚，高电平有效。R/W为读写端，高电平时为读操作，低电平为写操作。RS为寄存器选择接单片机的P2.7，高电平时选择数据寄存器,低电平时选择指令寄存器。接P2.6端口滑动电阻RP1（可调范围是：0~50KΩ）是用于改变VO口的电压，调节液晶显示的对比度和亮度。

1815脚为背光正极，16脚为背光负极，为了防止出现“鬼影”现象，15脚接正极，16脚接地。4.44*4矩阵键盘电路

按键电路如图4.6所示。按键接单片机的P1端口，其中行接低四位，列接高四位。按键调用时，先给高四位的电平与0xf0相与，若没有有键按下就会返回0xf0值，若有键按下就可以得到按键响应所在的列，若然后逐次对列进行扫描，判断出所在的列侯就可以判断出按键响应值。

图4.*4矩阵按键电路4.5定位平层电路

定位平层电路由激光二极管与冠名电阻组成的检测电路，通过将检测来的信号传输到LM339比较电路，与参考电压进行比较最后得到了一个逻辑电平（1或0），再通过单片机来处理，判断轿厢所在位置，电梯模型中，光敏电阻装置在竖井上，并对应每个楼层位置上，激光二极管装置在轿厢外部边缘，通过测量，使激光二极管与光敏电阻对位时，刚好到达一个楼层。其原理图如图4.7所示。

其中+VCC为5V电压。由于LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，所以在使用的时候，输出端到正电源之间须接一个电阻（称为上拉电阻，阻值范围：3~15K）。当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值，所以选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值，图中其中R2为上拉电阻，根据实际情况，R1值为10K。R3为光敏电阻（为了让光敏电阻不受外部光源的影响，制作时候，需要加个黑色的塑胶套）。

当有光照射的情况下R3=268Ω，无光照射的情况下R3=180KΩ。R2为分压电阻，阻值为10K。R6为激光二极管，当激光二级管照射到R3的表面时，表明到达一个楼层，R3阻值达到最低为268Ω，7脚电压VR7=5*268/10000=0.134(V)；当激光二级管没有照射到R3的表面时，表明在楼层的其他位置，R3阻值达到最大为180KΩ，7脚电压VR7=5*180000/19000=4.737(V)。参考电压，所以输出高电平。6脚为参考电压值，当VR7大于6脚时，比较器输出高电平，反之输出低

19电平。

图4.7定位平层电路4.6楼层提示及声光报警电路

楼层提示电路非常简单，由几个发光二极管组成，如图4.8所示。其中R3、R4、R5、R6、R12、R13、R14、R15电阻为限流电阻，它们的阻值均为10K，保护发光二极管，防止电流过大烧坏发光二极管。每个楼层均有两个发光二极管。发光二极管是用于提示楼层所在的方位，由P3.0~P3.3接口控制亮灭。例如：当轿厢在二楼时，三楼的两个发光二极管，其中表示方位为上的二极管灭，表示方位为下的二极管亮。其他楼层原理也相同。

声光报警电路由一个蜂鸣器与一个发光二极管组成，其原理图如图4.9所示。蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。蜂鸣器与家用电器上面的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，若直接接单片机很难驱动蜂鸣器发出声音，所以增加了一个三极管Q1来增加通过蜂鸣器的电流。

蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端联接到三极管的集电极，三极管的基级由单片机的P2.4管脚，当P2.4管脚为低时，三极管导通，发光二极管亮，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。当P2.4管脚为高时，，三极管截止，发光二极管灭，蜂鸣器不发出声音。蜂鸣器的声音大小及音调可以通过调整P2.4管脚的置高时间进行控制。

20图4.8外部楼层提示电路图4.9声光报警电路4.7电源电路

电源是各个模块工作的能量，各个模块工作电压不尽相同，而且提供合适的电压值才能使各个模块工作在最稳定的状态。单片机、蜂鸣器以及LN298驱动电路需要5V供电，步进电机需要9V和12V供电。因此需要做能提供5V、9V、12V的电源。

首先用变压器将市电降到24V，再引三路分别接到有整流、滤波、稳压的电路中，即可得到直流5V、8V、12V电源。电路原理图如图4.10所示。

图4.10电源电路

5软件设计

本系统是以单片机的高级语言C语言来进行软件设计，使指令的执行速度快，节省存储空间。为了便于扩展和更改，软件的设计采用模块化结构，使程序设计的逻辑关系更加简洁明了。

21软件设计有两种方法：一种是自上而下，逐步细化；一种是自下而上，先设计出每一个具体的模块（子程序），然后再慢慢扩大，最后组成一个系统。在本设计中我用自下而上的设计方法。

本设计的主程序总共调用了4个子程序，分别是液晶显示程序、键盘扫描程序、楼层检测程序、步进电机方向及速度变换子程序、楼层提示及报警程序。

在实际应用中，若电梯处于闲置状态时，也就是说只有一人用电梯，电梯仅响应一个呼叫，这个软件实现就比较容易。但是，对于多层楼层的实际情况往往比这复杂的多，要考虑到很多人同时使用电梯的情况，有可能会有其他不同楼层的人按下不同的按键（上行或者下行）的情况发生。所以得为电梯设定好一个不会发生混乱的的优先级规则，让系统根据遵循这一优先规则，这个规则也是本设计最大的一个难点。本设计中我设定的规则是：当电梯向上运行时，优先处理向上的召唤，对应向下运行的召唤先用寄存器存储，当电梯向上运行到达一个楼层时，先检测寄存器里面的召唤，若没有向上的召唤时，则可以运行向下的召唤。当电梯正在运行到某一楼层的过程中，为了更好的实现电梯的速度变换，减小电梯制作的成本，若此时有途中要经过的楼层有召唤时，也要等到完成正在执行的响应否再执行。并且，若在上行过程中，也有人在某层按的是上行按键，但是电梯此时已经走过了该层，那么电梯也绝对不会再选择先下行接他。向下运行时，召唤的优先级与向上的同理，这里不再累赘。

主流程框图如图5.1所示。由ATS51单片机为控制核心，先执行液晶显示的初始化程序，就开中断，每隔10ms扫描一次按键及楼层楼层检测模块，看是否有召唤和轿厢所在位置，若有召唤则读取寄存器寄存的召唤数据，然后调用速度变换子程序，当检测到轿厢状态（位置及运动状态）有变化时，刷新显示内容。系统的各个子程序分别在以下章节作详细介绍。

开始初始化液晶显示扫描按键楼层检测22速度变换程序图5.1主控流程图5.1液晶显示模块

液晶显示子程序流程图如图5.2所示。

程序入口是初始化写入显示设置命令否判断是否完成显示返回延时1ms写入显示数据检测忙信号延时1ms否判断E=1？是获得显示地址图5.2显示流程图LCD1602在接口方面，有数据，三条控线。与微处理器或微控制相连,通过送入数据和指令，使模块正常工作，其中8调数据线接单片机的P0端口，寄存器选择控制线接P2.7端口，读数据。

如流程图5.2所示，LCD1602的显示实现需要通过四个过程：检测忙碌阶段，写入指令阶段，读取数据阶段，写数据阶段。软件编程中，关于这四个过程的子程序，我直接调用过来的。

显示前进行初始化，即复位过程，分为四个阶段：不检测忙碌状态（指令：0x38）；开显示屏（指令：0x0c)；光标移动设置（指令：0x06）;刷新屏（指令：0x01）。

源程序如下：#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitrs=P2^7;sbitrw=P2^6;

//寄存器选择端接单片机的P2.7口//读写端接单片机的P2.6口

23sbitlcden=P2^5;//使能端接单片机的P2.5口ucharcodetable[]=\"Direction:$\";//显示初始化uchartable1[]=\"Location:1\";

bitlcd_bz()//测试LCD忙碌状态

{

bitresult;rs=0;rw=1;

lcden=1;//忙标志和地址计数器读出DelayMs(5);

result=(bit)(P0&0x80);//将P0数据初始化lcden=0;returnresult;}

voidwrite_com(ucharcom)//写指令

{

while(lcd_bz());//检测忙状态rs=0;rw=0;

lcden=0;//指令寄存器写入P0=com;DelayMs(5);lcden=1;DelayMs(5);lcden=0;}

voidwrite_date(uchardate)//写数据

{

while(lcd_bz());rs=1;rw=0;

lcden=0;//数据寄存器写入P0=date;DelayMs(5);

24lcden=1;DelayMs(5);lcden=0;}voidinit(){

ucharnum;lcden=0;

write_com(0x38);//不检测忙信号write_com(0x0c);//开屏

write_com(0x06);//光标移动设置write_com(0x01);//清屏write_com(0x80);//定位第一行for(num=0;num<15;num++){

write_date(table[num]);

write_com(0x80+0x40+0);write_date(aa);}

5.2矩阵按键扫描模块

子程序入口//初始化

//第一排显示日期

}

//第二排显示时钟

将P1端口高位置一（列）判断P1端口高位是否仍为一是延时去抖动否判断P1端口高位是否仍为一是定位响应所在列否25第一是否仍有键按下是延时去抖动否第一行是否仍有键按下否第二行是否仍有键按下是延时去抖动否第二行是否仍有键按下否否第三行是否仍有键按下是延时去抖动第四行是否仍有键按下是否延时去抖动否第三行是否仍有键按下是返回按键值第四行是否仍有键按下是否是是图5.3按键扫描流程图4*4矩阵按键模块，有16个按键，为了更好的扫描按键，程序扫描按键时采用的是if结构语句，返回按键值程序采用的是switch...case...语句。

源程序如下所示：

unsignedcharKeyScan(void)//键盘扫描函数，使用行列逐级扫描法{

unsignedcharVal;

KeyPort=0xf0;//高四位置高，低四位拉低if(KeyPort!=0xf0)//表示有按键按下{

DelayUs2x(1);if(KeyPort!=0xf0){

//表示有按键按下

KeyPort=0xfe;//检测第一行if(KeyPort!=0xfe)

{

26//延时去抖

Val=KeyPort&0xf0;Val+=0x0e;

while(KeyPort!=0xfe);DelayUs2x(1);//去抖while(KeyPort!=0xfe);returnVal;}

KeyPort=0xfd;//检测第二行if(KeyPort!=0xfd)

{

Val=KeyPort&0xf0;Val+=0x0d;

while(KeyPort!=0xfd);DelayUs2x(1);//去抖while(KeyPort!=0xfd);returnVal;}

KeyPort=0xfb;//检测第三行if(KeyPort!=0xfb)

{

Val=KeyPort&0xf0;Val+=0x0b;

while(KeyPort!=0xfb);DelayUs2x(1);//去抖while(KeyPort!=0xfb);returnVal;}

KeyPort=0xf7;//检测第四行if(KeyPort!=0xf7)

{

Val=KeyPort&0xf0;Val+=0x07;

while(KeyPort!=0xf7);DelayUs2x(1);//去抖

27while(KeyPort!=0xf7);returnVal;}}}return0xff;}

/*------------------------------------------------按键值处理函数，返回扫键值

------------------------------------------------*/unsignedcharKeyPro(void){

switch(KeyScan()){

case0x7e:return1;break;//0按下相应的键显示相对应的码值case0x7d:return2;break;//1case0x7b:return3;break;//2case0x77:return4;break;//3case0xbe:return5;break;//4case0xbd:return6;break;//5case0xbb:return7;break;//6case0xb7:return8;break;//7case0xde:return9;break;//8case0xdd:return10;break;//9case0xdb:return11;break;//acase0xd7:return12;break;//bcase0xee:return13;break;//ccase0xed:return14;break;//dcase0xeb:return15;break;//ecase0xe7:return16;break;//fdefault:return0;break;}}

5.3速度变换（加速-匀速-减速）模块

28程序入口延时次数置200判断延时次数是否为50否延时次数减15是运转次数置35+add判断运转次数置0否是延时次数置50是电机运转一次运转次数减1判断延时次数是否为200否电机运转一次延时次数加15结束电机运转一次图5.3速度变换流程图在实际电梯运行时，电梯的速度变换对电梯乘载者的安全来说是非常重要的。由于物体的惯性，为了减小电梯突然运动或突然停止给人造成的伤害，电梯在启动时必须做个加速运动，在将要停止时作减速运动，给人体一个缓冲的时间。

步进电机的速度变换可以分为三个阶段：加速阶段，匀速阶段，减速阶段。设计中是通过控制步进电机运转每一步之间的延时来实现速度的变换。延迟时间越长，速度就越慢，反之速度就越快。加速和减速延时的间距都是15ms，最大的延时为200ms，当电机运行时，处于加速或加速状态时，电机每运行一次延迟就会变化一次，即增加或减少15ms。

39L步进电机内部的齿轮数有96个，由于我们采用的是1-2励磁方式（8个相位变换为一次循环），所以每个电平相位变化时运行的角度为3.75º，所以电机运行一次就运行的角度：W3.75*8=30º。经过多次电机运行测试，从运行一层楼需要电机循环4.3圈，所以我设置让电机加速运行300º（0.83圈），匀速运行1050º（2.92圈），加速运行300º（0.83圈）。

当完成加速阶段完成时，就以此速度进入匀速状态运行，流程图中add为一个变量。当运行一楼时，add为0，即电机匀速运行35次；当运行二楼时，add

29为55次，即电机匀速运行90次；当运行三楼时，add为110次，即电机匀速运行145次。

源程序如下：

/*------------加速、匀速、减速运行------------------------从一楼至二楼匀速35次，一楼至三楼匀速85次，一楼至四楼匀速135次--------------------------------------------------------*/voidkongzhi(void){

uintcount;

for(rate=200;rate>50;rate=rate-15){

zhuandong();

}

for(count=40+add;count>0;count--){

zhuandong();

}

for(rate=50;rate<200;rate=rate+15){

zhuandong();}

}

5.4楼层检测模块

程序入口判断哪个端口为高电平//加速

//匀速

//减速

端口初始化（P3.4~P3.7）置高位P3.4=1是P3.5=1P3.6=1P3.7=1判断（P3.4~P3.7）是否为高电平否返回在四楼在三楼在二楼在一楼返回楼层值30图5.4楼层检测流程图楼层检测子程序非常的小，所以在软件设计中是嵌套在按键扫描程序里面，按键扫描一次即刷新一次楼层数据。

实际设计中，先设置一个全局变量qq，使变量对应于电机驱动端口（P3.4~P3.7），若驱动端口有变化时就将变量值传给qq，使用switch...case...语句判断qq的值。5.5电机驱动模块

程序入口否检测标志位是否为零标志位是否为1是否标志位是否为2是反转程序否是正转程序返回图5.5电机驱动流程图电机驱动模块的流程图如图5.5所示。流程图中所指的标志位为一个全局变量，作为电机正反转的一个依据。该模块在速度变换程序里面调用。步进电机的励磁运转方式采用1-2励磁方式，使用该方式电机运行比较稳定，震动较小。该模块的源程序如下：

#defineCoil_A1{A1=0;B1=1;C1=1;D1=1;}//AC相导通#defineCoil_B1{A1=0;B1=0;C1=1;D1=1;}//AC、BC相导通#defineCoil_C1{A1=1;B1=0;C1=1;D1=1;}//BC相通电#defineCoil_D1{A1=1;B1=0;C1=0;D1=1;}//BC、~AC导通#defineCoil_E1{A1=1;B1=1;C1=0;D1=1;}//~AC导通#defineCoil_F1{A1=1;B1=1;C1=0;D1=0;}//~AC、~BC导通#defineCoil_J1{A1=1;B1=1;C1=1;D1=0;}//~BC导通#defineCoil_H1{A1=0;B1=1;C1=1;D1=0;}//~BC、AC相导通#defineCoil_OFF{A1=0;B1=0;C1=0;D1=0;}//全部断电

31ucharflat=0;//判断正反转的变量

voidzhuandong(void){

staticunsignedchari=0;if(flat==1){switch(i){

case0:Coil_A1;delay(rate);i++;case1:Coil_B1;delay(rate);i++;case2:Coil_C1;delay(rate);i++;case3:Coil_D1;delay(rate);i++;case4:Coil_E1;delay(rate);i++;case5:Coil_F1;delay(rate);i++;case6:Coil_J1;delay(rate);i++;case7:Coil_H1;delay(rate);i++;case8:i=0;}}

elseif(flat==2){

switch(i){

case0:Coil_H1;delay(rate);i++;case1:Coil_J1;delay(rate);i++;case2:Coil_F1;delay(rate);i++;case3:Coil_E1;delay(rate);i++;case4:Coil_D1;delay(rate);i++;case5:Coil_C1;delay(rate);i++;case6:Coil_B1;delay(rate);i++;case7:Coil_A1;delay(rate);i++;

32case8:i=0;}}}

6电梯的模型的制作与功能调试

6.1电梯模型的制作

（1）使用工具：钢锯、螺丝刀

（2）材料准备：木条（4米左右）、长木板一块（50cm*20cm）、动滑轮两

个、饮料罐、木板一块（120*5.5cm）、水性笔芯（空）、绳子、螺丝钉、铜线若干。（3）操作步骤：

a.将木条锯为三段（每段为90cm），将长木板锯为6段（每段17cm），用木板和螺丝钉使木条平衡固定，制作成一个三条边的竖井形状。b.将木板作为电梯底部平面，用螺丝钉将三条边的竖井形状固定在木板上。

c.在电梯顶部装滑轮，用木块固定好，作为曳引的滑轮，减小摩擦。d.饮料罐作为轿厢，将水性笔芯切为两截，分别用硅胶对称粘在饮料罐的两边，绳子通过控制平台底部穿过，再水性笔芯芯内穿过，在模型顶部打结，作为轿厢运行轨道，绳子用双层。e.用铜线将步进电机绑在在木板上，作为曳引动力。

f.在将激光二极管装在轿厢顶部，光敏电阻在测量好距离（每层20cm）后装在竖井旁。这样电梯模型就完成了。电梯模型的实际结构如图6.1所示。

33图6.1电梯模型6.2电梯系统各模块功能调试

调试内容：基于单片机的四层电梯智能控制系统的各个功能模块，主要包含：电源模块、单片机小系统模块、液晶显示电路模块、矩阵键盘电路模块、定位平层电路模块、LN298驱动电路模块。

调试工具：万用表，KeiluVision4编程软件，螺丝刀，镊子。调试步骤：

第一步：电源模块的调试。接电之前，先用万用表测量电源模块的每个端点的连接，看看是否有短路或者开路的现象，及时作纠正；然后测量交流变压器输出的交流电，看变压器是否正常工作；再接电到电源模块，逐次开开关，从电压输出值大点的端口开始，最后测量各个端口输出的电压值，做好数据记录。电源模块的各个端口的电压值如表5所示。

表5电源模块各个输出端口测量数据34理想电压（v）实际电压（v）1212.065

99.031

55.013

第二步：单片机小系统模块调试。先检查下载端口电路有没有接对，下载头ISP是否装置反了，还有用万用表测量复位电容是否能正常充放电，及时更换坏的元器件。然后用KeiluVision4编程软件编一个小的5秒延时子程序，延时5秒时间到则所有I/O口置高位，再过5秒则所有I/O口置高位，将程序下载到单片机内，最后用万用表检测I/O口的高低位变换，看是否能够正常下载进单片机和运行。若是延时时间不对就检测是否是晶振问题，换个晶振试用，若I/O口置位问题则换块单片机试用。

第三步：液晶显示模块调试。先用万用表检查液晶与单片机连接的接口的电压值，看电压值是否正常；然后连接上液晶，上电，观察液晶的每个晶格是否点亮，并调节RP1滑动电阻使晶格亮度适中；再调用一个子程序，每行的字符数有16位，下载进单片机，让程序循环扫描，最后观察液晶是否能够显示正常，判断液晶的好坏。

第四步：矩阵键盘按键模块调试。先通过按下按键，再用万用表检测各个按键是否是好的还有连接是否是好的，及时更换坏的按键和有误的连接。然后连接好液晶电路，编一个4*4矩阵按键的扫描程序，返回值通过液晶显示；最后通过按下按键，调试至观看正常显示出按键值。

第五步：定位平层电路模块调试。由于光敏电阻装置在竖井上，与控制平台距离远，所以首选用万用表检测模块电路的连接是否有问题，防止短路和开路；然后将激光二极管通电发光，用手缓慢拉曳引绳使轿厢缓慢移动，用万用表检测比较器的输出端口，观察照射到对应光敏电阻时，电压值的变化，若电压值均没有变化时，再测量是否是光敏电阻或比较器的问题，及时更换坏的元器件。实际测得的数据如表6所示。

表6比较器输出电压值楼层值测量分类不对应时对应时一楼二楼三楼四楼4.83V0.183V4.68V0.156V4.76V0.147V4.73V0.151V第六步：LN298驱动电路模块调试。先检测光耦是否是好的，光耦接电源，将地线与的信号输入端口连接，然后用万用表检测它的输出端口是否为高电平，若为高电平则是好的，坏的则换掉；再测试步进电机是否为好的，找出公共端，

35将公共端接电源，再拿其它的连接线去碰底线，观察电机是否由振动，有则是好的，反之则是坏的；最后编个电机驱动程序，下载进单片机，观察电机的运动情况，判断LN298的好坏。6.3电梯系统整体功能调试

该电梯系统的整体功能调试分为三个情况：电梯闲置情况；多召唤情况；迫降情况。

闲置情况的调试：电梯处于一楼，假设召唤者在二楼按下向上运行按键，运行时先后按下4楼、3楼和1楼的按键，观察电梯的运行状态以及液晶显示，其观察结果如实记录在表7中。

多召唤情况的调试：电梯处于一楼，假设有三个召唤者，一个在一楼称为甲，三楼有两个人分别为乙、丙。首先甲先按上二楼的按键，然后乙再按外部向下的按键，丙最后按向上的按键（按键按下相隔的时间比较短）。观察电梯的运行状态以及液晶显示，其观察结果如实记录在表7中。

迫降情况的调试：电梯处于一楼，假设有两个召唤者，甲在一楼，乙在二楼。首先甲按下上二楼的按键，乙按下外部向上的按键，在电梯运行未到二楼过程中，甲遇到特殊情况，按下迫降按键。观察电梯的运行状态以及液晶显示，其观察结果如实记录在表7中。

表7电梯系统调试观察结果闲置情况显示显示\"1\"和\"$\"，电梯先运行至二楼并显示\"2\"和\"i\"，延时5秒，然后运行至三楼并显示\"3\"和\"i\"，延时5秒，再运行至四楼并显示\"4\"和\"$\"，延时5秒，最后运行至一楼并显示\"1\"和\"$\"。显示\"1\"和\"i\"，电梯先运行至二楼并显示\"2\"和\"i\"，延时5秒，然后运行至三楼并显示\"3\"和\"i\"，延时5秒，再运行至四楼并显示\"1\"和\"$\"，延时5秒，最后运行至三楼并显示\"1\"和\"!\"。电梯向上运行并显示\"1\"和\"i\"，突然向下运行至一楼并显示\"1\"和\"$\"。多召唤情况迫降情况观察结果表明：该电梯系统可以处理各种召唤情况，严格遵循优先级的规则，符合实用电梯的设计要求。

7总结与展望

本论文对基于单片机的四层电梯控制系统这一毕业设计做了详细的报告与总结，其中包括硬件部分与软件部分两大模块，而且对其中各个重要的子模块加以了重点详细地说明。整个系统是以单片机作为控制的核心，为召唤提供中断服务，通过改变电梯运行函数，对步进电机的速度变换进行控制。经验证，本设计所设计的电梯模型完全符合开题报告的预想，任务书上的功能也都一一实现了，该电梯具有高效、省时、人性化的特点。运行状态与实际的电梯相差无异，可以作为基于单片机控制的真实电梯系统的指导思想。

36该电梯的主体功能主要表述为：当有乘客按下按键召唤电梯时，运用单片机的定时器中断，将该召唤存储在全局变量否再传递给单片机，单片机受到信息便置位相关的状态参量（目标楼层），为电梯的运行目标的判断提供根据，然后单片机再实时地控制LCD1602液晶显示以及相关发光二极管的亮灭。7.1设计总结

通过对设计这电梯模型，我对单片机原理及接口技术、传感器技术及模拟电子技术等知识有了更深入的了解，学会了步进电机控制方面的知识，对自己的电子设计制作能力有了很大提高。这次毕业设计历时三个月，分为外文翻译；电梯模型以及硬件电路制作；功能调试；论文编写等五个过程。此设计任务看起来非常简单，论文翻译看起来只要有工具就能很快翻译出来。电梯控制系统方面，也只需掌握步进电机的控制方式即可，但是实际需要去做的却没有我们所想的那么简单。

首先是论文翻译。为了方便翻译，我提前安装谷歌翻译器，有道翻译器，灵格斯翻译器还有百度翻译器。但是真正开始翻译时，我才发现是那么的困难。由于下载的文献都是国外的文章，很多复句和专业名词，翻译器只是按照单词一个个一个区翻译的，根本就没有考虑到语法还有专业名词。所以从一个翻译器里翻译出来的语句，一般是不行的，必须要自己一个一个单词去翻译好，然后在连起来翻译，遇到有些专业名词，有些翻译器是没有的，所以必须要经过多几个翻译器翻译出来，然后再经过自己的严格考虑才能确定是什么意思。从这次翻译来看，它提高了我的英语翻译水平，同时培养了我的耐心做事的能力。

其次制作各个电路板的制作与调试。原以为单片机小系统以前自己做过了，应该会很快就可以做出来的，但是实际却远远超出了我的想象。制作电路板时，尤其是制作单片机的板时，复位电容一定不能接反，因为电容接反的状态下，很容易烧掉那昂贵的单片机。接任何元器件时，尤其是电容和晶振，一定要检测它们的好坏，晶振是比较容易坏的，晶振坏了，单片机运行不了任何程序的。做矩阵键盘的调试时，若是用中断定时器来扫描按键，设置的定时时间要考虑到所要扫描的按键数，若按键比较多，则定时长点，按下按键的时间也尽量久点，以确保按键的响应。使用到光敏电阻时，要注意光敏电阻背后的反射光源，若光敏电阻的反射光源过于大的话，也会影响光敏电阻的正常工作，光敏电阻最好加个黑色的塑胶套，挡住前面的同时，最好用电烙铁烙一下后面，使塑胶尽量裹住后面。若用硅胶固定激光二极管时，要考虑到它的发热，不能让它接电太长时间，因为过长时间会时发热过久融化硅胶，从而导致方向的变化而影响调试。连接线中，若用细细的铜线作为导线时，应该要将铜丝的电阻考虑进去，因为细铜丝的横截面积很小，长度又长，所以电阻比较高。通过制作及调试那么多的电路模块让我

37学习了很多电子电路制作的了知识，也提高了我们对电路的分析能力，与动手能力。

再就是步进电机的楼层控制的算法问题。当多召唤时，很多优先级要考虑进去，若算法稍微有点错误，电机运行就很容易出错。同时还要考虑速度变换的情况。当电梯开始执行一个召唤时，电梯会根据固定的函数去进行速度变换。当突然遇到迫降时电梯就很容易不遵循加速-匀速-减速的规则了。

三个月的时间很快就过了，看着自己的劳动成果，心里无比欣慰。在设计过程中，我发现了自己的许多不足之处，实际操作速度不够快速准确等都反映出自己还有太多的知识要学习，并且要加强动手能力。要做到能将所学的知识运用自如的运用的实际中，就要不断的扩大自己的阅读面，提高自己的动手能力。

虽然以前我们在学单片机原理以及接口技术这门课程的时候也有相应的实验课，但是它的各种实验都是一个模块而已的，我们只需要掌握它的操作原理和方法，可以在人家做好的一块实验板上操作即可，对于电路设计原理和多种工作情况并没有深入的了解。经过本次对电梯系统的设计，让我收益匪浅，让我学习了很多有关步进电机方面的的知识，对步进电机有了进一步的了解，极大的提高了我对步进电机方面知识的兴趣。为了提高自己的理论实际结合能力，我觉得不仅在学校期间要加强练习，在往后的工作的空闲时间，自己也应该多进行一些此类的设计，这样才能真正做到提高自己的动手能力，而且提高学习兴趣，让自己更好的发展。

从总的来说，由于精心设计与调试，毕设的成品还是很成功的，而且本程序的编写不仅仅是为了应对四层楼的电梯，更多层的电梯也可以实现，比如可以拓展单片机大I/O，就可以控制更多的按键，从而可以实现十几层电梯的需求。当然，如果更高层的电梯，就会受到单片机管脚资源的了。而程序本身的思想本身是可以支持更多层电梯的运行调度的，如果用其他管脚多的处理器的话（如ARM型处理器），则这一设想完全可以实现。7.2展望

通过本次设计，让我更清楚的认识到在多层的电梯智能控制系统中，单片机相比于PLC有很大的优势。这些优势主要体现在以下几个方面：

①成本低。若智能电梯控制系统由于采用单片机代替了PLC作为主控芯片,则用PWM驱动直流电机或者用专用的驱动芯片去驱动步进电机代替了变频调速驱动，就可以使整个电梯系统成本降低。

②高精度的重量检测及显示。虽然本设计没有提到，但是如果在利用多一块单片机或多扩展单片机的I/O端口便可实现。基于PLC的电梯模型虽然有重量检测,但检测精度较低。但是电梯模型可以采用高精度的重量传感器和测量电路,

38配合设计专用的数字处理软件，就可以进行高精度的重量检测和显示。不但提供了更人性化的功能，也方便学生进行检测技术和信号处理来等方面的课程的学习。

③功能多样。基于单片机的智能电梯控制模型不但可以电梯的运行控制，而且还可以加入很多新的功能。

虽然目前单片机运行稳定性方面比不上PLC，但是我相信，随着科技的发展，会有越来越多的增强型单片机面世，它们的性能会越来越好，基于单片机的智能电梯必将取代PLC智能电梯。

39谢辞

这次毕业设计中不仅拓展了我们的视野，提高了我们的动手能力，也让我懂得了“做事一定要认真”的道理。也让我清楚了自己的不足之处，认清自己今后努力的方向。

在此我由衷地感谢、帮助、支持、鼓励、教导我完成此次设计任务的同学和指导老师，特别是指导老师给我帮助最大，特此致以诚挚的敬意。他渊博的知识、诲人不倦的教师风范和对问题的敏锐洞察力，在这三个月以来对我悉心指导，严格要求，热情鼓励，正因如此才使我在各个方面都有了较大的提高。

在实训的过程中，与同学们的探讨交流也使我受益颇多，他们也给了我很多无私的帮助与支持，给我提供宝贵意见和帮助的同学，我再次深表谢意。正因为有了你们我毕业设计才会如此顺利完成，谢谢你们。

40参考文献

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