本科毕业设计(基于单片机的电梯控制模拟系统设计).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上本科毕业设计(论文)基于单片机的电梯控制模拟系统设计 学院名称: 专 业: 班 级: 学 号: 姓 名: 指导教师姓名: 指导教师职称: 二一五年 六 月专心-专注-专业基于单片机的电梯控制模拟系统设计摘 要:随着我国人口老龄化的进程,目前的低层建筑对电梯的需求会日趋增加,因此本文设计一种基于AT89S52的电梯模拟控制系统,本系统成本低、通用灵活,可以大面积推广。本控制系统模拟电梯的基本功能,电梯的内外按键使用户可以选择电梯到达的楼层,数码管可以显示电梯的当前所在楼层,电梯的升降通过发光二极管显示,通过电机的正反转模拟电梯的上下行。本系统主要分为硬件部分和软件部分,
2、硬件部分主要有单片机模块、电梯内外按键模块、电梯状态指示灯模块、楼层显示模块、电机驱动控制模块、报警模块等。软件部分使用C语言编程实现,移植性强,便于修改和调用。关键词:单片机;电梯控制;步进电机;AT89S52Design of Elevator Control System Based on MCUAbstract: As the process of population aging in china, the elevator needs of the low rise building will be increased. So this article introduces the
3、 elevator control system based on AT89S52. This system is general purpose and flexible as well as low cost which can promote to larger areas. This control system simulates the basic functions of the elevator. The users can use the buttons inside and outside to choose which floor to get to. LED Segme
4、nt displays can show which floor the elevator stops at at present. The LEDs show the rise or descend of the elevator which simulated by the motor rotating in forward or backward direction. This system is mainly divided into hardware part and software part. The hardware part consists of single-chip m
5、odule, the buttons inside and outside of elevator module, the LED display module, the floor indicator module, electric motor drive module and alarm module. The software part uses C language to program that can solve portability problem. It is easy to modify and invoke the programsKey words: MCU;Elev
6、ator control;Stepper motor;AT89S52目 录前言1853年的纽约世界博览会,奥的斯向世人展示了其发明的安全升降梯,自此电梯开始在人类社会中得以广泛的运用并深刻影响着人们的生活。中国最早的一部电梯出现在上海,是由美国奥的斯公司于1901年安装的。1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。随着十一届三中全会后改革开放拉开序幕,我国电梯业进入了高速发展的时期。几乎每个城市,我们都可以看到电梯被广泛运用在各行各业。在酒店、办公大厦、购物商场、娱乐场所、仓库以及居民楼都有电梯在默默的辛苦工作。在现代社会中,电梯已成为我们生活不可缺少的一部分1。
7、电梯经过一百六十多年的发展和进步,安全已不再是电梯发展的唯一趋势。目前电梯的发展趋势主要有绿色化、节能化、智能化。绿色理念体现在电梯产品的材料环保性运行的科学性,电梯零部件可回收的利用,从而对环境无污染。节能性主要是控制电梯的能耗,减少电梯系统的惯性和摩擦阻力,合理运用对重和平衡重,而在电梯的运行模式中更注重智能化交通模式,比如如何使电梯运送最大化量的乘客,如何停靠的楼层最少等。智能化是使电梯加入到大厦智能化运行当中,使电梯提供更优质的服务质量,适应不同时间段大厦内部电梯需求的变化。随着我国人口老龄化的发展,一些建造比较早的小区建筑以及在建的低于七层的建筑对于电梯的需求日益增加,这样的楼层需要
8、简单便宜的电梯控制,可以大面积的推广。而对于目前电梯控制系统,多数是继电器控制或PLC控制,成本较高。基于此本次电梯模拟控制以单片机为核心,结合外围的硬件电路,通过C语言编程控制电梯运行。对于目前低层建筑对电梯的需求而言,单片机系统成本较低、通用灵活、便于控制,能够得以广泛实际的运用。第1章 方案设计1.1 设计要求(1)设置电梯的内部和外部按键,电梯内有一到六层的楼层选择按键,每层楼电梯外都有相应的上下行选择按键。电梯的上下方向按用户的需求顺序进行。如果各楼层同时呼叫,则坚持先上行,后下行的原则。(2)电梯当前所处楼层由数码管显示,电梯的上升和下降时点亮相应的发光二极管以表示。(3)当长时间
9、无人呼叫电梯时,电梯应停在第一层。当电梯到达呼叫楼层开门时,蜂鸣器鸣叫以提醒。电梯内设有紧急故障报警按键。(4)电梯实际的上升和下降通过步进电进的正反转模拟。1.2 方案的比较和论证1.2.1 控制核心选择方案一:FPGA。方案二:单片机。本次系统的控制核心主要在FPGA和单片机中选择。FPGA运行速度快,处理能力强,可以实现很多拓展功能,但硬件复杂,成本较高。单片机设计较简单,C语言编程移植性强,通用灵活,但运行速度相对而言较慢。最终从电梯系统的成本和功能角度考虑,本次设计选择方案二,单片机作为核心控制器即可满足系统的需要。1.2.2 键盘选择方案一:矩阵键盘。方案二:独立式按键。由于系统要
10、求电梯内外都需要按键实现客人达到不同楼层的需要,所需的按键数量较多,虽然独立式按键比较简单,但会占用大量的I/O口。而使用矩阵键盘,可以通过8个I/O控制16个按键,节省I/O口,因此考虑到节省端口的效果,本次设计选择矩阵键盘。1.2.3电动机选择方案一:三相异步电动机。方案二:四相六线制步进电机。本次系统使用电机正反转模拟电梯上下行,步进电动机是纯粹的数字控制电动机,它将电脉冲信号转变成角位移,即给一个脉冲,步进电机就转一个角度,适合通过单片机控制。从成本控制和实际效果考虑选择方案二满足要求。1.3 系统结构框图基于单片机的电梯控制系统如图1-1所示,其中主要包括单片机模块、电梯内外按键模块
11、、电梯状态指示灯模块、楼层显示模块、电机驱动控制模块、报警模块。单片机模块主控芯片为AT89S52,其为系统的核心模块2-3,控制系统的输入输出及数据的分析处理;电梯内外按键是指电梯内有一到六层的楼层选择按键,每层楼外都有相应的上下行选择按键,满足不同的需求;电梯状态指示模块通过发光二极管显示当前电梯运行状态,每个内外按键配一只发光二极管,作为指示灯,两只发光二极管作为电梯上升和下降的指示灯,另一只发光二极管作为电梯门的状态指示灯,蜂鸣器在电梯开门时鸣响以提醒。楼层显示就是通过数码管显示电梯当前所处的楼层。电机驱动模块是接收单片机的脉冲信号来控制步进电机的正反转,模拟电梯的上下行。报警模块使用
12、独立式按键,在紧急情况下实现电梯一键停止运行,同时蜂鸣器鸣响。控制核心电梯内外按键模块楼层显示模块报警模块电梯状态指示模块电机驱动控制模块图1-1 基于单片机的电梯控制模拟系统设计框图第2章 硬件电路设计与实现2.1 单片机控制模块2.1.1主控芯片本次电子系统设计采用AT89S52作为主控芯片。AT89S52是一种低功耗、高性能8位微控制器4,具有8K系统可编程Flash。使用Atmel公司高密度非技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。AT89S52芯片引脚图如图2-1所示。图2-1 AT89S52芯片引脚图AT89S52有1000次擦写周期,三级加密程序存储器,32个可编程I
13、/O口线,三个16位定时器/计数器,8个中断源,全双工UART串行通道,低功耗空闲和掉电模式,掉电后中断可唤醒,有看门狗定时器。单片机中Vcc(40脚)、GND(20脚)为单片机的电源引脚,AT89S52接入+5V电压即可正常工作。XTAL1(19脚)、XTAL2(18脚)5,6为外接时钟引脚,XTAL1为片内振荡电路的输入端,XTAL2为片内振荡电路的输出端。RST(9脚)为单片机的复位引脚。EA/Vpp(31脚),当EA接高电平时,单片机读取内部程序存储器3;当EA接低电平时,单片机直接读取外部(ROM)。2.1.2时钟电路设计 时钟电路主要由一个12MHz的晶振和两个22pF电容组成,如
14、图2-2所示,时钟电路一端和单片机的18端口和19端口连接,另一端接地。这种使用晶振配合产生时钟信号的方法称为外部时钟方式。图2-2 时钟电路2.1.3复位电路设计单片机的第9管脚是复位端,当向RST端输入一个短暂的高电平单片机就会复位(维持在2个机器周期以上)7,复位后单片机就从头开始执行程序。如果单片机执行程序的过程中触发复位,则单片机立即放弃当前操作而被强行从头开始执行程序。AT89S52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路如图2-3所示,当时钟频率选用12MHz时,C1取10uF,R1取1K,R2取10K,电容C1充放电时间=R1*C1=0.1s2us(2个机器周期)。图2-3
15、复位电路2.2 电源设计本设计通过DC电源接口提供+5V电压给各模块使用,如图2-4所示,通过USB接口线插入DC电源接口供电。图2-4 电源模块2.3单片机端口扩展设计电梯系统中电梯内外都需要按键,相应的指示灯也必不可少,因此需要占用大量的I/O端口,而单片机本身的端口数量是有限的,不能满足本系统的需求。这就需要对单片机的端口进行扩展满足需求,本设计中使用8255A实现I/O接口扩展8,9。8255A是Intel公司生产的通用可编程并行I/O接口芯片,主要为Intel 8080/8085而设计,也可用于MCS-51。MCS-51和8255A相连可为外部设备提供三个8位I/O端口,允许采用同步
16、、异步和中断方式传送I/O数据。其使用通用性强,提供扩展端口满足本系统需求,故选择8255A作为扩展芯片,如图2-5是8255A芯片接口引脚图。图2-5 8255A芯片引脚图如图2-6所示为8255A扩展单片机端口原理图,单片机的P0.0到P0.7管脚与74LS373的D0到D7管脚以及8255A的D0到D7管脚对应连接,单片机的ALE(30脚)连接到74LS373的LE(11脚)。单片机的WR(16脚)连接8255A的RD(5脚),单片机的RD(17脚)连接8255A的WR(36脚)。74LS373的Q0(2脚)、Q1(5脚)、Q2(6脚)分别命名为A0、A1、CS,与8255A的A0(9脚
17、)、A1(8脚)、CS(6脚)对应连接。图2-6 单片机端口扩展74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器,在单片机系统中扩展时,因为51单片机的P0口的地址数据复用,为了实现地址与数据的分离,将74LS373作为地址锁存器使用。其中将输入端D0D7接至单片机的P0口,输出端提供的是低8位地址,单片机的ALE信号可以直接与74LS373的LE连接。输出允许端OE接地,表示输出三态门一直打开。OE为低电平时,此时锁存使能端LE为高电平时,输出端Q0Q7状态与输入端D0D7状态相同。本系统中,74LS373的输出端连接8255A的地址线A0、A1和片选信号CS。通过A0、A1的4种不同组合(001
18、1)选择8255的3个并行的IO口和控制寄存器。2.4电梯内外按键模块设计2.4.1电梯内按键设计电梯内按键模块如图2-7所示,将单片机的P1.0、P1.1、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分别命名为R1、R2、C1、C2、C3、C4,电梯内一到六楼的按键按标识命名与单片机端口连接。图2-7电梯内按键2.4.2电梯外按键设计电梯外部按键如图2-9所示,将单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分别命名为r2、r3、r4、c1、c2、c3、c4,电梯外部一楼上行按键、六楼下行按键和二楼到五楼的上下行按键按标识和单片机端口对应连接。图2-8电梯外按键本系统
19、使用矩阵键盘以减少I/O口的占用,在矩阵键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接相连,而是通过一个按键相连接,这样4条水平线和4条垂直线最多就可以有16个按键。通过行扫描法判断被按下按键所代表的含义,行线中(P1.0P1.3)依次输出低电平,即其某行线为低电平时,其他线输出高电平。确定某根行线为低电平后,再逐行检测各列线(P1.4P1.7)的高低电平状态10,11。如果检测到某列为低电平时,则其与为低电平的行线交叉处的按键为被按下的按键。2.4.3电梯内按键指示灯设计电梯内一楼到六楼的按键都搭配其相应发光二极管作为指示灯,如图2-9所示,指示灯选择红色led,选择470电阻起到限流作用。LED工
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