基于51单片机的模拟电梯控制系统本科毕设论文
摘要
本文介绍了基于单片机的电梯控制系统，硬件部分主要由单片机最小系统模块、电梯内外电路按键模拟检测模块、电梯外请求发光管显示模块、楼层显示数码管模块、电梯上下行模块及模拟传感器模块等5部分组成。该系统采用单片机（AT89C51）作为控制核心，内外均使用按键按下与否引起的单片机相应端口电平变化的原理，作为用户请求信息发送到单片机，单片机根据判断的结果最终驱动步进电机做相应的运动，在运动的过程中，单片机依照请求信息通过模拟的传感器使步进电机停止运动，并利用彩灯作为上升和下降的状况显示，七段数码管实时显示当前楼层，完成整个请求和响应的过程。
软件部分使用汇编语言实现，利用查询方式来检测用户请求的按键信息。根据电梯运行到相应楼层时，模拟按键引起的电平变化，进行判断和执行实现电梯的控制，并且将程序模块化，方便了修改和调用。硬件设计简单可靠，结合软件，基本实现了四层电梯的模拟运行。
关键词：单片机，AT89C51，电梯控制，步进电机
目录
摘要.............................................................................. I 目录............................................................................. II 第1章绪论.. (1)
1.1电梯的研究背景及意义 (1)
1.2 电梯的国内外发展状况 (1)
第2章电梯设计任务与要求 (2)
2.1设计任务 (2)
2.2设计要求 (2)
第3章总体设计方案 (3)
3.1设计思路 (3)
3.2总体设计框图 (3)
第4章电梯控制系统 (4)
4.1电梯控制系统 (4)
4.2主要硬件设计器件介绍 (5)
4.3 软件设计 (9)
第5章个人心得体会 (12)
参考文献 (13)
致谢 (14)
附录I： (15)
附录II： (17)
第1章绪论
1.1电梯的研究背景及意义
电梯是高层宾馆、商城、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的可靠性、舒适感和美学等方面的要求也有了更高的要求。
电梯是集机电一体的复杂系统，涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高质量。在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：乘电梯比走楼梯安全5倍。掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。
1.2 电梯的国内外发展状况
在经济不断发展，科学技术日新月异的今天，楼的高度已和经济发展同样的速度成长起来。作为建筑的中枢神经，电梯起着不可或缺的作用，电梯作为建筑物内的主要运输工具，像其他的交通工具一样，已经成为我们日常生活的一个不可缺少的组成部分。一个国家的电梯需求总量，主要受其经济增长速度、城市化水平、人口密度及数量、国家产业结构等综合因素的影响。在全球经济持续低迷的情况下，我国国民经济仍然以较高的速度持续增长，城市化水平不断提高。这从客观上导致了我国电梯行业的空前繁荣景象，我国已经成为全球最大的电梯市场。上世纪80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。总趋势是上升的，目自口进入了“第三次浪潮”，2004年总产量超过了8万台，而且目前还没有减速的迹象。从1949年建国以来全国共生产安装了6l万多台电梯。尽管如此，我国的电梯远未达到饱和的程度。全世界平均1000人有l台电梯，我国如果要达到这个水准，还需要增加70万台。到那时候，全国在用电梯将达到130万台，每年仅报废更新就需要6万台。到2005年，中国电梯的年产量达到13．5万台，与1980年相比，25年增长了59倍，产量每年平均增长17．8％。2005年安装验收电梯124465台，截至05年底，我国的在用电梯总数已达651794台。如此庞大的市场需求为我国电梯行业的发展创造了广阔的舞台!
许多新技术和新产品，如无机房电梯、无齿轮曳引机、永磁同步拖动技术、远程监控技术等，国际上也是刚刚出现，我国就有许多企业可以生产了。国产电梯以其高质量，低成本的优势赢得了越来越多的国内外客户，为逐步进入国际市场创造了有利条件。
中国电梯在亚洲市场占有越来越重要的位置，每年销售量己达l万台左右，约占亚洲市场的
1/50，一些合资企业在出口创汇方面也做出了贡献。当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。
世界上有名的几家电梯公司，诸如：美国奥的斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51％。其中，奥的斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。此外，家用小型电梯将成走电梯家族中新的组成部分，将为人们的生活带来更大的方便。
第2章 电梯设计任务与要求
2.1设计任务
设计并制作一个电梯控制模型，并可以通过程序控制步进电机，实现电梯的运行控制。
电梯模型示意图如下图所示
图2-1电梯控制模型示意图
2.2设计要求
（1）用A T89C51单片机，实现用步进电机带动电梯的4层楼电梯运行控制系统。
（2）每层楼都具有显示和请求的功能。
（3）显示电梯的运行状态并实时显示电梯所在楼层位置。 2 B C
A D
3 4 F G E H D
J 1 M
第3章总体设计方案
3.1设计思路
本次设计的总思想是，用开关作为电梯内外的请求按键，按键和单片机的口相连，按键按下为低电平，将信号传送到单片机，单片机根据各口的信号进行判断处理，处理完毕后控制步进电机运动，实现电梯的上下运动，采用传感器确定电梯所在的楼层数及电梯准确停止的位置，用七段数码管显示电梯所在楼层，用LED灯显示电梯的运行上下运行状态。
3.2总体设计框图
图3-1电梯单片机控制系统结构框图
第4章电梯控制系统
4.1电梯控制系统
电梯运行的基本过程是:由外部的呼叫信号给出呼叫，控制系统判断电梯目前所处的位置和显示当前电梯所在的楼层，并与呼叫楼层进行对照确定电梯的运行方向。若反方向，则改变方向到呼叫层，若同方向直接运行到呼叫层。整个设计由两块51单片机分别控制：图4-1是电梯控制系统的外部请求电路和内部显示电路及电机驱动的原理图，图4-2是电梯控制系统的电梯所在位置的外部显示电路和当前电梯所在楼层索定电路原理图。具体分析如下：
图4-1 电梯外部请求电路和内部显示电路及电机驱动原理图
图4-1为电梯控制系统的外部请求电路和内部显示电路及电机驱动的原理图，整个设计清晰明了，连接说明如下：
P0口：接七段数码管,显示下一目标楼层。
P1口：接步进电机。P1.0-P1.3接电机的驱动模块IN1-IN4。
P2-P3口：P2.0-P2.3接电梯内部的1-4的楼层请求按键。P2.4接四楼下的请求键，P2.5和P2.6接三楼外部的上下请求按键，P2.7、P3.0接二楼的上下请求按键，P3.1接一楼上的请求按键。
图4-2 电梯控制系统的电梯所在位置的外部显示电路和当前电梯所在楼层索定电路原理图
图4-2 电梯控制系统的电梯所在位置的外部显示电路和当前电梯所在楼层索定电路原理图，具体分析如下：
P0口接电梯所在位置显示的七段数码管。
P1.0 接指示电梯上行的显示灯，P1.1接指示电梯下行的显示灯。
P2.0-P2.4分别接索定电梯所在位置的1-4楼的电刷模拟传感器。
4.2主要硬件设计器件介绍
电梯控制系统的软件在硬件支持下运行，指挥系统进行相应的控制。软件均采用MCS—51汇编语言写成，约占内存35K左右.由于电梯控制系统实时采集数据量少，没有在系统中扩展随机RAM，只使用了8031片内RAM来安排呼叫信号的记录，判断输出状态，满足了程序调用的需要。
在整个的设计过程中，主要有两大硬件：51单片机和六线四相步进电机，51单片机作为电梯的大脑起控制作用，步进电机作为电梯的动力之源，在51单片机的控制下带动电梯运动。两者结合再加上附加电路组成了完整的电梯系统。
51单片机的主要功能和各引脚功能如下所示：
图4-3 51单片机的引脚分布图
51单片机的主要特性：
◆与MCS-51 兼容◆4K字节可编程闪烁存储器
◆全静态工作：0Hz-24Hz ◆三级程序存储器锁定
◆128*8位内部RAM ◆32可编程I/O线
◆两个16位定时器/计数器◆5个中断源
◆可编程串行通道◆低功耗的闲置和掉电模式
◆片内振荡器和时钟电路◆寿命：1000写/擦循环◆数据保留时间：10年
51单片机的管脚说明：
VCC：供电电压。
GND：接地
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚备选功能：
P3.0 RXD（串行输入口）
P3.1 TXD（串行输出口）
P3.2 /INT0（外部中断0）
P3.3 /INT1（外部中断1）
P3.4 T0（记时器0外部输入）
P3.5 T1（记时器1外部输入）
P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两了次/PSEN 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：来自反向振荡器的输出。
步进电机的工作原理,特点,原理图,工作方式及时序图如下：
步进电机的工作原理：
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，因此非常适合单片机控制。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电机具有控制和机械结构简单的优点。图1是四相六线制步进电机原理图，这类步进电机既可作为四相电机使用，也可做为两相电机使用，使用灵活，因此应用广泛。
四相六线制步进电机原理图：
步进电动机特点：
①步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性。
②由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，叉非常可靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统。
③步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速。
④速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转矩，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。
⑤步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。
⑥步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。
步进电机的工作方式：
步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1．8°四相混合式步进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转1．8°，旋转一周，则需要2OO个脉冲。在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转0．9°，旋转一周，则需要4OO个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲。以上述四相六线制电进电机为例，其半步工作方式和整步工作方式的控制时序如表4-1和表4-2所列。
表4-1 半步时序表
表4-2 整步时序图
4.3 软件设计
软件的设计采取了两套方案：
方案一：在程序设计的过程中用中断，以便达到时时判断的目的，在程序的设计过程中，使电梯运行判断更加智能化，程序采用模块化，上下判断采用状态标志法实现电梯的运行，因各方面的原因，方案一作废。但程序中有些模块是比较好的可以用到其他数值大小的判断上，例如：BIJIAO:;当前楼层和请求楼层比较，上升置80H的值为1，下降置70H的值为1 MOV A,60H
CJNE A,51H,S1;1
AJMP ZQD2
S1:
JC SZ1
AJMP XZ1
SZ1:
SETB 71H
CLR 81H
AJMP ZQD2
XZ1:
SETB 81H
CLR 71H
AJMP ZQD2
这段程序实现当前楼层60H中的值和请求楼层值的大小比较，若当前楼层小于请求楼层，则电梯上行，大于则下行，若同时上下都有请求则上行优先，判断完成后，继续判断其他楼层有没有请求。
方案二：整个程序应用单片机端口的高低电平实现，达到了模拟传感器的效果，在程序中无形的对各个端口的优先级进行了设置，并且电梯所在位置的判断、显示与电梯接收外部请求和判断电梯运行是独立控制的，彼此之间互不影响，使程序的设计简单化，并且提高了设计的成功率。
经过分析选取了方案二，方案二的具体介绍如下：
1初始化部分
由于本设计没有用到定时器、中断和串口输出，所以只对51单片机的各个端口进行了初始化，把各个口均置为0FFH（低电平有效），然后利用电刷模拟的传感器判断当前电梯所在的位置，调用数码管显示子程序LCALL XIANSHI显示为1（初始状态电梯在一楼），转入处理一楼子程序，进入程序执行状态。
2各楼层请求响应部分
若电梯在一楼或四楼，直接调用键盘扫描子程序KEY，判断是否有键按下，没键按下则继续扫描；如有键按下则判断是那个键按下并输出键值，转入键值识别子程序再合并电梯内外的请求，驱动电梯到达请求层。在电梯运行期间，程序仍然继续调用键盘扫描子程序KEY和电梯位置子程序DQ,以便随时响应适当的请求。若电梯在其它楼层，先判断位地址78H中的数据是0还是1，0为上升状态，1为下降状态。若为上升状态，则只响应该楼层以上的请求（同向请求），若该楼层以上没有请求则转查询下边楼层有无请求，若有则转为下降状态并响应，如果上下均无请求，则停留在该层继续循环查询等待请求；若为下降状态，则只响应该楼层以下的请求（同向请求），若该楼层以下没有请求则转查询上边楼层有无请求，若有则转为上升状态并响应，如果上下均无请求，则停留在该层继续循环查询等待请求。
3显示子程序
调用显示子程序前先给寄存器A赋值，转到响应的查表地址，将字型码送给串口寄存器KEYBUF，经过74LS164并口输出给数码管显示。
XIANSHI:
MOV A,KEYBUF
MOV DPTR,#TAB
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
RET
TAB: DB 0EEH,28H,0CDH,6DH,2BH,67H,0E7H
END
4控制电梯正转（上）和反转（下）的子程序
在单片机判断请求信号并做处理确定电机正反转的前提下，控制电机的正反转，带动电梯上下运动，完成整个控制。
步进电机正转，电梯上的子程序：
SHANG:;上
MOV P1,#0FEH
ACALL DELAY
MOV P1,#0FDH
ACALL DELAY
MOV P1,#0FBH
ACALL DELAY
MOV P1,#0F7H
ACALL DELAY
CLR P3.6;上灯
SETB P3.5;下灯
RET
步进电机反转，电梯下的子程序：
XIA:;下
MOV P1,#0F7H
ACALL DELAY
MOV P1,#0FBH
ACALL DELAY
MOV P1,#0FDH
ACALL DELAY
MOV P1,#0FEH
ACALL DELAY
CLR P3.5;上灯
SETB P3.6;下灯
RET
5程序流程图如下图所示：
程序流程图
第5章个人心得体会
随着离校日子的一天天临近，毕业设计也接近了尾声。经过几周的奋战我们的毕业设计终于完成了，但对于自己而言有自豪的地方也有很多的遗憾，更多的是学到了很多。
在学习上我看到了自己的不足，认识到了自己的定位，在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还很欠缺，要学习的东西还太多，以前老是觉得自己编程不成问题，直到自己亲手实践时才知道自己对知识的欠缺有多大，眼高手低只会让自己在成功的路上摔的更重，心理上承受更大的打击。我也明白了学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质，只有自己亲身经历了，好多问题的精髓才能真正的接受，只有自己用心钻研了才会发现其中的精华和奥秘所在，并且在研究的过程中自己会获得更多的想法和思路，学习到更多意料之外的新知识，学到更多书本上学不到的知识。
通过这次设计，也让我明白了些许生活中应该拥有的精神，对待身边的任何人都不能看低对方的能力，说不定他就是带自己走向光明的贵人；不能忽略每个人的能力，在团队里每个人都有自己的作用；同学之间互帮互助，不仅加快了设计的进度，而且增进了彼此之间的友谊，也让我深深的体会到什么叫做团队合作精神，设计、情感两丰收。
此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在此要感谢我的指导老师梁老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。