模拟电梯的设计与实现

模拟电梯的设计与实现
一、实验目的
1．了解电梯调度算法。

2．利用微机实验系统来模拟电梯。

3．进一步掌握微机接口的设计方法。

二、实验内容与要求
1．设计基本要求
用键盘、按钮、发光二极管和 LED显示单元来模拟电梯工作过程。

楼层设为 5 层，用键盘键入希望停的楼层， 5 个发光二极管显示希望停的楼层，LED指示电梯当前所在楼层，按钮用来启、停电梯。

电梯正常运行时以每 2 秒１层的速度上升或下降。

2．提高要求
设计几个按钮，模拟更多的电梯运行功能，如：
•直达按钮。

若按此按钮，电梯按直达方式运行，即对运行期间新键入的停靠楼层（即使是同方向未到楼层）亦不停，直达终点楼层；
•急停按钮。

电梯运行中，若按此按钮，则电梯立即停在下一到达的楼层；
•断电待修按钮。

按下该钮电梯不能工作，再按一下才能重新工作；
•其它功能按钮（由设计者自由发挥）。

三、实验报告要求
１．设计目的和内容
２．总体设计
３．硬件设计：原理图（接线图）及简要说明
４．软件设计框图及程序清单
５．设计结果和体会（包括遇到的问题及解决的方法）
四、电梯的工作方式
电梯工作按以下方式运行：
1．假设当前电梯停在某层（LED显示相应楼层，5个发光二极管全灭）。

键入数字键，如键入的数字与当前电梯停靠层相同，则什么也不做，若不同则相应楼层的发光二极管亮；电梯自动判别上升或下降（在运行过程中用八段码来显示楼层变化）一直到达希望停的楼层（八段码显示该楼层，相应LED 灭）。

2．假设当前电梯正在上升或下降运行（此时八段码显示楼层变化，LED 指示希望抵达的楼层），若键入新的希望停靠的楼层数字（相应的LED 亮），则对同方向（上升或下降）
未到的楼层能停靠，对其它情况则先停靠原先希望停的楼层，然后继续运行）。

如下几例：
1）设电梯当前在2层，向上运行，LED指示希望在4层停，此时若键入3，则电梯将在3楼停，然后继续运行至4层停；
2）同上情况，若键入的不是3而是5，则电梯将先停在4层，然后运行至5层停；
3）同上情况，若键入的不是3（或5），而是1，则电梯先停在4层，然后运行至１层停。

五、总体设计思路
本设计主要是利用微机应用实验平台来模拟电梯的运行，用到了平台上的一个非编码键盘、LED显示器、八段数码管等模块。

有5个楼层，需要用5个按键模拟电梯中的请求按钮，用5个按键模拟5个楼层每层向上请求的按钮，再用5个模拟5个楼层每层向下请求的按钮。

非编码键盘有16个键，可以用1-5号键模拟电梯内的按钮，用6-0号键模拟每层向上请求的按纽，A-E模拟每层向下请求的按纽。

当电梯静止状态时，无论外部哪一层有请求，电梯都由静止状态转入向上或向下运行的状态，直到到达请求的楼层；当电梯处于向上运行的状态时，此时高于该楼层向上的请求和内部请求级别最高，其次是所有楼层向下的请求，再次是低于该楼层向上的请求；当电梯处于向下运行的状态时则情况相反。

由于中断级别在随着电梯所处楼层的不同而变化，而且中断源比较多。

所以用每一个中断源直接和中断控制器相连，需要用到多个8259A级联，很不方便。

为解决这个问题，首先定义三个单字节变量REQ_U、REQ_D和REQ_IN分别存储电梯每一层向上、向下和内部的请求，每一个变量用低5位，每一位代表一层。

例如，REQ_U为00000110B，这代表在2层和3层有向上的请求。

8253定时器每隔20ms产生一次中断，中断程序便去执行扫描键盘，当扫描到有电梯内部或者外部按键时，将请求存储到变量中。

每到一个状态时再检查请求变量REQ_U、REQ_D和REQ_IN的值，根据电梯的运行方向和变量中的请求，来决定电梯下一步的运行。

设电梯的当前楼层为floor（floor=1~5），运行方向为dir（dir=0，向上；dir=1，向下），在电梯运行的工程中，用数码管输出floor值显示当前的楼层。

LED输出REQ_IN的值显示电梯内已经请求的楼层。

六、系统硬件电路设计
由于采用了PC机资源和微机实验平台，不需要其他的硬件电路。

利用了微机平台上的8253定时/计数器、8255并行接口单元、LED单元、非编码键盘、数码管显示单元等等。

系统结构框图，如图1所示。

图1 系统结构框图
主要的模块如下：
1．可编程定时/计数器8253
定时/计数器8253主要是用于定时20ms ，触发中断进行键盘扫描。

电路连线是CLOCK0接Q6，分频后频率为46875Hz ，OUT0接中断IRQ2，每20ms 中断一次，GATE0接5v 。

计数器的初值应该是3A9H 。

2．8255并行接口单元
8255主要是用于键盘的扫描和发光二极管的数据输出。

所以用8255A 口的低5位接5
个发光二极管，B 口低4位接非编码键盘的列线，高4位接键盘的行线。

3． LED 显示系统
虽然只用了1格LED 显示器，但为了数字更新更方便，主程序更加简单，故此系统选用动态显示方式。

由于系统的软件部分的运行时的核心程序是一直循环的，因此显示程序也是在循环过程中一直被调用，从而实时地被显示出来。

4．非编码键盘
本系统采用的是行反转法来扫描键盘的，调用键盘扫描的程序TESTKEY 后，程序中的变量KEY 的值就是按下的键的值，如果KEY 为0FFH 则表示无键盘输入，为0～15 则按照上往下从左往右的顺序分别代表每一个按键按下的信息。

不过此扫描程序没有考虑到多个按键同时按下的情况。

又因为模拟电梯的按键一般不会有两个按键同时按下的情况，所以，多个按键的情况可以不予考虑。

Q6 IRQ2
5V clk0 8253 GA TE0
OUT0 A 口 8255
B 口
C 口
LED 显示 模块
CS0 CS1 CS2 CS3
5个发光二极管 非编码键盘
片选
七、软件设计
本设计的软件设计的思路：通过软件编程使8253输出定时信号申请中断，在中断服务程序中扫描键盘，如果有按键，修改相应的变量位，并输出内部请求变量REQ_IN到发光二极管显示当前的内部请求楼层。

在主程序中，查询变量的值，根据电梯调度算法运行电梯。

1．主要设计模块
程序主要包括以下主要模块：键盘扫描程序、LED显示程序、电梯调度算法。

1)键盘扫描程序：采用的是行反转法来扫描键盘的，相应的程序设计请参考实验指导书上
实验3中的相关介绍。

2)LED显示程序：本设计只用到了一个LED，只要将floor转换为相应的段码。

先输出位
码，再输出段码，循环输出就可以动态显示。

为了循环的显示，将LED显示程序放在中断服务程序中。

相应的程序设计请参考实验指导书上实验3中的相关介绍。

3)电梯调度算法：在设计时将电梯一次从下到上视为一次运行（注意不一定从底层到顶
层），同理，电梯一次从上到下也视为一次运行（注意不一定从顶层到底层）。

当电梯向上运行时：
a)位于当前层以下的向上请求都被忽略留到下次向上运行时处理。

b)位于当前层以上的向上请求都被记录留到此次运行处理。

c)无论哪层的向下请求都被忽略留到下次向下运行时处理。

当电梯向下运行时：
a)位于当前层以上的向下请求都被忽略留到下次向下运行时处理。

b)位于当前层以下的向下请求都被记录留到此次运行处理。

c)无论哪层的向上请求都被忽略留到下次向上运行时处理。

2．程序流程图
1）主程序框图如图2
图2 主程序框图
2）中断服务程序框图如图3
图3 中断服务程序框图
3）电梯算法流程图如图4
其中，dir代表电梯的运行方向，0代表电梯向上运行，1代表向下运动。

设REQ_U(n)代表第n层向上的请求，同样，REQ_D(n) 代表第n层向下的请求，REQ_IN(n) 代表第n层内部的请求。

求next的方法为：电梯向上时，next为内部请求的最小值和向上请求的大于floor的最小值之间的小者。

电梯向下时，next为内部请求的最大值和向下请求中小于floor的最大值之间的大者。

没有满足要求的时返回0。

图4 电梯算法流程图。