目录
第1节 摘要……………………………………………………………………………4
第2节 系统的方案论证与比较………………………………………………………4
2.1 设计思路………………………………………………………………………4
2.2 方案的选择与论证……………………………………………………………4
2.2.1控制器的选择与论证…………………………………………………4
2.2.2驱动电机的选择与论证………………………………………………5
2.2.3步进电机驱动电路的选择与论证……………………………………5
2.2.4传感器检测模块的选择与论证………………………………………6
2.2.5语音部分方案的选择与论证…………………………………………6
2.2.6键盘方案的选择与论证………………………………………………6
2.2.7显示方案的选择与论证………………………………………………7
2.3 系统各模块的最终方案………………………………………………………7
第3节 系统的硬件设计与实现………………………………………………………7
3.1 系统硬件的基本组成部分……………………………………………………7
3.2 主要单元电路的设计…………………………………………………………8
3.2.1 单片机控制电路………………………………………………………8
3.2.2 电机驱动电路…………………………………………………………8
3.2.3楼层检测电路…………………………………………………………9
3.2.4称重模块………………………………………………………………9
3.2.5语音模块………………………………………………………………10
3.2.6远程监控模块…………………………………………………………11
3.2.7键盘与显示模块………………………………………………………12
第4节 系统的软件设计与实现………………………………………………………14
4.1 系统软件框图…………………………………………………………………13
4.2 部分子程序流程图……………………………………………………………14
4.2.1称重与超重报警软件流程图…………………………………………14
4.2.2 电梯运行控制软件流程图……………………………………………14
4.2.3 远程通信控制软件流程图……………………………………………15
第5节 系统测试与分析………………………………………………………………16
5.1 测试仪器………………………………………………………………………16
5.2 测试方法、数据及结果分析…………………………………………………17
5.2.1平层误差测试…………………………………………………………17
5.2.2单程运行时间测试……………………………………………………17
5.2.3每层运行时间测试……………………………………………………17
5.2.4称重数据测试…………………………………………………………17
5.2.5超重报经测试情况表…………………………………………………18
第6节 小结……………………………………………………………………………18
参考文献…………………………………………………………………………………19
附录………………………………………………………………………………………20
电梯控制
数理与信息工程学院 06电子信息工程 马春丽
指导教师：余水宝
第1节 摘要
本设计采用单片机AT89C52作为电梯控制模型的检测及控制核心。采用霍尔传感器进行楼层检测。采用量程为1kg的悬臂梁式称重传感器实现称重，用12位A/D转换器MAX187进行A/D转换以保证转换精度。利用可编程器件GAL16V8和大功率驱动电路L298共同组成步进电机的驱动电路。通过数码管和RT12864液晶实现楼层和运行时间的实时显示。通过串口通信实现两块单片机的数据传输。采用PCA82C250实现远程监控功能。
第2节 系统的方案论证与比较
2.1 设计思路
题目要求设计一电梯控制模型，根据要求需采用一只电机来控制电梯的运动方向。采用传感器检测楼层及装载物的重量，通过语音芯片实现报警。另外还需用到键盘及显示。
2.2 方案的选择与论证
2.2.1控制器的选择与论证
方案一：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。具体的电路方框图如图1-2-1所示。由于FPGA将所有器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA的成本偏高，而且由于本设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。
方案二：采用单片机AT89C52作为系统的控制器。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术熟练和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。
基于以上分析，采用方案二。其单片机控制系统的方框图如图1-2-2所示。
图1-2-1 FPGA为核心的控制系统方框图 图1-2-2单片机控制系统的方框图
2.2.2驱动电机的选择与论证
方案一：采用直流电机作为执行元件。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。直流电机一般采用H型全桥驱动电路。用单片机产生PWM调速信号控制达林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态。直流电机工作在开环状态时，电路相对简单，但其定位性能比较差。直流电机工作在闭环状态时，其定位性能精确，但是相对于开环状态又要增加很多检测器件，使用的元件多，电路非常复杂。
方案二：采用步进电机作为执行单元。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。因此，步进电机具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转距值，就能立即使步进电机启动或反转，而且步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常适合定位控制系统。
基于以上分析，采用步进电机作为系统的传动装置。
2.2.3步进电机驱动电路的选择与论证
步进电机驱动是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，即控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。关于步进电机的驱动有以下几种方案。
方案一：采用与步进电机相匹配的成品驱动装置。使用该方法实现步进电机驱动，其优点是工作可靠，节省制作和调试的时间，但成本很高。其原理方框图如图1-2-3所示。
图1-2-3 采用成品驱动器的原理方框图
方案二：采用互补硅功率达林顿晶体管TIP142T实现步进电机的驱动，采用该方法实现步进电机驱动，电路连接比较简单，工作相对也比较可靠，成本低廉，技术成熟。此外，为提高电路的抗干扰能力，驱动电路与单片机接口可通过光耦元件连接。该方法的原理方框图如图1-2-4所示。其优点是直接利用电压控制，反应延迟短，稳定性好，由于工作在饱和状态，因此效率很高。不足之处是由于使用分立元件，安装调试和维护相对麻烦，控制不当时MOS管容易烧毁，且管子参数不一致，导致驱动电流的不对称性，影响了控制精度。
图1-2-4 采用TIP142T实现步进电机驱动的原理方框图
方案三：采用可编程器件GAL16V8和集成电机驱动芯片L298。通过可编程器件GAL实现脉冲分配。GAL可采用ABEL语言按照给定的通电换相顺序实现脉冲分配，并向驱动电路发出控制脉冲。该方案的一个显著特点就是采用软硬件结合的方法，大大减轻了CPU的负担，只有向GAL发出两个控制信号就可实现对电机的控制。另一个特点就是电路简单，除了保护电路之外不需外加任何元件，只需两片芯片即可。除此之外其驱动电流比较大。其实现的原理方框图如图1-2-5所示。
图1-2-5 采用GAL16V8和L298共同组成的电机驱动电路的原理方框图
基于以上分析，考虑到要驱动的电机瞬时电流较大以及电路的复杂程度，在此采用方案三实现电机驱动。
2.2.4传感器检测模块的选择与论证
在本设计中，需要用到传感器的有两个部分，即楼层检测及称重模块。传感器检测主要有如下几种方案。
（1）楼层检测部分
方案一：采用光电传感器。在电梯模型的每一平层位置贴上黑胶带，在电梯桥箱模型上放置光电传感器，并保证当电梯到达平层位置时光电传感器能检测到黑线。其原理方框图如图1-2-6所示。光电传感器检测进来输出的是一个电压信号，需要经过一个过压比较器转换为开关信号，在送到单片机。所以其电路相对而言比较复杂，而且平层误差较大。
图1-2-6 光电传感器检测楼层方框图
方案二：采用霍尔传感器。霍尔传感器输出的是一个开关信号，所以它的电路非常简单，不需要任何外围器件，可以将其检测的信号直接送给单片机。经过多次试验，其平层误差较小，实现起来比较方便。
基于以上考虑，在本设计中产用方案二。
（2）称重模块
在该模块中因为要求桥箱模型能够加载0～500g的重物，所以在此选用量程为1kg的称重传感器。
2.2.5语音部分方案的选择与论证
方案一：采用蜂鸣器实现语音报警部分。其电路非常简单，但其发出的声音非常单调，实现起来并不是很理想。
方案二：采用语音芯片ISD2560，它具有抗断电、音质好，使用方便，无须专用的开发系统等优点。录音时间为60 s，能重复录放达10万次。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，省去了A/D、D/A转换器。每个采样值直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”，该器件的采样频率为8.0KHz。
综上所述，为了能够更好的再现真实、自然的语音，所以在此选用方案二。
2.2.6键盘方案的选择与论证
在该系统中需要通过键盘控制电机的正反转以及启停从而实现电梯的上行、下行以及到达的楼层位置。在此处对以下两种方案进行比较。
方案一：采用单片机AT89C2051与地址译码器74LS138组成控制和扫描系统，并用AT89C2051的串口对主电路的单片机进行通信，这种方案既能很好的控制键盘及显示又为主单片机大大的减少了程序的复杂性，而且具有体积小，价格便宜的特点。但是该系统所接的按键数目有限，且占用了对应主CPU的串行端口，按键出现的抖动现象也比较难解决。因此在使用时受到一定的限制。
方案二：采用HD7279，实现对按键的扫描、消除抖动、闪烁等功能。同时该芯片还可连接多达64键的键盘矩阵，软件编程简单。用7279和键盘组成的人机控制平台，能够方便的进行控制单片机的输出。
方案一虽然也能很好的实现电路的要求，但考虑到电路设计实际需求和电路整体的性能，采用方案二。
2.2.7显示方案的选择与论证
方案一：采用数码管显示。数码管具有低能耗、耐老化和精度比较高的优点，但数码管与单片机连接时，需要外接锁存器进行数据锁存，使用三极管进行驱动等，电路连接相对比较复杂。但数码管只能显示少数的几个字符，显示的内容较少，基本上无法显示汉字。
方案二：采用LCD进行显示。液晶显示屏（LCD）具有功耗低、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，既可显示图形，也可显示汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点。此外，液晶显示器与单片机可直接相连，电路设计及连接简单。
基于以上分析，上述两种方案各有千秋，因此在显示楼层部分采用大数码管，其与实际比较吻合，在称重模块采用RT12864实现。
2.3 系统各模块的最终方案
经过仔细地分析和论证，选定了系统各模块的最终方案如下：
控制器：采用两片单片机AT89C52组成的双CPU控制系统；
电机：采用一只四相八拍步进电机；
电机驱动：采用一片GAL16V8和一片L298；
楼层检测：采用一个霍尔传感器；
语音模块：采用一片ISD2560；
键盘：采用7279智能显示驱动芯片；
显示：采用数码管和液晶显示屏（LCD）结合显示。
第3节 系统的硬件设计与实现
3.1 系统硬件的基本组成部分
系统利用霍尔传感器检测楼层，利用称重传感器检测重量，控制器根据这些传感信号和键盘发出的信号进行逻辑判断，控制电机转动,实现电梯的运动。该系统主要分为以下几个部分电路：单片机控制电路，电机驱动电路，楼层检测电路，称重模块，语音模块以及键盘与显示电路。系统原理框图如图2-1-1所示。
图2-1-1系统原理框图
3.2 主要单元电路的设计
3.2.1单片机控制电路
该系统采用两片单片机AT89C52组成的双CPU控制电路。用一片89C52实现电梯的运动控制、电梯运动状态的显示、楼层检测以及楼层显示等功能，用另一片89C52完成称重、额定负荷欲置、超重报警、楼层呼叫以及运动时间显示等。控制电路原理图如图2-2-1所示。
图2-2-1 单片机控制电路原理图
3.2.2电机驱动电路
在本设计中选用的步进电机工作在四相八拍方式，驱动电路由GAL16V8和L298组成。电路原理图如图2-2-2所示。其中GAL16V8为可编程器件，采用ABEL语言产生电机四相的控制时序。由于GAL输出端输出电流很小，无法驱动电机运转，所以后级采用L298驱动芯片来放大输出功率而不改变四相的时序状态，从而实现电机的驱动。当GAL16V8的CLK口输入一个脉冲时，电机转动一拍，步矩角为0.9°，因此可以通过给定脉冲的个数来确定电机转动的角度。In1端为电机转动方向控制端，高电平时电机正转；低电平时反转。GAL16V8的输入端与单片机相连，由单片机发出控制脉冲信号。
图2-2-2 电机驱动电路原理图
3.2.3楼层检测电路
在此，采用霍尔传感器作为楼层检测的核心，其在电梯模型上安装的位置如图2-2-3所示。因为霍尔传感器输出是一个开关信号，即当其检测到磁钢时会产生一个低电平，反之产生一个高电平。在此将霍尔传感器的输出端直接接到外中断0，即当检测到一个磁钢时，中断一次，通过中断信号实现楼层的显示。
图2-2-3 实例电梯模型
3.2.4称重模块
该模块采用悬臂梁式称重传感器，它是一种电阻应变式传感器。将其固定在电梯模型的最上端，将滑轮固定在称重传感器上，当称重传感器上所承受的重力变化时，也就是装载物的重量发生变化时，重传感器内部将会产生相应的电阻变化，从而导致最终输出电压发生变化。
称重传感器的内部结构如图2-2-4所示。它由4片应变片组成，能将试件上的应变变化转换成电阻变化，其电阻相对变化△R/R与轴向应变△L/L成正比。
将称重传感器接上电源E，～分别为应变片的电阻。
图2-2-4 称重传感器内部结构图
当输出端接高输入阻抗时，可视电桥为开路状态，得输出电压
当应变片受重力作用产生应变时
若4片应变片性能一致，且相邻桥臂所接应变片承受相反应变，相对桥臂所接应变片承受相同应变（如悬臂梁在一端受压时，上测两应变片拉长，下测两应变片压短），则有
则
即与应变△L/L成正比，的变化反映了重量的变化。
因为称重传感器输出的是一个毫伏级的电压信号，所以在其输出端应加微弱信号放大电路。其放大电路原理图如图2-2-5所示
图2-2-5 微弱信号放大电路原理图
该电路第一级采用AD620，第二级采用OP07进行后级再放大。其中AD620的放大倍数A的计算公式为
由图可知，传感信号首先通过AD620放大将近100倍，再通过OP07构成的放大倍数可调电路，从而能更灵活的调节放大倍数。在OP07构成的电路中接了一个20K的调零电位器，以便于电压补偿。
3.2.5语音模块
在本设计中采用的语音芯片是美国ISD公司的2560语音芯片，该语音芯片录放时间为60S，最大可分600段，重复录音次数可达10万次，其电路原理图如图2-2-6所示。
图2-2-6 语音模块电路原理图
3.2.6远程监控模块
本系统采用CAN总线收发器PCA82C250作为通信接口芯片，从而具备CAN总线通信的诸多优点，例如：通信距离长（至少1000m），通信传输线少（仅有2根，且各系统不必共地）等。其实现的电路原理图如图2-2-7所示。
图2-2-7 远程监控模块电路原理图
PAC82C250收发器是协议控制器和物理传输线路之间的接口，在ISO11898标准中描述的，它们可以高达1Mbit/s的速率在两条有差动电压的总线电缆上传输数据。（ISO11898标准是一个使用CAN总线协议的汽车内高速通信国际标准）
PCA82C250的位速度与总线长度的关系如表2-2-1所示。
表 2-2-1 位速度/总线长度的关系表
本系统使用的波特率为1.2Kbit/s，远远低于62.5Kbit/s。由上述表格可见，本系统的通信距离将远远大于1000米。
3.2.7键盘与显示模块
本设计的两块键盘均采用HD7279来读取按键值，送到单片机处理。称重设置的显示界面由RT12864液晶完成，楼层显示由大数码管实现。其称重部分的设置与显示电路如图2-2-8所示。
其控制原理为：当按下“设置”键时，可从键盘中输入额定负荷的预置值。在没有按“确定”键之前，如果想重新设置该预置值，则可按“撤消”键，重新设置；如果已经按了“确定”键，想重新设置该预置值，则应重新按“设置”键，再输入预置值。当已确定设置好预置值后，在电梯运行中，如果装载物的重量超过了该预置值，则会发出报警信号，如提示“超重”。
图2-2-8 键盘与液晶显示电路
图2-2-9 电梯控制模块键盘模型
图2-2-9为电梯控制模块的键盘模板图，其键盘的电路原理图与称重模块的相同，在该模块键盘分为两个部分：一是用于每层楼电梯外的上行与下行键，二是用于电梯内部的五层楼对应的五个按键以及一个求救键。因为在此所用的按键不带有指示，所以外加了14个发光二极管与按键配合使用，当按下某一个按键时，相对应的发光二极管点亮，以表示该按键已经响应。其发光二极管的连接电路原理图如图2-2-10所示。
图2-2-10 发光二极管的电路原理图
为了看起来更加美观，在此采用3寸的大数码管进行显示，其相应的驱动电路采用ULN2003专用驱动芯片。其余三组发光二极管是用来组成箭头做电梯上行与下行用的。其组成的箭头模板如图2-2-11所示。
图2-2-11箭头模板
第4节 系统的软件设计与实现
系统的软件设计采用C语言对单片机进行编程实现各项功能，其中可编程器件GAL采用ABEL语言来描述换相状态。
4.1 系统软件框图
系统软件的总体框图如图3-1-1所示。
图3-1-1 系统软件总体框图
4.2 部分子程序流程图
4.2.1称重与超重报警软件流程图
其称重与超重报警的控制原理为：当电梯停止时，允许称重，反之，不能称重，如果称重的结果未超重，则允许电梯启动运行，而当电梯超重时，则禁止电梯启动并发出报警信号。其软件流程图如图3-2-1所示。
4.2.2电梯运行控制软件流程图
电梯运行控制软件流程图如图3-2-2所示。其中电梯运行计时器用来记录电梯由原楼层到目标楼层的运行时间，而电梯运行定时器则用来发出步进脉冲。当关闭电梯运行定时器时，电梯停止不动；当打开电梯运行定时器后，时间到时输出一个步进脉冲，使电机走一步
4.2.3远程通信控制软件流程图
远程监控部分的控制原理是：开启远程监控系统之后便可以在主监控室中观察电梯运行是否正常；若遇到紧急情况，可以控制相应电梯的上下运行。
第5节 系统测试与分析
为了确定系统实现的功能与题目要求的符合程度，需要对系统的关键部分进行实际的测试。
5.1 测试仪器
表4-1-1 测试所用仪器设备
5.2 测试方法、数据及结果分析
5.2.1平层误差测试
将桥箱模型放置在第一层的平层位置，接通电源，启动电梯，让电梯在每一层都停5S，用直尺测出电梯所停位置与实际平层位置的距离。测试数据如表4-2-1所示。
表4-2-1 平层误差测试数据表
由上述测试数据可知，本设计的平层误差较准确，最大误差不超过10mm，满足题目要求。从表格中的数据可以明显的看出，第二层的平层误差相对较大，查其原因是由于在安装磁钢时位置放的不当，明显偏下。
5.2.2单程运行时间测试
在测试该数据的过程中采用了多次测试的方法，分别测试从第一层到第五层和第五层到第一层所需的时间，其测试数据如表4-2-2所示。
由所测数据可知，单层运行往反时间之差最大为0.57S，远远小于1S，所以本系统性能相对而言较好。其产生误差的原因主要是由于人工计时所带来的一些误差，以及电梯边缘不平滑导致电梯在运行过程中偶尔会产生摩擦所带来的不可避免的误差。
表4-2-2 单程运行时间数据表（装载150g重物）
5.2.3每层运行时间测试
分别测试每一层运行所需的时间，分为电梯上行与下行两部分进行测试，其测试数据如表4-2-3所示。
表4-2-3 每层运行时间数据表（装载150g重物）
从上述所测试的数据可知，此项完成比较理想，其误差产生的原因单层运行测试数据时是相同的。
5.2.4称重数据测试
称重测试数据如表4-2-4所示。
表4-2-4 称重测试数据表
由表可得称重模块符合题目要求。
5.2.5超重报经测试情况表
测试思路：先设定一个额定负荷，在通过试验，将不同重量的负荷放在车箱中，看是否符合题目要求。其测试情况如表4-2-5所示。
表4-2-5 超重报警测试表
从表中可知，设定的额定负荷为300g，当重物在300g以下时不会发出超重报警，一旦达到300g及以上就会发出超重报警信号，所以本系统实现了超重报警的功能。
第6节 小结
现通过一张表格来说明一下本系统的所实现的功能与题目所要求的功能的比较。
从表中发现，单程运行时间测试值与题目所要求的还差一点，因为电机功率不够大，所以在装载400g重物的条件下很难达到题目要求。当然本系统也有一个闪亮点-具有远程监控功能。
参考文献
1、全国大学生电子设计竞赛湖北赛区组委会．
电子系统设计实践——湖北省大学生电子设计竞赛优秀作品与解析
[M]．武汉：华中科技大学出版社．2005年
2 、高吉祥．
全国大学生电子设计竞赛培训系列教程（数字系统与自动控制系统设计）
[M]． 北京：电子工业出版社．2007年
3 、www.21icsearch.com[EB/OL]．/searchpdf/download.asp?id=76940
4 、http://www.chinaecnet.com[EB/OL]．/tech06/te062053.asp
5 、何希才．
传感器技术及应用
[M]．北京：北京航空航天大学出版社．2005年
6 、全国大学生电子设计竞赛组委会.
全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编
[M].北京：北京航空航天大学出版社.2004年
附录1
总体电路原理图