基于51單片機的簡易電梯系統(tǒng)的設(shè)計

1. ? 系統(tǒng)概述
   1. 設(shè)計要求

根據(jù)所學(xué)的知識以及技能，利用MCS-51系列單片機為中心設(shè)計一個簡易電梯系統(tǒng)，實現(xiàn)四層電梯的無故障運行，并用數(shù)碼管和指示燈顯示對應(yīng)樓層和運行方向等基本信息。設(shè)計所用的單片機為STC89C52為主要的控制器，自帶AD轉(zhuǎn)換，當一邊有按鍵按下時，另一邊以數(shù)字的形式在數(shù)碼管上顯示出相應(yīng)的數(shù)字信息。

1. 選擇合適的芯片進行驅(qū)動電路的設(shè)計；
2. 運行狀態(tài)精確顯示；
3. 平層誤差不超過±1cm。
   1. 總體設(shè)計

總的設(shè)計框圖如圖1-1所示，由單片機模塊、矩形按鍵模塊以及系統(tǒng)信息模塊三個大模塊構(gòu)成，它們的作用分別為：

單片機模塊：數(shù)據(jù)輸入輸出的處理。

矩形按鍵模塊：通過按鍵，將相關(guān)信息送入單片機處理。

系統(tǒng)信息模塊：用若干個發(fā)光二極管和數(shù)碼管作為此模塊的顯示電梯的運行狀態(tài)，如上行或下行、電梯目前到達的樓層等信息。

電機控制模塊：電機運行的方向以及電機的速度控制。

其中單片機模塊里面包括了電源模塊、復(fù)位電路模塊、時鐘電路模塊，當通過按鍵模塊按下需要到達的樓層，經(jīng)過單片機內(nèi)部轉(zhuǎn)換后在數(shù)碼管上顯示出來。同時對按鍵進行掃描，定位被按下的按鍵，確定目標樓層并檢測途徑樓層是否有被按下，上行下行通過燈的亮滅顯示出來，驅(qū)動上下行電機進行正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，檢測到達指定樓層后上下行電機停止運轉(zhuǎn)，目標樓層的指示燈亮，同時開關(guān)門電機進行正轉(zhuǎn)實現(xiàn)開門，停留一段時間后電機反轉(zhuǎn)實現(xiàn)關(guān)門。

圖1-1總體設(shè)計框圖

1. ? 系統(tǒng)設(shè)計的整體方案
   1. 主控芯片的方案論證

方案一：51系列單片機

采用目前通用的單片機系列STC89C52芯片為核心控制器，其管腳圖如圖2-1所示，此單片機功能完善具有字節(jié)處理和位處理，軟件編程靈活，容易顯示各種控制功能，價格比較便宜，在市場上比較多見。

方案二：PIC系列單片機

采用PIC系列為核心控制器。與51系列單片機相比，其是一種精簡指令型的單片機，指令數(shù)量較少，在傳送和邏輯運算上都要比51系列單片機比較復(fù)雜，編寫程序比較麻煩，抗干擾性不是很強，在市面上的使用不是很廣泛。

綜上所述，結(jié)合自己目前所學(xué)和比較熟悉的，51系列單片機是自己在校期間所運用最多的，所以對此單片機系統(tǒng)有較深刻的了解。而且要設(shè)計出一個相對簡單且容易顯示的系統(tǒng)，51系列單片機比PIC系列單片機更容易實現(xiàn)，因此設(shè)計使用方案一。

圖2-1 STC89C52管腳圖

1. 1. 顯示模塊的方案論證

方案一：LED數(shù)碼管

采用LED數(shù)碼管作為顯示器件，其中數(shù)碼管又分為共陰數(shù)碼管和共陽數(shù)碼管（數(shù)碼管原理圖如圖2-2 所示）。使用數(shù)碼管所構(gòu)造的電路簡單，程序設(shè)計也相對簡單，關(guān)鍵是數(shù)碼管價格低廉，設(shè)計成本少 ，顯示亮度高。

方案二：LCD液晶顯示器

采用LCD液晶為顯示器件。雖然使用液晶顯示屏可以顯示很多內(nèi)容，其構(gòu)造的電路也簡單，程序設(shè)計也簡單，但是相比于數(shù)碼管，其顯示要求要高，對距離也有一定的要求，顯示亮度低，成本上也相差很多。

綜上所述，再結(jié)合上制作的電梯系統(tǒng)的設(shè)計顯示方面要求較低，只需要顯示運行時相對應(yīng)的樓層即可，無需其他顯示。所以在成本上使用數(shù)碼管顯示比較經(jīng)濟實在，因此設(shè)計選用方案一。

圖2-2 數(shù)碼管管腳圖

1. 1. 電動機的方案論證

方案一：直流電機

采用直流電機為動力元件。其中直流電機又分為直流有刷電機和直流無刷電機，直流無刷電機成本高但壽命長噪聲低;直流有刷電機成本低，使用簡單,但生命短噪聲大。直流電機的工作原理是只要有合適的電壓就可以轉(zhuǎn)動，所以在精度控制上不是很好。

方案二：步進電機

采用步進電機為動力元件。目前步進電機作為動力元件已經(jīng)很廣泛，其中42步進電機更是其行業(yè)最常用的步進電機尺寸。步進電機的工作原理大概是將脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移的元件，當步進電機接收到一個脈沖信號時，它就可以向預(yù)設(shè)的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，從而達到精確定位的目的。同樣可以通過控制脈沖頻率來控制電機的轉(zhuǎn)動速度，達到調(diào)速的目的。其不受太多外力的影響，控制簡單。相比與直流電機的工作原理。步進電機是按照節(jié)拍工作的，可以調(diào)節(jié)很小的角度，在精確度上比較好把控。

綜上所述，根據(jù)系統(tǒng)對運行的狀態(tài)和精度有一定的要求，所以設(shè)計的動力元件要具有很好的把控力，因此設(shè)計使用方案二。

1. 1. 電機驅(qū)動模塊的方案論證

方案一：L298N驅(qū)動

采用L298N電機驅(qū)動為控制器。其內(nèi)置兩個芯片，集成性較高，抗干擾能力強，轉(zhuǎn)速可調(diào)。不過L298N構(gòu)成的電路比較復(fù)雜，硬件電路連接較為麻煩。關(guān)鍵其成本還比較高。

方案二：A4988驅(qū)動

采用A4988電機驅(qū)動為控制器。A4988是一款帶轉(zhuǎn)換器和過流保護的DMOS微步進電機驅(qū)動器，它用于操作雙極步進電機，在步進模式，輸出驅(qū)動的能力35V和+2A 。其控制簡單,只需要控制STEP與DIR兩個端口; 具有精度調(diào)整，擁有五種不同的步進模式:全、半、1/4、1/8、1/16; 可調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)輸出電流，從而獲得更高的步進率。其是一款成本低，體積小，容易設(shè)計控制電路。

綜上所述，由于電機選用42步進電機，而且系統(tǒng)對于控制精度比較高，所以對比兩個方案的性價比之下，選用方案二。

1. ? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
   1. 單片機最小系統(tǒng)的電路設(shè)計
      1. STC89C52芯片模塊電路設(shè)計

根據(jù)方案的選擇，STC89C52作為所設(shè)計系統(tǒng)的主控芯片，將其端口恰當使用，以實現(xiàn)系統(tǒng)各個的功能。其端口分別可以控制數(shù)碼管的顯示，和電機驅(qū)動模塊控制（脈沖信號）以及各個樓層的按鍵功能，設(shè)計使用單片機的P0口與數(shù)碼管相連接，使用P1、P2口與樓層的按鍵和顯示燈相連，使用P3^4、P3^5與電機驅(qū)動模塊相接，電路設(shè)計簡單，如圖3-1所示。

圖3-1 STC89C52電路設(shè)計圖

1. 1. 1. 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計

時鐘電路是產(chǎn)生像時鐘一樣準確運動的振蕩電路。任何工作都按時間順序。用于產(chǎn)生這個時間的電路就是時鐘電路。時鐘電路一般由晶體振蕩器、晶震控制芯片和電容組成。時鐘電路應(yīng)用十分廣泛。單片機運行需要時鐘支持就像計算機的CPU一樣，如果沒有時鐘電路來產(chǎn)生時鐘驅(qū)動單片機，那單片機就不能執(zhí)行程序。在MCS-51單片機片內(nèi)有一個高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時鐘電路一起構(gòu)成了單片機的時鐘方式。如圖3-2所示。

圖3-2 時鐘電路設(shè)計圖

1. 1. 1. 復(fù)位電路設(shè)計

對于一個完整的電子設(shè)計，其中一個關(guān)鍵就是系統(tǒng)復(fù)位電路的設(shè)計。其可以實現(xiàn)系統(tǒng)的還原和初始化功能。系統(tǒng)所設(shè)計的復(fù)位電路如圖3-3所示，由R1、C1組成復(fù)位電路，剛上電時，C1是電壓為0，電源開始對C1電容充電，此時的RST引腳處呈現(xiàn)高電平，高電平時間為10K*10UF=0.1S。也就是說在電腦啟動的0.1S內(nèi)，單片機系統(tǒng)自動復(fù)位(RST引腳接收到的高電平信號時間為0.1S左右)。在單片機啟動0.1S后，電容C1兩端的電壓持續(xù)充電為5V,這是時候10K電阻兩端的電壓接近與0，當按下S1,電源電壓接通到R1, 由于R1阻值比較大，此時電容開始迅速的放電，這個時候 R1處的電壓再升高，所以RST引腳處又接受到高電平，即單片機系統(tǒng)自動復(fù)位。

圖3-3 復(fù)位電路設(shè)計

1. 1. 1. 電源電路設(shè)計

對于電子系統(tǒng)來講，其最重要的是電源設(shè)計。沒有電源提供電壓，系統(tǒng)將不會運行。所設(shè)計的電梯系統(tǒng)由于需要雙電源（單片機的供電電源5V和步進電機驅(qū)動的供電電源12V），因此設(shè)計一個降壓模塊，當輸入電源為直流12V時，經(jīng)過其模塊內(nèi)部的處理可以得到一個輸出穩(wěn)定的5V電壓，這樣就可以為單片機供電，其中的12V電壓是為了給步進電機驅(qū)動提供電源的。然后在輸出端設(shè)計一個由RC并聯(lián)的濾波電路，RC并聯(lián)電路既能通過直流信號又能通過交流信號，當接上電源時D1就會亮起，有個提示的功能。這樣設(shè)計電路簡單，應(yīng)用性比較好。電路如圖3-4所示。

圖3-4 電源模塊設(shè)計

1. 1. 數(shù)碼管顯示接口電路設(shè)計

根據(jù)方案選擇設(shè)計，系統(tǒng)采用一位共陽數(shù)碼管作為顯示模塊。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時需要公共極的COM接到地線VCC上，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時,相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時,相應(yīng)字段就不亮。

設(shè)計的顯示接口是用51單片機的P0口，如圖3-5所示。在接通電源后，P0口處的輸出電流很低，輸出為低電平。因為P0口的片內(nèi)沒有上拉電阻，而P0為I/0口工作狀態(tài)時，上方的FET被關(guān)斷，從而輸出腳浮空,即使驅(qū)動能力再怎么強，此時的輸出都相當于沒有接上電源。對于一位共陰極數(shù)碼管，需要高電平才能驅(qū)動。所以在P0口處設(shè)計一個排阻（用作上拉電阻）是用來解決總線驅(qū)動能力不足時提供電流的，由電源通過這個上拉電阻給數(shù)碼管提供電流。這就解決了P0口處輸出的問題，使之一位共陰數(shù)碼管可以點亮相應(yīng)的字段。

圖3-5 數(shù)碼管電路設(shè)計圖

1. 1. 按鍵控制電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的要求，設(shè)計出了如圖3-6所示的樓層按鍵控制電路圖。大致就是分為兩種功能：電梯外部按鍵功能和內(nèi)部按鍵功能，利用51單片的P1^0~P1^5和P2^0~P2^4來控制實現(xiàn)電梯外部和內(nèi)部按鍵的功能，其電梯外部按鍵分別為S4、S6、S8、S10、S11、S12（它們分別可以實現(xiàn)從電梯外部一樓到四樓上下行的功能），內(nèi)部對應(yīng)樓層的按鍵為S2、S3、S5、S7（它們分別可以實現(xiàn)從電梯內(nèi)部按下到達對應(yīng)樓層的功能）最后設(shè)計一個緊急按鍵控制功能（其可以實現(xiàn)緊急報警功能）。電路設(shè)計簡單，編寫程序不用太復(fù)雜，功能容易設(shè)計實現(xiàn)。

圖3-6 樓層按鍵電路設(shè)計

1. 1. 顯示燈電路設(shè)計

由系統(tǒng)要求所設(shè)計出的顯示燈電路，是利用51單片機的P2^5~P2^7分別與上下行顯示燈所連接的，可以編寫程序控制著燈的顯示和熄滅。當按下上行的按鍵時，上行燈與之對應(yīng)（亮起），按下下行按鍵時，下行燈與之對應(yīng)（亮起），當電梯系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，則緊急燈亮起。電路設(shè)計簡單，容易設(shè)計控制程序，如圖3-7所示。

圖3-7 電梯顯示燈設(shè)計電路圖

1. 1. 步進電機驅(qū)動模塊電路設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計采用A4988模塊作為電機驅(qū)動器，其是一款完整的微步電機驅(qū)動器，內(nèi)置轉(zhuǎn)換器，操作簡單。設(shè)計的電路圖如圖3-8所示。該模塊需要到雙電源才能工作，所以設(shè)計VMOT接12V電源、VDD接一個5V電源。其中為了使模塊能夠穩(wěn)定輸出則將ENA口接地，接低電平則模塊開始工作，接高電平則模塊關(guān)機，而系統(tǒng)設(shè)計使用全步進模式（步進模式如表3-1所示），所以需要將MS1、MS2和MS3全接地。STEP是脈沖輸入口，將它與單片機的控制口P3^4連接，往這個腳輸入一個脈沖，則電機轉(zhuǎn)動一步，也就是往這個腳持續(xù)輸入脈沖，則電機持續(xù)轉(zhuǎn)動。DIR是方向控制端，將它與單片機P3^5相連，其工作模式為低電平正轉(zhuǎn)，高電平反轉(zhuǎn)。1A、1B、2A、2B端與電機接口對應(yīng)連接，電機才能正常工作。

表3-1 步進模式設(shè)置

圖3-8 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計圖

1. 1. 電機電路設(shè)計

依據(jù)整體設(shè)計方案，選用42步進電機作為動力元件，A4988作為驅(qū)動42電機的驅(qū)動器。42電機是一款二相式電機，其驅(qū)動方式是將四根導(dǎo)線分別與驅(qū)動器的1A、1B、2A和2B相連接。這樣電機才能正常工作。電路設(shè)計如圖3-9所示。

圖3-9 電機電路設(shè)計圖

1. ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計
   1. 控制數(shù)碼管顯示的軟件設(shè)計

首先將數(shù)碼管的各個段碼設(shè)置好，設(shè)計一個顯示的子程序，其中的顯示是按照四個二進制的排序來顯示相應(yīng)的數(shù)字，如輸入口為0010時數(shù)碼管上顯示的是對應(yīng)的數(shù)字為2。一開始將系統(tǒng)初始化定義，設(shè)置當前樓層為1層，樓層之差為0。當按下某層上行按鈕時，電機開始正轉(zhuǎn)，上行顯示燈也相應(yīng)的亮起，經(jīng)過一段時間電機停止，電梯到達某一樓層，則這時候數(shù)碼管就會顯示按下對應(yīng)樓層的層數(shù)。如果在電梯到達這一層之后，按下某層下行的按鈕時。電機開始反轉(zhuǎn)，經(jīng)過一段時間后電機停止，則這時候電梯就會顯示當前到達的樓層層數(shù)。如果在第一層按下第一層的按鈕時，則會觸發(fā)限位開關(guān)，這時候系統(tǒng)將會回歸初始化狀態(tài)，電機不會工作，數(shù)碼管則顯示當前為1層。直到按下上幾層的按鈕時電機點擊才開始工作，此時數(shù)碼管才會顯示相對應(yīng)的樓層的數(shù)字。流程圖如圖4-1所示。

圖4-1 控制數(shù)碼管顯示流程圖

1. 1. 控制步進電機驅(qū)動模塊的軟件設(shè)計

首先設(shè)計電機驅(qū)動模塊的DIR口為1（DIR=0上行，DIR=1下行）讓電機反轉(zhuǎn)，而STEP口處則提供有一定延遲的脈沖信號，直到觸發(fā)限位開關(guān)時，電機驅(qū)動停止工作，這時候電梯會顯示在第一層，系統(tǒng)回歸初始化狀態(tài)。當電梯停止運轉(zhuǎn)后若有呼叫請求（按鍵按下），則對呼叫樓層與當前所在樓層進行比較，若呼叫樓層大于當前所在樓層則會上行，若呼叫樓層小于當前所在樓層則會下行。單片機會掃描各個樓層呼叫信號，這樣才可以確定電梯響應(yīng)上升、下降。當按下上行按鍵時（呼叫請求），這時候電機的DIR為0、STEP為1，為上行呼叫請求。電機開始正轉(zhuǎn)，相應(yīng)的上行燈也會亮起，直到準確的到達某一樓層時（平層之差），STEP處變?yōu)?（STEP=0沒有脈沖信號，STEP=1有脈沖信號）電機驅(qū)動才會停止工作。同樣按下下行按鍵時，DIR則為1、STEP為1，為下行呼叫請求。電機開始反轉(zhuǎn)，相應(yīng)的顯示模塊也會亮起，也是只有準確到達平層之后，STEP出變?yōu)?時，電機驅(qū)動停止工作。流程圖如圖4-2所示。

1. 1. 系統(tǒng)實驗
      1. 測試儀器

數(shù)字萬用表

1. 1. 1. 測試結(jié)果

首先接上電源，若電路板能夠正常使用（電源燈會亮起等提示）這樣就可以確認其能夠被正常的使用，其次用萬用表檢測線路，如果沒有出現(xiàn)導(dǎo)線接通不良或是虛焊的問題，萬用表會顯示相應(yīng)的電壓值，則出現(xiàn)線路沒有接通就不會對應(yīng)的電壓值。將萬用表的黑表筆放在地線上，紅表筆放到單片機的+5V上，記下萬用表上的數(shù)值為4.97V。同樣在黑表筆放在地線上，紅表筆放到電機驅(qū)動的+12V上，記下萬用表上的數(shù)值為11.98V。數(shù)據(jù)如表5-1所示。然后就是電梯系統(tǒng)各個樓層的按鍵測試，將測試的結(jié)果分別寫出。電梯運行狀態(tài)的具體情況如表5-2所示（其中兩個數(shù)字分別代表的是：第一個數(shù)字為對應(yīng)樓層；第二個數(shù)字為上下行1為上行2為下行）。

表5-1 測試數(shù)據(jù)值

表5-2 電梯運行狀態(tài)表

部分程序：

#include<reg52.h>

#define uint unsigned int? //無符號整形

#define uchar unsigned char//無符號字符形

uint lc = 1;????????? //當前樓層

uint lcsx = 4; ???? //樓層上限

int lcc = 0;????????? //樓層差

int lcc2 = 0;??????? //樓層差2

uint a1=0;

uint a2=0;

uint a3=0;

uint a4=0;

uint flag=0;

uint x = 0,y = 0,z = 0;

sbit btf11 = P1^0;

sbit btf21 = P1^1;

sbit btf22 = P1^2;

sbit btf31 = P1^3;

sbit btf32 = P1^4;

sbit btf42 = P1^5;

sbit btd0 = P2^4;

sbit btd1 = P2^0;

sbit btd2 = P2^1;

sbit btd3 = P2^2;

sbit btd4 = P2^3;

sbit led1 = P2^5;

sbit led2 = P2^6;

sbit led3 = P2^7;

sbit seg = P3^2;

sbit sw = P3^3;

sbit step? = P3^4;

sbit dir? = P3^5;

資料內(nèi)容包括：

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