教學型電梯單片機控制系統的硬件設計

摘 要:本文提出了一種教學型電梯控制系統的單片機解決方案，詳細介紹了該系統的結構框架、產品選型和電路設計思路。

關鍵詞:電梯C8051F020控制系統

中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:Ａ文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0087-02

Teaching elevator microcontroller hardware design

Wangkai

(Jiangsu Maritime Institute， Nanjing，211170)

Abstract:This paper presents a teaching-oriented elevator microcontroller system solution，detailed structural framework of the system， product selection and circuit design ideas.

Keywords:elevator C8051F020control system

隨著城市中高層建筑的增多，電梯需求量也越來越大，需要大量從事電梯工作的技術人員，為滿足市場需求，很多高校都開設了電梯的相關課程，目前市場上主流的電梯控制系統是微機控制系統，為提高學生對電梯微機控制系統的模塊構成，運行控制方式的理解，加深對電梯控制系統相關知識的了解、掌握，筆者提出一種基于單片機的電梯控制系統硬件設計方案，希望對教學型電梯的控制系統設計有所幫助。

1 電梯控制系統硬件模塊總體框圖

整個系統硬件分為以下4個功能模塊:主控制單元、現場信號輸入單元、指令信號輸出單元、通信串口單元。具體通信關系見圖1所示。

主控制單元為負責對現場信號的分析處理，并下達相關指令指揮電梯運行;現場信號輸入單元確保將現場信號實時準確地輸入到單片機的輸入接口中;指令輸出信號單元負責將指令實時傳遞到電梯的各電氣部件;通信串口單元可把控制系統與計算機建立聯接，接受或輸出信號和程序。

2 各模塊的選型及電路設計

2.1 主控制單元

采用美國silicon lab公司的C8051F020為MCU。C8051F020是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，性能明顯優于8051系列單片機，性能特點包括:

(1)高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核(可達25MIPS);與傳統的8051單片機相比，C8051F020的指令運行速度更快，是一般8051單片機的10倍以上。

(2)8051單片機進行數據采集使用時，需要外加AD、DA轉換器件，C8051F020內部有數據采集用的器件ADC和DAC，其中有2個ADC:一個是12位8通道可編程轉換速率最大為100ksps，帶PGA和模擬多路開關的ADC;另一個是8位8通道可編程轉換速率最大為500ksps，帶PGA和模擬多路開關的ADC。DAC也有2個，用于將12位的數字量轉換為電壓量，可產生連續變化的波形，兩路信號可同步輸出。

(3)C8051F020帶有各類串行接口。8051的串行口只有一個UART串口，而C8051F020有4個串行口:SMB US，SPI以及2個增強型的UART，可同時與外界進行串行數據通信。

2.2 現場信號輸入單元

C8051F020的電壓為5V，電梯的控制信號電壓一般為24V，且電梯運行時，會有各類噪聲干擾，當這些干擾隨著輸入信號進入單片機系統，會降低系統的穩定性和準確性。為了提高通信系統的抗干擾性和較遠距離的傳輸能力，采用了光電耦合器，主要優點在于單向傳輸信號，輸入端和輸出端完全實現了電氣隔離，抗干擾能力強，使用壽命長，傳輸效率高。更重要的是光電耦合器適用于對響應要求高的場合，響應時間在10μs左右，可以完成實時傳送信號的要求，典型的光耦電路如圖2所示。

2.3 指令信號輸出單元

數據采集板除了采集狀態信號外，還要接受由主處理模塊送來的命令，繼而控制電梯電機主電路里的一路繼電器。為了將3.3V的弱電信號變換為24V的電流型驅動信號，本系統采用了光電耦合與UN2003共同驅動的方式。

ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN達林頓管組成。該電路的特點如下:ULN2003的每一對達林頓都串聯一個2.7KΩ的基極電阻，在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。

ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封裝。

圖3為具體的電路連接圖。

2.4 通信串口單元

選用MAX485器件，MAX485接口芯片是MAXIM公司的一種RS 485芯片，采用單一電源+5 V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式，完成將TTL電平與RS 485電平之間轉換的功能。MAX485是通過兩個引腳RE(2腳)和DE(3腳)來控制數據的輸入和輸出。當RE為低電平時，MAX485數據輸入有效;當DE為高電平時，MAX485數據輸出有效。在半雙工使用中，通常可以將這兩個腳直接相連，然后由PC或者單片機輸出的高低電平就可以讓MAX485在接收和發送狀態之間轉換了，還可在MAX485輸出A、B端口加上TVS管起到防雷，防靜電的作用，電路圖如圖4所示。

3 系統運行測試

在4層4站的模型電梯上測試該系統運行，由于C8051F020擁有8個8位的I／O端口，極大減少了外部連線和器件擴展，提高了系統的可靠性和抗干擾能力，完全可以滿足大量電梯信號的實時傳送。此外，還可以通過設置XBR0、XBR1、XBR2交叉開關配置寄存器，將片內的計數器／定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出及其它的數字信號配置為在端口I／O引腳，使用戶可以根據自己的特定需要選擇所需的數字資源和通用I／O口。

可改進的地方在于如果計算機與電梯控制系統距離較遠，可以加上光電隔離電路，在無信號傳輸時將MAX485和單片機進行隔離，減小了各器件間可能存在的干擾。

4 結論

該方案基于單片機系統設計，與傳統的PLC教學型電梯不同，極大的降低了成本，又能滿足使用需要。同時，也符合目前電梯行業以微機控制系統為主的現狀，可使學生更快地適應市場需求，對基于微機設計的教學型電梯數據采集系統也是一種有益的借鑒。

參考文獻

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