基于有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)控制電梯仿真系統(tǒng)

覃園芳（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510）

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基于有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的單片機(jī)控制電梯仿真系統(tǒng)

覃園芳
（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510510）

摘 要：電梯控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，本文在分析電梯運(yùn)行特點(diǎn)基礎(chǔ)上，以51單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)電梯仿真電路結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)基于有限狀態(tài)機(jī)的程序，控制電梯運(yùn)行。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電梯仿真系統(tǒng)具有真實(shí)電梯系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，很好地模擬了真實(shí)電梯系統(tǒng)的運(yùn)行，可較好地應(yīng)用于單片機(jī)教學(xué)中，并可供實(shí)際電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)做參考。

關(guān)鍵詞：電梯；51單片機(jī)；有限狀態(tài)機(jī)；硬件設(shè)計(jì)；仿真系統(tǒng)

在現(xiàn)代社會(huì)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中，尤其是高層建筑里，電梯是一種不可缺少的垂直運(yùn)輸工具。由于應(yīng)用廣泛，控制過程復(fù)雜，電梯已成為各種新型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)和控制對(duì)象，也是相關(guān)專業(yè)教學(xué)和科研的重要平臺(tái)。考慮電梯結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜帶來教學(xué)培訓(xùn)或者實(shí)習(xí)過程中帶來的安全等問題，開發(fā)安全且經(jīng)濟(jì)有效的電梯控制仿真系統(tǒng)來輔助教學(xué)和研究是非常重要的。

目前電梯目前各式各樣的核心電梯控制器主要采用繼電器控制器、PLC控制器、單片機(jī)控制器這3種。采用繼電器控制的電梯系統(tǒng)通常需要器件較多，電路復(fù)雜，不利于維護(hù)；采用PLC控制的電梯系統(tǒng)由于一般的PLC控制器無法與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，或者通信協(xié)議沒有公開等因素，帶來難以實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面友好的上位機(jī)監(jiān)控等缺點(diǎn)；利用單片機(jī)控制的電梯具有成本低，實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高和顯示、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)。本文的主要任務(wù)是采用單片機(jī)AT89C51設(shè)計(jì)控制一個(gè)6層電梯的仿真系統(tǒng)，給出各部分的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)采用有限狀態(tài)機(jī)的思想來實(shí)現(xiàn)。最后給出仿真結(jié)果，結(jié)果表明：這個(gè)電梯控制系統(tǒng)具有高精度、低成本、實(shí)時(shí)性高及功能多樣的優(yōu)勢。

1. 控制功能要求

（1）電梯完全自動(dòng)響應(yīng)電梯內(nèi)、外指令；

（2）電梯到達(dá)目的樓層，延時(shí)關(guān)門；

（3）電梯運(yùn)行時(shí)只響應(yīng)順向按鍵的呼叫，反向按鍵呼叫信號(hào)做記憶功能；

（4）每個(gè)請(qǐng)求信號(hào)保留到執(zhí)行后自動(dòng)刪除；

（5）顯示當(dāng)前電梯所在樓層；

（6）語音提示功能；

（7）電梯上升帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，下降帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)。

2. 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是基于單片機(jī)AT89C51為主控制器設(shè)計(jì)的6層電梯仿真系統(tǒng)，包括梯廂、樓層按鍵模塊、電梯位置顯示模塊，電梯開關(guān)門模擬模塊、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模塊以及語音模塊等，硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3. 硬件設(shè)計(jì)

本文采用Proteus軟件為平臺(tái)進(jìn)行整個(gè)電梯仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真工作。Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達(dá)30多個(gè)元件庫。它是目前比較好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。具體的硬件設(shè)計(jì)模塊如下：

（1）電梯指令鍵盤和語音模塊

該仿真系統(tǒng)里電梯指令鍵盤分為梯廂按鍵和樓層按鍵，梯廂按鍵對(duì)應(yīng)梯轎內(nèi)部按鍵，該電梯有6層，因此對(duì)應(yīng)6個(gè)按鍵。而樓層按鍵設(shè)在每個(gè)樓層內(nèi)，每個(gè)樓層都對(duì)應(yīng)一個(gè)向上和向下的方向鍵，而最高層第六層只有一個(gè)向下的按鍵，最底層第一層只有一個(gè)向下的按鍵，總共10個(gè)按鍵。該系統(tǒng)用一個(gè)4*4的矩陣式鍵盤實(shí)現(xiàn)電梯指令鍵盤，分別由單片機(jī)8個(gè)并行I/O口控制，其中1_U至5_ U表示1至5樓向上的按鍵，2_D至6_D表示2至6樓向下的按鍵，1至6表示梯廂內(nèi)1 至6樓的按鍵。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

語音模塊的作用是實(shí)現(xiàn)電梯到達(dá)需要響應(yīng)的樓層將發(fā)出蜂鳴聲。該模塊采用了有源蜂鳴器，由于蜂鳴器內(nèi)部帶振蕩器，單片機(jī)只要給控制引腳輸出高電平就會(huì)發(fā)聲。

（2）電梯位置顯示模塊和電梯開關(guān)門模擬模塊

電梯位置顯示模塊負(fù)責(zé)顯示梯轎內(nèi)當(dāng)前電梯所在樓層的位置。本電梯控制系統(tǒng)采用一個(gè)共陽極的數(shù)碼管，公共端接電源正極，另外7個(gè)控制端分別跟單片機(jī)的7個(gè)并行I/O口相連。一定時(shí)間后熄滅。

圖1　電梯仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2　電梯指令鍵盤模塊

圖3　語音模塊

圖4　電梯位置顯示模塊

（3）電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模塊

單片機(jī)進(jìn)行邏輯分析，控制電梯的運(yùn)行方向，是處于停止、上升或是下降

電梯開關(guān)門模擬模塊負(fù)責(zé)模擬電梯到達(dá)需要響應(yīng)的樓層時(shí)，對(duì)應(yīng)的開門動(dòng)作。1～6樓分別對(duì)應(yīng)F1至F6標(biāo)識(shí)的LED燈，當(dāng)電梯到達(dá)該樓層需要開門，那么對(duì)應(yīng)樓層的燈就會(huì)亮，否則都處于滅狀態(tài)。例如，如果梯廂內(nèi)有人按下4樓，那么電梯到達(dá)4樓時(shí)，F(xiàn)4將由滅變亮，持續(xù)的狀態(tài)，這個(gè)功能是由單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模塊實(shí)現(xiàn)的。電梯控制系統(tǒng)里的電動(dòng)機(jī)采用直流電機(jī)，采用H橋驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，如圖6所示。電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。單片機(jī)通過給rev、enm、fwd 3個(gè)控制端輸出高低電平實(shí)現(xiàn)電機(jī)的停止、正轉(zhuǎn)、或反轉(zhuǎn)的控制。同時(shí)，可以通過給控制端rev、fwd端輸入不同占空比的PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度控制。

圖5　電梯開關(guān)門模擬模塊

圖6　電動(dòng)機(jī)運(yùn)行模塊圖

圖7　電梯控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖8　仿真結(jié)果圖

4. 軟件設(shè)計(jì)

該電梯系統(tǒng)基于有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)電梯的控制，思路明確清晰，能夠高效地解決電梯響應(yīng)多個(gè)梯廂或是樓層按鍵都被按下的復(fù)雜情況。有限狀態(tài)機(jī)關(guān)鍵的步驟在于確定狀態(tài)的對(duì)象以及狀態(tài)的個(gè)數(shù)，本文將電梯處在的每一個(gè)樓層都視為一個(gè)狀態(tài)，而每一個(gè)狀態(tài)下都對(duì)應(yīng)電梯開門、關(guān)門、停止、向上走一層和向下走一層這些動(dòng)作，動(dòng)作之間的轉(zhuǎn)移有相應(yīng)的條件觸發(fā)，具體參考如圖7所示。

其中開門和關(guān)門的動(dòng)作通過電梯開關(guān)門模擬模塊中對(duì)應(yīng)樓層燈處于亮狀態(tài)持續(xù)30s來實(shí)現(xiàn)。電梯處于向“上走一層”、“停止”或“向下走一層”的動(dòng)作通過單片機(jī)控制電機(jī)的工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于電梯指令模塊，通過行掃描法實(shí)現(xiàn)4×4矩陣式鍵盤按鍵的識(shí)別，具備多個(gè)按鍵同時(shí)被按下的識(shí)別功能。

5. 仿真結(jié)果

基于上述設(shè)計(jì)的電梯硬件結(jié)構(gòu)，采用有限狀態(tài)機(jī)算法實(shí)現(xiàn)電梯控制，整個(gè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果如下。例如當(dāng)前電梯處于3樓向上運(yùn)行的狀態(tài)，按下第3層方向向上，即“3_U”鍵，電梯響應(yīng)開門，如圖8（a）所示。之后在梯廂內(nèi)按下“5”鍵，表示要去5樓，電梯將持續(xù)上升，電機(jī)正傳，每到達(dá)一層樓數(shù)碼管顯示為當(dāng)前的樓層數(shù)，當(dāng)?shù)竭_(dá)第5層時(shí)，電梯停止轉(zhuǎn)動(dòng)，開門后關(guān)門，對(duì)應(yīng)5層LED燈亮持續(xù)30s，如圖8（b）所示。期間如有人不管在梯廂內(nèi)或是樓層里按下按鍵，電梯都會(huì)根據(jù)相應(yīng)的邏輯依次去相應(yīng)。

結(jié)語

本文基于51單片機(jī)設(shè)計(jì)了電梯仿真電路結(jié)構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)了基于有限狀態(tài)機(jī)的程序用于控制電梯運(yùn)行。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電梯仿真系統(tǒng)具有真實(shí)電梯系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，很好地模擬了真實(shí)電梯系統(tǒng)的運(yùn)行，可較好地應(yīng)用于單片機(jī)教學(xué)中，并可供實(shí)際電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)做參考。

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中圖分類號(hào)：TP309

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A