基于MCU的多層電梯控制系統設計與開發

韓改寧，李永鋒，任康

（1.咸陽師范學院計算機學院，咸陽712000；2.西北機電研究所，咸陽712000）

0 引言

電梯作為我們生活中出行的一部分，人們的出行已經離不開它，在這個科技迅速發展的時代，各種技術的不斷創新，電梯的更新換代是一個必然趨勢。所以在一定程度上，我們的關注點聚焦在電梯的安全性、舒適性和美觀性，給人們提供更好的服務。綠色化、降低耗能、智能化是未來電梯發展的主旋律。傳統的電梯控制系統采用繼電器邏輯控制線路，具有接觸點繁多，多功能性和靈活性差，接線復雜，這種線路容易出故障、維護不便、壽命短等缺點，給后期維修帶來了很大的挑戰[1]。

可編程邏輯控制器（Program Logic Control，PLC）和微機組成的電梯邏輯控制系統快速發展[2]，PLC采取大量的抗干擾措施，不但易于使用而且易于擴展，但PLC的針對性強，從而導致PLC和設備都是一一對應的，從而導致價格比較昂貴，得不到廣泛應用。由于單片機有功能強大，易于擴展，價格便宜等的優點，所以由單片機設計的控制系統可以隨著設備的更新而不斷完善，實現設備的升級會滿足對控制系統的各種要求[3]。由于其在價格上面相比可編程邏輯控制器而言，具有很大的優勢，將意味著電梯可以大量的應用于任何地方，為人們的生活帶來很大的便利。

1 電梯控制系統的組成

基于51單片機的電梯控制系統采用STC89C52單片機作為控制器，采用28BYJ-48永磁式步電機控制電梯的上下運行，8×8的點陣作為顯示模塊，采用按鍵組成鍵盤模塊，采用Speak蜂鳴器與緊急按鍵組成報警模塊，USB移動電源作為供電裝置。總體構成框圖如圖1所示。

圖1 系統功能框圖

（1）控制器模塊

單控制器選擇STC89C52是一種帶8K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器[4]。該單片機具有輸入輸出接口、定時中斷器等資源，可以滿足本設計的要求。

（2）顯示模塊

LED點陣顯示屏由大量的半導體發光二極管為像素點排列組成。具有低功耗、超高密度、視角大、引腳少、可靠性強、耐濕、耐冷熱、混色好、耐腐蝕、通透性高等特點。它按組成的發光二極管的個數可分為4×4、4×4、5×7、5×8、8×8、16×16、24×24、40×40 等，本設計顯示模塊選擇了8×8的LED點陣顯示，該顯示器用來接收單片機發送的數據信息，根據相應的顯示當前樓層和電梯運行方向等提示信息。

（3）電源模塊

將室壓220V的電壓轉化為開發板可用的5V電壓，從而用來給所需的硬件設備供電力。

（4）電機控制模塊

本設計采用步進電機來實現電梯的上升和下降控制。步進電動機用脈沖信號進行控制，以通過控制脈沖數來控制角位移量實現精確定位[5]。脈沖頻率決定步距角和轉速，不受其他因素的影響。

（5）鍵盤模塊

本設計實現一個六層控制電梯，按鍵數量少，所以采用獨立式鍵盤，即每個按鍵單獨占用一根I/O口，I/O口反映的信號即對應按鍵的狀態，獨立優點就是編程簡單，可以利用軟件識別功能來處理各種鍵的請求。

2 硬件系統設計

基于MCU的多層電梯控制系統設計與開發，硬件部分主要包括控制器、顯示電路、電機驅動電路、按鍵模塊電路、應急報警模塊電路等。

2. 1 元器件的選擇

通過市場調研，考慮性價比的前提下，在本次設計中選擇的元件型號為：

（1）主控模塊：MCS-51。

STC89C52是MCS-51系列的一款。如圖2所示，單片機主要由中央處理器、ROM、RAM、定時器/計數器I/O等部件組成[4]。其內部框圖如圖2所示。

圖2 STC89C52原理圖

（2）顯示模塊

本設計采用8×8的點陣顯示，因為它的功耗低，性能穩定，使用起來非常方便。內部結構如圖3所示，圖3中所示晶格中的每個LED都放置在行和列線的交點處。當相應的列被設置為一個級別并且一行被設置為0時，對應的二極管被點亮。外觀如圖3（b）所示，引腳如圖 3（c）所示。

圖3 8×8LED點陣圖

本設計中，LED點陣與STC89C52單片機的引腳連接參考文獻[6]。8×8點陣引腳點陣的背面引腳圖3（c）所示，共兩排各8個引腳，數字0-7代表著點陣的行線，0表示第一行的8個發個二極管；A-H代表著點陣的列線，A表示第一列的8個發光二極管。STC89C52單片機P0口與LED點陣的行連接，P2口與51單片機的列連接。

（3）電機控制模塊：28BYJ-48永磁步進電機。

STC89C52不能直接驅動步進電機，因此需要由功率電路來擴展輸出電流以滿足被控元件的電流、電壓。ULN2003達林頓晶體管屬于可控大功率器件。它是一個7路反向器電路，即當輸入端為高電平時，ULN2003輸出端為低電平，當輸入端為低電平時ULN2003輸出端為高電平。本設計通過P3.0、P3.3控制每個線圈的開啟和關閉，打開時P3.0和P3.3均為高電平，將P3.0和P3.2（或P3.1和P3.3反轉）可切換至低電平，以達到驅動步進電機運行。電梯上行電機正轉，電梯下行電機反轉，電機每轉一圈電梯移動一層。本系統電機控制電路如圖4所示。

圖4 電機控制電路圖

（4）按鍵模塊電路

本設計采用獨立式鍵盤，6個樓層設計6個獨立按鍵，分別連接到P1口的P1.2-P1.7的6個引腳上。工作原理：未按下，對應端口為高電平；按下鍵，對應端口為低電平。

表1 按鍵表

只有（P1）≠0FFH，則有按鍵按下，或者將（P1）的值取反（CPL），則只有（P1）≠00H，則有按鍵按下。JZ rel或者JNZ rel指令即可實現判斷。

（5）應急報警模塊電路

本設計采用蜂鳴器作為報警系統，方便又簡單。如果電梯在運行過程中遇到緊急情況，用戶可以按下按鍵進行報警[6]。同時電梯還會停在最近的樓層，并禁止用戶對電梯按鍵操作上下樓，以免電梯再次出現意外。等救援人員到達，并修復故障后，按下復位按鍵，電梯恢復正常運行。蜂鳴器連接著三極管的發射極，三極管能以基極電流微小的變化量來控制集電極電流較大的變化量，從未體現了三極管具有放大電流的功能。集電極接電源，排母接插口和電源，三極管的基極接一個1K的電阻過去再接單片機的P3.6。電路如圖5所示。

圖5 應急報警圖

2. 2 硬件電路原理圖

采用MCS-51系列STC89C52單片機作為控制器，步進電機用于電梯控制，8×8 LED點陣作為顯示模塊，在Protues下設計各個模塊之間的原理圖如圖6所示。

2. 3 實物整體連接

硬件整體連接將STC89C52單片機、28BYJ-48永磁式步電機、8×8 LED點陣顯示屏模塊、SPEAK蜂鳴器等組合到一塊，焊接實物如圖7所示。

圖6 STC89C52單片機電梯控制電路原理圖

圖7 硬件整體連接

3 電梯控制系統軟件設計

本系統的控制，以C語言實現的控制程序，按模塊儲存在STC89C52單片機的內部存儲器中，無需單片機擴展存儲器接口，簡化了系統硬件結構，減低了成本，同時又提高了系統的穩定性。

基于多層電梯控制系統，包括鍵盤輸入模塊、LED點陣顯示模塊、電機控制模塊和應急報警模塊。電梯控制過程分為兩部分，電梯外的面板控制和電梯廂內的面板控制。電梯內外控制原理及流程相同，在實際進行電梯控制是兩個控制是嵌套融合的。本設計模擬電梯控制，由于按鍵數量有限，分別單獨對內外面板進行控制設計?？刂七^程：系統初始狀態或者復位后，電梯設置在1樓（LED點陣顯示“1”）。當按下樓層按鍵，如果目標樓層高于當前樓層時，控制器判斷處于上樓狀態，控制LED點陣顯示“↑”，同時LED點陣顯示電梯所處樓層數；如果目標樓層低于當前樓層時，控制器判斷處于下樓狀態，控制LED點陣顯示“↓”，同時LED點陣顯示電梯所處樓層數。通過控制步進電機的正反轉來控制電梯的上下運行，電梯正轉一圈，電梯上一層，否則，電梯下一層樓。如果有緊急情況則可啟動緊急按鍵進行報警進行應急，無論電梯處于何種狀態，緊急按鍵優先級最高，實現應急報警。電梯內、外的軟件流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

整個系統運行過程設計為：當啟動電梯后，判斷是否呼梯，如果有，判斷是否梯外按鍵，如果不是，再判斷是否梯內按鍵，如果有按鍵，直接計算目標樓層與當前樓層，如果目標樓層與當前樓層相同，打開電梯門，如果目標樓層高于當前樓層，電梯上升，如果目標樓層低于當前樓層，線條下降，電梯再運行過程中，不斷判斷進行樓層檢查，直到到達目標樓層，電梯停止，打開電梯門，最后判斷電梯是否運行，如果運行繼續返回檢查按鍵，如果不運行就結束。流程如圖9所示。

圖9 電梯總體控制流程

應急報警模塊設計流程，該模塊采用外部中斷控制，外部中斷優先級高，當有按鍵請求，立即中斷響應，蜂鳴器發聲，報警指示燈亮，電梯無論上升還是下降，選擇最近樓層停止運行。控制流程如圖10所示。

圖10 電梯應急報警控制流程

仿真測試中，電路通過Proteus設計，控制程序通過Keil C設計，整個仿真測試結果如圖11所示。

圖11 仿真運行效果圖

4 軟硬件測試

將Keil C下編寫好的控制程序編譯生成.hex文件，然后根據前面選型的芯片及元器件，按照原圖了進行焊接，再將各個模塊連接好，最后將.hex文件燒寫到STC89C52單片機中。運行效果如圖12所示。

圖12 實物電路測試圖

本設計的電梯控制系統只單獨針對電梯外的控制或者電梯內的控制，后續將其電路及控制系統擴展為多功能的室內外電梯控制系統。

5 結語

針對多層和高層上下樓問題，利用STC89C52單片機設計的電梯控制系統，采用步進電機控制電梯上升和下降，LED點陣顯示技術、鍵盤及應急報警控制等，實現了從輸入到控制和顯示的過程，該系統成本低、操作簡單方便。電梯的安全性是電梯控制系統至關重要的，利用單片機控制，電路原理簡單，后期維護與故障檢測容易，降低人力成本；同時該系統可以應用于其他需要電機控制的電梯廂場所。