基于單片機的電梯自動控制系統的設計與實現

聶茹

（華南理工大學 廣州學院， 廣東 廣州510800）

伴隨著社會的發展與進步，人們的生活水平的提高和節約用地的倡導，越來越多的高樓聳立，使人們的生活和工作受到很大的影響，垂直運輸的問題也隨之出現，人們迫切需要一套安全、快捷、高效、穩定的電梯控制系統。 電梯控制模型的設計主要涉及數電、模電、單片機及接口技術、C51 的編程等知識，可謂知識面含量非常廣，但因現代的微電子技術、計算機技術和嵌入式微控制器技術等的飛速發展，讓我們做出應用型的電梯已成為可能。 目前各小區居民樓都已經安裝上了快捷、方便的電梯系統，但某些方面如安全性和穩定性還有待提高，用戶也給出了更高的要求。

目前電梯控制主要有繼電器控制、 可編程控制器控制、微機控制( 單片機控制) 這3 種控制方式。 利用單片機控制電梯具有成本低、高精度的重量檢測和顯示、功能多樣等明顯優點[2]。 基于單片機電梯控制系統主要的核心技術在于單片機的應用[3]。 明顯的優勢就是可以嵌入到各種儀器、設備中，實現的是對象的智能化控制，這一點是巨型機和網絡不可能做到的。開發此系統可以方便用戶自行輸入所要到達的樓層， 顯示電梯當前到達層數等功能，這樣可以大大提高其工作效率，徹底的脫離電梯操作工的模式， 更主要的是為電子技術融入到計算機專業領域提供一種新思路， 為單片機技術的應用提供更廣闊的空間，為開發更科學的電梯控制系統提供參考[4]。

1 系統框圖及功能

1.1 系統框圖

基于單片機的電梯控制模型[1]設計的基本思想是采用AT89C52[5]單片機作為核心，利用其豐富的I/O 接口與外圍電路配合進行控制。 采用8 位LED 靜態顯示來實時顯示電梯所在樓層，并用4511 來驅動LED 顯示。 采用行列式鍵盤矩陣作為外呼內選電路，由于是5 層樓，故選用4×4 矩陣鍵盤，鍵盤矩陣共16 個按鍵， 其中8 個按鍵是各層樓外呼按鍵，5 個表示電梯內部的選擇鍵，另外設有緊急停止按鍵，啟動按鍵和電梯演示按鍵。電梯狀態是通過兩個發光二極管顯示的，左邊燈亮表示電梯在向上運行，右邊燈亮表示電梯在向下運行，另設有一燈燈亮表示開門狀態，燈熄表示關門狀態。電梯間豎井部分由有機玻璃粘成無上蓋板的六面體ABCDEFGH， 高度AE為1.2 m；電梯橋廂模型J 通過滑輪懸掛并由電動機M 牽引，可在電梯間豎井模型的空間內上下運動。

圖1 系統方框圖Fig. 1 System block diagram

1.2 系統功能

1)識別樓層的高度和各個平層的位置，及時響應各樓層的請求信號；

2)運行速度穩定、定位準確,電梯運行時有相應的指示燈亮，以示電梯正在上行或下行，實時顯示電梯所在樓層位置。

3)平層時開門，關門等操作，平層結束時給出提示信號。平層位置誤差10 mm，要求平均每層運行時間不超過5 s。

4)及時接受各樓層的呼叫信息，以先方向后距離的優先原則判斷并自動響應外招信號、自行選擇運行路徑。

5)具備不可逆響應功能：電梯上升途中只響應上升呼叫，下降途中只響應下降呼叫，任何反方向呼叫均無效。

2 硬件部分的設計

2.1 樓層顯示模塊

數碼管顯示， 電梯的基本功能具備顯示電梯當前的樓層， 所以設計中在轎廂和每個樓層中都設置了一個數碼顯示管，用來顯示當前電梯所在的層數，數碼管顯示電梯所到達的樓層數。 接線圖如圖2 所示，圖中共有1 個數碼管，通過對8根數據線進行寫操作進行樓層顯示。

圖2 樓層顯示電路Fig. 2 Floor display circuit

2.2 按鍵電路模塊

由于本電路所需按鍵較多， 為了節省單片機的I/O 口，故選用行列式鍵盤矩陣。本電路采用的是4 鍵盤矩陣。電路如圖所示，P2.0-P2.3 是接單片機的P2 端口，單片機采用行和列掃描法來判別這16 個按鍵中哪個鍵按下，然后可根據每個按鍵的功能來通過單片機控制電梯的運行。

鍵盤電路如圖3 所示。

圖3 按鍵電路Fig. 3 The key circuit

各按鈕開關說明：

按鈕開關1：轎廂內一樓呼叫開關；按鈕開關2：轎廂內二樓呼叫開關；

按鈕開關3：轎廂內三樓呼叫開關；按鈕開關4：轎廂內四樓呼叫開關。

2.3 電梯門指示模塊

在本次設計中電機正反轉用兩個發光管來表示， 如圖4所示，用單片機的P33，P34 口做輸出口來驅動發光管，其中D11 亮表示開門、D12 亮表示關門。

圖4 電梯門電路Fig. 4 Elevator door circuit

2.4 鈴聲提示模塊

采用蜂鳴提示音提示當轎箱到達所需的樓層時， 蜂鳴器響，提示乘客到達了所需的樓層，另外可以作為緊急停止時的報警提示信號，其軟件驅動、硬件電路調試非常簡潔方便，而且價格便宜，能滿足本設計的要求。 當到達所選樓層后，蜂鳴機會響一聲，表示開門，同時綠燈亮；3 s 后，蜂鳴機響兩聲，表示關門，同時紅燈亮。

圖5 鈴聲電路Fig. 5 Ringing circuit

2.5 升降指示模塊

當電梯上升時，指示燈一次從下到上亮燈，一直循環，直到到達所選樓層。

當電梯下降時，指示燈一次從上到下亮燈，一直循環，直到到達所選樓層。

圖6 升降指示電路Fig. 6 Lifting indication circuit

3 軟件設計

軟件設計思想：采用模塊化的分層次設計方法，將軟件系統功能由多個實現單一功能的子程序實現。 通過調用不同的子程序，實現了復雜功能控制。這樣便于調試、修改。軟件編程是實現多功能、智能化、操作方便的關鍵。在本設計中，可以把程序的各部分相互結合起來，達到完成各項設計的功能。

根據系統要求，電梯的程序應滿足以下要求：

1)初始化程序使數碼管顯示“1”表示電梯處在一樓，等待人進入電梯；

2)主程序主要包括：

①判斷乘客進入電梯后選擇去哪一層，根據判斷情況來控制電梯運行，到達目標樓層后相應的呼叫指示燈熄滅；

②電梯在運行過程中要不斷的掃描鍵盤，從而來判斷各樓層有無呼叫請求，并點亮相應的呼叫指示燈；

③設置演示功能按鍵、緊急停止按鍵、啟動按鍵；

④實時顯示電梯所在位置及運行狀態（上行/下行）；

⑤開關門有一定的延時來保證乘客走出/進入電梯；

圖7 為主程序工作流程圖

4 系統調試

連接5 V 電源后，電梯通電使用，各模塊使用正常，電梯響應上升下降隊列時，相應的指示燈、上下行狀態均能顯示。通過選取各樓層按鍵，電梯都能完成請求，基本實現了電梯運行的模擬。

4.1 方向及距離優先測試

電梯按某方向運行時，優先響應該運行方向的按鈕；

測試初始，轎箱位于一樓，按下二樓，三樓的上下按呼叫，和四樓的向下呼叫。 按鍵順序可隨意。 測試結果如表1 所示。

圖7 主程序流程圖Fig. 7 Main program flow chart

表1 方向優先測試Tab.1 Direction priority test

結論：系統在向上運行時候，優先相應各樓層的向上呼叫信號，不響應向下的呼叫信號，向下運行時相反，符合設計要求。

同一方向有多個按鈕呼叫時，優先響應最近的樓層。測試初始時，電梯位于任一層，如二樓。 此時三樓和四樓分別向上呼叫。 測試結果：先響應三樓呼叫，再響應四樓呼叫。

結論： 電梯具有距離優先響應的功能， 當多層同方向呼叫，首先響應距離當前樓層較近的呼叫，符合系統設計要求。

各按鈕呼叫時指示燈顯示正常， 電梯響應該按鈕的呼叫后，其指示燈應自動熄滅。

4.2 綜合測試

測試條件：電梯位于1 樓，進入3 人，其中一人要到3 樓，另兩人到4 樓。電梯運行后，3 樓和4 樓有人向上呼叫，3 樓有人向下呼叫到1 樓。

測試結果如表2 所示。

表2 綜合測試Tab.2 Comprehensive test

測試結論：系統具有方向優先、距離優先的功能，基本模擬了實際電梯運行，完成設計指標。

5 結論

本系統是基于89C52 單片機設計的電梯自動控制系統，充分利用單片機的軟硬件資源[6],以四層電梯為研究對象，實現基本的功能如：層站呼叫、自動停層、轎廂命令響應等。通過單片機輸出電壓通過驅動電路然后控制電梯拖動。 開發此系統可以方便用戶自行輸入所要到達的樓層， 大大提高其工作效率，徹底的脫離電梯操作[7-8]工的模式，為開發更科學的電梯控制系統提供參考。

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