基于51单片机的四层楼电梯控制系统设计毕业设计论文

基于51单片机的四层楼电梯控制系统设计毕业设计论文内容摘要：

梯的单片机系统软件设计 （ 4）电梯的软件编译调试及系统测试 浙江科技学院本科毕业设计 第 5 页 2 方案论证 总体设计方案 设计的基本思想是采用 AT89S52 单片机作为核心，是一种低功耗高性能 CMOS 8 位单片机，片内 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反复擦写 1000 次的 FLASH 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51 指令系统及 80C51 引脚结构，片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 单芯片上，拥有 8 位CPU 及在系统可编程 FLASH，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效之解决方案 [1]。 AT89S52 的特点：拥有 40 个引脚， 8k Bytes Flash 的片内程序存储器， 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先级及 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程的定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 采用 8 位 LED 静态显示来实时显示电梯所在楼层。 采用行列式键盘矩阵作为外呼内选电路，由于是 4 层楼，故选用 4 4 矩阵键盘，键盘矩阵共 16 个按键，其中 4 个按键是各层楼外呼按键，2 个表示电梯开关门的选择键，电梯状态是通过两排指示箭头发光二极管显示的，向上箭头灯亮表示电梯在向上运行，向下箭头灯亮表示电梯在向下运行，另设有红绿 LED 灯表示开门状态，绿灯表示开门状态绿灯表示关门状态。 总体方框图如图 21 所示： 图 21 总体方框图 单片机 AT89S52 键盘电路 复位电路 时钟电路 楼层显示电路 电机状态 浙江科技学院本科毕业设计 第 6 页 主控芯片选择 方案一：多片单片机控制方案。 这种方案是使用多片单片机，其中一片是作为主控制器，另外设置了轿厢控制系统，每层的控制系统分别由一个单片机控制，然后通过主控制器和副控制器之间的通讯，实现电梯系统的控制。 这种方案的控制系统的结构简单明了，各个系统之间相互独立便于维护和修检。 所以根据功能要求需要选用 5 片 AT89C2051 单片机就能可以实现该电梯的功能。 不过单片机之间的通讯较多，在目前通讯是个难点，可能导致电梯运行过程不稳定。 方案二 ： CPLD 器件作为控制核心，对整个系统的运行进行统一管理，但这种方案要求通常有很多的知识积累和较强的专业水平，更难以实现和设备价格昂贵，不符合经济的要求，同时也控制升降电机，运行时间测量，显示，而且还需要采取 MCU。 方案三：一片单片机为主控制器的方案。 MCU 采用一个单片机控制所有的按键、数码管显示、电动机的转动等，并对以上所有信号进行处理。 这种方案的控制系统相对复杂，只适用于较简单的电梯控制系统，因为这次的设计是四层电梯 控制系统，所以选用这种方案。 单片机技术目前较为成熟，自身资源丰富，硬件设计简单，成本低，可靠性高，结合软件完全可以实现电梯运行状况的简单模拟。 权衡以上三种方案方案分析，采用方案三。 楼层显示模块选择 方案一：采用点阵式的液晶显示器（ LCD）来显示各种相关的数据以及相关的信息。 点阵式的液晶显示器虽然属于低功耗的器件，但其价格比较贵。 方案二：采用传统的八段数码管（ LED）显示电梯实时所到的楼层。 虽功耗大，但其软件驱动相对比较简单，硬件电路调试也比较方便，价格便宜，亮度大，能满足本设计的要求。 以上两种方案中，选择方案二。 电动机模块选择 方案一：步进电机作为设计的执行部件，在定位性能的步进电机是非常优越的。 步进电机和普通电机的区别主要在于其脉冲驱动形式，步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化为角位移。 常用的步进电机每转一步，角度转 176。 ，在应用中，步进电机可以同时来完成两个工作，一个是传递转矩，第二个是传递信息，在本设计中作为传递信息用。 浙江科技学院本科毕业设计 第 7 页 方案二： 直流电机作为执行元件的设计，直流电机的功能是让线圈总是交替地处于稳定状态和不稳定的平衡状态，通过两个半圆环形电 枢将稳定平衡线圈消除。 这样一个载流线圈总是降低磁场。 直流电机中常用的系统，高转矩，高扭矩，低惯量。 以上两种方案采用方案一。 利用 Protel 画图软件构建原理图如图 22 所示： 图 22 原理图 浙江科技学院本科毕业设计 第 8 页 3 硬件设计 AT89S52 功能简介 AT89S52是一种低功耗高性能 CMOS 8位单片机，片内 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反复擦写 1000次的 FLASH 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司之高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51指令系统及 80C51引脚结构，片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 单芯片上，拥有 8 位 CPU 及在系统可编程 FLASH，使 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效之解决方案 [2]。 AT89S52特点：有 40针， 8K 字节的 Flash 片内程序存储器，随机存取数据存储器 256字节（ RAM），32个外部双向输入 /输出（ I / O）， 5个中断优先级 2中断嵌套中断， 2个 16位可编程定时计数器，一个全双工串行通信 2出口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 单片机 AT89S52 如图 31 所示： 图 31 单片机 AT89S52 浙江科技学院本科毕业设计 第 9 页 P0 口 —— 8 位漏极开路之双向 I/O 口。 作为一个输出端口，每个可以驱动 8 个 TTL 逻辑电平。 P0 口写入“ 1”时，引脚用作高阻抗输入。 P1 口 —— 有 8 位双向 I / O 内部上拉电阻， P1 输出缓冲器可驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 P1口，写“ 1”时，内部上拉电阻拉高端口，此时可以作为输入。 当作为输入，外部向下引线由于内部电阻和输出电流。 P2 口 —— 有 8 位双向 I / O 内部上拉电阻， P2 输出缓冲器可驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 P2口，写“ 1”时，内部上拉电阻拉高端口，此时可以作为输入。 作为输入，被拉低外部引脚内部电阻和输出电流。 P3 口 —— 有 8 位双向 I / O 内部上拉电阻， P3 输出缓冲器可驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 P3口，写“ 1”时，内部上拉电阻拉高端口，此时可以作为输入。 作为输入，被拉低外部管脚用于内部电阻的原因，并输出电流。 RST—— 复位输入。 当 RST 引脚振荡器，还有高水平的两个以上的机器周期将被重置。 ALE / PROG 访问外部存 储器时， ALE（地址锁存使能）输出脉冲为低 8 字节锁存地址。 PSEN—— 程序存储使能（ PSEN）输出是读选通到外部程序存储器的信号，从外部程序存储器（或数据） AT89S52 取指令， 2 PSEN 每个机器周期，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据内存，可以跳两次 PSEN 信号。 EA/VPP—— 外部访问使能， CPU 只访问外部程序存储器（地址 0000HFFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。 注意：如果加密位 LB1 编程，复位内部锁存的 EA 最终状态。 如果 EA 为高电平（ VCC 结束），指令 CPU 执行内部程序存储器。 XTAL1—— 振荡器反相放大器及内部时钟发生电路之输入端。 XTAL2—— 振荡器反相放大器之输出端 [3]。 单片机最小系统 最小系统包括复位电路和时钟电路两部分，其中复位电路采用上电自动复位，其中 9 脚为单片机的复位端，时钟电路如图 3 所示：晶振采用的是 12MHZ 的， C C3 为 30p 瓷片电容， XATL2和 XATL1 分别为单片机的 18 和 19 脚。 时钟电路如图 32 所示： 浙江科技学院本科毕业设计 第 10 页 图 32 时钟电路图 按键电路 本电路采用的是 4 4 键盘矩阵。 P34P37 是接单片机的 P3 端口，单片机采用 行和列扫描法来判别这些按键中哪个键按下， P00P02 接单片机 P0 端口， S1S6 为微动按键，分别控制电梯开关门和电梯楼层呼叫开关，然后可根据每个按键的功能来通过单片机控制电梯的运行。 D1D14为 3mmLED 二极管， D1， D4， D7， D10， D13 并联并串联一个 100 欧姆的电阻 R1， D3， D9， D12 并联并串联一个 100 欧姆的电阻 R3， D2， D5， D8， D11， D14 并联并串联一个 100 欧姆的电阻 R2。 排布成上下箭头形状，利用箭头指示灯分别来表示电梯上下楼情况。 电梯开关门按键如图 36 所示， P20P21 是接单片机的 P2 端口，利用微动按键按下与否的高低电平来使两个发光二极管亮，由两个红绿 5mmLED 发光二极管并联并串联一个 1K 欧姆的电阻 R12，红灯亮表示电梯关门，绿灯亮表示电梯开门。 电梯按钮模块如图 33 和图 34 所示： 图 33 电梯按钮模块 浙江科技学院本科毕业设计 第 11 页 图 34 电梯按钮模块 各按钮开关说明： 按钮开关 S3：四层楼呼叫开关；按钮开关 S4： 三层楼呼叫开关； 按钮开关 S5：二层楼呼叫开关；按钮开关 S6：一层楼呼叫开关； 电梯门指示模块及电梯开关门按键如图 35 和 36 所示： 图 35 电梯门指示模块 浙江科技学院本科毕业设计 第 12 页 图 36 电梯开关门按键 显示电路 采用传统的八段数码管（ LED）显示电梯实时所到的楼层。 其软件驱动简单，硬件电路调试方便，价格便宜，亮度大，能满足本设计的要求。 用数码管显示，电梯的基本功能具备显示电梯当前的楼层，所以设计中设置了一个 数码显示管，用来显示当前电梯所在的层数， P10P17 都串联一个 1K 欧姆的电阻接单片机的 P1 接口，由P1 口来驱动 8 位数码管显示电梯所到达的楼层数。 接线图如图 6 所示，图中共有 1 个数码管，通过对 8 根数据线进行写操作进行楼层显示。 楼层显示模块如图 37 所示： 图 37 楼层显示模块 浙江科技学院本科毕业设计 第 13 页 电源模块 本系统采用 LM7805 稳压电路提供电压 +5V，对各部分电路供电，电源可以采用 USB 接口的方式输入，也可以采用标准的电源输入头输入。 C1 为 瓷片电容。 电源模块如图 38 所示： 图 38 电源模块 步进电机模块 采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机在定位性能方面非常优越。 步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，步进电机不需要 A/D 转换，能够直接将数字脉冲信号转化为角位移 [4]。 常用的步进电机每转一步，角度转 176。 ，在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息，在本设计中作为传递信息用，步进电机使用的是28BYJ5V。 步进电机由 ULN2020A 驱动， ULN 是集成有 IC 达林顿管，还集成了一个弧形线圈 电动势的二极管，它可以用来驱动继电器。 它是双列 16 脚封装， NPN 晶体管矩阵，最大驱动电压 =50V，电流=500 毫安，输入电压 =5V，适用于 TTL COMS，达林顿管驱动电路。 通常芯片 ULN2020 驱动，上拉电阻 2K 是合适的，同时， COM 引脚悬空或连接电源。 本设计中 COM 引脚接电源， GND 脚接地。 输入端 IN4IN7 连 P24P27 分别接主单片机的 P2 口。 步进电机模块如图 39 所示： 浙江科技学院本科毕业设计 第 14 页 图 39 步进电机模块 浙江科技学院本科毕业设计 第 15 页 4 软件设计。