基于单片机的电梯自动控制系统的设计与实现

聂茹

（华南理工大学 广州学院， 广东 广州510800）

伴随着社会的发展与进步，人们的生活水平的提高和节约用地的倡导，越来越多的高楼耸立，使人们的生活和工作受到很大的影响，垂直运输的问题也随之出现，人们迫切需要一套安全、快捷、高效、稳定的电梯控制系统。 电梯控制模型的设计主要涉及数电、模电、单片机及接口技术、C51 的编程等知识，可谓知识面含量非常广，但因现代的微电子技术、计算机技术和嵌入式微控制器技术等的飞速发展，让我们做出应用型的电梯已成为可能。 目前各小区居民楼都已经安装上了快捷、方便的电梯系统，但某些方面如安全性和稳定性还有待提高，用户也给出了更高的要求。

目前电梯控制主要有继电器控制、 可编程控制器控制、微机控制( 单片机控制) 这3 种控制方式。 利用单片机控制电梯具有成本低、高精度的重量检测和显示、功能多样等明显优点[2]。 基于单片机电梯控制系统主要的核心技术在于单片机的应用[3]。 明显的优势就是可以嵌入到各种仪器、设备中，实现的是对象的智能化控制，这一点是巨型机和网络不可能做到的。开发此系统可以方便用户自行输入所要到达的楼层， 显示电梯当前到达层数等功能，这样可以大大提高其工作效率，彻底的脱离电梯操作工的模式， 更主要的是为电子技术融入到计算机专业领域提供一种新思路， 为单片机技术的应用提供更广阔的空间，为开发更科学的电梯控制系统提供参考[4]。

1 系统框图及功能

1.1 系统框图

基于单片机的电梯控制模型[1]设计的基本思想是采用AT89C52[5]单片机作为核心，利用其丰富的I/O 接口与外围电路配合进行控制。 采用8 位LED 静态显示来实时显示电梯所在楼层，并用4511 来驱动LED 显示。 采用行列式键盘矩阵作为外呼内选电路，由于是5 层楼，故选用4×4 矩阵键盘，键盘矩阵共16 个按键， 其中8 个按键是各层楼外呼按键，5 个表示电梯内部的选择键，另外设有紧急停止按键，启动按键和电梯演示按键。电梯状态是通过两个发光二极管显示的，左边灯亮表示电梯在向上运行，右边灯亮表示电梯在向下运行，另设有一灯灯亮表示开门状态，灯熄表示关门状态。电梯间竖井部分由有机玻璃粘成无上盖板的六面体ABCDEFGH， 高度AE为1.2 m；电梯桥厢模型J 通过滑轮悬挂并由电动机M 牵引，可在电梯间竖井模型的空间内上下运动。

图1 系统方框图Fig. 1 System block diagram

1.2 系统功能

1)识别楼层的高度和各个平层的位置，及时响应各楼层的请求信号；

2)运行速度稳定、定位准确,电梯运行时有相应的指示灯亮，以示电梯正在上行或下行，实时显示电梯所在楼层位置。

3)平层时开门，关门等操作，平层结束时给出提示信号。平层位置误差10 mm，要求平均每层运行时间不超过5 s。

4)及时接受各楼层的呼叫信息，以先方向后距离的优先原则判断并自动响应外招信号、自行选择运行路径。

5)具备不可逆响应功能：电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向呼叫均无效。

2 硬件部分的设计

2.1 楼层显示模块

数码管显示， 电梯的基本功能具备显示电梯当前的楼层， 所以设计中在轿厢和每个楼层中都设置了一个数码显示管，用来显示当前电梯所在的层数，数码管显示电梯所到达的楼层数。 接线图如图2 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。

图2 楼层显示电路Fig. 2 Floor display circuit

2.2 按键电路模块

由于本电路所需按键较多， 为了节省单片机的I/O 口，故选用行列式键盘矩阵。本电路采用的是4 键盘矩阵。电路如图所示，P2.0-P2.3 是接单片机的P2 端口，单片机采用行和列扫描法来判别这16 个按键中哪个键按下，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。

键盘电路如图3 所示。

图3 按键电路Fig. 3 The key circuit

各按钮开关说明：

按钮开关1：轿厢内一楼呼叫开关；按钮开关2：轿厢内二楼呼叫开关；

按钮开关3：轿厢内三楼呼叫开关；按钮开关4：轿厢内四楼呼叫开关。

2.3 电梯门指示模块

在本次设计中电机正反转用两个发光管来表示， 如图4所示，用单片机的P33，P34 口做输出口来驱动发光管，其中D11 亮表示开门、D12 亮表示关门。

图4 电梯门电路Fig. 4 Elevator door circuit

2.4 铃声提示模块

采用蜂鸣提示音提示当轿箱到达所需的楼层时， 蜂鸣器响，提示乘客到达了所需的楼层，另外可以作为紧急停止时的报警提示信号，其软件驱动、硬件电路调试非常简洁方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。 当到达所选楼层后，蜂鸣机会响一声，表示开门，同时绿灯亮；3 s 后，蜂鸣机响两声，表示关门，同时红灯亮。

图5 铃声电路Fig. 5 Ringing circuit

2.5 升降指示模块

当电梯上升时，指示灯一次从下到上亮灯，一直循环，直到到达所选楼层。

当电梯下降时，指示灯一次从上到下亮灯，一直循环，直到到达所选楼层。

图6 升降指示电路Fig. 6 Lifting indication circuit

3 软件设计

软件设计思想：采用模块化的分层次设计方法，将软件系统功能由多个实现单一功能的子程序实现。 通过调用不同的子程序，实现了复杂功能控制。这样便于调试、修改。软件编程是实现多功能、智能化、操作方便的关键。在本设计中，可以把程序的各部分相互结合起来，达到完成各项设计的功能。

根据系统要求，电梯的程序应满足以下要求：

1)初始化程序使数码管显示“1”表示电梯处在一楼，等待人进入电梯；

2)主程序主要包括：

①判断乘客进入电梯后选择去哪一层，根据判断情况来控制电梯运行，到达目标楼层后相应的呼叫指示灯熄灭；

②电梯在运行过程中要不断的扫描键盘，从而来判断各楼层有无呼叫请求，并点亮相应的呼叫指示灯；

③设置演示功能按键、紧急停止按键、启动按键；

④实时显示电梯所在位置及运行状态（上行/下行）；

⑤开关门有一定的延时来保证乘客走出/进入电梯；

图7 为主程序工作流程图

4 系统调试

连接5 V 电源后，电梯通电使用，各模块使用正常，电梯响应上升下降队列时，相应的指示灯、上下行状态均能显示。通过选取各楼层按键，电梯都能完成请求，基本实现了电梯运行的模拟。

4.1 方向及距离优先测试

电梯按某方向运行时，优先响应该运行方向的按钮；

测试初始，轿箱位于一楼，按下二楼，三楼的上下按呼叫，和四楼的向下呼叫。 按键顺序可随意。 测试结果如表1 所示。

图7 主程序流程图Fig. 7 Main program flow chart

表1 方向优先测试Tab.1 Direction priority test

结论：系统在向上运行时候，优先相应各楼层的向上呼叫信号，不响应向下的呼叫信号，向下运行时相反，符合设计要求。

同一方向有多个按钮呼叫时，优先响应最近的楼层。测试初始时，电梯位于任一层，如二楼。 此时三楼和四楼分别向上呼叫。 测试结果：先响应三楼呼叫，再响应四楼呼叫。

结论： 电梯具有距离优先响应的功能， 当多层同方向呼叫，首先响应距离当前楼层较近的呼叫，符合系统设计要求。

各按钮呼叫时指示灯显示正常， 电梯响应该按钮的呼叫后，其指示灯应自动熄灭。

4.2 综合测试

测试条件：电梯位于1 楼，进入3 人，其中一人要到3 楼，另两人到4 楼。电梯运行后，3 楼和4 楼有人向上呼叫，3 楼有人向下呼叫到1 楼。

测试结果如表2 所示。

表2 综合测试Tab.2 Comprehensive test

测试结论：系统具有方向优先、距离优先的功能，基本模拟了实际电梯运行，完成设计指标。

5 结论

本系统是基于89C52 单片机设计的电梯自动控制系统，充分利用单片机的软硬件资源[6],以四层电梯为研究对象，实现基本的功能如：层站呼叫、自动停层、轿厢命令响应等。通过单片机输出电压通过驱动电路然后控制电梯拖动。 开发此系统可以方便用户自行输入所要到达的楼层， 大大提高其工作效率，彻底的脱离电梯操作[7-8]工的模式，为开发更科学的电梯控制系统提供参考。

[1] 张汉杰, 王锡仲, 朱学莉. 现代电梯控制技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,2001.

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