基于单片机的电梯控制系统方案设计

何超

摘要：本方案以STC89C52芯片为核心，模拟了电梯控制系统所需的一些基本功能，通过按键选择楼层，数码管显示实时楼层数，LED灯组成的箭头指示上下方向。同时，采用uln2003来驱动步进电机转动，以步进电机的转动方向来模拟电梯运行方向。根据电梯运行到不同的楼层，产生不同的电平量，以此实现对电梯的控制。该方案软硬件结构设计简单可靠，实现了对电梯的运行控制。

关键词：电梯；步進电机；STC89C52

引言

目前电梯控制系统大多采用继电器或者可编程控制器（PLC）的控制方式，存在着成本高，需要三相供电等缺点，本方案给出了一种基于单片机的电梯模型控制系统。以单片机为核心，再辅以适当的硬件电路和控制程序来检测和控制整个电梯的信号，具有成本低、通用性强、灵活性大、扩展容易及易于实现复杂控制等优点。

1 总计设计方案

本方案采用开关作为电梯内外的请求按键，按键和单片机的插针接口相连，按键按下为低电平，将信号传送到单片机，单片机根据各接口的信号进行判断处理，处理完毕后控制步进电机运动，实现电梯的上下运动，采用传感器确定电梯所在的楼层数及电梯准确停止的位置，用七段数码管显示电梯所在楼层，用LED灯显示电梯的上下运行状态。

本方案采用STC89C52为控制电梯的单片机[1]。考虑到经济性与实用性，选择28BYJ48型步进电机。采用5V直流电源为单片机、指示灯、数码管供电。总体设计框图如图1所示。

本方案主要由5大部分组成：键盘模块、单片机控制电路、显示模块电路、电源模块电路、步进电机驱动电路。其中单片机控制电路主要包含复位电路，电路复位后楼层显示数字1 表示电梯此时在一楼，而电梯楼层位置是由延时电路控制的，延时电路有2秒延时，每层之间通过2秒延时控制即每延时2秒表示电梯走了一层，同时显示相应的上下箭头指示。本方案的延时部分主要是由软件控制的。电梯的状态是通过点阵组成的上下箭头和数字显示的。键盘电路采用独立式按键。

2 方案硬件设计

由于电梯要运送客人到不同的楼层，所以每一层都要有按键才可以满足不同楼层顾客的需求。不仅如此，电梯需要人性化的显示，比如，哪个按钮按下了，就把它对应楼层按钮的二极管点亮，还要有一个数码管实时显示电梯所在层数，用发光二极管组成的上下箭头来表示电梯当前的运行方向等。而这些零碎的原件，又需要高效的芯片来控制，它们相互之间的物理连接问题亟待解决。

当在89C52单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作，若该引脚持续保持高电平，单片机就处于循环复位状态。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中，上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本方案采用按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端与电源Vcc接通来实现。

数码管的基本单元是发光二极管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮，当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。由于它的价格便宜、使用简单在电器特别是家电领域应用极为广泛。本方案采用共阴数码管来显示时间。

本方案模拟的是8层楼电梯，所以有8个按键，每一个按键对应一层楼。8个按键接在P2口。当电梯到达每一层时需要有声音式提醒，本方案采用了成本和设计难易程度更具优势的蜂鸣器提醒。在蜂鸣器电路中，由于单片机的IO口驱动能力不够让蜂鸣器发出声音，故我们选择三极管做驱动。三极管放大驱动电流，从而可以让蜂鸣器发出声音，当要输出高电平，三极管导通，集电极电流通过蜂鸣器让蜂鸣器发出声音，当输出为低电平时，三极管截止，没有电流流过蜂鸣器，就不会发出声音。

3 方案软件逻辑设计

电梯所处的状态是整个程序成功运行的核心保证。在电梯每经过一个楼层时，就会自动调用状态函数，它的作用是基于高效率、短时间、人性化的基础上，合理智能的对电梯的运行进行调度，结合实际情况，最终得出电梯下一个目标停留楼层[2]。其流程如图2所示。

由图2可知，程序中将实际情况分为四种情况来判断：电梯上行且是去送人，即电梯此时位于底层，高层有人呼叫要上楼；电梯上行且是去接人，即电梯此时位于底层，而高层有人呼叫要下楼；电梯下行且是去送人，即电梯此时位于高层，而低层有人呼叫要下楼；电梯下行且是去接人，即电梯此时位于高层，而低层有人呼叫要上楼。

而这四种情况，也就包含了实际电梯中的绝大部分情况。情况不同，分析的方法也当然不一样。

这可以分为两个步骤：第一判断电梯是上行还是下行；第二，判断是去接人还是去送人。当然，第一个是最好判断的，因为电梯在运行时，有两个与楼层有关的变量，一个为当前所在楼层值，一个为目标楼层值，当电梯运行时，会让这两个值进行比较，若前者大于后者，就为下行，从而让状态变量清零，由于电路中上下行的箭头使用了非门，故在程序中，表示上下行的状态变量清零时表示有效；反之，当前者小于后者，即为上行，从而上行变量清零。

至于是接人还是送人，是判别的难点。在此，巧妙地利用了两个状态变量scanup和scandown，前者等于所有上行按键和去几层按键状态变量的或，后者等于所有上行按键和去几层按键状态变量的或。由此可知，当上行按键和去几层按键均为0时，电梯仍为上行状态，那么此时，电梯的状态肯定处于上楼接人的状态中，即在高层，有人按了下行键；反之，若它们中有一个为1，且按键所处楼层高于当前电梯所在楼层，这个由其他函数来限定，防止电梯在上行过程中受已经过楼层按键按下时的干扰，则电梯此时处于上楼送人状态，就会执行对应的子程序。其他的与此同理。

以电梯上行的两种状态为例分析电梯各种情况下所对应的处理方法。在实际应用中，最简单的情况莫过于电梯当前为闲置状态，有人按下按键呼叫，电梯响应呼叫。但是，实际情况往往比这复杂的多，在第一个人按下按键电梯运行的过程中，还很有可能会有其他楼层的人按下不同的按键（上行或者下行）的情况发生。那么就必须得为电梯规定好一个特定的优先级规则，让其依据这个规则来运行。规定，当电梯上行时，均不理会按下行按键的顾客，若在上行过程中，有人在某层按的是上行按键，但是电梯此时已经走过了该层，那么电梯也绝对不会再选择先下行。当然，当将高层上行的顾客送完后（此时一般来说电梯已经处于高层了），电梯便会检测下行按键，若更高层有人呼叫下行，则电梯会选择先去响应，然后再下行的过程中依次响应按了下行处于等待中的顾客，最后这些顾客都送完后，再去相应那些电梯上行过程中，处于比电梯低的楼层却按了上行键的顾客。

简单地说，若电梯处于上行状态，则在该过程中响应不同顾客的优先级（或者电梯响应的先后顺序）为：高层呼叫上行顾客>高层呼叫下行顾客>底层呼叫下行顾客>底层呼叫上行顾客。

4结论

基于STC89C52单片机的系统方案设计解决了电梯在上下行运行过程中的逻辑问题。该方案达到了预期的设计效果，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]周鹏.基于STC89C52单片机的温度检测系统设计[J].现代电子技术.2012，35（22）：10-13.

[2]芦艳芳，朱贵宪.基于PLC的电梯控制系统设计[J].煤炭技术，2011，30（8）：53-55.