1、本科毕业设计基于单片机的电梯控制器设计10722学号学校代码公开密级TU857分类号本科毕业论文基于单片机的电梯控制器设计题 目(中、英文)Design of Elevator Controller Based on MCU作者姓名电气工程及其自动化专业名称工 科学科门类郝海燕 二一三年五月成绩评定提交论文日期指导教师 摘 要单片机即单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer ），是集CPU 、RAM 、ROM 、定时、计数和多种接口于一体的微型控制器。其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种,广泛应用于各个领域.电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理
2、器技术、系统工程学等多学科和技术分支于一体的机电设备，它已经成为人类日常生活中不可或缺的助手。本设计选择AT89C51为核心控制元件，设计了一个八层电梯控制系统，使用单片机C语言进行编程，实现运送乘客到任意楼层、显示电梯当前所处的楼层和上下行以及开门关门时的提示音等基本功能。采用单片机控制电梯具有成本低，通用性强，灵活性大及易于实现复杂控制等优点。由于系统实现的功能简单，因此具有一定的可扩展性。关键词：电梯控制器 ；AT89C51；C语言 AbstractMicrocontroller that microcomputer (Single-Chip Microcomputer) gatheri
3、ng CPU, RAM, ROM, the timing, number and variety of interface integrated microcontrollers. 51 SCM is the most typical and most representative of a widely used in various fields. Elevator is the application of the principle set machinery, electrical control technology, microprocessor technology, syst
4、ems engineering and other technical disciplines and branches of the integration of mechanical and electrical equipment,it has become an indispensable assistant to human daily life.This paper choice AT89S51 control of the core components, designed a new 8 storey lift systems, using single-chip assemb
5、ly language programming, transporting passengers arrived a floor, it also shows the elevator floor and downlink. SCM control elevators low cost, versatility, flexibility and ease of large complex control advantages. Because of the functions of the system is simple, so it has certain scalability.Key
6、words: Elevator controller AT89C51 ；The C Programming Language目 录1. 引言 12. 单片机概述 12.1 单片机的概念 12.2 80C51单片机简介 22.3 单片机的发展趋势 33. 硬件系统的实现 33.1 硬件系统总体设计 33.2 各功能模块功能介绍 43.2.1 AT89C51芯片介绍 43.2.2 显示模块 63.2.3 复位模块 83.2.4 振荡电路模块 83.2.5 按键模块 93.2.6 报警模块 94. 软件设计 104.1 C语言与汇编语言 104.2 流程图设计 105. 系统调试 125.1 软件调
7、试 125.1.1 Keil C51软件环境简介 125.1.2 电梯控制器的Proteus仿真调试结果 125.2 硬件调试 136. 结论 14参考文献 15附录 16谢 辞 211. 引言 随着现代高科技的发展，住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。电梯是宾馆、高层住宅、商业大厦等高层建筑必不可少的垂直方向的运输工具。1889年美国奥梯斯升降机公司推出的世界上第一部升降机，并且在纽约市马累特大厦安装成功。这座古老的电梯的速度大约是10m/min。随着建筑物越来越高，对电梯的调速精度、可靠性以及安全性等特性都提出了进一步的要求。传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控
8、制线路,存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点，因此现在已经很少采用继电器逻辑控制系统。目前，由PLC（可编程控制器）或微型计算机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。可编程控制器是一种数字运算操作电子系统，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、定时、计数术等指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它有良好的抗干扰性能，专为工业环境下应用而设计，因而能够适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。但是由于PLC的针对性较强，每一台PLC都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。而单片
9、机价格却相当便宜，如果在抗干扰功能上有所提高的话完全可以代替PLC实现对工控设备的控制。当然单片机并不象PLC那么有针对性，所以由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。 电梯控制系统是比较复杂的一个大型系统，在计算机诞生的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展做了巨大的贡献，但在性能上和PLC还是有本质上的差距。在科技的不断发展下，单片机控制系统很快可以解决抗扰性，成为方便有效的电梯控制系统。 2. 单片机概述2.1 单片机的概念单片机是集成在一个芯片上的计算机，全称单片微型计算机，是计算机、自动控制和大规模集成电路技术相结合的产物，融计算机结构和控制
10、功能于一体。尽管大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：具有数据处理能力的CPU、只读存储器ROM、随机存储器RAM、多种输入输出电路（I/O口）、定时器/计时器等功能。随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SOC（System on Chip）方向发展1。2.2 80C51单片机简介 80C51是8位单片机中一个最基本，最典型的芯片型号。它主要由以下几部分组成：中央处理器；内部数据存储器; 内部程序存储器;并行I/O口；定时/计数器;中断控制电路；振荡器和时钟电路。这些部件通过内部总线连接起来，构成了一个完整的微型计算机。其逻辑结构图如下所示
11、2。 图1 80C51芯片逻辑结构图80C51单片机的特点： 小巧灵活、成本低、易于产品化。 可靠性好，抗干扰性强，应用范围广。 易扩展，很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强。 具有通信功能，可以很方便地实现多机和分布式控制。由于这些特点，单片机在自动化装置、过程控制、通信、家用电器等领域的应用日益广泛展3。2.3 单片机的发展趋势现在单片机的种类繁多，功能各异。全球各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，应有尽有，有些与主流C51系列兼容，也有些不兼容，但它们各具特色，互成互补，为单片机的发展应用提供更好的前景4。从单片机的发展过程中可以大致获得单片机的发展趋势，有
12、：制作工艺 CMOS 化。更小的光刻工艺提高了集成度，从而使芯片更小、成本更低、工作电压更低、功耗更低 ，甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。CPU 的改进。采用双 CPU 结构，增加数据总线的宽度，提高数据处理的速度和能力；采用流水线结构，提高处理和运算速度，以适应实时控制和处理的需要。增大存储容量，片内 EPROM 的 E2PROM 化，程序的保密化。提高并行口驱动能力，以减少外围驱动芯片，增加外围 I/O 口的逻辑功能和控制的灵活性。以串行方式为主的外围扩展。3. 硬件系统的实现3.1 硬件系统总体设计在本设计中需用到AT89C51芯片,1个数码管
13、，一个蜂鸣器，复位电路，8个按键，24个发光二极管。结构框图如图2所示。图2 总体结构框图本单片机模拟电梯系统用红色发光二极管组成的箭头来指示电梯当前是处于上升状态还是下降状态,用数码管显示当前是处于哪一层,用绿色发光二极管指示电梯走到哪一层会停。电源接通后,若没有人按下楼层按键,它就会如大型商场的自动扶梯那样，以一定的速度从一楼到八楼再到一楼，周而复始，循环往复。若有人按下某一层的楼层按键,它就会在相应的那一层停止一段时间,并伴有开门和关门的声音提示 。 因此乘客必须结合电梯上下行指示灯和数码显示管来判断是否按键电梯开门按键。例如，有位乘客在五楼要下到一楼，只有当上下行指示灯显示下行并且数码
14、管显示的数字大于五时，乘客方可按下三层键，进入电梯后按一层键，电梯就会在一层停住，乘客便可走出电梯。硬件原理图如图3所示。图3 硬件原理图3.2 各功能模块介绍3.2.1 AT89C51芯片介绍本设计主要采用AT89C51芯片。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4K字节的快速可擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 字节 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51产品指令系统及80C51引脚结构，片内有通用8位中央处理器（CPU）和闪存单元，功能强大AT89C51单片机可为许多嵌入
15、式控制应用系统提供高性价比的解决方案5。AT89C51提供以下标准功能：4K 字节闪存，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。引脚功能说明：P0口：P0口地址为80H,位地址为80H87H。P0口的逻辑电路主要由D触发器构成的锁存器，FET(场效应管)构成的
16、输出驱动电路，用于引脚数据输入缓冲的缓冲器，一个多路转接开关（MUX）构成。8位口线的锁存器位构成一个口的锁存器，所谓的口地址就是锁存器的地址。锁存器的功能是使数据在口中保留一段时间。MUX的一个输入来自锁存器，另一个输入为“数据/地址” 。输入转接由控制信号控制，设置多路转接开关的原因是P0口既可以作为通用I/O口进行数据输入/输出，又可以作为单片机系统的地址/数据线使用。设置多路转接开关可以方便的实现转换。 P1口：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P1口只能作为通用数据I/O口使用所以在电路结构上与P0口有些不同。第一，因为它只能传送数据，所以不再需要多路转接开关（MUX）；
17、第二，驱动电路中有上拉电阻。其上拉电阻并不是真正的电阻，而是一个能起到上拉电阻作用的有两个场效应管构成的电路。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口地址为A0H，位地址为A0HA7H。P2口既可作为系统高位地址线使用，也可作为通用I/O口使用，所以P2口的电路逻辑与P0口类似，也有一个多路转接开关。但多路转接开关的一个输入端不再是地址/数据，而是单一的地址，因为在构造系统总线时，P2口只能作为高位地址而不能作为数据线使用。当P2口作为高位地址线使用时，多了开关倒向地址端；而当通用I/O口使用时，多路开关倒向锁存器的Q端。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O
18、口。虽然P3口可以作为通用I/O口使用，但在实际应用中我们更多的使用的是他的第二功能信号。RST：当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用于完成单片机的复位操作。ALE(地址锁存控制信号)：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。此外由于ALE是以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此，可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。（外部程序存储器读选通信号)：程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两个PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部
19、数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。(访问程序存储器控制信号)：当EA信号为低电平时，对ROM的读操作是针对外部程序存储器的；当EA信号为高电平时，对ROM的操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。XTAL1和XTAL2（外接晶体引线端）：当使用芯片内部时钟时，XTAL1和XTAL2用于外接石英晶体谐振器和微调电容；当使用外部时钟时，用于接入外部时钟脉冲信号。3.2.2 显示模块（1）数码管结构 LED显示器是由LED组成显示字段的显示器件，可分为共阴极与共阳极两种，如图4所示。其中7只LED构成字符“8”，另外还有1只小数点LED dp（h）。当某个LED的阳极为高电平
20、、阴极为低电平时，LED点亮。人为控制某几段LED点亮，就能显示某个数码或字符，由于LED的电流通常较小，因此需要在回路中接上限流电阻，例如我们将b、c、f和g段接上正电源，其它引脚悬空，此时数码管显示“4”，如图5所示。 （a）共阳极接法 (b) 共阴极接法图4 LED显示器两种接法（2）数码管显示代码 数码管显示的内容取决于硬件设计，其显示过程为依据显示内容，查表，寻找显示代码，送显示内容。如表3-2-2所示为一种常用的显示代码。表3-2-2 LED显示器的字段码显示数字七段共阴极段码七段共阳极段码03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH
21、82H707HF8H87FH80H96FH90H （3）静态显示 将位选线（共阴极或共阳极）连接在一起接地或+5V，ah段选信号分开，这种连接方式称为静态显示。由于每一位显示器的字段控制线是独立的，当显示某一字符时，该位的各字字段线和字位线的电平不变，也就是各字段的亮灭状态不变；各数码管在显示过程中持续得到送显信号，与各数码管接口的I/O接口线是专用的6。静态显示的特点：无闪烁，用元器件多，无需扫描，节省CPU时间，编程简单，但占用I/O接口线多，适用于显示器位数较少的场合。综上所述，本文采用 1个共阴极LED数码管静态显示的方式，电路图如图5所示。 图5 显示电路3.2.3 复位模块复位的原
22、因：单片机在上电以后内部的电路处于一种随机状态，这时如果开始工作则会出现混乱。对单片机而言，复位也就是在做准备工作，是使单片机回到初始化状态的一种操作。单片机系统上电后，从何处开始执行第一条指令是由系统复位后的状态决定的7。因此整个单片机系统工作的可靠性取决于复位电路设计。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能有效地复位。单片机通常采用的复位电路有上电复位、按键电平复位和按键脉冲复位，而在本文中采用按键电平复位电路，如图6所示。图6 AT89C51复位电路3.2.4 振荡电路模块振荡电路XTAL1和XTAL2分别与第19和18引脚连
23、接。C1和C2取30pF左右，晶体的振荡频率取224MHz8。本文中C1和C2各取30pF，晶体的振荡频率取12MHz，电路图如图6所示。图7 AT89C51时钟电路3.2.5 按键模块单片机通常采用矩阵键盘和独立按键两种方式，矩阵键盘通常是将按键排列成矩阵形式，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接，优点是可以节省I/O口。独立按键则是一个按键占用单独的一个I/O口9。因为在本设计中I/O口充足，因此选用单独按键方式。对于独立按键，其一端接单片机I/O端口（高电平），另一端接地，当用户将其按下时，单片机的相应I/O口电平被拉低，当单片机查找到是哪一端口被拉低时，便知道
24、是哪一端口按下，即也就是知道了那一层楼有乘客需要电梯，电路图如图8所示。图8 按键电路3.2.6 报警模块蜂鸣器是一种发声器件，采用直流电压供电10。本设计采用单片机产生不同的信号,并通过NPN型三极管放大该信号来控制蜂鸣器完成声音报警提示，虽然蜂鸣器发出的声音很单一，但因为其提示音只有两种，即开门提示音、关门提示音，所以使用蜂鸣器完全能够满足题目要求，而且易于实现。电路图如图9所示。图9 蜂鸣器电路4. 软件设计4.1 C语言与汇编语言汇编语言和C语言各有特点。简单的说就是汇编语言的本质是机器码，是直接和单片机对话的唯一途径。优点是效率高，缺点是难以驾驭。C语言的逻辑性更强，优点是只要掌握了
25、语言本身编程就变得简单，而且移植性好。缺点就是即使你写出了程序，完成了功能，但是你对单片机本身的了解还是很少。实际开发中大多会使用C语言，汇编语言在较为复杂的工程面前还是显得很繁琐，往往让人望而却步11。但是汇编语言在学习单片机的过程中却是一条捷径，想要真正懂得单片机的内部奥妙，就必须认真学习汇编语言。因此，我们在学习单片机的过程中应先通过汇编语言将单片机硬件资源掌握透彻，在对硬件了解清楚的基础之上再学习C语言，就能达到一个比较好的效果。4.2 流程图设计本单片机模拟电梯系统用红色发光二极管组成的箭头来指示电梯当前是处于上升状态还是下降状态,用数码管显示当前是处于哪一层,用绿色发光二极管指示电
26、梯走到哪一层会停。电源接通后,若没有人按下楼层按键,它就会如大型商场的自动扶梯那样，以一定的速度从一楼到八楼再到一楼，周而复始，循环往复。若有人按下某一层的楼层按键,它就会在相应的那一层停止一段时间,并伴有开门和关门的声音提示 。图10 主程序流程图该图为电梯上升时的流程，任意按键按下时则进入相应的中断程序，否则一直进行1到8层按键的循环检测。电梯下降时则进行8到1层按键的循环检测。5. 系统调试5.1 软件调试5.1.1 Keil C51软件环境简介Keil C51是Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。 Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理
27、和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。在Keil中使用C语言编程，在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势12。 KEIL集成开发环境的基本仿真流程为: 1.新建与保存源程序 第一步：双击KEIL uVision3的桌面快捷方式，启动KEIL集成开发软件。 第二步：新建文本编辑界面或加入原有的程序文件。 选择“File(文件)”“New”命令或菜单栏的“新建文本”命令，即可在项目界面的右侧打开一个新的文本编辑界面，默认文件名为“Text1”。 第三步：在“Text1”中输入C语言源程序。 第四步：保存源程序。 保存文
28、件时必须加上文件的扩展名并选择路径和文件名进行保存，C语言程序文件的扩展名为“.C”。 2.建立新工程 第五步：新建KEIL工程。 选择“Project(工程)” “New Project(新建工程)”命令，将出现保存对话框。在保存工程对话框中输入工程文件名，工程名称不用输入扩展名。输入名称后保存，将出现“Select Device for Target ”对话框。第六步：选择CPU型号。在对话框中选择“公司（Atmel）” “CPU型号”，单击“确定”按钮返回主界面。3.加入源程序到工程中。5.1.2 电梯控制器的Proteus仿真调试结果Proteus软件是英国Labcenter elec
29、tronics公司出版的EDA工具软件它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。选择要使用的元器件时，只需在Pick Device窗口双击相应元件名称，即可将元件添加到主界面左侧的列表中，非常方便。实验步骤如下：1) 在Protues软件中按照系统硬件连线图连好。 2) 把编写好的程序在KEIL编译器下进行编译并生成.hex文件，输入AT89C51单片机仿真器，最后对其进行初始化。3) 先按下开启键，观察LED能否正常显示，再观察发光二极管形成的上升下降信号和LED显示的数字增大减小是否一致，当这些都符合指标后,再按下任意按键,
30、看其是否能达到预想目的。接着试验复位开关,检验能否完成清零的功能,并作出相应调整。最后的仿真结果如图11所示。图11 仿真结果 5.2 硬件调试硬件调试是利用开发系统、基本测试仪器（万用表、示波器等），检查用户系统硬件中存在的故障13。硬件调试可分为静态调试与动态调试两步进行。 静态调试 静态调试是在用户系统未工作时的一种硬件检测。 第一步：目测。检查外部的各种元件或者是电路是否有虚焊点。 第二步：万用表测试。用万用表复核目测中可疑的连接点。 第三步：加电检测。给板加电，检测所有的插座或是器件的电源端是否符合要求的值 。动态调试14 动态调试是在用户系统工作的情况下，发现和排除系统硬件中存在的
31、器件故障、器件连接逻辑错误等的一种检查。动态调试的一般循序渐进的方法即由近到远、由分到合的顺序，逐步进行。由分到合是指首先按逻辑功能将硬件电路分为若干块。当调试电路时，与该元件无关的器件暂时全部去掉，这样可以快速将故障限定在局部的电路上。由近到远是将信号流经的各器件按照距离单片机的逻辑距离进行由近及远的分层，然后分层调试15。6. 结论本文就是充分利用了AT89C51芯片的各引脚。系统采用MSC-51系列单片机IntelAT89C51为中心器件来设计实现模拟简单电梯控制系统，系统设计简便、实用性强、操作简单，基本完成了模拟电梯的基本功能。单片机在接口性能和计算速度等方面均有资源不足的问题，仍然不能适应较复杂的控制算法和故障诊断等要求，但单片机控制电梯有成本低，通用性强，灵活性大及易于实现复杂控制等优点。科技不断发展，单片机控制系统应该很快就可以解决抗扰性，成为方便有效的电梯控制系统。 通过这次毕业设计，我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常
