电梯控制模型设计与总结报告

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1、武汉理工大学电子竞赛设计报告电梯控制模型设计与总结报告摘要： 本文设计并制作了一个电梯控制模型。用水晶玻璃实现外观设计制作，AVR单片机作为主控芯片。成功设计电机控制算法，加载重物与否运行时间不受影响。实现了电梯的调度，如距离优先，方向优先。设计全部原创。关键词：电梯模型、电梯调度、电机控制。目 录1、系统方案选择与论证311、控制部分方案比较312、显示部分方案比较313、按键部分方案比较314、动力部分方案选择316、电源方案42、外形设计53、硬件电路设计731、电源部分732、主控部分733、电机控制部分834、光电开关835、显示部分936、按键部分94、软件设计1041、系统框图与

2、主程序流程图1042、电机控制及速度控制程序1043、按键处理程序1344、目标楼层生成程序135、系统测试1451、方向优先测试：电梯按某方向运行时，优先响应该运行方向的按钮；1452、距离优先测试：同一方向有多个按钮呼叫时，优先响应最近的楼层。1553、综合测试1554、运行时间测试156、主要材料清单167、结束语17附录：181、系统方案选择与论证11、控制部分方案比较一、使用电梯专用PLC电路，优点是技术成熟，但成本较高。二、使用MCU-51单片机（如AT89S52）作为电梯的控制部分，优点是制作简单，资料丰富，元件易得，缺点为稳定性较差，运行速度不高，且片上外设较少。三、使用AVR

3、单片机（如ATmega16）作为电梯的控制部分，此单片机稳定性好，运行速度较高，片上外设丰富，具有PWM功能的定时器,可方便用于电机控制。且同样有51单片机的优点，成本也很低。本设计使用ATmega16L作为电梯模型的主控芯片。12、显示部分方案比较一、使用七段数码管动态显示，优点为电路简单，使用元件较少，成本较低，但占用较多的CPU资源。二、使用LCD显示，优点为显示弹性比较大，可显示很多状态。缺点为成本较高，编程较复杂。三、使用七段数码管静态显示，用串并转换器74164驱动七段数码管，将74164连起来，使用AVR单片机片上外设SPI接口进行串行显示较出。本方案编程极其方便，成本也不高。故

4、本设计采用此方案。13、按键部分方案比较一、使用矩阵键盘，优点为电路简单，使用元件较少，成本较低，但占用较多的CPU资源。二、使用专用的编码键盘。但在本设计中按键不是很多，没有必要用成本很高的专用编码键盘，且在安装方面不方便。三、使用编码芯片。如74148，74147。使用此方案在安装上有很大我方便性。电路也比较简单，只占用单片机的8个I/O口，编程方便，故本设计采用本方案。14、动力部分方案选择一、步进电机。优点为控制方便精确，但成本较高，且随着电机转速增加，其精确度会降低。二、普通直流电机。优点为成本低，控制简单。但是安装不方便，转速较高，电梯使用不宜，电梯停时容易自动下滑。三、减速直流电

5、机。减速直流电机控制方便，转速符合要求，动力很大。当掉电时，电机自身的强大束握力可使用电梯停在当前位置。故本设计采用减速直流电机。15、电机驱动模块方案选择一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的，但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，存在干扰。一般电机的电阻比较小，但电流比较大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。二：采用三极管组成的PWM电路。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。在电机的控制部分采用不同的三极管的组合，实现对驱动电机的控制。系统输入有两个，分别由单片机控制输出，通过输入电

6、平变化来精确控制电机的转动变化。如图1所示： 图1.1 PWM电机驱动电路三：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对物体的运动速度进行调整。电路较为简单，但是由于继电器响应时间长，易损坏，寿命通常比较短，可靠性不高。四：采用L298N电机驱动芯片组成驱动电路。驱动芯片L298是驱动电机的专用芯片，利用它来驱动直流电机有一系列的优点，控制简单，电路设计也简单，大大简化了电路的复杂性。综上所述，采用方案四。16、电源方案一、电池供电。优点为方便，线性较好。但随着电量降低，电压也会降低，影响电梯性能。一、开关电源。优点为输出能力大，但成本较高。二、自做线性电源。由于设计者手

7、头有这部分材料，性能上完全可以满足要求，故采用此方案。2、外形设计本部分采用水晶玻璃制作外形。设计图如下。 图2.1 电梯模型外观图 图2.2 电梯模型传动机械部分图2.3 电梯内部结构俯视图 图2.4 实际外观图3、硬件电路设计31、电源部分32、主控部分33、电机控制部分34、光电开关35、显示部分36、按键部分4、软件设计41、系统框图与主程序流程图图4.1系统结构图 图4.2电梯主程序流程图42、电机控制及速度控制程序电机控制程序主要负责电机的正转和反转。L298的输入IN1和IN2，分别为10时为正转，01时为反转，为11时为快速停止。程序如下。void elevator_down(

8、void) PD66(0);PD55(1);OCR2=0xc8;void elevator_up(void) PD55(0);PD66(1);OCR2=0xc8;void elevator_stop(void) PD55(1);PD66(1);OCR2=0xff;beep(); 电机的速度控制则是利用AVR单片机的定时器2（timer2）生成的PWM波形对电机的速度进行控制。PWM波可看作一占空比可调的方波，占空比越大，电机速度越快，反之越慢。Timer2设置如下：快速pwm模式，匹配清零，溢出置位 8分频。则占空比可由以下公式求得：占空比(OCR2-0x01)/(0xFF-OCR2)即OCR

9、2越大，占空比越大定时器2初始化程序如下；void timer2_init(void) TCCR2 = 0x00; /stop TCNT2= 0x01; /set count TIMSK |= (1TOIE2);/溢出中断使能 OCR2 = 0xd9; /set compare， TCCR2 = (1WGM20)|(1WGM21)|(1fullspeed)if(OCR2=252) OCR2+=3;else OCR2=255;if(moter_cntrfullspeed-5)OCR2-=3;moter_cntr = 0;moter_cntr_c = 1; /开始下一轮计数由上述程序就可进行速度控

10、制。由于系统时钟采用8MHz的晶振提供，Timer2的时钟来源为系统时钟的8分频，Timer2为8位定时器。所以Timer2中断的频率 = （8000000/8）/（28）=3096.25Hz外部中断1的中断频率由电机的转速决定，每中断一次，电机正转或反转过的角度为= 360/36=10 度。电梯带动拉绳的直径为6.5CM。则外部中断1中断一次，电梯轿箱上升或下降的距离为L = 6.5*10*pi /360 = 0.567cm由程序可知，外部中断1两次中断时间间隔为T = moter_cntr *（1/3096.25）则可求得电梯轿箱运行的速度为：V = L / T .可根据此速度控制OCR2

11、的值，以获得符合要求的速度。43、按键处理程序图4.3 按键处理程序（根据按键值以及电梯轿当前状态计算是否要进行呼叫登记）44、目标楼层生成程序程序如下：void gen_aim_layer(void)/产生下一目标楼层 char i;if(UP=state)/上升for(i=current_layer;i=6) for(i=5;i=current_layer;i-) if(calldowni=1) aim_layer=i+1; /锁定目标层后退出.break;if(DOWN=state)if(current_layer=2)for(i=(current_layer-2);i=0;i-) if

12、(callini=1|calldowni=1) aim_layer=i+1; /锁定目标层后退出.break; if(i(current_layer-2);i+)if(callupi=1) aim_layer=i+1; /锁定目标层后退出.break; if(PAUSE=state) for(i=0;i6) if_reach_aim_layer();aim_layer=0;state=PAUSE;5、系统测试51、方向优先测试：电梯按某方向运行时，优先响应该运行方向的按钮；测试初始时，轿箱位于一楼，按下二楼，四楼的上下按呼叫，和五楼的向下呼叫。按键顺序可随意。测试结果停止楼层电梯方向显示2上2

13、楼上呼叫注销4上4楼上呼叫注销5上5楼下呼叫注销4下4楼下呼叫注销2下2楼下呼叫注销结论，测试正常。52、距离优先测试：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：测试正常。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。53、综合测试测试条件：电梯位于1楼，进入三人，其中一人要到3楼，另两人到5楼。电梯运行后，3楼和4楼有人向上呼叫欲到6楼，3楼有人向下呼叫到1楼。测试结果：停止楼层电梯方向显示3上3楼内部和向上呼叫注销。内部6楼呼叫4上4楼向上呼叫注销5

14、上5楼内部呼叫注销6下6楼内部呼叫注销3下3楼向下呼叫注销，内部1楼呼叫1下内部1楼呼叫注销测试结论：正常。54、运行时间测试桥厢模型无加载重物时，一楼到6楼上升时间为9.1秒；下降时间为9.2秒桥厢模型加载重物(约800g)时，一楼到6楼上升时间为9.3秒；下降时间为9.1秒桥厢模型单层运行时间约为2秒。测试结论：测试正常。6、主要材料清单1、有机玻璃板一张（1.85m*1.25m）2、ATmega16L3、8M晶振4、max2325、74HC164 10片6、74LS147，两片7、LM324一片8、光电开关（FS-H12A5）9、按键开关 16个10、变压器一个11、整流器一片12、电压

15、稳压器7805两片，7815一片。13、7段数码管13个。14、发光二极管17个15、蜂鸣器一个。16、三极管9个17、减速电机一只18、L298N一片19、万能板20、电阻，电容若干21、排线若干22、杜邦头若干23、其它（502、透明胶带、热融胶等）若干7、结束语 本设计为参加武汉理工大学第一届电子设计大赛而作。由张杰（信研0702班）、俞飞宇（信研0704班）、李春洋（信研0707班）共同完成。项目主要由张杰负责，完成了外观设计、硬件设计和软件设计。经过一个月的努力，基本功能已经完成。称重部分因时间限制，没有完成，但已为称重部分预留接口。特别感谢陶金同学，本设计需要的资金他投入了50%，

16、并帮助我们报名，给了我们很大的精神支持。附录：电梯运行程序/* AVR mega16 电梯控制程序 * * 作者： 张杰 * 编译器: WINAVR20060421 * 时间: 2008-32008-5 */*程序说明:*/#include #include #include #include /管脚定义#define PIN_RXD0 /PD0 RXD#define PIN_TXD1 /PD1 TXD#define PD5 5#define PD6 6/宏定义#define PD66(a) PORTD=(PORTD&(1PD6)|(aPD6)#define PD55(a) PORTD=(PO

17、RTD&(1PD5)|(aPD5)#define PAUSE 0#define UP 1#define DOWN 2/常量定义#define BAUDRATE 9600 /波特率/#define F_CPU8000000 /使用外部8M晶振,这个已经在makefile里面定义了#define initspeed 240#define fullspeed 220/按键定义#define key1 0xf8#define key2 0xf7#define key3 0xfa#define key4 0xf9#define key5 0xf6#define key6 0xfb#define down

18、6 0xdf#define up5 0xcf#define down5 0xbf#define up4 0xaf#define down4 0x9f#define up3 0x8f#define down3 0x7f#define up2 0xfe#define down2 0xfd#define up1 0xfc#define floor2num 0x1f#define floor3num 0x40#define floor4num 0x61#define floor5num 0x82#define floor6num 0xa2/全局变量/如果变量会在中断服务程序中被修改，须加volatil

19、e限定/unsigned char Seg7Table12= 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x00,0xce;/ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 熄 P(Park)/串口通信全局变量volatile unsigned char FLAG;/按键标志volatile unsigned char PC_COMMAND;/PC发出的当前命令volatile unsigned char RX_BUFFER16;/存放接收数据的数组volatile unsigned char RX_index;/存放接收数据的个数/电梯调度

20、全局变量unsigned char state=0; /电梯运行状态指示.0为待呼叫,1为上,2为下unsigned char state_flag=0;volatile unsigned char current_layer=1; /当前层unsigned char callup6=0,0,0,0,0,0; /向上呼叫,内部呼叫和向下呼叫unsigned char callin6=0,0,0,0,0,0;unsigned char calldown6=0,0,0,0,0,0;volatile unsigned char aim_layer=0;volatile unsigned char p

21、aused=0;volatile unsigned int pause_time_cntr=0;volatile unsigned char pause_time_cntr_c=0;volatile unsigned char pause_time_over=0;volatile unsigned char current_num=0; /电机速度计数值volatile unsigned int time_cntr=0; /timer2中断次数.3906次为一秒钟volatile unsigned int moter_cntr=0; /num改变时间计数,为timer2的中断次数. /两次中断

22、间隔为(1/3906)秒volatile unsigned char moter_cntr_c=0; /控制motercnt何时计数.volatile unsigned char stopnums6=0xff,floor2num,floor3num,floor4num,floor5num,floor6num;/SPI通信全局变量volatile unsigned char SPI_TX_BUF10/共十个74164 =0,0,0,0,0,0,0xCE,0,0,0;volatile unsigned int display_refresh_cntr=0;volatile unsigned cha

23、r display_refresh_flag=0;volatile unsigned char hour,min10,min,sec10,sec,msec=1;unsigned char test=0; void beep(void); /蜂鸣器void if_reach_aim_layer(void);/-SPI接口,初始化与接收程序-void SPI_MasterInit(void) DDRB |= (15)|(17); /设置MOSI 和SCK 为输出 SPCR =(1SPE)|(1MSTR)|(1CPHA); /使能SPI 主机模式，设置时钟速率为fckSPSR |=(1SPI2X);

24、 void SPI_MasterTransmit(char cData) SPDR = cData; / 启动数据传输 while(!(SPSR & (1SPIF); / 等待传输结束/-void timer2_init(void) TCCR2 = 0x00; /stop TCNT2= 0x01; /set count TIMSK |= (1TOIE2);/溢出中断使能 OCR2 = 0xd9; /set compare TCCR2 = (1WGM20)|(1WGM21)|(1COM21)|0x02; /start timer 快速pwm模式，匹配清零，溢出置位 8分频/占空比高比低为：(OC

25、R2-0X01)/(0XFF-OCR2) /OX01+(OCR2)_OXFF (+表示输出高，_表示输出低)/即OCR2越大，占空比越大void ex_int_init(void) /外部中断 MCUCR |=(1ISC01)|(1ISC11); /下降沿触发GICR |= (1INT0)|(1INT1); /使能外部中断0和1DDRD &=(12)|(13); /输入PORTD|=(12)|(13); /上接电阻使能void init_USART(void) /USART 初始化 /USART 9600 8, n,1 UCSRC = (1URSEL) | 0x06; /异步，8位数据，无奇偶

26、校验，一个停止位，无倍速 UBRRL= (F_CPU/BAUDRATE/16-1)%256; UBRRH= (F_CPU/BAUDRATE/16-1)/256; UCSRA = 0x00; UCSRB = (1RXCIE)|(1RXEN)|(1TXEN); /使能接收中断，使能接收，使能发送void put_c(unsigned char c) /发送采用查询方式while( !(UCSRA & (1UDRE) );UDR=c;void put_s(unsigned char *ptr)while (*ptr)put_c(*ptr+);put_c(0x0D);put_c(0x0A); /结尾发

27、送回车换行void elevator_down(void) PD66(0);PD55(1);OCR2=0xc8;void elevator_up(void) PD55(0);PD66(1);OCR2=0xc8;void elevator_stop(void) PD55(1);PD66(1);OCR2=0xff;beep();void refresh_display(void) char i;if(sec=10) /时间更新sec=0;sec10+;if(sec10=6)sec10=0;min+;if(min=10)min=0;min10+;if(min10=6)min10=0;hour+;if

28、(hour=12)hour=0;SPI_TX_BUF0=Seg7Tableaim_layer;SPI_TX_BUF1=Seg7Tablesec;SPI_TX_BUF2=Seg7Tablesec10;SPI_TX_BUF3=Seg7Tablemin;SPI_TX_BUF4=Seg7Tablemin10;SPI_TX_BUF5=Seg7Tablehour;SPI_TX_BUF6=Seg7Tablecurrent_layer;for(i=0;i10;i+) SPI_MasterTransmit(SPI_TX_BUFi);/0xffSIGNAL(SIG_OVERFLOW2) /定时器2溢出中断服务程序

29、/*1.系统计时,sec一秒钟加1;2.显示刷新计时,display_refresh_flag=1时,表示刷新时间到.刷新后display_refresh_flag要清0;3.moter_cntr计数,moter_cntr_c=1时开始计数,moter_cntr由外部清,4.5秒钟计时.pause_time_cntr_c=1时开始计时,pause_time_over置1时计时结束, pause_time_over,清0后再开始下一轮计时.*/-系统计时-time_cntr+;if(time_cntr=3906)sec+;time_cntr=0;/-/=显示刷新=display_refresh_

30、cntr+;if(1300=display_refresh_cntr) /300ms刷新一次. display_refresh_cntr=0;display_refresh_flag=1; /=/+控制计数+if(moter_cntr_c) /电机控制脉冲计数 moter_cntr+;/+if(pause_time_cntr_c) /停止5秒计时 pause_time_cntr+;if(pause_time_cntr=19531) pause_time_cntr=0;pause_time_cntr_c=0;pause_time_over=1;/+SIGNAL(SIG_INTERRUPT0) /

31、外部中断0服务程序if(state!=UP) elevator_stop();pause_time_cntr_c=1; /停止状态计时开始paused =1;current_layer=1;current_num=0;SPI_TX_BUF7&=(10); /内部呼叫指示清除SPI_TX_BUF9&=(10); /1楼向上呼叫指示清除callin0=0; /一楼目的楼层清除callup0=0;SPI_TX_BUF7|= (16);SPI_TX_BUF7&=(1fullspeed)if(OCR2=252) OCR2+=3;else OCR2=255;if(moter_cntrfloor6num)&

32、(state=UP) elevator_stop();paused = 1;pause_time_cntr_c=1;/启动(停止时间)计数 current_layer=6; SPI_TX_BUF7&=(15); /内部呼叫指示清除 SPI_TX_BUF8&=(11); /6楼向下呼叫指示清除 callin5=0; /楼目的楼层清除 calldown5=0; state = PAUSE;SPI_TX_BUF7&=(16); SPI_TX_BUF7|= (1=16) RX_index=0;/防止数组溢出void call_reg(void)/呼叫登记 if(0xff!=PINA) switch(P

33、INA)/key1key5为内部呼叫,条件符合直接记入目的队列case key1 : if(UP!=state)&(current_layer1) SPI_TX_BUF7|=12)|(2!=state)&(current_layer2) SPI_TX_BUF7|=13)|(2!=state)&(current_layer3) SPI_TX_BUF7|=14)|(2!=state)&(current_layer4) SPI_TX_BUF7|=15)|(2!=state)&(current_layer5) SPI_TX_BUF7|=14;callin4=1;break;case key6 : if

34、(2!=state)&(current_layer5) SPI_TX_BUF7|=15;callin5=1;break; /以下为外部呼叫case up1: if(1=current_layer) break;SPI_TX_BUF9|=10;callup0=1;break;case down2 : if(2=current_layer) break; SPI_TX_BUF9|=11;calldown1=1;break;case up2 :if(2=current_layer) break;SPI_TX_BUF9|=12;callup1=1;break;case down3: if(3=curr

35、ent_layer) break;SPI_TX_BUF9|=13;calldown2=1;break;case up3: if(3=current_layer) break;SPI_TX_BUF9|=14;callup2=1;break;case down4: if(4=current_layer) break;SPI_TX_BUF9|=15;calldown3=1;break;case up4 : if(4=current_layer) break;SPI_TX_BUF9|=16;callup3=1;break;case down5:if(5=current_layer) break;SPI

36、_TX_BUF8|=13;calldown4=1;break;case up5: if(5=current_layer) break;SPI_TX_BUF8|=10;callup4=1;break;case down6: if(6=current_layer) break;SPI_TX_BUF8|=11;calldown5=1; break; default:break; void gen_aim_layer(void)/产生下一目标楼层 char i;if(UP=state)/上升for(i=current_layer;i=6) for(i=5;i=current_layer;i-) if(

37、calldowni=1) aim_layer=i+1; /锁定目标层后退出.break;if(DOWN=state)if(current_layer=2)for(i=(current_layer-2);i=0;i-) if(callini=1|calldowni=1) aim_layer=i+1; /锁定目标层后退出.break; if(i(current_layer-2);i+)if(callupi=1) aim_layer=i+1; /锁定目标层后退出.break; if(PAUSE=state) for(i=0;i6) if_reach_aim_layer();aim_layer=0;s

38、tate=PAUSE;void if_reach_aim_layer(void)/到达目标楼层后,注销对应项callincurrent_layer-1=0;if(state=UP) callupcurrent_layer-1=0;if(state=DOWN) calldowncurrent_layer-1=0;switch(current_layer)case 1:SPI_TX_BUF7&=(10);SPI_TX_BUF9&=(10);break;case 2:SPI_TX_BUF7&=(11);if(1=state) SPI_TX_BUF9&=(12);if(2=state) SPI_TX_

39、BUF9&=(11);break;case 3: SPI_TX_BUF7&=(12);if(1=state) SPI_TX_BUF9&=(14);if(2=state) SPI_TX_BUF9&=(13);break;case 4: SPI_TX_BUF7&=(13);if(1=state) SPI_TX_BUF9&=(16);if(2=state) SPI_TX_BUF9&=(15);break;case 5: SPI_TX_BUF7&=(14);if(1=state) SPI_TX_BUF8&=(10);if(2=state) SPI_TX_BUF8&=(13);break;case 6: SPI_TX_BUF8&=(11);SPI_TX_BUF7&=(15);callupcurrent_layer-1=0;state=0;break;default : break; void e