电梯系统课程设计

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内容摘要 (1)
关键词 (1)
Abstract (1)
Key words (1)
1. 电梯技术发展概况 (2)
1.1电梯发展趋势………………………………………………………
1.2电梯分类……………………………………………
1.3设计电梯模型的背景…………………
2．系统的物理模型…………………………………………………………………………
2.1模型的总体介绍………………………………………………………………
2.2 系统完成的功能…………………………………………………………………3．系统的总体设计…………………………………………………………………………
3.1硬件设计……………………………………………………………
3.2软件设计…………………………………………………………………………
3.3 系统实现中的重难点……………………………………………………………
3.4 参数计算及数据测试……………………………………………………………
3.5实际电梯理想速度曲线的数学模型………………………
4. 结束语…………………………………………………………………………………参考文献……………………………………………………………………………………致谢………………………………………………………………………………………
内容摘要：首先介绍了电梯的有关知识以及电梯的发展趋势；其次讲述了电梯控制模型的物理结构及其实现功能；详细描述了该模型的设计思想和软件硬件系统设计思路，分别给出了电路图和程序流程图；经过详细的分析，理论计算，实际调试、测试，系统达到了预先的技术指标；最后，在理论上分析了实际电梯理想速度曲线的数学模型，并给出了详尽的数学推导。

关键字：单片机控制模型系统设计
Abstract：This paper introduces the relevant knowledge of the elevator at first, tells the development trend of the elevator . Later on the basis of the system that is designed ,it makes an introduction of the realization function that the elevator controlled , the elevator-controlling model and the physics structure .It also describes the concrete designs of the design philosophy of this model , software hardware system,as well as provides the circuit diagram and procedure flow chart separately. Through detailed analysis, the theory is calculated, debug and test actually, the elevator-controlling model have reached the technical indicator in advance . Finally, this paper analyses the mathematics models of the ideal speed curve of the real elevator in theory , provides exhaustive mathematics to derive. Key words：single chip computer; control model ; step motor
1．电梯技术发展概况
1.1电梯发展趋势
在现代工业自动化领域中，电梯行业实现功能越来越多，已经采用各种尖端技术和嵌入式技术，因此使得控制对象（被控制设备）的设计越来越复杂。

单片机作为一种价格性能比良好的计算机，在当今各个领域得到广泛的应用。

电梯已成为现代化生活的必要设备，研究电梯模拟系统，能够使自己在综合应用所学知识的同时，可以将该模型应用于相关课程的实验教学，更可以作相应学校教学的科普仪器。

就我国的电梯行业来说这几年已经有了翻天覆地的变化，不再跟着其他国家后面抄袭技术，我们的有些电梯企业已经掌握了国际尖端技术的产品。

我国电梯发展大概会走以下趋势：
首先，国家政策开始重视，从2004年重新开始已经停止了两年的电梯生产许可证验收颁发，结束了各种投资无法投资电梯行业的状况，而且对电梯生产企业的管理更上一个新的台阶；其次，电梯行业投资踊跃，在2004年新增电梯生产企业几十家，其他相关企业有几百家；电梯市场继续扩大、电梯技术发展迅速，目前电梯企业均向第四代无机房电梯技术靠近，而且最受关注的电梯新技术还有永磁同步技术、乘客识别系统、指纹识别系统等。

就在去年国际最新电梯八大应用技术有：1全数字识别乘客技术（所有乘客进入电梯前进行识别，其中包括眼球识别、指纹识别）；
2数字智能型安全控制技术（通过乘客识别系统或者IC卡以及数码监控设备，拒绝外来人员进入）；
3第四代无机房电梯技术（主机必须与导轨和轿厢分离，完全没有共振共鸣，速度可以达到2.0M/S以上，最高可以使用在30层以上）；
4双向安全保护技术（双向安全钳、双向限速器，在欧洲必须使用，中国正在被普遍使用）；
5快速安装技术（改变过去的电梯安装方法，能够快速组装）；
6节能技术（采用节能技术，使电梯更节约能源）；
7数字监控技术（完全采用计算机进行电梯监控和控制）；
8无线远程控制及报警装置（当电梯产生故障时，电梯可以通过无线装置给手机发送故障信息，并通过手机发送信号对电梯进行简单控制）
1.2电梯分类
我们可以从电梯的操纵方式分类可以看出电梯的功能越来越完善，更加人性化。

按操纵方式分，电梯可以分为以下几种：
(1)手柄开关操纵电梯
电梯司机在轿厢内控制操纵盘手柄开关，实现电梯的起动、上升、下降、平层、停止的运行状态。

它要求轿厢门上装有透明玻璃窗口或使用栅栏轿门，井道壁上有层楼标记和平层标记，电梯司机根据这些标记判断楼层数及控制电梯平层。

按钮控制是一种简单的自动控制电梯，具有平层功能，常见的有轿外按钮控制、轿内按钮控制两种控制方式。

(2)信号控制电梯
这是一种自动控制程度较高的有司机电梯。

除具有自动平层，自动开门功能外，还具有轿厢命令登记、层站召唤登记、自动停层、顺向截停和自动换向等功能。

司
机只要将需要停站的层楼按钮逐一按下，再按下启动按钮，电梯就自动关门运行。

在这中间，司机只需要操纵启动按钮，一直到预先登记的指令全部执行完毕。

在运行中，电梯能被符合运行方向的层站召唤信号截停。

采用这种控制方式的常为有司机客梯。

(3)集选控制电梯
集选控制是一种在信号控制基础上发展起来的全自动控制的电梯，它与信号控制的主要区别在于能实现无司机操纵。

其主要特点是：把轿内选层信号和各层外呼信号集合起来，自动决定上、下运行方向，顺序应答。

这类电梯需在轿厢上设置称重装置，以免电梯超载。

轿门上需设有保护装置，防止乘客出、入轿厢时被轧伤。

(4)并联控制电梯
2-3台电梯的控制线路并联起来进行逻辑控制，共用层站外召唤按钮，电梯本身都具有集选功能。

自动返回基站。

另一台电梯在完成其所有的任务后，就停留在最后停靠的层作为备用梯。

当重新出现召唤指令时，备行梯首先应答、启动、运行。

当备行梯运行后方出现召唤信号时，则基站梯接收信号启动出发。

基站梯和备用梯不是固定不变的，而是根据运行的实际状况确定。

备行梯也有可能在执行轿厢内乘客的指令后停留在基站，优先应答基站召唤。

(5)群控电梯
群控电梯是用微机控制和统一调度多台集中并行的电梯。

群控有梯群的程序控制、梯群智能控制等形式，下面介绍主要的两种形式：
①梯群的程序控制
控制系统按预先编制好的交通模式程序集中调度和控制。

如将一天中的客流分成上行客流量高峰状态、客流量平衡状态、下行客流量高峰状态、上行客流量比下行大的状态、下行客流量比上行大的状态和空闲时的客流量状态。

电梯在工作中，按照当时客流状况，以轿厢的负载、层站的召唤频繁程度、运行一周的时间间隔等为依据，自动选择或人工变换控制程序。

如在上行高峰期，对电梯实行了下行直驶控制等。

②群体智能控制电梯
智能控制电梯有数据的采集、交换、存储功能，还有进行分析、筛选、报告的功能。

控制系统可以显示出所有电梯的运行状态，通过专用程序分析电梯的工作效率、评价电梯的服务水平。

计算机根据当前的客流情况，自动选择最佳的运行控制程序。

1．3设计电梯模型的背景和必要性。

开题报告有。

(补充)
2.1模型的总体介绍
本系统的建立需要搭建一个电梯系统的实物模型，有电梯机械模型和控制装置组成。

为了能更加简洁明了的介绍电梯的各个功能实现，所以不按照原大小制作电梯，只按照原尺寸缩小制造，当然有些装置也不和真实装置的一致。

图一所示是电梯的基本框架，其搭建有一定的规则，每一层门厅都要有门厅按钮，除了底楼和顶楼只需要一个门厅按钮以外，其余各层要安装两个门厅按钮。

每一层还要安装控制电梯平层的传感器感应片。

由于模型大小的关系，轿厢并不能很大，因此轿厢内的按钮需要外接。

轿厢通过一个定滑轮拽引移动，它的上下移动控制就由步进电机来完成。

控制设备由电脑主机、程序、控制电路、键盘等组成，其主要作用是通过8279接收从电梯传来的信号、控制电梯的上下运作等等。

2.2 系统完成的功能
根据设计要求，系统应具备以下功能：
(1)能随时检测按键，并做出正确、适时的响应；
(2)在各种不同的运行状态下，更通过LED管和报警器（蜂鸣器）给出不同的提
示；
(3)电梯运行时，能满足方向优先和距离优先的原则；
(4)能改变电梯运行速度（2.5-4.5秒/层），并且能准确平层。

3.1电梯的硬件设计
根据系统功能要求，系统由主控制器、键盘/显示、电机控制、声光报警、传感器等硬件部分以及软件部分组成，系统构成见图2 。

下面对各组成部分加以详细的介绍。

3.1.1主控制器
单片机系统是整个硬件系统的核心，它既是协调整系统工作的控制器，又是数据处理器。

单片机、地址译码器74LS138和地址锁存器74LS573构成的最小单片机系统。

电路图如下（图是否与设计的思路吻合？我看不清楚）：
SST89E554RC需要介绍：
图3 单片机最小系统图
3.1.2步进电机
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

所以本系统采用步进电机来控制电梯的运行。

本系统中选用0.9°四向八步步进式电机，每400个脉冲电机转动一圈，因此可以精确计算轿厢经过每一楼层的时间。

步进电机不象普通的直流电机、交流电机在常规下使用，它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。

步进电机的驱动器的输入信号共有3路，它们是：步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR、脱机信号FREE。

电机的步进脉冲信号CP、方向电平信号DIR和FREE分别与单片机的P1.0—P1.2口相连。

步进脉冲信号CP用于控制步进电机的位置和速度，也就是说驱动器每接受一个CP脉冲就驱动步进电机旋转一个步距角，CP脉冲的频率改变则会使步进电机的转速改变，控制CP脉冲的个数，可以使步进电机精确定位。

方向电平信号DIR用于控制步进电机的旋转方向。

此端为高电平时，电机一个转向；此端为低电平时，电机为另一个转向。

电机换向必须在电机停止后再进行，并且换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个脉冲方向的第一个CP脉冲前发出。

脱机信号FREE起作用时（低电平有效），电机处于自由无力矩状态；当此信号为高电平或悬空不接时，取消脱机状态。

此信号可选用，也可不接。

由此，控制好这3路输入信号就可以控制步进电机运转。

3.1.3 8279显示及键盘控制
Intel8279是一种通用的可编程序的键盘、显示接口器件，单片器件就能够完成键盘输入和显示控制两种功能。

键盘部分提供一种扫描的工作方式，可以和具有64个按键的矩阵键盘相连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别按下的键并给出编码，能对双键或n键同时按下实行保护。

显示部分为发光二极管、荧光管及其它显示器提供了按扫描方式工作的显示接口，它为显示器提供多路复用信号，可以显示多达16位的字符或数字。

8279硬件介绍
8279由七大模块组成：输入/输出控制及数据缓冲器，控制与定时寄存器及定时控制，扫描计数器，回复缓冲器，键盘消抖及控制，FIFO/传感器RAM及其状态、显示RAM和显示地址寄存器。

3.1.4 传感器
为了能够进一步精确平层，本系统使用了光耦传感器来控制电梯的平层。

当电梯行驶到某一楼层时，光发射器和光接收器相对，接收器接收到光发射器发出的光，于是三极管导通，3口的电平被拉低，经过与非门后该楼层输出端得到高电平。

如果不经过楼层时，该楼层输出端就为低电平。

下面附上电路图：
图4 光耦传感器电路图
3.2软件设计
由于本系统硬件连接比较简单，软件控制就成为了电梯控制的核心部分。

电梯在运行中要满足“方向优先”和“距离优先”两大原则是程序设计所必须考虑的。

本系统是采用C语言进行单片机程序设计的。

C语言是一种编译型程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇编语言的功能。

所以用C语言进行8051单片机程序设计是单片机开发与应用的必然趋势。

3.2.1电梯调度描述
在电梯启动时，面对众多的请求信号，要依据“方向优先”和“距离优先”两大原则选出应首先响应的楼层。

在响应之后，再选出下一个符合条件的楼层响应。

实现电梯调度算法描述如下(如图5所示)：
(1)初始状态在一楼。

内外部没有请求，则保持原先状态；
(2)外部请求发出，放在请求列表中，定时分配：
①读取当前各电梯状态（运动状态、所在楼层）；
②同方向、路径最短（出去同方向需要折回情况）；
③同方向不符合，则取停止电梯中路径最短的那个，修改该电梯目标列表；
④此时没有符合要求的，则进入下一个循环；
(3)内部请求：下一个请求需要在电梯路径上，不允许折回，否则不响应；
(4)开门一直按着电梯会停着不动，电梯移动需要关上门。

3.2.2 电机控制程序
电机控制是整个系统的核心，它将直接影响到电梯能否准确平层和按照要求运行。

由电梯的运行速度来确定输入到步进脉冲信号CP的信号频率，由判断电梯运行方向的子程序来确定输入到方向电平信号DIR的信号电平高低，由所在楼层和目标楼层来确定所需的步数。

控制思路简单介绍：
3.2.3 8279的程序控制
本系统对8279的键盘赋予了实际的意义，编程时根据下图将各个按键赋予特定的功能，分别为各个楼层的上行、下行按钮和轿厢按钮。

由于8279能自动识别按下的键，即可将相应的功能对应起来。

8279软件编程介绍
子程序思路介绍
3.2.4主程序
在启动电梯前，默认电梯停在一楼并进行相应的初始化。

程序中用到out结构体来存储各个楼层上行和下行按键按下的情况，初始值都为零。

当楼层按键有按下时，数组相应单元就会置位。

当轿厢里按键按下时，数组in[ ]相应单元就会置位。

在程序中就是通过判断这些单元的值的变化情况来控制电梯运行的。

当电梯到达某一层时，就会显示相应的楼层数，并结束显示原先该层方向上按键按下的请求信号，同时配以声音提示，并将数组内相应单元的值置零。

在每层停留的时间为5秒，当电梯开始运行时，表示运行方向的LED管同时也开始闪烁。

当在请求层停留后，又会判断是否有其他楼层的请求，如果有，就会继续运行，如果没有，电梯就暂时停留在该层，直到又有新的请求信号再重新启动。

其工作流程如图6所示：
图6 系统主程序流程图
3.3 系统实现中的重难点
3.3.1 实现8279的键盘互锁功能
8279中有8条命令和状态字，其中键盘/显示方式设置命令字的低三位可用来设定7种键盘、显示工作，当为000时是编码扫描键盘-双键锁定，为001译码扫描键盘----双键锁定。

双键锁定为两键同时按下提供保护，在消振周期内，如果有两键同时被按下，则只有其中的一键弹起，而另一键在按下位置时，才能被认可。

另外还有一种是N键轮回方式，双键锁定和N键轮回是两种不同的多键同时按下保护方式。

实现了键盘互锁功能就能够有效的避免在电梯运行时不同的楼层按键同时被按下的情况，避免错误的产生。

3.3.2步进电机的控制方法、控制精度，精确的完成每一次平层
由于步进电机只有周期性的误差而无累积误差，所以能够比较精确的平层。

而通过控制输入脉冲的频率和占空比就能够控制电梯运行的速度。

3.3.3电梯运行时的算法，满足方向优先和距离优先两大原则
电梯运行时，首先要响应同方向上的呼叫，在同方向上没有请求的情况下，再响应反方向上的呼叫。

这就要求电梯算法要能控制辨别出符合条件的楼层。

3.3.4电梯运行时的速度控制
为了保证乘客在电梯中的舒适度，本系统引进了电梯理想运行曲线的概念。

电梯运行的舒适性取决于其运行中加速度a和加速度变化率P，过大的加速度或加速度变化率会引起乘客的不适感。

同时，为保证电梯的运行效率，a和P的值也不宜过小。

能保证a、P最佳取值的电梯运行曲线称为电梯的理想运行曲线。

有很多论文对电梯的理想运行曲线进行了研究，所在的环境和条件不同，得出的曲线也不尽相同，本系统在计算机实现时，尽可能的减少乘客的不舒适感。

后面将在理论上对电梯的理想运行特性曲线进行探讨。

3.4 参数计算及数据测试
3.4.1 单片机输出频率计算
由电梯的物理模型，可推导出计算频率的公式：
f=
3.4.2运行测试及误差分析
3.5实际电梯理想速度曲线的数学模型
电梯运行速度控制和理想速度曲线研究的最终目的是为了解决两个问题：一是乘客的舒适感，二是轿厢的平层精度。

为了乘客安全舒适且运行时间要段，需要选择和控制运行中的最大加减速度，保持加减速度变化率平稳；为了实现直接停靠，在制动时应当使速度按行驶距离进行自适应控制。

目前用的最多的一种办法是将预先计算好的速度曲线存入计算机中，运行时再从内存中取出合适的给定速度。

但是此办法有不足就是所需内存容量较大、自适应差。

所以现在有很多论文研究有关于
电梯运行速度曲线的设计和平稳快速启动制动最优控制的办法。

下面本文只对理想速度曲线做理论上的分析，建立相应的数学模型。

在电梯中，为了保证乘客舒适感和提高运行效率，通常采用抛物线——直线综合速度曲线，如图6所示。

该曲线可分为启动、稳速和制动三个阶段。

根据电梯运行的时间和距离，使电梯在启动后和停止前有一个加速和减速缓冲的过程。

在启动过程中的第一个抛物线段，加速度由零逐渐增加到最大加速度，在直线段完成匀加速过程。

在第二个抛物线段，加速度逐渐减小，整个过程结束后，加速度减为零，速度达到最大值，电梯进入稳速运行阶段。

如图，在0—t3时间内为加速起动阶段，其中0—t2和t2—t3区间内速度曲线为抛物线形状，在t1—t2时间内为直线形状，在t3—t4时间内为稳速运行阶段，在t4—T 时间内为减速制动阶段。

速度曲线与起动加速曲线相对称。

1)启动段分析
(1) 加速度
a 1=1
am t t; 0≤t ≤t 1
a 2=am; t 1≤t ≤t 2
a 3=)3(2
3t t t t am --; t 2≤t ≤t 3 (2) 速度
v 1(t)=⎰t dt t a 0)(1+v(0)=⎰t dt t am 01=
1
2t am t 2
; 0≤t ≤t 1 v 2(t)=v(t 1)+ ⎰t
t dt t a 1)(2= v(t 1)+a m (t-t 1) ; t 1≤t ≤t 2
v 3(t)= v(t 2)+ ⎰t
t dt t a 2)(3= v(t 2)+
23t t am -(t 3t-t 2t 3-21t 2+2
1
t 22) ; t 2≤t ≤t 3 其中各区转折速度： v(t 1)= 2
1
a m t 12
v(t 2)= v(t 1)+ a m (t 2-t 1)= 2
1
a m (2t 2-t 1) v(t 3)= v(t 2)+ 21a m (t 3-t 2)= 2
1
a m (t 3+t 2-t 1)
(3) 距离
S 1(t)=⎰=t t am
t v 01
6)(1t3 ; 0≤t ≤t 1
S 2(t)=S(t 1)+⎰t t dt t v 1)(2 =S(t 1)+v(t 1)t+2
1
a m t(t-2t 1) ; t 1≤t ≤t 2
S 3(t)=S(t 2)+
⎰
t
t dt t v 2
)(3=S(t 2)+v(t 2)
(t-t 2)+
)
23(6t t am
-(3t 3t 22-6t 2t 3t-t 3-2t 23+3t 22t) ; t 2≤t ≤t 3
2)分速度曲线与楼层高度H 的关系
对于低速电梯在运行期间一般均可达到满速，而快速电梯单层运行时则会出现运行尚达到满速就得开始制动的现象，多层运行也因为运行层数不同急负载情况的变化使稳定运行段的稳速值不同，从而使减速信号到来时的速度不同。

从理论上讲，对于不同的楼层，都有一条相应的理想速度。

下面就理论上来分析分速度曲线与楼层高度H 的关系：
(1)能达到最大加速度am 时的有关参数运算：
由图可计算出，Vmax=amt1/2
达到最大加速度am 时电梯仅在启动和制动条件下运行，此时，临界楼层高度为H1=2⎰1
01t dt v =a m t 12/3
(2)能达到运行最大速度Vmax 的有关参数计算：
此时的速度曲线无恒速运行部分，起制动速度曲线包含恒加速度运行部分，此时的临界楼层高度 H2=
=
++⎰⎰⎰
3
2
21
1
321t t t t t dt v dt v dt v a m t 13/6t 1+v(t 1)(t 2-t 1)+v(t 2)(t 3-t 2)
+a m (t 2-t 1)2/2+a m (t 3-t 2)2/3 (3)H<H1时分速度运行：
此时速度曲线中无恒加（减）速度段，能够达到的最大加速度也比预定的最大加速度小，因此可根据实际的楼层高度H 求出其它参数如电梯的最大运行速度和时间。

(4)H1<H<H2时分速度运行：
此时起制动曲线包含有恒加速部分，速度曲线中无恒速运行部分，不能达到最大匀速运行的最大速度。

4．结束语
本控制模型在硬件上，采用了步进电机、8279和光耦传感器。

步进电机使单片机对电机的控制准确，运行时误差小；8279使单片机能够准确的得到键盘的按键状况，而不需要用传统的查询或者中断方式，使效率得到更大的提高；光耦传感器使电梯能够准确的平层。

在软件上，由算法到程序都经过详细的规划设计，能够满足系统设计的要求。

从最终的测试结果来看，该系统很好的完成了预定的各项要求。

文字不够
参考文献：
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