基于ARM的电梯控制系统设计

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开发板上提供了按键、发光二极管等常用的功能器件,具有 RS-232 接口电路和 I2C 存 储器电路。用户可以更换兼容的 CPU 进行仿真调试,如 LPC2101 和 LPC2102 等。开发板 上所有的 I/O 口全部引出,灵活的跳线组合,极大的方便用户进行32 位 ARM 嵌入式系统的开发实验。
嵌入式 ICE RT 通过片内 RealMonitor 软件提供实时调试;
10 位 A/D 转换器提供 8 路模拟输入(每个通道的转换时间低至 2.44us ),以及特定的结果寄存器来最大限度地减少中断开销;
2 个 32 位定时器/外部事件计数器(带 7 路捕获和 7 路比较通道);
2 个 16 位定时器/外部事件计数器(带 3 路捕获和 7 路比较通道);
图1.4光电感应器接线原理图
性能参数:
接线电压:10—65V直流
常开触点(NO)
无极性
防短路的输出
漏电电流≤0.8mA
电压降≤5V
注意不允许双线直流传感器的串并联连接
使用槽型光电感应器,能够及时返回平层信息,对于速度较慢的电梯模型控制误差很小。
1.3 电源模块
电源模块的选取很重要,不能马虎,要对所选元器件的工作性能进行考虑。由于所选继电器是12V直流电压驱动,电压低了将没有反应。直接选用电池供电不保险,也不符合设计本身的需求,故采用双线220V交流供电,易得,在经过整流和稳压,使得电压达到所需要求。考虑到可能出现的烧坏电源情况,制版时,采用双路制版,提高效率。电源模块原理图如下:
极丰富的数据接口:4-20mA.1-5V等模拟量输出,各类串并行数据接口以及PROFIBUS等各种现场总线;
安装维护方便:在保持适度间隙的条件下,无约束安装运行。
工作原理:
由于电梯的运行是根据楼层和轿厢的呼叫信号。行程信号进行控制,而楼层
和轿厢的呼叫是随机的,因此,系统控制采用随机逻辑控制。即在以顺序逻辑控
较小的封装和极低的功耗使LPC2103适用于访问控制器和POS机等小型应用系统中;由于内置了宽范围的串行通信接口(2个UART、SPI、SSP和2个I2C)和8KB的片内SRAM,LPC2103也适合用在通信网关和协议转换器中。32/16位定时器、增强型10位ADC、定时器输出匹配PWM特性、多达13个边沿、电平触发的外部中断、32条高速GPIO,使得LPC2103微控制器特别适用于工业控制和医疗系统中。
性能指标
电源电压15—30v,最大持续输出电流500mA/每个电机,短时间(10秒)可以达到700mA,PWM频率最高可以用到30kHz(一般用1—10kHz)。
1.1.2 继电器控制
但是,考虑到各种因素的限制,最终采用了继电器控制方式,所用继电器控制原理图如图1.3所示。
图1.3 继电器控制原理图
低功耗实时时钟(RTC )具有独立的电源和特定的32KHz 时钟输入;
多个串行接口,包括 2 个 UART(16C550 协议标准)、2 个高速 I2C 总线(400 Kbit/s )、SPI 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的 SSP;
向量中断控制器(VIC ),可配置优先级和向量地址;
多达 32 个通用 I/O 口(可承受5V 电压);
摘要
伴随建筑业的发展,电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备,更是一种工作和生活中的必需设备,完全可以预想到,随着社会的发展,电梯产品在人们物质文化生活中的地位将和汽车一样,成为重要的运输设备之一。
电梯控制系统是电梯技术的核心,它将电梯的各机械部件有机的组合起来,实现了电梯复杂的功能与稳定有效的运行。随着电子技术日新月异的发展,电梯控制系统经历了继电器控制、可编程逻辑控制(PLC) ,智能微机控制的发展历程。
图2.5继电器引脚图
图2.4继电器引脚图
引脚功能介绍:
1、8两脚是线圈,加DC直流电压,不区分正负方向,是电压驱动;
2、7两脚为触点的公共COM端;
3、6两脚是常闭端;
4、5两脚是常开端。
2.3
78系列稳压管使用方便,用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源。
本设计中,电源模块多次使用该系列稳压管,主要有7805、7809、7812三种,其为线性稳压器件,可固定输出电压。
图1.1系统结构框图
电梯控制系统的核心部件是ARM板,它是整个系统的主控制器。主控制器采集到轿厢控制器和楼层控制器发出的外呼、内选等呼梯请求后,按照程序指定的电梯控制策略,对信号进行处理,向门机发出相关控制指令,将电梯派往相应楼层,实现电梯轿厢的垂直运动控制。同时主控制器还要根据井道位置开关判断当前电梯的位置。
EasyARM2103 底板:不包括核心控制芯片,具有基于LPC2103 芯片的扩展电路和外围器件的电路板。EasyARM2103 底板由电源模块,显示模块、按键电路、时钟模块、串口和JATG等六部分电路构成。
2.1.2
图2.3定时器与VIC的关系
2.2
拽引电机使用继电器控制,所选用的继电器为汇港公司生产,性能稳定,质量可靠。继电器的封装图和引脚图,分别如图所示。
可进行 GPIO 的输入输出实验,如按键输入、发光二极管输出等;
按键、发光二极管分别可用于外部中断、GPIO 输出等;
具有 RS-232 转换电路,可与上位机进行通信,完成 UART 通信实验;
具有 I2C 接口和 SPI/SSP 接口输出;
提供基于 PC 的人机界面,方便调试实时时钟和串口通信等;
静磁栅位移传感器原理:静磁栅位移传感器由“静磁栅源”和“静磁栅尺”两部分结合使用。“静磁栅源”使用铝合金压封无源钕铁硼磁栅组成磁栅编码阵列;“静磁栅尺”用内藏嵌入式微处理器系统的特制高强度铝合金管材封装,使用开关型霍尔传感器件组成霍尔编码阵列,铝合金管材外部使用防氧化镀塑处理。“静磁栅源”沿“静磁栅尺”轴线作无接触(相对间隙宽容度和相对姿态宽容度达50mm)相对运动时,由“静磁栅尺”解析出数字化位移信息,直接产生高于毫米数量级的位移量数字信号。充分发掘嵌入式微处理器的资源,将数据更新速度提高到毫秒数量级,以便能适应5m/S以下运动速度的位移响应。
综合特点:
使用寿命长:无接触检测位置及角度,避免了机械损伤,理论上无寿命极限;
抗恶劣环境:-40℃至+100℃工作温度范围,连续高粉尘。泥浆。
水下极高撞击。
强振动工作环境;
直接绝对型测量:直接指示位移毫米数或旋转角度数,无需换算,不怕掉电,任意定位控制;
量程极长,分辨率适中:260毫米-2000米长度量程,分辨率0.2mm-1mm;
图1.5 电源模块原理图
图中,设计了两个一摸一样的电压模块,并非累赘,实践过程中烧坏电压的情况经常发生,为避免因此而减慢实践效率,故设计了两路,防范于未然。

2.1
EasyARM2103开发板采用了NXP公司基于ARM7TDMI-S 核、LQFP48封装的 LPC2103 芯片,具有 JTAG 仿真调试功能。
1.1 拽引电机控制模块
1.1.1 H桥控制
经过讨论与思考,搜集资料以及指导老师的推荐,我们首先想到H桥控制电机的正反转。通过控制Port1和Port2的高低电平来控制输出端的平均输出电压,实现调速功能。具体功能实现图如图1.2所示。
图1.2 H桥控制电机可调速运转实现电路图
电路分析:
输入与电平转换部分
EasyARM2103 开发板的功能特点如下:
采用“底板+PACK 板”的形式构成 EasyARM2103 开发套件,PACK 板的主芯片 为 LPC2103 ;
板上所有的功能器件与 LPC2103 的引脚可通过跳线来连接;
配套有详细的开发板实验教程;
I/O 口全部引出,方便用户连接外部电路进行开发;
本文的电梯控制系统是基于ARM技术的四层电梯控制系统,该控制系统采用有齿轮拽引小电机,由于只为初级电梯模型研究,对电梯运行速度的掌控精度要求不高,故采用继电器控制电机的正反转,无速度控制实现。
关键词:电梯控制系统、ARM。

本课程实践采用EasyARM2103控制整个模型的运转,实现电梯模型的基本智能控制。其中有梯内请求、梯外呼叫、电梯位置控制、显示模块、拽引电机模块等几部分组成。系统总体设计原理框图,如图1.1所示。
可进行外部中断实验,学习向量中断控制器(VIC );
定时器实验,如定时输出和定时器捕获等;
复位芯片 CAT1025,完成 I2C 总线实验;
A/D 转换实验、WDT 看门狗实验;
实时时钟控制实验。
LPC2103概述:
LPC2103 是一个基于支持实时仿真的 16/32 位 ARM7 TDMI-S CPU 的微控制器,并带有32kB 的嵌入高速 Flash 存储器,128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。
制实现电梯的基本控制要求的基础上,根据随机的输入信号,以及电梯的相应状态适时的控制电梯的运行。另外,轿厢的位置是由静磁栅位移传感器确定,并送ARM的计数器来进行控制。同时,每层楼设置一个静磁栅源用于检测系统的楼层信号。
虽然静磁栅位移传感器功能非常好,性能也极稳定,考虑到价格以及设计者知识水平的限制,加之此次实践本身的限制性,故采用比较常见的光电传感器,对电梯模型进行位置测定。
可通过个别使能/禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗;
通过外部中断或 RTC 将处理器从掉电模式中唤醒。
2.1.1
EasyARM2103开发板采用“底板+PACK板”的形式构成。
图2.1EasyARM2103开发板 图2.2 EasyARM2103 PACK板
EasyARM2103 PACK板:与 EasyARM2103底板配套使用,含有核心控制芯片LPC2103及其必要外围电路的PACK板,实物如图2.2所示。
与非门U1A实现PWM信号与电机方向信号的调制,转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。
三极管驱动部分
三极管和电阻、二极管组成的电路驱动,实现对直流电机可调速正反转驱动。四个二极管起保护三极管的作用,防止感性元件(电机)产生的负感应电动势对三极管的冲击。
当74LS00输出端为低电平时,Q2、Q4截止,Q1、Q3导通,输出为高电平。当74LS00输出端为高电平时,Q2、Q4导通,Q1、Q3截止,输出为低电平。
多达 13 个边沿、电平触发的外部中断管脚;
通过一个可编程的片内 PLL (100us 的设置时间)可实现最大为 70MHz 的CPU 操作频率,其具有 10MHz~25MHz 的输入频率;
片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为 1~25MHz ;
低功耗模式包括空闲模式、带 RTC 的睡眠模式和掉电模式;
LPC2103特性:
16/32 位 ARM7 TDMI-S 微控制器,超小 LQFP48 封装;
8KB 的片内静态RAM 和 32KB 的片内Flash 程序存储器。128 位宽度接口/加速器Hale Waihona Puke Baidu实现高达 70 MHz 工作频率;
通过片内 boot 装载程序实现在系统/在应用编程(ISP/IAP )。单个Flash 扇区或整片擦除时间为 100ms,256 字节编程时间为 1ms;
输入信号线由Port引入,Port1脚是电机方向信号输入端,Port2脚是PWM信号输入端,Port3脚是地线。Port3脚对地连接了一个2kΩ的电阻。当驱动板与ARM板分别供电时,这个电阻可以提供信号电流的通路。当驱动板与ARM板共用一组电源时,此电阻可防止大电流沿着连线流入ARM主板的地线造成干扰。或者说,相当于把驱动板的地线与ARM板的地线隔开,实现“一点接地”。电容C1防止电机突然启动造成电压的突降。
槽型光电传感器工作原理
把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光,在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时,光被遮挡,光电开关便动作。输出一个开关控制信号,切断或接通负载电流,从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。原理图如下:
两个继电器,分别在给正电时工作,J1得电时正转,J2得电时反转,通过控制J1、J2的得电情况来控制电机的正反转。
注意:J1、J2不能同时得电,否则形成短路,电源模块将被烧坏。
1.2 位置开关模块
1.2.1 位移传感器控制
电梯中向控制系统、拖动系统提供载荷、换向、障碍、位置、速度等各种信号,把信号反馈给控制系统且使电梯平衡运行都离不开传感器。在目前的智能电 梯控制系统中,采用静磁栅位移传感器作为电梯平层控制的调整装置。
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