实验用升降机模拟控制系统

绪论

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。电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。1889年美国奥梯斯升降机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降机，同年在纽约市马累特大厦安装成功。随着建筑物规模越来越大，楼层也越来越高，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性都提出了更高的要求。由于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。[1]

为了解决由此引起的问题，采用智能化的控制设备来代替传统的继电器势在必行。单片机是一种集CPU ,RAM ,ROM ,定时，计数和多种接口于一体的微控制器，它是一种智能化的控制设备，为很多控制系统提供了一种灵活性高而且价廉的方案。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。使用单片机控制电梯，具有电路设计简单，功耗低，运行稳定，维护方便等特点。[2]因此，单片机控制升降机，成为一种方便有效的升降机控制系统。本课题就是以单片机作为实验用升降机的控制核心。

第一章概述

1.1 单片机简介

单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）,又称为微控制器（Microcontroller Unit）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。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,其基本结构如图1-1所示。[3]

图1-1 单片机结构

1.2 利用单片机控制实验升降机的可行性

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。

单片机与通用微机相比较,在结构,指令设置上均有其独特之处,其主要特点如下:

（1）单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器,只存放程序,固定常数及数据表格。RAM则为数据存储器,用于工作区及存放用户数据。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中,有较大的程序存储空间,把开发成功的程序固化在ROM中,而把少量的随机数据存放在RAM中。这样,小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内,用来加速单片机的执行速度。[4]（2）采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要,单片机有更强的逻辑控制能力,特别是具有很强的位处理能力。[5]

（3）单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限,为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾,采用了引脚功能复用的方法.引脚处于何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分。

（4）单片机的外部扩展能力强。在内部的各种功能部分不能满足应用需求时,均可在外部进行扩展(如扩展ROM,RAM,I/O接口,定时器/计数器,中断系统等),与许多通用的微机接口芯片兼容,给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。[6]因此利用单片机作为实验用升降机的控制系统是完全可行的。

第二章 控制系统的硬件设计

2.1控制系统的硬件组成

在本设计中需用到1个AT89S51芯片,1个七段数码管，一个蜂鸣器，1个复位电路，8个按键，24个发光二极管（16绿色，8个红色），一个12MHz 晶振。其中七段数码管作为显示部分。发光二极管构成输出部分。按键构成输入部分。晶振构成时钟电路。其组成模块如图2-1所示。[7]

图2-1 功能模块

2.2 控制系统功能模块的介绍

2.2.1 AT89S51 芯片

本设计主要采用AT89S51芯片。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS ， 8位单片机，片内含4k Bytes 的可反复擦写1000次的Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP(In-system programming) Flash 存储单元，功能强大的微型计算机AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。[8]

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器，128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM ），32个外部双向输入/输出（I/O ）口，5个中断优先级,2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT ）电路，片内时钟振荡器。[9]

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz 并可通过软件设置的省电模AT89S

51 单

片机

复位电路

输 入

时钟电路 输出

显示

式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作。掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片的其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。[10]主要特点如表2-1所示：

表2-1 AT89S51芯片的主要特点

兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(>1000次)ISP

Flash ROM

32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压

2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz

全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM

2个外部中断源低功耗空闲和省电模式

中断唤醒省电模式3级加密位

看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能

灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针

AT89S51单片机引脚功能如下。

VCC：电源电压。

GND：地。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线同时转换成地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

[11]

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash编程和程序校验期间，