基于51单片机实现的电梯模型设计

电梯模型设计报告学院：自动化学院队名：xxx队员：xxx日期：2009.11.20一、概述电梯模型以51为核心处理器，步进电机为控制电机，用L298N 搭建驱动电机模块，结合光电传感器实现对电梯的上升，下降，准确平层各种运行方式的控制。

利用矩阵键盘、ISD1760语音芯片，数码管等各种功能模块实现电梯的扩展功能及人机交互功能。

二、方案论证方案一：直流伺服电机+光电传感控制方式。

优点：直流电机速度可以平滑调节，自带编码盘可以记录电梯运行位移，速度调节范围大。

缺点：用编码盘测量位移误差较大，对CPU运算处理要求较高而且直流电机运行时带有一定惯性，对平层带来较大难度。

方案二：步进电机+光电传感控制。

优点：步进电机可以用脉冲方式控制轿厢位移，配合光电传感模块可以准确实现轿厢平层；步进电机为输入脉冲时，电机可以卡死不发生转动，使得电梯在楼层处安全停止，等待相应操作。

缺点：步进电机转速较慢，速度控制要通过该变脉冲频率来调节，控制电路要求较高。

由于本作品为电梯模型，速度要求不高，通过单片机可以方便输出电机所需脉冲，配合L298芯片可以实现对步进电机的完美控制，所以我们选择方案二。

三、详细设计方案1.楼层模型设计电梯模型采用易于加工的木材，选用1.2米长的木板作为模拟楼层，底座用三角架固定，确保电梯运行过程不会出现模型摇动现象。

电梯轨道处拉两根铁丝作为电梯导轨，保障电梯的运动轨迹。

轿厢用纸盒模拟代替，盒子敞开一面，可以放入物品，模拟乘客进出电梯。

2.驱动电路模块控制电机选用四相步进电机，步进角为1.8度。

步进电机可以通过直流斩波改变顺序控制电机正反传，51单片机的定时/计数器可以模拟输出4路直流斩波，通过步进电机驱动电路控制步进电机。

驱动电路以L298N驱动芯片为核心部件，L298N芯片的电平电压与51单片机兼容，驱动电压可达50V完全可以驱动电梯模型所用控制电机。

驱动电路如下图：四个输出端分别接步进电机的四个脉冲输入端，通过定时计数器模拟输出的四路直流斩波控制L298N的输出端口，从而可以方便的控制步进电机。

电机的运转速度可以通过调节直流斩波的频率来控制。

同时，通过对脉冲个数的控制，也可以粗略了解轿厢运行的位移，配合光电模块，将使电梯平层更加便捷、准确。

3.光电传感模块为了确保准确平层，每层楼都安装红外对管，用于检测轿厢是否运行至楼层，若检测到轿厢运行至目标楼层，则像CPU发出中断请求，执行电梯停止运行操作。

红外对管原理：红外对管由发射和接受两部分组成，发射的红外线京轿厢反射后被接受管接受后，引起电平跳变CPU根据此信号做出相应命令。

电路原理图如下：4.楼层按键设计为了模拟乘客在轿厢内对电梯的控制，我们扩展了一个4*4的键盘，用于乘客选择楼层及轿厢内的一些控制按钮，考虑到实验的原因，控制键盘并未装在轿厢内部，而是引到模型外面，便于演示。

本模型用到两个4*4矩阵键盘，一个用于楼层级轿厢控制，另一个用于密码和其他设置，接口原理相同。

5.语音播放模块本模型加入了语音播放功能，及时播放轿厢运行状况，所有录音内容均为小组设计，是本模型人机交互人性化设计一个重要部分。

语音播放模块以ISD1760语音芯片为核心， ISD1700系列芯片是华邦公司新推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示。

语音芯片提前录入“欢迎乘坐长颈鹿电梯”、报告层数的语音数据，电梯平层后，CPU会输出脉冲控制芯片，喇叭发出欢迎语音和层数提示。

ISD电特性及应用电路如下：ISD1700电特性：．工作电压：2.4V-5.5V,,最高不能超过6V．静态电流：0.5 - 1 μA．工作电流：20mA电路图如下：语音变化信号由15脚输出，采用简单的三极管电流放大电路，接入小喇叭，实现语音输出。

小喇叭参数：8欧，0.5W。

6.电源切换部分考虑到紧急停电情况，用电池作为备用电源，停电时用继电器切换至备用电源，在备用电源供电情况下，控制轿厢运行到附近楼层，若检测到不是短时停电，则控制电梯在备用电源供电下运行。

电路原理图如下：7.负载控制部分本模型采用光电方式控制额定负载，输出电压信号经AD转换为0-255之间的数字信号输入CPU。

单片机将输入值的大小与设定额定值比较，若超过额定值，则发出报警音，同时像电机控制CPU发送超载信号，电机控制CPU停止运行。

若要改变额定负载值，可以用相应按键设置，改变程序中存储的额定负载值即可。

8.中央处理器部分本作品使用3片51单片机配合使用来控制整个系统，单片机之间通过通信达到信息传递。

单片机接口原理图（主要功能CPU）如下：主控CPU;电机控制CPU:功能扩展CPU:四、调试过程各个模块均可以独立正常运行，通过单片机系统总线将各个模块连接起来，实现了预期结果。

五、程序流程图电机控制CPU:功能扩展CPU:六、程序清单主控制CPU：#include<reg52.h>sbit P0_0=P0^0;sbit P0_1=P0^1;sbit P1_2=P1^2;sbit P1_3=P1^3;sbit P1_4=P1^4;sbit P1_5=P1^5;sbit P1_6=P1^6;sbit P1_7=P1^7;sbit P3_0=P3^0;sbit P3_1=P3^1;sbit P3_4=P3^4;sbit P3_5=P3^5;/*******函数声明********/void init();//初始化?void keyscan();//键盘扫描void delay1ms(unsigned int count);//延时程序void runto(unsigned int lou);//电梯运行程序void show();//code unsigned char LedTab[]=//{// 0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0,// 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8,// 0x80, 0x90, 0x88, 0x83,// 0xc6, 0xa1 ,0x86 ,0x8e, 0xff//};/*数码管十六进制编码表*/code unsigned char LedTab[]={0xff, 0x7e, 0xbe, 0xde, 0xee,0xed, 0x77, 0x7b, 0x7d,0xbd, 0xdd, 0xbb, 0xdb,0xeb, 0xb7 ,0xd7 ,0xe7};/*数码管十六进制编码表**/******变量声明********/static int fangxiang=1,weizhi=0,mudi,shijian=3000;//电梯的状态,位置static unsigned int shang[6]={0,0,0,0,0,0},xia[6]={0,0,0,0,0,0},led[17];//各层的信息，“1”表示有人按键int m,n,k,temp;unsigned char text;void main(){init();P1=0x0f;while(1){while(P0_1==0){EA=0;}while(P0_0==0){EA=0;}while((P0_0==1)&&(P0_1==1)){EA=1;show();if(fangxiang==1)//从当前位置向上检测，当检测到最近呼叫层时向CPU3发出目标信号{for(m=weizhi;m<6;m++)if(shang[m]==1){temp=1;mudi=m;SBUF=mudi;//shang[m]=0;goto A;}fangxiang=-1;//当向上没有检测到呼叫时，从6楼往下检测for(m=5;m>=0;m--)if(xia[m]==1){temp=0;mudi=m;SBUF=mudi;//xia[m]=0;goto A;}fangxiang=1;//当向上没有检测到呼叫时从1楼网上检测for(m=0;m<weizhi;m++)if(shang[m]==1){temp=1;mudi=m;SBUF=mudi;//shang[m]=0;goto A;}}else if(fangxiang==-1)//从当前位置向上检测，当检测到最近呼叫层时向CPU3发出目标信{for(m=weizhi;m>=0;m--)if(xia[m]==1){temp=0;mudi=m;SBUF=mudi;//xia[m]=0;goto A;}fangxiang=1;for(m=0;m<6;m++)if(shang[m]==1){temp=1;mudi=m;SBUF=mudi;//shang[m]=0;goto A;}fangxiang=-1;for(m=5;m>weizhi;m--)if(xia[m]==1){temp=0;mudi=m;SBUF=mudi;//xia[m]=0;goto A;}}A: show();if(weizhi==mudi)//当到达目的层时注销呼叫标记{if(temp==1){shang[mudi]=0;led[mudi+6]=0;led[mudi+11]=0;}else if(temp==0){xia[mudi]=0;led[mudi+1]=0;led[mudi+11]=0;}delay1ms(shijian) ;}}}}/****程序初始化*****/void init(){EA=1;//开总中断EX0=1;//开处部中断0TH0=(65535-20000)/256;TL0=(65535-20000)%256;ET0=1;//开计时器0TR0=1;//开机计时TMOD=0x21;//设置定时器1为工作方式2 TH1=0xfd;TL1=0xfd;TR1=1;REN=1;SM0=0;SM1=1;ES=1;}/*外部中断0 */void into0() interrupt 0 using 0{shijian+=2000;if(shijian>=8000)shijian=3000;}/*计时器0*/void timer0() interrupt 1 using 1{TH0=(65535-20000)/256;TL0=(65535-20000)%256;show();keyscan();}/*计时器1*/void timer1() interrupt 3 using 3 {}void ser() interrupt 4{if(RI==1){RI=0;text=SBUF;weizhi=text;}if(TI==1){TI=0;}}void show(){unsigned int r;for(r=0;r<=16;r++){if(led[r]==1)P1=LedTab[r];}}/*延时程序*/void delay1ms(unsigned int count) {unsigned int i,j;for(i=0;i<count;i++)for(j=0;j<120;j++);}/*键盘扫描*/void keyscan(){int temp;show();P2=0xfe;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xee:shang[0]=1;led[6]=1;break;case 0xde:{if(fangxiang==1)shang[3]=1;else xia[3]=1;led[14]=1;}break;case 0xbe:{if(fangxiang==1)shang[4]=1;else xia[4]=1;led[15]=1;}break;case 0x7e:{if(fangxiang==1)shang[5]=1;else xia[5]=1;led[16]=1;}break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;}}}P2=0xfd;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xed:{if(fangxiang==1)shang[0]=1;else xia[0]=1;led[11]=1;}break;case 0xdd:{if(fangxiang==1)shang[1]=1;else xia[1]=1;led[12]=1;}break;case 0xbd:{if(fangxiang==1)shang[2]=1;else xia[2]=1;led[13]=1;}break;case 0x7d:xia[5]=1;led[5]=1;break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;}}}P2=0xfb;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xeb:shang[1]=1;led[7]=1;break;case 0xdb:shang[2]=1;led[8]=1;break;case 0xbb:shang[3]=1;led[9]=1;break;case 0x7b:shang[4]=1;led[10]=1;break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;}}}P2=0xf7;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xe7:xia[1]=1;led[1]=1;break;case 0xd7:xia[2]=1;led[2]=1;break;case 0xb7:xia[3]=1;led[3]=1;break;case 0x77:xia[4]=1;led[4]=1;break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;}}}}电机控制CPU:#include<reg52.h>sbit P0_0=P0^0;sbit P0_1=P0^1;sbit P0_2=P0^2;sbit P0_3=P0^3;sbit P0_4=P0^4;sbit P0_5=P0^5;sbit P0_6=P0^6;sbit P0_7=P0^7;sbit P1_5=P1^5;sbit P1_6=P1^6;sbit P1_7=P1^7;sbit P2_0=P2^0;sbit P2_1=P2^1;sbit P2_2=P2^2;sbit P2_5=P2^5;sbit P2_6=P2^6;sbit P2_4=P2^4;sbit P2_7=P2^7;sbit P3_0=P3^0;sbit P3_1=P3^1;sbit P3_2=P3^2;sbit P3_5=P3^5;sbit P3_6=P3^6;sbit P3_7=P3^7;static int step_n,fangxiang=1,k=1,mudi=3,weizhi=0;//K=1时电机运行unsigned char text,temp;//中间变量，存放通信口收到的信息void init();void step();//电机运行程序void play(int count);void delay1ms(unsigned int count);//延时程序void check();//红外扫描int shudu=5,yuyin;code unsigned char m_ucLedTab[]={0x7e,0xc4,0x54,0x72,0x51,0x41};/*数码管十六进制编码表*/void main(){init();delay1ms(100);play(1);delay1ms(300);while(1){while(k==3)//停电时的乘序{if((P0_0==1)&&(P0_1==1))k=0;temp=P0;temp=temp&0xfc;while(temp==0xfc){temp=P0;temp=temp&0xfc;step();delay1ms(8);}P1=m_ucLedTab[weizhi];check();mudi=weizhi;}while(k!=3)//正常模式下电梯的运作{if(k==1)step();//电机单步运行if(P0_0==0)//断电信号k=3;while(P0_1==0);//超载信号delay1ms(5);if(k!=3){check();P1=m_ucLedTab[weizhi];if(weizhi<mudi){k=1;fangxiang=1;yuyin=0;}else if(weizhi>mudi){k=1;fangxiang=-1;yuyin=0;}else if(weizhi==mudi){k=0;if(yuyin==0)play(weizhi+2);delay1ms(50);yuyin++;}P1=m_ucLedTab[weizhi];}}}}void play(int count)//语音播放程序{int b;P3_5=0;delay1ms(40);P3_5=1;for(b=0;b<=count;b++){ P3_6=0;delay1ms(200);P3_6=1;delay1ms(200);}P3_7=0;delay1ms(50);P3_7=1;}void into() interrupt 0{}void time1() interrupt 1{{TH0=(65535-5500)/256;TL0=(65535-5500)%256;}}void ser() interrupt 4{if(RI==1){RI=0;text=SBUF;if((text<6)&&(text>=0))mudi=text;}if(TI==1){TI=0;}}void init(){TMOD=0X20;TH0=(65535-50000)/256;TL0=(65535-50000)%256;EA=1;TH1=0xfd;//设置波特率TL1=0xfd;TR1=1;REN=1;//允许接收SM0=0;SM1=1;//设置通信方式1ES=1;//开通信中断//ET0=1;//EX0=1;//开外部中断0//EX1=1;//IT0=1;//跳边缘触发//IT1=1;//TR0=0;}/****红外传感器的扫描***/ void check(){P0=0xff;if(P0_2==0){weizhi=0;SBUF=0;}if(P0_3==0){weizhi=1;SBUF=1;}if(P0_4==0){weizhi=2;SBUF=2;}if(P0_5==0){weizhi=3;SBUF=3;}if(P0_6==0){weizhi=4;SBUF=4;}if(P0_7==0){weizhi=5;SBUF=5;}{}}/*****电机运行程序*****/ void step(){switch(step_n){case 0:{P2=0x8f;}break;case 1:{P2=0x1f;}break;case 2:{P2=0x4f;}break;case 3:{P2=0x2f;}break;}if(fangxiang==1){step_n++;if(step_n>3)step_n=0;}else if(fangxiang==-1){step_n--;if(step_n<0)step_n=3;}}void delay1ms(unsigned int count) {unsigned int i,j;for(i=0;i<count;i++)for(j=0;j<130;j++);}扩展功能CPU:#include<reg52.h>#include<EEPROM.H>#define LED7_STATUS P0/*数码管状态引脚(0为有效,1为无效)*/sbit LED7A_STATUS= P1^3;/*数码管第一位控制引脚(0为有效,1为无效)*/ sbit LED7B_STATUS = P1^4;/*数码管第二位控制引脚(0为有效,1为无效)*/ sbit LED7C_STATUS = P1^5;/*数码管第三位控制引脚(0为有效,1为无效)*/ sbit LED7D_STATUS = P1^2;/*数码管第四位控制引脚(0为有效,1为无效)*/ sbit P3_0=P3^0;sbit P3_1=P3^1;sbit SPK = P3^7;sbit AD_CLK = P1^0;/*AD转换时钟端*/sbit AD_SDA = P1^2;/*AD转换数据端*/unsigned char frq;/*******函数声明*******/void init();//程序初始化void keyscan();//键盘扫描void delay1ms(unsigned int count);//延时程序void Led7Scan();//数码管显示程序unsigned char AD_Read();/*******变量声明******/code unsigned char m_ucLedTab[]={0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90,0x88, 0x83, 0xC6, 0xa1 ,0x86 ,0x8e, 0xff};/*数码管十六进制编码表*/unsigned char temp;//中间变量static unsigned int cod[4],k=0,mima=0,a=1;//密码int num[16]={16,16,16,16};//数码管显示缓冲数int n,m,mode=0;//中间变量unsigned char AD_Buf;/*AD转换存储*/int huanjing=160,zhongliang[5]={999,30,80};int caozai=19999;/*****函数内容****/void main(){init();for(n=0;n<4;n++)num[n]=cod[n];while(1){Led7Scan();while(mode==0)//超载模式{unsigned char AD_Buf;AD_Buf=AD_Read();//读取AD传来的数据delay1ms(500);while((huanjing-AD_Buf)>caozai){P1=0xc3;P0=((P0>>1)|(P0<<7));keyscan();for(n=0;n<60;n++){frq++;delay1ms(1);a=0;}P3_1=0;}keyscan();}while(mode==1){Led7Scan();{while(k<4){keyscan();//输入4个数}if(mima==0){if(k==4){for(n=0;n<4;n++){if(cod[n]!=num[n])//判断密码是否正确a=0;}if(a==0)//输入的密码错误{for(n=0;n<4;n++)num[n]=16;TR0=0;P0=0xfe;while(a==0){P1=0xc3;P0=((P0>>1)|(P0<<7));keyscan();for(n=0;n<60;n++){frq++;delay1ms(1);}}}else{mima=1;//密码正确P3_0=0;for(m=0;m<4;m++){for(n=0;n<4;n++){num[n]=cod[n];}delay1ms(150);for(n=0;n<4;n++){num[n]=16;}delay1ms(150);}num[3]=AT24C02ReadByte(5);num[3]++;AT24C02WriteByte(5,num[3]);}}}else if(mima==1){for(n=0;n<4;n++){cod[n]=num[n];AT24C02WriteByte(n,cod[n]);delay1ms(5);}}}mode=0;}}}void init(){unsigned int i;for(i=0;i<4;i++){cod[i]=AT24C02ReadByte(i);delay1ms(5);}EA=1;EA=1;//开总中断EX0=1;//开处部中断0TH0=(65535-20000)/256;TL0=(65535-20000)%256;ET0=1;//开计时器0TR0=1;//开机计时TMOD=0x11;//设置定时器1为工作方式2TH1=0xfd;TL1=0xfd;ET1=1;TR1=1;}void timer0() interrupt 1{{ Led7Scan();TH0=0xec;/*重新设置T0定时值*/TL0=0x78;//Led7Scan();}}void timer1() interrupt 3{if(a==0){ TH1 = 0xfe;TL1 = frq;SPK = ~SPK;}}/**************************************************************************** 名称: Led7Scan()说明: 数码管动态扫描处理程序参数: 无返回: 无*****************************************************************************/ void Led7Scan(){static unsigned char a=0;switch(a)/*判断数码管动态扫描值*/{case 0:/*处理数码管第一位*/LED7D_STATUS=1;/*设置数码管第四位为无效*/LED7A_STATUS=0;/*设置数码管第一位位有效*/break;case 1:/*处理数码管第二位*/LED7A_STATUS=1;/*设置数码管第一位为无效*/LED7B_STATUS=0;/*设置数码管第二位位有效*/break;case 2:/*处理数码管第三位*/LED7B_STATUS=1;/*设置数码管第二位为无效*/LED7C_STATUS=0;/*设置数码管第三位位有效*/break;case 3:/*处理数码管第四位*/LED7C_STATUS=1;/*设置数码管第三位为无效*/LED7D_STATUS=0;/*设置数码管第四位位有效*/break;}LED7_STATUS=m_ucLedTab[num[a]];/*将显示码送数码管状态引脚*/a++;/*数码管动态扫描值加1,若该值4则置为0*/if(a>3)a=0;}unsigned char AD_Read(){unsigned char i,ADC;AD_CLK=0;AD_SDA=1;ADC=0;for(i=0;i<8;i++){AD_CLK=1;AD_CLK=1;ADC<<=1;if(AD_SDA==1){ADC|=0x01;}else{ADC&=0xfe;}AD_CLK=0;AD_CLK=0;}AD_CLK=0;AD_SDA=0;return(ADC);}/****延时程序*****/void delay1ms(unsigned int count) {unsigned int i,j;for(i=0;i<count;i++)for(j=0;j<120;j++);}/*******键盘扫描********/void keyscan(){P2=0xfe;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xee:num[0]=10;{mode=1;a=1;k=0;TR0=1;SPK=1;for(n=0;n<4;n++)num[n]=16;num[0]=10;}break;case 0xde:{mode=0;for(n=0;n<4;n++)num[n]=16;}num[0]=11;//huanjing=AD_Read();break;case 0xbe:num[0]=12;mode=3;break;case 0x7e:num[0]=13;mode=4;break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;Led7Scan();}}}P2=0xfd;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xed:{if(mode==1){ num[k]=1;k++;}if(mode==0){num[3]=1;caozai=zhongliang[0];}}break;case 0xdd:{if(mode==1){ num[k]=4;k++;}}break;case 0xbd:{if(mode==1){ num[k]=7;k++;}}break;case 0x7d:{for(n=0;n<4;n++)num[n]=16;}break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;Led7Scan();}}}P2=0xfb;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xeb:{if(mode==1){ num[k]=2;k++;}if(mode==0){num[3]=2;caozai=zhongliang[1];}}break;case 0xdb:{if(mode==1){ num[k]=5;k++;}}break;case 0xbb:{if(mode==1){ num[k]=8;k++;}}break;case 0x7b:{if(mode==1){ num[k]=0;k++;}}break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;Led7Scan();}}}P2=0xf7;temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){delay1ms(5);temp=P2;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0){temp=P2;switch(temp){case 0xe7:{if(mode==1){ num[k]=3;k++;}if(mode==0){num[3]=3;caozai=zhongliang[2];}}break;case 0xd7:{if(mode==1){ num[k]=6;k++;}}break;case 0xb7:{if(mode==1){ num[k]=9;k++;}}break;case 0x77:num[k]=16;break;}while(temp!=0xf0){temp=P2;temp=temp&0xf0;Led7Scan();}}}}七、总结经过调试安装，本模型在实现基本功能的基础上，实现简单数控设置负载，语音播放提示，密码控制，紧急停电时电源切换、楼层停止时间设置，不同楼层间不同速度运行等多项扩展功能。