电梯控制模型

电梯控制模型
摘要
作者：胡学兵陈波王凯成键锋
本设计采用双CPU方案：用一片89C52实现电梯的运动控制、楼层呼叫、楼层显示、运行时间显示等功能，用另一片89C52完成称重、额定负荷预置和超重报警等功能。

两个CPU 通过一个I/O口交换开关量信息。

采用步进电机升降桥厢，并有平滑的加减速过程。

利用量程为500g的压阻式称重传感器检测重量，用12位A/D转换器以保证转换精度。

外观模型图如图1-1所示。

本设计的主要特色：
1．不用8279的显示来表示楼层的呼叫信号，直接用价格低廉的二极管来显示呼叫信号，清晰可见，一目了然；
2．采用单片机C语言编程，编程容易，表达和运算能力强，结构清晰，可读性和可移植性较好，升级容易(增加楼层容易，程序修改较少)。

一：方案的选择与论证
方案一：以一片单片机为核心，将电机驱动和控制、称重检测报警系统结合在一起，可以实现题目的要求。

方案二：电机的驱动和控制系统，称重检测和报警系统分别用一个单片机来实现。

见图1-2。

比较两种方案：
方案一虽然可实现题目的要求，但是资源紧张，编程较困难，调试起来难度偏大。

由于电机的运动控制系统和称重报警系统之间要交互的信息很少，无需串口通信，两个部分相对独立，仅仅在超重报警时两个系统间有开关量传递，因此编程简单，减小了调试难度，故我们选择方案二。

图1-1 电梯模型图
二：模块电路的设计与比较
1．电机驱动与控制模块
1.1控制电机的选择：
方案一：采用步进电机：步进电机是纯粹的数字控制电动机。

它将电脉冲转化为角位移。

即给一个脉冲信号，它就转动一个角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的，因此非常适合单片机控制。

步进电机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。

而且速度可以在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获的大转距。

可以通过控制发送脉冲数量来控制电机角位移量，从而达到准确定位的目的，由于步进电机步距角一般为0.36-1.8度，故其精度很高，而且步进电机在不走步时可将转子锁定，这样就保证了电梯可平稳而精确的停在我们需要的楼层。

方案二：采用直流电机：直流电机较容易控制，并容易调速，但其调速精度和运行精度都较差，时间和位置的定位不准，而且当电流较小或无电流时电机在带负载时可能会回转，若要实现电梯的平层显示则需层层安装光电检测装置。

这样电路做起来很复杂，桥厢升降速时间又不易把握。

所以我们选择方案一，能较好的满足题目要求，而且控制也比较简单。

1.2电机的驱动：
由于我们采用的是步进电机，根据步进电机的特性，我们采用BAL--35型号的步进电机驱动器，电机的控制是靠单片机发送脉冲，发送脉冲的个数和频率就可控制电机的运行距离和速度。

1.3楼层呼叫与显示部分
方案一：此部分通过8279通用键盘显示器与单片机最小系统相连。

增加了系统的造价和复杂性，因复杂性的提高，系统的可靠性将受到影响。

方案二：我们想到了用两个74LS148当作键盘与单片机之间的接口，可接16个按键。

74LS148是一种优先权编码器，具有8个输入端可用做8个按键的输入，3个编码输出端读入单片机，一个编码群输出端GS接单片机中断口INT0。

在使能端EI输入为低电平的情况下，只要有8个输入端中的任意一个输入为低电平，就有一组相应的编码输出。

最终，我们选用了方案二，该方案最大的特点是结构简单，价格低廉，编程容易，用中断扩展的方
式读键，实时性较强，随时响应呼叫。

图1-3 按键呼叫示意图
2．称重检测与报警模块
2.1 应变片传感器放大电路
我们选用的是型号为KG500g的桥型压阻式应变片，精度和范围满足题目的称重要求。

由于桥型压阻式应变片传感器输出的都是几毫伏的小信号，所以我们需要将小信号放大，而小信号的放大有许多方法，我们经讨论筛选出了两种放大电路方案：
方案一：用三个OP07 构成差分放大电路。

OP07构成的差分放大电路有很高的共模抑制比，能很好的消除共模信号。

但如果正负电源不平衡，就会造成失调。

而且放大增益的调试需要精确地调整两个电位器的大小，较难满足精度要求。

方案二：用高精度的仪用放大器AD620。

根据ANALOG公司的芯片介绍：一片AD620就相当于三个OP07构成的差模放大电路，且其调整增益方便，精度高，电路较简单。

所以，我们选用的就是方案二。

2.2数模转换部分
题设称重分辨率为1g，压阻式传感器的量程为500g，我们采用12位的模数转换芯片AD574，其转换精度为1/4096，转换时间为25μS，可很好的完成模数转换任务。

2.3键盘显示部分
我们用拨码开光与单片机P1口相连来实现重量的预置，用三片74LS164 制作的静态显示电路和单片机的串口相连来实现电梯内物体的重量的显示。

报警重量可预置为245-500g 范围内的任意值，称重显示范围为0-500g ，可精确到1 g。

2.4声光报警电路
声光报警电路由一个蜂鸣器和一个发光二极管构成，可实现：
●超重时，LED红灯亮。

●超重时，蜂鸣器持续报警。

三：系统的具体设计与实现
1．系统的参数计算与硬件设计
电梯控制系统的电路图如图3-4所示：
称重检测报警系统的电路图如图3-5所示：
1.1电机驱动与控制模块硬件：
速度控制与步数的计算：
步进电机驱动执行机构从A 到B 移动时，要经历升速、恒速和减速过程。

如果启动时一次将速度升到给定速度，由于启动频率超过极限启动频率f q ，步进电机要发生失步现象，因此会造成不正常启动。

如果到终点时突然停下来，由于惯性作用，步进电机会发生过冲现象，会造成位置精度降低。

所以我们采用缓慢的升降速，步近电机不会造成失步和过冲现象，同时为了不影响工作效率，在保证不会造成失步和过冲现象的情况下，用最快的速度移动到指定的位置。

最简单的是匀加速减速曲线，如图（a ），加速度不变，要求转矩也应该是不变的。

但是，由于步近电机的转矩和转速是非线性关系，因而加速度与频率也应该是非线性关系。

因此，实际上当转速增加时，转矩下降，所以，按直线加速时，有可能造成因转矩不足而产生失步现象。

采用近似S 形加、减速曲线是最好的选择，如图（b ）。

因为电动机的电磁转矩与转速的关系接近指数
规律
题目给出每一层楼高度为200mm，通过实际测试我们得出步进电机每层走了3680步。

为了使电梯运行平稳，要求电梯有加速与减速过程，于是我们对电梯的加减速过程进行数学建模。

经过调试我们将加速和减速过程的步数定为400步，则匀速过程为2880步。

1.2称重检测与报警电路
此部分硬件以压阻式传感器为测量核心，用高精度、高增益的AD620和OP07放大电路将电阻应变片的形变所产生的微小电压变化放大，AD620放大200倍，OP07进一步放大4.5倍，并通过AD574进行模数转换，由程序检测是否超重，处理预置重量，并发出超重报警信号。

图3-4传感器放大电路
●放大倍数计算
我们设计的放大电路增益为1900倍，先通过AD620仪用放大器将电压信号放大到200倍，然后通过OP07放大4.5倍，用一级OP07滤波。

如图3-4所示。

若要前级放大电路放大200倍，由AD620的放大增益关系
G=49.4KΩ/R G+1，可算出R G =248Ω。

●AD数据点的采集。

当没有重物的时候，传感器的输出电压为零，当重物为500g的时候，传感器的输出电压5V，比值K=10mV/g。

考虑到桥厢的摆动和干扰信号，为了使测量准确稳定，我们对A/D转换的结果进行数字滤波，对每10个采样值求一次平均，这样就使测重的数值更准确。

2．系统的软件设计
2.1电机运行控制程序
电机运行控制程序框图如下图所示：
定时器0(发脉冲驱动步进电机)程序框图
外部中断0(读键)程序框图：
定时器1(平层后停5秒)程序框图
2.2 称重报警程序框图：
四：实际测试
1．测试仪器：
●三米卷尺
●1-500g 砝码一组
●秒表
2．测试结果：
测试一：平层误差（载重100g时）
测试二：每层平均运行时间
测试三：呼叫信号和响应
当厢外有上下行呼叫信号和厢内有楼层呼叫时，电梯做相应的运行，并在呼叫的楼层停留5秒，清除对应呼叫。

测试四：在桥厢加重400g的条件下，电梯在往返五楼所需时间
测试五：称重
测试六：超重报警
3．误差分析
本设计的误差主要有两部分：一部分是电梯的平层误差，但由于我们采用了S型的加减速曲线，所以，平层误差几乎零。

另外一部分来自于测重报警部分，由于桥厢的晃动致使传感器输出电压的摆动，所以显示有时会不稳定
五：结束语
在将近两个月时间的设计与操作过程中，起初，我们准备采用8279作为键盘输入和显示，但我们在调试的过程中发现使用比较麻烦，所以，我们选用了中断扩展式键盘和串行口显示。

在调试过程中我们发现仿真器和单片机间存在一定的差别：比如仿真器的断口驱动能力较强。

而单片机的驱动能力较弱。

由于在后阶段仿真器出了问题，我们不得不花大量的时间进行软件模拟仿真，直接用单片机调式。

同时，使我们的软件调试水平有了很大的提高。