模拟电梯系统设计毕业设计说明书

目录

第一部分设计任务与调研 (2)

第二部分设计说明 (3)

第三部分设计成果 (4)

第四部分结束语 (9)

第五部分致谢 (10)

第六部分参考文献 (11)

第一部分设计任务与调研绪论

1.1 题目背景

单片机已广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器、电力电子、机电一体化设备等各个方面。当今的微处理器和微型计算机向着功能更强，速度更快，价格更廉和网络化，智能化以及多图型，超媒体的方向发展。随着网络通信技术的和多媒体技术的发展，微机及其应用技术将以前所未有的速度，深度和广度向前发展。将迅速改变人们传统的生活方式，给未来的政治，经济发展带来日益深远的影响。

1.2 本课题研究的主要内容

生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用、复合钢带环保——一款款集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世，冷冰冰的建筑因此散射出人性的光辉，人们的生活因此变得更加美好。

本设计实现的功能有：

（1）通过数码管显示轿厢到达的楼层号

（2）通过按键实现呼叫控制

（3）步进电机控制，正转为电梯上行，反转为电梯下行（4）LED组成的上下行指示灯

第二部分设计说明

2.1 系统整体框图

图2-1 系统整体框图

以AT89C51为核心，包含复位模块、呼叫按键模块、晶振模块、轿厢上行下行指示灯模块、七段码LED楼层号显示模块、直流电动机驱动模块。

2.2 设计用到的主要元器件

表2-1 元件列表

在进行硬件电路设计前，应先准备好所需元器件及了解其工作性能、指标。

表2-2 各元器件所在的功能模块

2.3 系统总原理图

2.4系统涉及到的开发工具

2.4.1 KEIL C

图2-2

单片机的程序设计需要用到开发软件有：KEIL和STC单片机专用ISP下载软件。KEIL是一款51系列兼容的单片机程序开发软件，可以支持汇编、C语言。KEIL 功能强大，可以对程序进行仿真运行。

KEIL C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KEIL C51

生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时，更能体现高级语言的优势。

单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，KEIL软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持KEIL即可看出。KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行KEIL软件需要Pentium或以上的CPU，16MB或更多RAM、20M 以上空闲的硬盘空间。、WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

2.4.2 PROTEUS

Proteus是英国Labcenter公司开发的电路分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是：（1）实现了单片机仿真和分析电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、

T2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪

器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。

（2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：ARM7(LPC21xx)、8051/52系列、AVR系列、PIC10/12/16/18系列、HC11

系列以及多种外围芯片。

（3）提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KEIL C51 uVision2、MPLAV等软件。

（4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和SPICE 分析与一身的仿真软件，功能及其强大。

第三部分设计成果

3.1 系统主控芯片AT89C51

本设计使用的是AT89C51单片机[1]，原因是此款单片机具有众多优点。

（1）突出控制功能

（2） ROM和RAM分开

（3）单片机资源具有广泛的通用性

（4）易于扩展ROM、RAM、定时/计数器、中断源等资源。

图3-1 AT89C51功能方框图

目前在单片机系统中，应用比较广泛的微处理器芯片主要为8XC5X系列单片机。该系列单片机均采用标准MCS-51内核，硬件资源相互兼容，品类齐全，功能完善，性能稳定，体积小，价格低廉，资源充足，调试和编程方便，所以应用极为广泛。

单片机在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用。随着微电子工艺水平的提高，近十年来单片微型计算机有了飞速的发展。归纳起来，它是沿着两条路发展的：

（1）改进集成电路制造工艺，提高芯片的工作速度，降低工作电压和降低功耗。

（2）在保留共同的CPU体系结构，最基本的外设装置（如异步串行口，定时器等）和一套公用的指令系统的基础上，根据不同的应用领域，把不同的外设装置集成到芯片内，在同一个家族内繁衍滋生出各种型号的单片机。另外在单片机的应用中，可靠性是首要因素，为了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效方法。

本设计对模数芯片的控制、数码管显示及按键的扫描，应用AT89C2051单片机完全可以实现。但是将两种功能结合在一片单片机上，就需要更多的I/O引脚，故本设计采用具有32根I/O引脚的AT89C51单片机。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

AT89C51具有以下主要性能：

（1）与MCS-51兼容

（2） 4K字节可编程闪烁存储器，寿命：1000写/擦循环，数据保留时间：10年（3）全静态工作：0Hz-24Hz

（4）三级程序存储器锁定

（5） 128*8位内部RAM

（6） 32位可编程I/O线

（7）两个16位定时器/计数器

（8） 5个中断源

（9）可编程串行通道

（10）低功耗的闲置和掉电模式

（11）片内振荡器和时钟电路

图3-2 AT89C51引脚图

AT89C51引脚介绍：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，

由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（计时器0外部输入）

P3.5 T1（计时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE 只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.2 AT89C51单片机定时器

定时器[2]是对脉冲进行计数完成的，计数的是MCS-51内部产生的标准脉冲，通过计数脉冲个数实现定时。

3.2.1 定时器的结构及工作原理

（1）组成：定时器由两个16位的定时器T0和T1，以及他们的工作方式寄存器TMOD和控制寄存器TCON等组成。内部通过总线与CPU相连。

（2）定时器T0和T1各由两个8位特殊功能寄存器TH0、TL0、TH1、TL1构成。

（3）工作方式寄存器TMOD：用于设置定时器的工作模式和工作方式。

（4）控制寄存器TCON：用于启动和停止定时器的计数，并控制定时器的状态；

（5）单片机复位时，两个寄存器的所有位都被清0。

（6）两个可编程的定时器/计数器T1、T0。

（7）每个定时器内部结构实际上就是一个可编程的加法计数器，由编程来设置它工作在定时状态还是计数状态。

3.2.2 定时器的工作方式

（1）MCS-51的定时器T0有4种工作方式：

即：方式0，方式1，方式2，方式3。

（2）MCS-51的定时器T1有3种工作方式：

即：方式0，方式1，方式2。

3.3直流电动机电路设计

直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，

其中自励又分为并励、串励和复励3种。

直流电动机转子部分由电枢铁芯、电枢、换向器等装置组成，下面对构造中的各部件进行详细介绍。

（1）换向器又称整流子，在直流电想法中，它的作用是将电刷上的直流电源电流变换成电枢绕组内的沟通电流，是电磁转矩的倾向稳定不变，在直流发电机中，它将电枢绕组沟通电动势变换为电刷端上输出地直流电动势。

（2）电枢铁芯部分：其作用是嵌放电枢绕组和颠末磁通，为了下降电机工作时电枢铁芯中发作的涡流损耗和磁滞损耗。

（3）电枢部分：作用是发作电磁转矩和感应电动势，而进行能量转换。电枢绕组有许多线圈或玻璃丝包扁钢铜线或强度漆包线。

换向器由许多片构成的圆柱体之间用云母绝缘，电枢绕组每一个线圈两端区分接在两个换向片上。直流发电机中换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动热变换为电刷间的直流电动势，负载中就有电流通过，直流发电机向负载输出电功率，同时电枢线圈中也肯定有电流通过。它与磁场相互作用发作电磁转矩，其倾向与发电机相反，原想法只需抑制这一磁场转矩才华股动电枢改变。

直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电动机的励磁方式有4种：直流他励电动机、直流并励电动机、直流串励电动机和直流复励电动机。掌握4种方式各自的特点：

（1）直流串励电动机：电流串联，分流，励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。

（2）直流复励电动机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁电流产生。

（3）直流并励电动机: 电路并联，分压，并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。

（4）直流他励电动机：励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。

3.3.1 电机驱动模块

图3-3 电机驱动模块

L298介绍：L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC

和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的

情况下，使能或禁用L298器件。

L298低位晶体管的发射器连接到一起，而其对应的外部端口则可用来

连接一个外部感应电阻。L298还提供一个额外的电压输入，所以其逻

辑电路可以工作在更低的电压下。

3.3.2 电机开关控制模块

图3-4 开关控制模块由NPN三极管和继电器组成

3.4 楼层显示模块电路设计

七段译码器主要以BCD译码器或LED显示器为主要部件，应用集成门电路组成的一个具有译码和显示的装置。其中BCD译码器采用8421BCD译码器，即七段显示译码器（74LS48）型。LED显示器是由发光二极管组成的，LED显示器分共阴极和共阳极两种型号，共阴极LED显示器的发光二极管阴极接地，共阳极LED显示器的发光二极管阳极并联。最后把BCD译码器或LED显示器组成了的装置就具有了显示和译码的功能。

图3-4 七段码电路图

3.5单片机最小系统电路设计

3.5.1 晶振电路设计

单片机的运行需要一个时钟频率，类似我们的计算机的CPU主频的高低，现在计算机的CPU一般用GHz来做单位。而我们的51单片机常用到的时钟频率有12MHz，11.0592MHz，这些时钟频率都是依靠外部晶振[3]产生的。

晶振接到单片机的XTAL1、XTAL2引脚处。电路上的晶振旁有两个无极性电容，容量为33P。这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发，它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。

晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C

式中Cd,Cg为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，Cic（集成电路内部电容）+△C（PCB上电容）经验值为3至5pf。

图3-5 晶振电路图

3.5.2 复位电路设计

当单片机上电后，通过复位电路使得单片机的PC指针复位到0000H。这时，单片机就从0000H地址开始执行代码。理论上51单片机的复位需要12个时钟周期的高电平，系统中使用一个10Uf极性电容和10K电阻组成的复位电路。系统通电后，电容开始充电，此时单片机复位引脚输入的是高电平。当电容充满电后，复位引脚输入为低电平，单片机完成复位，开始从0000H执行代码。

T=C*R

T=10*(10^-6)*(10^3)=100ms

图3-6 复位电路图

3.6 轿厢升降方向指示电路设计

图3-7 升降指示灯

轿厢升降指示灯，分别由两组9个LED，共18个LED组成。

3.7 楼层呼叫按键电路设计

按键电路是控制楼层的输入，按键电路设计简单一端连接到单片机IO，另一端公共连接到GND。当用户按键时，对应的IO口电平拉低，单片机捕捉到低电平信号时，响应对应操作。在每个按键都配备独立的LED指示灯，按键后单片机IO 口电平拉低，点亮LED。完成楼层升降后，拉高IO口电平，熄灭LED。

图3-8 按键电路

3.8软件程序设计

本设计的软件程序主要包括：步进电机控制、七段码动态显示程序和电梯调度算法。在软件设计之前，有必要对需要使用到的编译平台有所了解。

3.8.1 C51编程语言

设计中的程序编写使用C51实现，并借助Keil C51编程环境完成。Keil C51

是由美国Keil Software公司出品的51系列兼容的单片机C语言软件开发系统。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C语言来开发，体会更加深刻。对于单片机的开发应用中，逐渐引入了高级语言，C语言就是其中的一种。汇编语言的可控性较高级语言来说更具优越性。程序编写语言比较常见的有C语言、汇编语言。汇编语言的及其代码生成效率高，控制性好，但是移植性不高。C语言编写的程序比用汇编编写的程序更符合人民的思考习惯。还有很多处理器都支持C编译器，这样意味着处理器也能很快上手。且具有良好的模块化、容易阅读、维护等优点，且编写的模块程序易于移植。基于C语音盒汇编语言的优缺点，本系统采用C语音编写方法。

3.8.2 系统软件总流程

总程序流程图