基于MCU的多层电梯控制系统设计与开发

韩改宁，李永锋，任康

（1.咸阳师范学院计算机学院，咸阳712000；2.西北机电研究所，咸阳712000）

0 引言

电梯作为我们生活中出行的一部分，人们的出行已经离不开它，在这个科技迅速发展的时代，各种技术的不断创新，电梯的更新换代是一个必然趋势。所以在一定程度上，我们的关注点聚焦在电梯的安全性、舒适性和美观性，给人们提供更好的服务。绿色化、降低耗能、智能化是未来电梯发展的主旋律。传统的电梯控制系统采用继电器逻辑控制线路，具有接触点繁多，多功能性和灵活性差，接线复杂，这种线路容易出故障、维护不便、寿命短等缺点，给后期维修带来了很大的挑战[1]。

可编程逻辑控制器（Program Logic Control，PLC）和微机组成的电梯逻辑控制系统快速发展[2]，PLC采取大量的抗干扰措施，不但易于使用而且易于扩展，但PLC的针对性强，从而导致PLC和设备都是一一对应的，从而导致价格比较昂贵，得不到广泛应用。由于单片机有功能强大，易于扩展，价格便宜等的优点，所以由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断完善，实现设备的升级会满足对控制系统的各种要求[3]。由于其在价格上面相比可编程逻辑控制器而言，具有很大的优势，将意味着电梯可以大量的应用于任何地方，为人们的生活带来很大的便利。

1 电梯控制系统的组成

基于51单片机的电梯控制系统采用STC89C52单片机作为控制器，采用28BYJ-48永磁式步电机控制电梯的上下运行，8×8的点阵作为显示模块，采用按键组成键盘模块，采用Speak蜂鸣器与紧急按键组成报警模块，USB移动电源作为供电装置。总体构成框图如图1所示。

图1 系统功能框图

（1）控制器模块

单控制器选择STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器[4]。该单片机具有输入输出接口、定时中断器等资源，可以满足本设计的要求。

（2）显示模块

LED点阵显示屏由大量的半导体发光二极管为像素点排列组成。具有低功耗、超高密度、视角大、引脚少、可靠性强、耐湿、耐冷热、混色好、耐腐蚀、通透性高等特点。它按组成的发光二极管的个数可分为4×4、4×4、5×7、5×8、8×8、16×16、24×24、40×40 等，本设计显示模块选择了8×8的LED点阵显示，该显示器用来接收单片机发送的数据信息，根据相应的显示当前楼层和电梯运行方向等提示信息。

（3）电源模块

将室压220V的电压转化为开发板可用的5V电压，从而用来给所需的硬件设备供电力。

（4）电机控制模块

本设计采用步进电机来实现电梯的上升和下降控制。步进电动机用脉冲信号进行控制，以通过控制脉冲数来控制角位移量实现精确定位[5]。脉冲频率决定步距角和转速，不受其他因素的影响。

（5）键盘模块

本设计实现一个六层控制电梯，按键数量少，所以采用独立式键盘，即每个按键单独占用一根I/O口，I/O口反映的信号即对应按键的状态，独立优点就是编程简单，可以利用软件识别功能来处理各种键的请求。

2 硬件系统设计

基于MCU的多层电梯控制系统设计与开发，硬件部分主要包括控制器、显示电路、电机驱动电路、按键模块电路、应急报警模块电路等。

2. 1 元器件的选择

通过市场调研，考虑性价比的前提下，在本次设计中选择的元件型号为：

（1）主控模块：MCS-51。

STC89C52是MCS-51系列的一款。如图2所示，单片机主要由中央处理器、ROM、RAM、定时器/计数器I/O等部件组成[4]。其内部框图如图2所示。

图2 STC89C52原理图

（2）显示模块

本设计采用8×8的点阵显示，因为它的功耗低，性能稳定，使用起来非常方便。内部结构如图3所示，图3中所示晶格中的每个LED都放置在行和列线的交点处。当相应的列被设置为一个级别并且一行被设置为0时，对应的二极管被点亮。外观如图3（b）所示，引脚如图 3（c）所示。

图3 8×8LED点阵图

本设计中，LED点阵与STC89C52单片机的引脚连接参考文献[6]。8×8点阵引脚点阵的背面引脚图3（c）所示，共两排各8个引脚，数字0-7代表着点阵的行线，0表示第一行的8个发个二极管；A-H代表着点阵的列线，A表示第一列的8个发光二极管。STC89C52单片机P0口与LED点阵的行连接，P2口与51单片机的列连接。

（3）电机控制模块：28BYJ-48永磁步进电机。

STC89C52不能直接驱动步进电机，因此需要由功率电路来扩展输出电流以满足被控元件的电流、电压。ULN2003达林顿晶体管属于可控大功率器件。它是一个7路反向器电路，即当输入端为高电平时，ULN2003输出端为低电平，当输入端为低电平时ULN2003输出端为高电平。本设计通过P3.0、P3.3控制每个线圈的开启和关闭，打开时P3.0和P3.3均为高电平，将P3.0和P3.2（或P3.1和P3.3反转）可切换至低电平，以达到驱动步进电机运行。电梯上行电机正转，电梯下行电机反转，电机每转一圈电梯移动一层。本系统电机控制电路如图4所示。

图4 电机控制电路图

（4）按键模块电路

本设计采用独立式键盘，6个楼层设计6个独立按键，分别连接到P1口的P1.2-P1.7的6个引脚上。工作原理：未按下，对应端口为高电平；按下键，对应端口为低电平。

表1 按键表

只有（P1）≠0FFH，则有按键按下，或者将（P1）的值取反（CPL），则只有（P1）≠00H，则有按键按下。JZ rel或者JNZ rel指令即可实现判断。

（5）应急报警模块电路

本设计采用蜂鸣器作为报警系统，方便又简单。如果电梯在运行过程中遇到紧急情况，用户可以按下按键进行报警[6]。同时电梯还会停在最近的楼层，并禁止用户对电梯按键操作上下楼，以免电梯再次出现意外。等救援人员到达，并修复故障后，按下复位按键，电梯恢复正常运行。蜂鸣器连接着三极管的发射极，三极管能以基极电流微小的变化量来控制集电极电流较大的变化量，从未体现了三极管具有放大电流的功能。集电极接电源，排母接插口和电源，三极管的基极接一个1K的电阻过去再接单片机的P3.6。电路如图5所示。

图5 应急报警图

2. 2 硬件电路原理图

采用MCS-51系列STC89C52单片机作为控制器，步进电机用于电梯控制，8×8 LED点阵作为显示模块，在Protues下设计各个模块之间的原理图如图6所示。

2. 3 实物整体连接

硬件整体连接将STC89C52单片机、28BYJ-48永磁式步电机、8×8 LED点阵显示屏模块、SPEAK蜂鸣器等组合到一块，焊接实物如图7所示。

图6 STC89C52单片机电梯控制电路原理图

图7 硬件整体连接

3 电梯控制系统软件设计

本系统的控制，以C语言实现的控制程序，按模块储存在STC89C52单片机的内部存储器中，无需单片机扩展存储器接口，简化了系统硬件结构，减低了成本，同时又提高了系统的稳定性。

基于多层电梯控制系统，包括键盘输入模块、LED点阵显示模块、电机控制模块和应急报警模块。电梯控制过程分为两部分，电梯外的面板控制和电梯厢内的面板控制。电梯内外控制原理及流程相同，在实际进行电梯控制是两个控制是嵌套融合的。本设计模拟电梯控制，由于按键数量有限，分别单独对内外面板进行控制设计。控制过程：系统初始状态或者复位后，电梯设置在1楼（LED点阵显示“1”）。当按下楼层按键，如果目标楼层高于当前楼层时，控制器判断处于上楼状态，控制LED点阵显示“↑”，同时LED点阵显示电梯所处楼层数；如果目标楼层低于当前楼层时，控制器判断处于下楼状态，控制LED点阵显示“↓”，同时LED点阵显示电梯所处楼层数。通过控制步进电机的正反转来控制电梯的上下运行，电梯正转一圈，电梯上一层，否则，电梯下一层楼。如果有紧急情况则可启动紧急按键进行报警进行应急，无论电梯处于何种状态，紧急按键优先级最高，实现应急报警。电梯内、外的软件流程图如图8所示。

图8 软件流程图

整个系统运行过程设计为：当启动电梯后，判断是否呼梯，如果有，判断是否梯外按键，如果不是，再判断是否梯内按键，如果有按键，直接计算目标楼层与当前楼层，如果目标楼层与当前楼层相同，打开电梯门，如果目标楼层高于当前楼层，电梯上升，如果目标楼层低于当前楼层，线条下降，电梯再运行过程中，不断判断进行楼层检查，直到到达目标楼层，电梯停止，打开电梯门，最后判断电梯是否运行，如果运行继续返回检查按键，如果不运行就结束。流程如图9所示。

图9 电梯总体控制流程

应急报警模块设计流程，该模块采用外部中断控制，外部中断优先级高，当有按键请求，立即中断响应，蜂鸣器发声，报警指示灯亮，电梯无论上升还是下降，选择最近楼层停止运行。控制流程如图10所示。

图10 电梯应急报警控制流程

仿真测试中，电路通过Proteus设计，控制程序通过Keil C设计，整个仿真测试结果如图11所示。

图11 仿真运行效果图

4 软硬件测试

将Keil C下编写好的控制程序编译生成.hex文件，然后根据前面选型的芯片及元器件，按照原图了进行焊接，再将各个模块连接好，最后将.hex文件烧写到STC89C52单片机中。运行效果如图12所示。

图12 实物电路测试图

本设计的电梯控制系统只单独针对电梯外的控制或者电梯内的控制，后续将其电路及控制系统扩展为多功能的室内外电梯控制系统。

5 结语

针对多层和高层上下楼问题，利用STC89C52单片机设计的电梯控制系统，采用步进电机控制电梯上升和下降，LED点阵显示技术、键盘及应急报警控制等，实现了从输入到控制和显示的过程，该系统成本低、操作简单方便。电梯的安全性是电梯控制系统至关重要的，利用单片机控制，电路原理简单，后期维护与故障检测容易，降低人力成本；同时该系统可以应用于其他需要电机控制的电梯厢场所。