摘 要： 搭建了一套模擬電梯的硬件平臺，設(shè)計了VB界面模擬電梯按鍵，采用查找算法作為電梯調(diào)度算法，通過設(shè)計和實現(xiàn)該算法來驗證平臺的有效性。該平臺可移植其他算法，用來驗證電梯控制系統(tǒng)功能。系統(tǒng)采用STC89C52作為電梯控制器，實現(xiàn)了電梯手動和自動的開、關(guān)門功能，當(dāng)前電梯樓層顯示功能，開門鈴聲提醒功能，電梯當(dāng)前狀態(tài)顯示功能，關(guān)門倒計時功能，根據(jù)時間優(yōu)先原則、順向優(yōu)先原則和最遠(yuǎn)反向截梯控制原則對用戶請求作出先后響應(yīng)的功能。

關(guān)鍵詞： 模擬電梯； 硬件平臺； 電梯調(diào)度算法； 反向截梯控制

中圖分類號： TN911?34； TP273.5 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0056?04

0 引 言

現(xiàn)代電梯控制系統(tǒng)幾乎全部采用PLC或者微機控制[1]，由于電梯控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，如果直接在設(shè)備上調(diào)試電梯控制系統(tǒng)的功能，會降低研發(fā)效率，嚴(yán)重時，甚至?xí)l(fā)生事故[1]。因此有必要設(shè)計一套系統(tǒng)驗證電梯控制系統(tǒng)的功能，提高研發(fā)效率[1]。本文通過搭建模擬電梯的硬件平臺、設(shè)計VB界面，為各種電梯調(diào)度算法提供驗證平臺。通過設(shè)計和實現(xiàn)一種節(jié)能高效的電梯調(diào)度算法來驗證平臺的有效性。

1 硬件電路設(shè)計

設(shè)計采用STC89C52作為主控制器，用步進電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止分別代表電梯的上升、下降和暫停，用蜂鳴器發(fā)出響聲作為電梯開門的提示聲音，數(shù)碼管顯示電梯當(dāng)前到達的樓層，液晶屏顯示電梯當(dāng)前所處狀態(tài)和關(guān)門倒計時時間，ULN2003作為步進電機和蜂鳴器的功率驅(qū)動器，PL2003將USB數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為可以與單片機通信的RS 232數(shù)據(jù)格式，本系統(tǒng)所需電流在300 mA左右，而PC機的USB最大可提供500 mA電流，所以本系統(tǒng)采用USB接口供電。硬件電路框圖如圖1所示。

1.1 液晶模塊的設(shè)計

本系統(tǒng)液晶模塊采用的是LCD1602，具有標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，可顯示漢字、英文和圖形。常用的指令集有清屏指令、輸入方式設(shè)置指令、顯示開關(guān)控制指令、光標(biāo)位移指令、功能設(shè)置指令、寫數(shù)據(jù)指令等。

液晶屏電路如圖2所示，液晶屏與CPU直接相連，STC89C52的P0口是開漏輸出，最大灌電流為12 mA，要輸出高電平，必須接上拉電阻，液晶顯示模塊是一個慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平或者延時足夠的時間，否則指令失效。顯示字符時要先輸入顯示字符的地址或者采用自動加、減AC值的辦法。

1.2 步進電機模塊的設(shè)計

步進電機是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的開環(huán)控制組件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，非常適合于微機的控制。當(dāng)步進電機接收到一個脈沖信號，它就旋轉(zhuǎn)一個固定的角度，此角度被稱為“步距角”，其旋轉(zhuǎn)方向與繞組的通電方向有關(guān)。控制脈沖個數(shù)來決定電機的角位移量，以達到精確定位的目的；同時控制脈沖頻率來決定電機的速度，以達到調(diào)速的目的。ULN2003是由高壓大電流達林頓晶體管陣列組成，最大輸入/輸出電流可達500 mA，適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用四相五線的步進電機，控制方式采用四相單、雙八拍的方式，步進角為3.75°，具有輸出轉(zhuǎn)矩大、振蕩小、步距角小等特點，步進電機電路如圖3所示。

1.3 蜂鳴器模塊的設(shè)計

蜂鳴器電路如圖3所示，蜂鳴器的正常工作時，電流在14～30 mA之間，壓降為2.2 V左右，而51單片機P1口的灌電流只有6 mA，以致于單片機的I/O口是無法直接驅(qū)動的，同時由此可計算出與蜂鳴器串聯(lián)的電阻阻值應(yīng)在90～200 Ω，所以本系統(tǒng)采用ULN2003作蜂鳴器驅(qū)動。

1.4 數(shù)碼管模塊的設(shè)計

LED數(shù)碼管是由7個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a，b，c，d，e，f，g，dp來表示。數(shù)碼管的每段由一個發(fā)光二極管和100 Ω的保護性電阻組成，數(shù)碼管正常發(fā)光時，發(fā)光二極管壓降為1.7 V左右，電流范圍為5～10 mA，所以可以計算出外接電阻阻值范圍為230～560 Ω。本系統(tǒng)采用的是共陽數(shù)碼管，即發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極，且只用到一個數(shù)碼管，所以采用靜態(tài)顯示驅(qū)動方式。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口進行驅(qū)動，靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O端口多。數(shù)碼管電路如圖4所示。

2 軟件設(shè)計

電梯控制任務(wù)可分解為獨立的幾個部分，利用結(jié)構(gòu)模塊化方法進行編程[1]。本系統(tǒng)軟件分為7個模塊，分別為系統(tǒng)初始化模塊、硬件驅(qū)動模塊、串行中斷服務(wù)模塊、定時器0中斷服務(wù)模塊、定時器1中斷服務(wù)模塊、電梯調(diào)度算法模塊和VB界面模塊。

系統(tǒng)初始化模塊用來初始化數(shù)碼管、液晶屏和單片機的寄存器的初始狀態(tài)。硬件驅(qū)動模塊主要指步進電機和液晶屏的驅(qū)動程序，以便主程序調(diào)用；串行中斷服務(wù)模塊用來處理單片機和VB程序的通信數(shù)據(jù)；定時器0中斷服務(wù)模塊計算電梯的運行時間，定時器1中斷服務(wù)模塊控制電梯的運行速率。電梯調(diào)度算法模塊采用查找算法，監(jiān)控軟件可以采用VB[1]機，即用VB界面模擬電梯按鍵。

2.1 電梯調(diào)度算法

本硬件系統(tǒng)可移植其他電梯調(diào)度算法，本文設(shè)計一種查找算法來驗證硬件平臺。該算法只考慮電梯的主體功能，省略如超重檢測、防夾檢測等較為容易模擬的功能。查找算法兼顧公平性和電梯的運行效率，要求電梯遵循時間優(yōu)先、順向優(yōu)先和最遠(yuǎn)反向截梯控制原則[1]，簡稱三大原則，當(dāng)電梯所移方向上無請求時立即改變方向。電梯有三種狀態(tài)，分別是運行狀態(tài)、暫停狀態(tài)和空閑狀態(tài)。其中運行狀態(tài)包括向下運行和向上運行兩種狀態(tài)，處于這兩種狀態(tài)時，運行規(guī)則類似。電梯調(diào)度算法的實質(zhì)就是確定電梯的目標(biāo)樓層。電梯目標(biāo)樓層的確定不僅與用戶呼叫請求的順序有關(guān)，也與電梯當(dāng)前所處狀態(tài)有關(guān)，在任意時刻，當(dāng)用戶按下某個按鍵時，控制系統(tǒng)就會登記該按鍵代表的樓層；當(dāng)電梯進入暫停狀態(tài)時刻，關(guān)門倒計時時間為8 s；當(dāng)電梯處于運行狀態(tài)時，電梯以每層3 s的速度運行。查找算法的第一步就是判斷電梯當(dāng)前所處狀態(tài)，然后根據(jù)不同狀態(tài)遵循不同規(guī)則：

（1） 電梯處于空閑狀態(tài)。當(dāng)電梯響應(yīng)完所有用戶的呼叫請求后，電梯關(guān)門就進入空閑狀態(tài)。當(dāng)電梯處于空閑狀態(tài)時，關(guān)門按鍵不發(fā)揮作用，若用戶按下廂內(nèi)的一樓按鍵或者一樓的上行呼叫按鈕或者開門按鍵，電梯就開門進入暫停狀態(tài)，若用戶按下其他按鍵，電梯就進入運行狀態(tài)，并且電梯目標(biāo)樓層將定位于該按鍵代表的樓層。電梯處于空閑狀態(tài)時的流程圖如圖5所示，流程圖中的選擇目標(biāo)樓層需遵守三大原則，本層按鍵是指電梯所處樓層的上行呼叫按鈕或者下行呼叫按鈕或者廂內(nèi)樓層按鈕。

（2） 電梯處于暫停狀態(tài)。當(dāng)電梯到達目標(biāo)樓層后，電梯進入暫停狀態(tài)，電梯開門接送乘客進出電梯，此時，電梯將清除該層的呼叫記錄，用戶可以手動或者自動地開、關(guān)門。電梯以關(guān)門作為暫停狀態(tài)的結(jié)束標(biāo)志，電梯進入運行狀態(tài)，電梯將根據(jù)查找算法確定電梯的運行方向和目標(biāo)樓層。其中順向優(yōu)先原則是指電梯先響應(yīng)同向信號，再響應(yīng)反向信號，并且在同向信號上，優(yōu)先響應(yīng)所需時間最短的信號；最遠(yuǎn)反向截梯控制原則是指響應(yīng)完同向信號后，如果廂內(nèi)在反向方向上有幾個信號同時召喚，則電梯將最遠(yuǎn)層作為目標(biāo)樓層。電梯處于暫停狀態(tài)時的流程圖如圖6所示。

2.2 VB界面設(shè)計

VB界面包括1～7樓的上行呼叫按鈕、2～8樓的下行呼叫按鈕和1～8樓的廂內(nèi)樓層按鈕，應(yīng)用到的控件有TextBox控件、CommandButton控件和MSComm控件，VB界面如圖8所示，按下不同按鈕發(fā)送不同的字符給單片機，同時該按鈕顏色變?yōu)榧t色；接收到相應(yīng)字符則使相應(yīng)按鈕恢復(fù)為按鈕控件的系統(tǒng)默認(rèn)顏色，以此區(qū)分哪些用戶請求已經(jīng)得到響應(yīng)和哪些用戶請求還未得到響應(yīng)，因此可以直觀地檢測電梯調(diào)度算法的規(guī)則。

3 測試結(jié)果

測試方案：電梯初始時處于基層，即本系統(tǒng)的第一樓，并處于空閑狀態(tài)，這時迅速先后按下第2，5樓的上行呼叫按鈕，第4，7，8樓的下行呼叫按鈕，廂內(nèi)3樓和6樓的呼叫按鈕；當(dāng)電梯暫停于第5樓并且關(guān)門倒計時時間為6 s時，按下關(guān)門按鈕；當(dāng)電梯暫停于第8樓并且關(guān)門倒計時時間為2 s時，按下開門按鈕。部分測試結(jié)果和分析如下：

（1） 首先，電梯上升，先后響應(yīng)第2樓、第3樓和第5樓的呼叫請求，而沒有在響應(yīng)完第3樓的呼叫請求后去響應(yīng)第4樓的呼叫請求，表明電梯遵循時間優(yōu)先和順向優(yōu)先的原則；然后，電梯繼續(xù)上升，先后響應(yīng)第6樓和第8樓的呼叫請求，而沒有在響應(yīng)完第6樓的呼叫請求后去響應(yīng)第7樓的呼叫請求或者立即改變電梯的運行方向，表明電梯遵行最遠(yuǎn)反向截梯控制原則；再然后，電梯向下運行，先后響應(yīng)第7樓和第3樓的呼叫請求；最后，電梯停在第3樓，并進入空閑狀態(tài)。

（2） 當(dāng)液晶顯示電梯處于暫?；蛘呖臻e狀態(tài)時，步進電機停止轉(zhuǎn)動；當(dāng)液晶顯示電梯處于上升狀態(tài)時，步進電機勻速正轉(zhuǎn)；當(dāng)液晶顯示電梯處于下降狀態(tài)時，步進電機勻速反轉(zhuǎn)。

（3） 當(dāng)液晶顯示電梯處于暫?；蛘呖臻e狀態(tài)時，數(shù)碼管顯示的數(shù)字保持不變；當(dāng)液晶顯示電梯處于上升狀態(tài)時，數(shù)碼管顯示的數(shù)字勻速遞減；當(dāng)液晶顯示電梯處于下降狀態(tài)時，數(shù)碼管顯示的數(shù)字勻速遞增。

（4） 當(dāng)液晶顯示電梯由空閑或者運行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闀和顟B(tài)的時刻，蜂鳴器發(fā)出一聲短暫的響聲。

（5） 當(dāng)電梯暫停于第5樓并且關(guān)門倒計時時間為6 s時，按下關(guān)門按鈕，液晶屏顯示的關(guān)門倒計時時間迅速縮短為1 s，表明電梯有手動的關(guān)門功能。

（6） 當(dāng)電梯暫停于第8樓并且關(guān)門倒計時時間為2 s時，按下開門按鈕，液晶屏顯示的關(guān)門倒計時時間迅速延長為3 s，表明電梯有手動的開門功能。

（7） 當(dāng)電梯進入暫停時刻，液晶屏顯示的關(guān)門倒計時時間由8 s開始勻速遞減。

（8） 當(dāng)電梯處于上升或者下降狀態(tài)時，數(shù)碼管以每3 s加1或者減1的速度變化。

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種實用的電梯模擬系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用STC89C52作為主控制器，外擴數(shù)碼管、液晶屏、步進電機和蜂鳴器，可以模擬電梯的各種狀態(tài)，軟件上采用查找算法模擬電梯的真實運行規(guī)則，采用VB界面模擬電梯按鍵，模擬效果直觀明了。本系統(tǒng)可反復(fù)編程，而無需改變外圍電路，從而可以為各種電梯調(diào)度算法提供驗證平臺，為真正的電梯設(shè)計節(jié)省開發(fā)初期的研制時間和費用。

參考文獻

[1] 郭雷崗，扈艷剛，李昭靜，等.基于單片機的模擬電梯控制系統(tǒng)[J].福建電腦，2012，28（9）：101?102.

[2] 曹榮敏，張鳳池.單片機對電梯運行系統(tǒng)模擬的研究[J].微處理機，1998（3）：49?51.

[3] 龔魯華.C8051F單片機模擬電梯控制器的設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008（21）：5925?5932.

[4] 石云.基于PLC的電梯控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2009，22（4）：5?6.

[5] 范次猛.教學(xué)用電梯模型系統(tǒng)的研究[J].機電工程技術(shù)，2009，38（12）：52?54.

[6] TANAKA S， INNAMI Y， ARAKI M， et al. A study on objective functions for dynamic operation optimization of a single?car elevator system with destination hall call registration [C]// 2004 IEEE International Conference on Systems， Man and Cybernetics. [S.l.]： IEEE， 2004， 7： 6274?6279.

[7] ZHANG Yi?ne， YI Yun， ZHONG Jian. The application of the fuzzy neutral network control in elevator intelligent scheduling simulation [C]// 2010 International Symposium on Information Science and Engineering. Shanghai， China： ISISE， 2010： 512?516.