覃園芳（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510510）

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基于有限狀態(tài)機實現(xiàn)的單片機控制電梯仿真系統(tǒng)

覃園芳
（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510510）

摘 要：電梯控制系統(tǒng)是一個復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)，本文在分析電梯運行特點基礎(chǔ)上，以51單片機為核心，設(shè)計電梯仿真電路結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)基于有限狀態(tài)機的程序，控制電梯運行。仿真實驗結(jié)果表明，該電梯仿真系統(tǒng)具有真實電梯系統(tǒng)的各項功能，很好地模擬了真實電梯系統(tǒng)的運行，可較好地應(yīng)用于單片機教學中，并可供實際電梯控制系統(tǒng)設(shè)計做參考。

關(guān)鍵詞：電梯；51單片機；有限狀態(tài)機；硬件設(shè)計；仿真系統(tǒng)

在現(xiàn)代社會和經(jīng)濟活動中，尤其是高層建筑里，電梯是一種不可缺少的垂直運輸工具。由于應(yīng)用廣泛，控制過程復(fù)雜，電梯已成為各種新型計算機控制技術(shù)的應(yīng)用平臺和控制對象，也是相關(guān)專業(yè)教學和科研的重要平臺?？紤]電梯結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜帶來教學培訓或者實習過程中帶來的安全等問題，開發(fā)安全且經(jīng)濟有效的電梯控制仿真系統(tǒng)來輔助教學和研究是非常重要的。

目前電梯目前各式各樣的核心電梯控制器主要采用繼電器控制器、PLC控制器、單片機控制器這3種。采用繼電器控制的電梯系統(tǒng)通常需要器件較多，電路復(fù)雜，不利于維護；采用PLC控制的電梯系統(tǒng)由于一般的PLC控制器無法與上位機進行實時通信，或者通信協(xié)議沒有公開等因素，帶來難以實現(xiàn)人機界面友好的上位機監(jiān)控等缺點；利用單片機控制的電梯具有成本低，實時性強、精度高和顯示、功能多樣等優(yōu)點。本文的主要任務(wù)是采用單片機AT89C51設(shè)計控制一個6層電梯的仿真系統(tǒng)，給出各部分的硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計，軟件設(shè)計采用有限狀態(tài)機的思想來實現(xiàn)。最后給出仿真結(jié)果，結(jié)果表明：這個電梯控制系統(tǒng)具有高精度、低成本、實時性高及功能多樣的優(yōu)勢。

1. 控制功能要求

（1）電梯完全自動響應(yīng)電梯內(nèi)、外指令；

（2）電梯到達目的樓層，延時關(guān)門；

（3）電梯運行時只響應(yīng)順向按鍵的呼叫，反向按鍵呼叫信號做記憶功能；

（4）每個請求信號保留到執(zhí)行后自動刪除；

（5）顯示當前電梯所在樓層；

（6）語音提示功能；

（7）電梯上升帶動電動機正向轉(zhuǎn)動，下降帶動電動機反向轉(zhuǎn)動。

2. 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)是基于單片機AT89C51為主控制器設(shè)計的6層電梯仿真系統(tǒng)，包括梯廂、樓層按鍵模塊、電梯位置顯示模塊，電梯開關(guān)門模擬模塊、電動機運行模塊以及語音模塊等，硬件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3. 硬件設(shè)計

本文采用Proteus軟件為平臺進行整個電梯仿真系統(tǒng)的設(shè)計及仿真工作。Proteus軟件是一種低投資的電子設(shè)計自動化軟件，提供可仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件和多達30多個元件庫。它是目前比較好的仿真單片機及外圍器件的工具。具體的硬件設(shè)計模塊如下：

（1）電梯指令鍵盤和語音模塊

該仿真系統(tǒng)里電梯指令鍵盤分為梯廂按鍵和樓層按鍵，梯廂按鍵對應(yīng)梯轎內(nèi)部按鍵，該電梯有6層，因此對應(yīng)6個按鍵。而樓層按鍵設(shè)在每個樓層內(nèi)，每個樓層都對應(yīng)一個向上和向下的方向鍵，而最高層第六層只有一個向下的按鍵，最底層第一層只有一個向下的按鍵，總共10個按鍵。該系統(tǒng)用一個4*4的矩陣式鍵盤實現(xiàn)電梯指令鍵盤，分別由單片機8個并行I/O口控制，其中1_U至5_ U表示1至5樓向上的按鍵，2_D至6_D表示2至6樓向下的按鍵，1至6表示梯廂內(nèi)1 至6樓的按鍵。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

語音模塊的作用是實現(xiàn)電梯到達需要響應(yīng)的樓層將發(fā)出蜂鳴聲。該模塊采用了有源蜂鳴器，由于蜂鳴器內(nèi)部帶振蕩器，單片機只要給控制引腳輸出高電平就會發(fā)聲。

（2）電梯位置顯示模塊和電梯開關(guān)門模擬模塊

電梯位置顯示模塊負責顯示梯轎內(nèi)當前電梯所在樓層的位置。本電梯控制系統(tǒng)采用一個共陽極的數(shù)碼管，公共端接電源正極，另外7個控制端分別跟單片機的7個并行I/O口相連。一定時間后熄滅。

圖1　電梯仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計的總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2　電梯指令鍵盤模塊

圖3　語音模塊

圖4　電梯位置顯示模塊

（3）電動機運行模塊

單片機進行邏輯分析，控制電梯的運行方向，是處于停止、上升或是下降

電梯開關(guān)門模擬模塊負責模擬電梯到達需要響應(yīng)的樓層時，對應(yīng)的開門動作。1～6樓分別對應(yīng)F1至F6標識的LED燈，當電梯到達該樓層需要開門，那么對應(yīng)樓層的燈就會亮，否則都處于滅狀態(tài)。例如，如果梯廂內(nèi)有人按下4樓，那么電梯到達4樓時，F(xiàn)4將由滅變亮，持續(xù)的狀態(tài)，這個功能是由單片機控制電動機運行模塊實現(xiàn)的。電梯控制系統(tǒng)里的電動機采用直流電機，采用H橋驅(qū)動電路進行控制，如圖6所示。電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。單片機通過給rev、enm、fwd 3個控制端輸出高低電平實現(xiàn)電機的停止、正轉(zhuǎn)、或反轉(zhuǎn)的控制。同時，可以通過給控制端rev、fwd端輸入不同占空比的PWM信號實現(xiàn)電機的速度控制。

圖5　電梯開關(guān)門模擬模塊

圖6　電動機運行模塊圖

圖7　電梯控制狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

圖8　仿真結(jié)果圖

4. 軟件設(shè)計

該電梯系統(tǒng)基于有限狀態(tài)機來實現(xiàn)電梯的控制，思路明確清晰，能夠高效地解決電梯響應(yīng)多個梯廂或是樓層按鍵都被按下的復(fù)雜情況。有限狀態(tài)機關(guān)鍵的步驟在于確定狀態(tài)的對象以及狀態(tài)的個數(shù)，本文將電梯處在的每一個樓層都視為一個狀態(tài)，而每一個狀態(tài)下都對應(yīng)電梯開門、關(guān)門、停止、向上走一層和向下走一層這些動作，動作之間的轉(zhuǎn)移有相應(yīng)的條件觸發(fā)，具體參考如圖7所示。

其中開門和關(guān)門的動作通過電梯開關(guān)門模擬模塊中對應(yīng)樓層燈處于亮狀態(tài)持續(xù)30s來實現(xiàn)。電梯處于向“上走一層”、“停止”或“向下走一層”的動作通過單片機控制電機的工作狀態(tài)來實現(xiàn)。對于電梯指令模塊，通過行掃描法實現(xiàn)4×4矩陣式鍵盤按鍵的識別，具備多個按鍵同時被按下的識別功能。

5. 仿真結(jié)果

基于上述設(shè)計的電梯硬件結(jié)構(gòu)，采用有限狀態(tài)機算法實現(xiàn)電梯控制，整個仿真系統(tǒng)的運行結(jié)果如下。例如當前電梯處于3樓向上運行的狀態(tài)，按下第3層方向向上，即“3_U”鍵，電梯響應(yīng)開門，如圖8（a）所示。之后在梯廂內(nèi)按下“5”鍵，表示要去5樓，電梯將持續(xù)上升，電機正傳，每到達一層樓數(shù)碼管顯示為當前的樓層數(shù)，當?shù)竭_第5層時，電梯停止轉(zhuǎn)動，開門后關(guān)門，對應(yīng)5層LED燈亮持續(xù)30s，如圖8（b）所示。期間如有人不管在梯廂內(nèi)或是樓層里按下按鍵，電梯都會根據(jù)相應(yīng)的邏輯依次去相應(yīng)。

結(jié)語

本文基于51單片機設(shè)計了電梯仿真電路結(jié)構(gòu)，并實現(xiàn)了基于有限狀態(tài)機的程序用于控制電梯運行。仿真實驗結(jié)果表明，該電梯仿真系統(tǒng)具有真實電梯系統(tǒng)的各項功能，很好地模擬了真實電梯系統(tǒng)的運行，可較好地應(yīng)用于單片機教學中，并可供實際電梯控制系統(tǒng)設(shè)計做參考。

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中圖分類號：TP309

文獻標識碼：A