（西安交通工程學院 陜西 710300）

1 引言

從電梯的誕生至今，電梯的結(jié)構(gòu)復雜，有多種控制類型，對運行性能有較高的要求。在電梯發(fā)展初期采用的是陣列控制結(jié)構(gòu)，但這種結(jié)構(gòu)占用較大空間、線路繁雜、會產(chǎn)生較大噪聲、發(fā)生故障的概率較高、日常的維護費時費力，且電梯的運行速度和運行穩(wěn)定性已經(jīng)得不到滿足，而單片機正好具有強大的控制和運算能力，能滿足人們對電梯功能的需求，將單片機應用到電梯控制系統(tǒng)中，具有很好的經(jīng)濟價值和研究意義。

2 系統(tǒng)總體方案設計

（1）主控芯片選擇：采用STC89C52RC 作為核心控制器[1]，該處理器包含完整的控制電路，其識別對象精確到位。不僅可以對片內(nèi)某些特殊功能寄存器的某位進行處理同時還可以進行邏輯運算，能基本處理較小信息的請求，同時能減少設計人員的程序編寫。

（2）樓層顯示模塊：采用常見的一位數(shù)碼管顯示模塊。該模塊使用簡單，操作方便，價格實惠，能清晰顯示數(shù)字，能很好達到本設計對處顯示器的要求。

（3）報警提示模塊：采用蜂鳴器作為報警器，當有緊急情況發(fā)生時，可以按下報警按鈕，觸發(fā)報警信號。其硬件電路簡單，軟件控制IO 輸出高低電平即可。

（4）電動機模塊：采用步進電機作為系統(tǒng)模塊，因為步進電機在定位上精度高。并且步進電機不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號轉(zhuǎn)化成為角位移。與其他電機相比，步進電機除了傳遞信息外還能傳遞矩陣，同時步進電機在電梯的升降上也有較高的精確度。

（5）按鍵選擇模塊：采用矩陣鍵盤作為輸入設備，它由相同的行和列所組成的線路構(gòu)成，在行與列的交叉點上設置一個按鍵，該矩陣鍵盤集成度高，使用簡單，易于驅(qū)動，線路直觀。

3 硬件設計

3.1 硬件框圖

基于單片機的電梯控制系統(tǒng)設計思路是以STC89C52RC 最小系統(tǒng)作為核心處理器，利用其較多的端口資源與外部模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞，實現(xiàn)電梯的基本功能。采用行列式鍵盤矩陣作為外呼內(nèi)選設備，有源蜂鳴器作為報警器，NLN2003A 驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動作為執(zhí)行單元，1 位共陰數(shù)碼管實時顯示電梯當前所在層數(shù)，采用9個發(fā)光二極管作狀態(tài)指示燈，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 主要模塊設計

（1）按鍵電路：按鍵電路為4 按鍵鍵盤矩陣，矩陣鍵盤的p1.0-p1.3是接STC89C52的RCP1.0-P1.3，用來檢測是否有鍵盤按下，P1.4-P1.7是接STC89C52RC的P1.4-P1.7，用來換掃描信號。

（2）顯示電路：選擇則共陰數(shù)碼顯示管來顯示當前電梯所在的層數(shù)，將所有的LED燈的正極與STC89C52RC的P0.0-P0.6端口連接。通過單片機編程控制輸出數(shù)字進行樓層的顯示[2]。

（3）電機驅(qū)動電路：采用步進電機，利用其驅(qū)動模塊來驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，電機驅(qū)動模塊與微型控制器的P3.0-P3.6端口連接[3]。

（4）指示電路：指示電路由9個獨立的LED燈組成，其中5個LED燈表示目的樓層指示、2個LED燈電梯運行狀態(tài)指示，2個燈表示電梯門開關狀態(tài)。當選擇按下按鍵選擇目的樓層后，對應的樓層指示燈亮起，當?shù)竭_目的樓層后，指示燈熄滅。電梯運行狀態(tài)由對應的指示燈來表示，當電梯向上運行時，UP燈點亮，表示電梯在向上運行，反之則在下運行，當按下開門按鈕時OPEN燈點亮，當按下關門按鈕時，Close燈點亮。

（5）報警電路：電梯內(nèi)設置了緊急報警按鈕，在電梯運行過程中，由于某種原因?qū)е铝穗娞莸墓ぷ魍Ｖ?，電梯?nèi)的乘客可以按下緊急按鈕，并發(fā)出報警信號，系統(tǒng)設計中采用有源蜂鳴器作為報警器，與STC89C52RC的P3.7的端口進行連接[4]。

（6）供電電路：采用LM7805 降壓、穩(wěn)壓芯片提供+5V 電壓，給單片機以及各部分電路供電。

4 軟件設計

本系統(tǒng)用矩陣鍵盤來模擬個樓層之間的按鈕，當乘客按下具體的樓層數(shù)時，STC89C52RC 檢測出高低電平并做出反應，將結(jié)果反饋給NLN2003A 電機驅(qū)動模塊，從而使電機轉(zhuǎn)動進而控制電梯的上下移動。將單片機掃描到的按鍵信息存儲起來，并與電梯的工作狀態(tài)比較，實時判斷電梯的移動是否與按鍵相對應。當電梯停在指定樓層時，電機停止轉(zhuǎn)動，指示燈熄滅。開門指示燈點亮時，表示可進、出乘客，延時一段時間等待進出乘客完成，之后關門指示燈點亮，電梯門準備關閉，當乘客進入電梯之后，按下想去的樓層數(shù)，然后電梯根據(jù)乘客的選擇判斷去哪一層，繼續(xù)運行。電梯在上升過程中只響應上升呼叫請求，下降過程中只響應下降呼叫請求。軟件流程圖如圖2所示。

4.1 電梯主程序

根據(jù)設計要求，實現(xiàn)電梯基本功能的程序應滿足以下要求：

（1）當電梯正式運行時，系統(tǒng)進入初始化程序，顯示器顯示“電梯表示電梯處在二樓，等待乘客進入電梯；初始化程序結(jié)束后進入循環(huán)主程序中。

（2）主程序主要包括：

單片機判斷當有乘客進入電梯后，選擇去哪一層，根據(jù)判斷情況來決定電梯運行，到達目標樓層后做相應的處理，如呼叫指示燈熄滅，控制電梯門開閉等，開關門有一定的延時來保證乘客走出/進入電梯。當電梯在移動時，最小系統(tǒng)需要實時的掃描按鈕，用來判斷各樓層是否有請求，若檢測到有按鈕信息，表示正在有乘客呼叫，此時，在主控制系統(tǒng)中會有指示燈亮起顯示器以及指示燈會實時顯示當前電梯所在樓層和電梯是在移動還是在停止；當發(fā)生意外時，緊急處理程序。

圖2 主程序流程圖

5 系統(tǒng)測試

5.1 方向優(yōu)先測試

電梯按單方向響應設計，即電梯按某一方向運行時，會優(yōu)先響應該運行方向的呼叫請求。測試方案：假設初始狀態(tài)電梯在一樓停留，一次點擊2樓，4樓的上、下按呼叫按鈕和5樓的向下呼叫，觀察電梯方向指示燈和電梯門開啟指示燈，測試結(jié)果記錄如表1所示。

表1 方向優(yōu)先測試

5.2 距離優(yōu)先測試

在同一箭頭方向上，當有多名乘客按下不同的按鈕時，電梯采取就近原則。測試初始時，電梯位于任一層，如一樓。此時三樓和四樓分別向上呼叫。測試結(jié)果：電梯先完成3樓的請求，隨后完成4樓的請求。各按鈕呼叫時指示燈顯示正常，當電梯完成該按鈕的呼叫后，與之對應的樓層指示燈將自動熄滅。

5.3 綜合測試

測試方案：假設電梯在1樓停留，此時有3 名乘客需要搭乘電梯，甲的目的地是2樓，乙丙目的地是4樓。電梯運行后，3樓和4樓有乘客按了向上方向的按鈕，3樓有乘客按了向下方向的按鈕到1樓[5]，如表2所示。

表2 邏輯測試

測試結(jié)論：該測試比較完整的演示了電梯具有的性能，實現(xiàn)了多層呼叫請求的排序，對電梯進行運動控制，同時測試了樓層以及運行信息顯示，指示燈狀態(tài)信息的變化，經(jīng)過測試，電梯實現(xiàn)了系統(tǒng)要求。

6 結(jié)論

本文主要以單片機為核心控制器，以五層電梯為研究對象。實現(xiàn)的功能有：樓層間的通信，樓層數(shù)的按鍵顯示，電梯的上下運轉(zhuǎn)，在遇到特殊情況比如電梯突然停止工作室有警報按鈕。選用STC89C52RC 作為其控制器，通過矩陣鍵盤輸出，STC89C52RC 負責處理矩陣鍵盤上傳來的電平變化信息，處理完成后將結(jié)果以輸出電壓的方式傳給ULN2003A 然后促進電機的運轉(zhuǎn)，來控制電梯的上下移動。未來單片機將成為電子控制器領域的主流，電梯系統(tǒng)作為微處理器的重要領域之一，將會變得更加安全穩(wěn)定，朝著智能化方向發(fā)展。