51单片机在八层电梯控制模型中的设计应用

　随着城市建设的不断发展，楼群建筑不断增多，电梯进入人类的生活已经150年有余，并已与人们的日常生活密不可分。当今电梯控制普遍采用继电器或可编程控制器（PLC）的方式，其针对性较强，需要根据每个个体的设备进行设计，并且存在噪声大、成本高等缺点。本文采用单片机芯片进行电梯控制，不像PLC那样具有针对性，并且其价格十分便宜，可以大幅降低成本，同时该设计可以进行不断的更新修订和完善，更好的使设备升级。
本文研制了一套基于单片机控制的八层楼电梯模型，选择51单片机作为基本控制单元，具体介绍了电梯模型的总体结构和基本功能，同时也介绍了电梯模型各个基本功能，包括按键电路、显示电路、报警电路、复位电路等。经仿真调试，该设计通过步进电机的正反转实现电梯的上升、下降，能通过按键选择想要到达的楼层并把该楼层在数码管上实时显示结果表明该电梯模型可靠性高、系统成本低、能够较为真实的模拟出一台八层电梯控制系统的运行状况，具有重要的现实意义。
1、四层电梯模型
1.1 电梯的组成
电梯是现代高层建筑中必不可少的垂直代步设备，结合教学的需要，我们研发设计了八层电梯模型，该电梯模型基本反映了电梯的结构和使用功能，效果直观，可操作性好；选用功能较强的51单片机作为控制单元，研制出一台对建筑楼层数的变化适应性较强，设计和安装成本较低的电梯模型。
1.2 电梯控制系统实现的功能
电梯控制系统可实现如下5 项功能：
（1）一台电梯控制上升和下降，开始时，电梯处于任意一层。
（2）当有外呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，到时达该楼层时，轿厢停止运行，轿厢门自动打开，延时3秒后自动关门。
（3）当有内呼梯信号到来时，轿厢响应该呼梯信号，到达该楼层时，轿厢停止运行，轿厢门自动打开，延时3秒后自动关门。
（4）在电梯运行过程中，轿厢上升（或下降）途中，任何反方向下降（或上升）的呼梯信号均不响应；如果某反向呼梯信号前方再无其它呼梯信号，则电梯响应该呼梯信号。例如，电梯在一楼，将要运行到三楼，经过二楼时可以响应二层向上的外呼梯信号，但不响应二层向下的外呼梯信号。
（5）电梯具有最远反向呼梯响应功能。例如，电梯在一楼，而同时有二层、三层及四层向下呼梯，则电梯先去四楼响应四层向下外呼梯信号。
1.3 整体设计流程的确定
电梯控制系统的整体设计流程分以下5步进行：
（1）根据设计要求，分析系统控制功能；
（2）选用单片机为控制核心，进行总体设计；
（3）系统硬件设计；
（4）系统软件设计；
（5）系统调试分析。
1.4 电梯控制系统的总体设计
设计的基本思路是以STC89C51单片机为核心，利用其灵活的I/O接口和外围电路与控制的多样性优势进行配合控制。主要由以下几部分构成：单片机最小系统电路、按键电路、电机驱动电路、楼层显示电路和报警电路。利用独立按键实现电梯的内外选择，利用延时功能控制电梯位置验证，利用数码管实时显示楼层。总体设计如图1所示。

图1 系统总体框图
2、系统硬件电路设计
八层电梯模型控制系统主要由CPU（STC89C51RC）、复位电路、时钟振荡电路、独立式键盘电路、楼层显示电路、目的楼层显示电路、电梯上下指示电路、步进电机等主要部分组成。
2.1 主控模块设计
核心控制模块中使用了STC89C51RC单片机，它由复位电路和时钟电路组成。它不仅可以用串口在线下载且可靠性高，价格便宜。由于STC89C51RC单片机内部继承了程序存储器和数据存储器，只要增加时钟电路和复位电路就具备了工作的基本条件，单片机就可以正常运行了。该主控模块电路如图2所示。

图2 主控模块电路连接图
2.2 步进电机模块设计
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。该电路采用两组发光二极管，表示换向电机的状态，也就是正反转。用I/O端口的P2.0、P2.1、P2.2 做输出驱动发光二极管组。而上行灯表示电机正转，就是向上的意思；下行灯表示电机反转，就是向下的意思；如果两个灯都灭表示电机不转。电机驱动电路如图3所示。
2.3 按键和显示模块设计
本系统分别利用独立按键和数码管进行楼层信号输入和显示功能。独立式按键的各按键相互独立，每个按键都有一个输入线，各按键的状态互不影响，CPU需对按键状态分别检测，只适用于按键数量较少的场合，本设计用P3口与按键进行连接。共阴极数码管实现实时层站数显示，数码管由发光二极管组成，并连接在单片机的PO端口，由其控制。其显示电路如图4 所示。

图3 电动机驱动电路

图4 楼层显示电路图
3、系统软件电路设计
本设计的基本思想是采用STC89C51单片机作为核心，利用其丰富的I/O接口与外围电路配合进行控制。采用延时函数来控制电梯的位置校验，采用数码管静态显示来实时显示电梯所在楼层。采用独立键盘作为外呼内选电路来实现八层电梯控制。当电梯到达目的楼层时电机停止，此时即可进、出乘客，乘客进入电梯之后可选择去哪一层，然后电梯根据乘客的选择判断去哪一层，进而继续运行。单片机控制电梯在上升过程中只响应上升呼叫，下降过程中只响应下降呼叫，电梯的正常运行通过单片机的控制来实现。整个程序的流程图如图5所示。

图5 总程序流程图
电梯运行方向的判断是整个设计项目成功运作的重要保证。如在一楼，电梯将自动调用这个函数，它具有较高的效率、耗时少和合理的调度。结合现实状况，合理安排电梯运行，最后电梯要确定下一个要到达的目的地。电梯判决流程相当于总流程图中的键盘扫描阶段。电梯的判决流程图如图6所示。

图6 电梯判决流程图
4、结语
本次设计的八层电梯模型基本上反映了电梯的结构和使用功能，效果是比较直观的，而且可操作性好；该模型采用STC89C51单片机进行控制，所设计的八层电梯模型基本功能均可实现，克服了教学模型功能单一，仅以演示为目的的局限性，为教学和科研提供了比较理想的实验平台。