课程设计（论文）-MCS-51系列单片机控制的5层液压电梯系统.doc

目 录概述1第一章 液压电梯简述21.1 液压传动的概念21.2 液压电梯介绍2第二章 系统硬件电路设计42.1 控制及接口主要器件介绍42.1.1 AT89S52单片机42.1.2 TLP521光电耦合器52.1.3 74LS24462.2 系统硬件电路设计72.2.1 系统框图72.2.2 单片机最小系统电路设计72.2.3 信号指示电路设计102.2.4 控制信号输入电路设计122.2.5 电磁阀控制电路设计13第3章 系统软件设计153.1 AT89S52单片机内部模块简介153.1.1 IO口简介153.1.2 定时器简介173.2 系统程序流程图20参考文献21概述随着现代化城市的高速发展，一幢幢高楼拔地而起。在这些建筑中电梯是必不可少的垂直输送工具。在服务性和生产性部门，如医院、商场、仓库等也需要大量的病床电梯、自动扶梯、载货电梯和液压电梯。考虑到液压电梯的特点和市场对液压电梯的需求，设计出具有自己特色的液压电梯控制系统。本系统使用单片机逻辑控制系统，实现五层液压电梯智能管理控制器，同多对开关阀的控制，实现液压电梯的上升、下降、加速、减速及停车平层。单片机同时作为电梯集选、管理的逻辑控制器，实现各种逻辑控制功能。第1章 液压电梯简介1.1 液压传动的概念液压传动是利用密封工作容内的液体压力能力来完成由原动机向工作装置进行能量或动力的传递或转换。液压传动具有以下工作特点：（1）力的传递是靠液体压力来实现，其工作压力由负载的大小，即油缸柱塞受的力决定。（2）运动速度的传递是按液体容积变化相等的原则进行。因此只要改变向油缺输出的流量，就可相应改变柱塞运动的速度。可以看出液压传动所传递的力与速度可以是无关的，理论上可以实现与负载无关的运动规律和速度调节。1.2 液压电梯介绍液压电梯是通过液压动力源，把油压入油缸使柱塞作直线运动，直接或间接地通过钢丝绳使轿厢运动的电梯。根据液压传动的特点可知，只要改变油泵向油缸输出的油量就可以改变电梯的运行速度。所以液压电梯的速度控制实际上就是液压系统的流量控制。液压电梯具有以下特点：（1）运行平稳、乘坐舒适。液压系统传统动力均匀平稳，而且电梯运行速度曲线变化平缓，因此舒适感优于曳引调速梯。（2）安全性好、可靠性高、易于维修液压电梯除装备有普通曳引式电梯具备的安全装置外，还有：溢流阀，可防止上运动时系统压力过高。应急手动阀，电源发生故障时，可使轿厢应急下降到最近的层楼位置，自动开启轿门，使乘客安全走出轿厢。动泵，当系统发生故障时可操作手动泵打出高压油，使轿厢上升到最近的层楼位置。管道破裂阀，当液压系统管道破裂而轿厢失速下降时，可自动切断油路。（3）载重量大利用巴斯克原理，液压电梯可以很容易地取得大的顶升力，同时其功率重量比大，同样功率可运载的重量大。（4）噪声低液压系统可采用低噪声螺杆泵，同时油泵、电机可设计成潜油式的工作方式，构成一个泵站整体，大大降低了噪声。（5）防爆性能好液压电梯采用低凝阻燃液压油，油箱又为整体密封，电机、油泵浸没在液压油中，能有效地防止可燃的气体和液体的燃烧。第2章 系统硬件电路设计本系统的研究对象为采用开关阀控制的液压电梯，电梯的运行状态是由电磁阀线圈的得、失电来决定的，其承载方式为两级直顶侧置式。四个接触器分别控制电梯的停车、上行、下行、加速、减速、开门、关门等动作。另外，每层楼设有楼层显示屏、上呼按钮、下呼按钮。电梯内部设有楼层显示屏、5个楼层选择按钮。系统采用AT89S52单片机作为主控制器，通过光耦控制被控对象有效抑制长线干扰，提高系统的可靠性。控制系统的硬件设计包括：单片机最小系统电路设计，控制信号及检测信号的接口电路设计，指令召唤信号显示接口电路设计，层楼显示接口电路设计以及中断信号源接口电路的设计。2.1 控制及接口主要器件介绍2.1.1 AT89S52单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52引脚结构与标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。2.1.2 TLP521光电耦合器TLP521 是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器等电路之间的信号传输，使之前端与负载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。东芝TLP5211，2 和4 组成的砷化镓红外发光二极管耦合到光三极管。TLP521光电耦合器引脚及参数：集电极-发射极电压： 55（最小值）经常转移的比例： 50 （最小）隔离电压： 2500 Vrms （最小）2.1.3 74LS244八同相三态缓冲器/线驱动器。如果输入的数据需要保持比较长的时间，简单输入接口扩展通常使用的典型芯片为74LS244，由该芯片可构成三态数据缓冲器。74LS244芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时可分别以1G和2G作为它们的选通工作信号。当1G和2G都为低电平时，输出端Y和输入端A状态相同；当1G和2G都为高电平时，输出呈高阻态。 74LS244逻辑引脚功能图 真值表：L =低逻辑电平H =高逻辑电平X =高或低的逻辑电平Z=高阻抗推荐工作参数：符号参数最小值典型值最大值单位VCC电源电压4.7555.25VVIH输入高电平电压ViH2-VVIL输入低电平电压ViL-0.8VIOH输出高电平电流IOH-15mAIOL输出低电平电流IOL-24mATA工作温度0-702.2 系统硬件电路设计2.2.1 系统框图单片机电磁阀光耦隔离呼梯按键呼梯信号显示楼层及上下行显示轿厢位置检测2.2.2 单片机最小系统电路设计晶振电路设计AT89S52 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2 可以不接，而从XTAL1 接入。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。右图为使用振荡器典型电路，根据不同的振荡器选用不同的起振电容：石英晶振C1=C2=30PF±10PF陶瓷谐振器C1=C2=40PF±10PF本系统采用12MHz的石英晶体振荡器，选用22pF起振电容，电路设计如下：复位电路设计1、 复位电路的用途为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的第一功能是上电复位。一般微机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.755.25V。由于微机电路是时序数字电路，它需要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤除，微机电路开始正常工作。目前为止，单片机复位电路主要有四种类型：（1）微分型复位电路；（2）积分型复位电路；（3）比较器型复位电路；（4）看门狗型复位电路。2、 复位电路的工作原理51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现。在单片机系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。在复位电路中，电容的的大小是10uF，电阻的大小是10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的0.7倍（单片机的电源是5V，所以充电到0.7倍即为3.5V），需要的时间是10K*10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的0.1S内，电容两端的电压时在03.5V增加。这个时候10K电阻两端的电压为从51.5V减少（串联电路各处电压之和为总电压）。所以在0.1S内，RST引脚所接收到的电压是5V1.5V。在5V正常工作的51单片机中小于1.5V的电压信号为低电平信号，而大于1.5V的电压信号为高电平信号。所以在开机0.1S内，单片机系统自动复位（RST引脚接收到的高电平信号时间为0.1S左右）。在单片机启动0.1S后，电容C两端的电压持续充电为5V，这是时候10K电阻两端的电压接近于0V，RST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候，开关导通，这个时候电容两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移，电容的电压在0.1S内，从5V释放到变为了1.5V，甚至更小。根据串联电路电压为各处之和，这个时候10K电阻两端的电压为3.5V，甚至更大，所以RST引脚又接收到高电平。单片机系统自动复位。3、 总结：1、 复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2US以上的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2US，即可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。2、 按键按下系统复位，是电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。本系统采用积分型复位电路，设计如下：2.2.3 信号指示电路设计信号指示电路包括呼梯信号显示，楼层信号显示，上行下行信号显示三部分组成。系统控制对象为24V指示灯，信号通过光耦控制指示灯。呼梯信号表示按键按下后显示按下的标志，表明系统已经知道有人呼叫。楼层及上行下行信号指示，显示电梯当前的工作状态，所处楼层，以及上行或下行。电路图如下：左边三个芯片是74LS244，它有两个作用，第一用来扩展IO口。第二用作功率放大，因为51单片机输出高电平时拉电流能力弱，不能直接驱动光耦，使用74LS244将驱动能力放大即可正常使用光耦。光耦输出端集电极接限流电阻接24V电源，发射极接指示灯到地。这样光耦作为一个无触点开关，即可控制指示灯的亮灭。系统控制20个指示灯分别为：13个呼梯指示灯，5个楼层指示灯，2个上下行指示灯。2.2.4 控制信号输入电路设计控制信号包括电梯的轿厢位置检测和呼梯信号。系统采用矩阵扫描的方式检测各个信号的输入。矩阵键盘扫描一般采取行列扫描法。比如先拉低所有列线，拉高行线，之后读取行线状态，如果行线有一行为低，则假设有按键按下，此时再延时20毫秒左右后判断行线的某一行是否仍然为低，若为低则确认有键按下。这时可以进行按键键值判断，即判别在哪一行哪一列有按键按下。判断的方法是通过拉高列线，依次置行线的某一行为低，读取列线值。如果列线有一列为低，则表示按键发生在该行，进而可以通过读取到的列线值确定在哪一列，从而确定按键发生在具体的行和列。为了防止按键按下后一直有按键被读取，需要在程序中设定在按键被释放后才能读取具体的键值来避免这一问题。呼梯信号及轿厢位置检测电路如下：同样，按键检测电路与单片机之间也需要光耦隔离，通过74LS244进行功率放大和IO口复用。轿厢位置检测用的是行程开关，与按键信号采集方式相同，因此设计电路大体一致。信号输入包括：13个轿厢位置行程开关输入，13个呼梯信号输入。2.2.5 电磁阀控制电路设计由于电磁阀使用220v交流供电，不能用光耦直接驱动，需要通过光耦控制交流继电器，交流继电器控制电磁阀。电磁阀控制电路相对简单，点对点控制，而且不用74LS244进行IO口扩展，原因有三个，第一，51单片机P0口输出低电平时灌电流能力可达15mA足以驱动光耦。第二，单片机只有此4个口作为功率输出，总电流在51单片机正常工作范围内。第三，直接驱动响应更快更可靠。电路图设计如下：第3章 系统软件设计3.1 AT89S52单片机内部模块简介3.1.1 IO口简介P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。3.1.2 定时器简介MCS-51内部有两个可编程的16位定时器T0和T1。通过编程，可以设定为定时器和外部计数方式。T1还可以作MCS-51串行口的波特率发生器。定时器T0由特殊功能寄存器TL0和TH0构成，定时器T1由特殊功能寄存器TL1和TH1构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时器的工作方式，TCON控制其运行，TCON还包含了定时器T0和T1的溢出标志。定时器的中断由中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP中的相应位进行控制。定时器T0的中断入口地址为000BH，T1的中断入口地址为001BH。特殊功能寄存器TMOD为定时器的方式控制寄存器，其格式如下：GATEC/-TM1M0GATEC/-TM1M0其中高4位用来对T1进行编程，低4位用来对T0进行编程。M1、M0用来选择工作方式。其含义如下图所示：M1M0功能说明00方式0，13位定时器计数器01方式1，16位定时器计数器10方式2，常数自动装入的8位定时器计数器11方式3，仅用于T0，分为两个8位定时器计数器C/-T用来选择定时器和外部计数方式。当C/-T=0时为定时器方式，它以时钟信号的12分频为计数器的计数信号。当C/-T=1时为外部计数方式，以外部引线（T0为P3.4，T1为P3.5）的输入脉冲作为计数信号。当输入信号由高到低变化时，计数器加1。GATE为门控位。当GATE=0时，计数不受外部影响。当GATE=1时，计数受外部引线输入电平的控制（-INT0控制T0运行，-INT1控制T1运行）。特殊功能寄存器TCON为定时器控制寄存器，其格式如下：TF1TR1TF0TR0此控制寄存器中仅高4位与定时器有关。TR0、TR1为定时器T0、T1的运行控制位。当GATE（TMOD.3）为0时，由TR0控制T0的允许计数与否，当TR0为1时允许T0计数，TR0为0时禁止T0计数。当GATE（TMOD3）为1时，TR0为1，INT0为1允许计数，其中任一个为0禁止计数。TR1用来控制T1，与TR0相似。TR0、TR1的0或1在编程时设置。TF0、TF1为T0与T1的溢出标志位。当T0允许计数后，T0从初值开始加 1，最高位溢出时将TF0置"1"。如置定时器为允许中断方式，则向CPU申请中断， CPU响应中断时清除TF0。如不用中断可采用查询方法，通过软件复位TF0。TF1为T1的溢出标志位，与TF0相似。中断允许寄存器IE中的ET0及ET1两位分别为T0及T1的溢出中断允许位，为1时分别允许T0、T1中断。为0时则禁止中断。中断优先级寄存器IP中的PT0及PT1两位为T0及T1的中断优先级控制位，当其为1时定义为高优先级中断，为0时定义为低优先级中断。定时器T0具有0、1、2、3四种工作方式，定时器T1只有0、1、2三种工作方式。方式 0为 13位的定时器计数器方式。低位 TLx为 5位，高位 THx为 8位（x= 0，1）。当低位加1计数溢出时向高位进位，高位计数溢出则置"1"TFx。方式1与方式0相似，但采用了16位计数器，即高位，低位各8位。方式2为自动恢复初值方式的 8位定时器计数器。此时 TLx为 8位计数器， THx为常数缓冲器，当 TLx溢出时，置"1" TFx，并将THx中的计数初值送入 TLx，使 TLx再次重新计数。方式3仅适用于T0，此时将T0分为两个独立的8位计数器TL0及TH0。TL0使用控制位C/-T、GATE、TR0、TF0及控制端-INT0。TH0为一个固定的8位定时器，使用T1的TR1及TF1。通常只有在T1作为串行接口的波特率发生器时，T0才定义为方式3。此时T1仍可用定时器或计数器方式，并可定义为方式0，方式1及方式2。3.2 系统程序流程图扫描子程序开始有呼叫吗？本层有呼叫吗？调定位子程序减速否？消加速置减速平层否？制动参考文献1 刘福才，杜崇杰，路正午。液压电梯的单片机控制系统。电气自动化1996,18（2）：35-382 刘育才 MCS-51 系列单片微型计算机及其应用，东南大学出版社，19903 钱宗华，严携薇，赵雁南。微计算机控制系统设计，清华大学出版社，198822