智能升降控制系统

智能升降控制系统设计

专业：电子信息科学与技术班级：2008级1班

姓名：邱文博

目录

引言3 1单片机概述 6

1.1单片机简介7 1.2单片机的特点8 1.3单片机的应用领域9 1.4单片机的发展趋势10 1.5单片机的主要生产厂家和机型12 2硬件系统实现13

2.1功能模块图13 2.2各功能模块介绍13

2.2.1 AT89S51芯片13

2.2.2显示模块17

2.2.3复位开关模块18

2.2.4振荡器电路模块19

2.2.5程序下载模块20 2.3设计电路及连线21 3软件实现22

3.1汇编语言简介22 3.2流程图设计23 3.3程序设计24

3.3.1程序初始化24

3.3.2主程序调用25

3.3.3中断程序调用26 4系统调试28

4.1硬件调试28 4.2软件调试29

结论30致谢31参考文献32附录1程序清单34附录2电路原理图44附录3实物图46附录4实物工作状态图47

随着电子信息与通信技术的发展，单片机控制技术也在不段更新。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。而升降机则是属于建筑类中不可替代的一个重要的建筑设备，它也必须依靠单片机这种高科技产品的辅助，提高其功能。

单片机是把主要计算机功能部件都集成在一块芯片上的微型计算机。它是一种集计数和多中接口于一体的微控制器，被广泛应用在智能产品和工业自动化上，而51单片机是单片机中最为典型和最有代表性的一种。单片机的应用从根本上改变了控制系统的传统设计思想和设计方法。以前采用的硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。单片机还可以实现智能化数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术被称为微控技术。随着单片机的应用的推广，微控制技术将不断发展和完善。

本论文选择AT89S51为核心控制元件，设计了一个八层电梯系统，使用单片机汇编语言进行编程，实现运送乘客到任意楼层，并且显示电梯的楼层和上下行。利用单片机控制电梯有成本低，通用性强，灵活性大及易于实现复杂控制等优点。

关键词

单片机；电梯；系统；控制；智能

With the development of electronic information and communication technique, the single chip microcomputer control technology is also updating such as various monitoring systems process control, electromechanical integration, PLC and so on. In addition , mcu control is widely used in the industry of chemical ,construction, metallurgy and other areas.The lift is an important construction equipment and it also relys on the assistance of this high-tech products of SCM to enhance its functionality.

The mcu is a kind of microcomputer, which integrates the main computer features on a single chip and it is also a kind of microcontroller which integrates counts and a variety of interfaces on a single chip. It is widely used in intelligence products and industrial automation and 51mcu is the most typical and trepresentative one. The design ideas and methods of traditional control system has been fundamentally changed with the application of mcu.What’s more, the mcu can also be used in the fields of intelligent digital computing control, fuzzy control and adaptive control. This technology is called micro-control technology which uses software instead of hardware in the design. With the promotion and applications of the mcu, micro-control technology will continue to develop and perfect.

Using AT89S51 as the core element, a eight-floor elevator system is designed in this thesis. This design which uses mcu assembly language to program, is aim to achieve the function of transporting passengers to any floor and showing the elevator floor. Using mcu to control the elevator has many advantages such as low cost, versatility, flexibility and easy to implement complex control.

Keywords:

Single chip microcomputer; Elevator; System; Control; Intelligence

随着现代高科技的发展，住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。1889年美国奥梯斯升降机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降机，同年在纽约市马累特大厦安装成功。随着建筑物规模越来越大，楼层也越来越高，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性都提出了更高的要求。由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线路。采用这种控制线路,存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。

目前，由可编程控制器（PLC）或微型计算机组成的电梯运行逻辑控制系统，正以很快的速度发展着。可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。但是由于PLC的针对性较强，每一台PLC 都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。而单片机价格相当便宜，如果在抗干扰功能上有所提高的话完全可以代替PLC实现对工控设备的控制。当然单片机并不象PLC那么有针对性，所以由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，更完美的实现设备的升级。

由于单片机从功能和形态来说都是应控制领域应用的要求而诞生的，并且发展到新一代80s51、M68HC11、AT89S51、AT89S52，其中着力扩展了各种控制功能，更准确的反映单片机本质的叫法。

AT89S51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[1]。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

89S51相对于89C51增加的新功能包括：新增加很多功能，性能有了较大提升; ISP在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离。是一个强大易用的功能；工作频率为33MHz，89S51的极限工作频率只有24MHz，就是S51具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度；具有双工UART串行通道；双数据指示器；电源关闭标识；全新的加密算法，这使得对于89S51的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯；兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列产品[2]。比如8051、89S51等等早期MCS-51兼容产品。在89S51上一样可以照常运行，这就是所谓的向下兼容。

电梯控制系统是比较复杂的一个大型系统，在计算机诞生的几十年里，继电器控制系统为电梯控制的发展做了巨大的贡献，但在性能上和PLC还是有本质上的差距。在科技的不断发展下，单片机控制系统很快可以解决抗扰性，成为方便有效的电梯控制系统。

电梯作为垂直方向的交通工具，在高层建筑和公共场所已经成为重要的建筑设备而不可或缺。随着计算机技术和电力电子技术的发展，现代电梯已

经成为典型的机电一体化产品。大规模的经济建设尤其是蓬勃发展的房地产业给升降机行业开拓了广阔的市场。当然这些升降机在不断的更新，电梯发展的趋势也在不断升级，这些升级趋势主要包括超高速电梯，电梯的智能群控系统，蓝牙技术在电梯上的应用，以及绿色电梯等等。而现在的单片机也在更新的使用于电梯中。

单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）,又称为微控制器（Microcontroller Unit）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。（如图1所示）。随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SOC（System on Chip）方向发展

图1 单片机结构

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。

单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小,然而完善的计算机系统[3]。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

由此来看，单片机有着微处理器所不具备的功能，它可单独地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能，这是单片机最大的特征。

然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微型计算机控制系统，它与单板机或个人电脑(PC机)有着本质的区别，单片机的应用属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使该芯片具备特定的功能。

不同的单片机有着不同的硬件特征和软件特征，即它们的技术特征均不尽相同，硬件特征取决于单片机芯片的内部结构，用户要使用某种单片机，必须了解该型产品是否满足需要的功能和应用系统所要求的特性指标。这里的技术特征包括功能特性、控制特性和电气特性等等，这些信息需要从生产厂商的技术手册中得到。软件特征是指指令系统特性和开发支持环境，指令特性即我们熟悉的单片机的寻址方式，数据处理和逻辑处理方式，输入输出

特性及对电源的要求等等。开发支持的环境包括指令的兼容及可移植性，支持软件(包含可支持开发应用程序的软件资源)及硬件资源。要利用某型号单片机开发自己的应用系统，掌握其结构特征和技术特征是必须的。

单片机控制系统能够取代以前利用复杂电子线路或数字电路构成的控制系统，可以软件控制来实现，并能够实现智能化，现在单片机控制范畴无所不在，例如通信产品、家用电器、智能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等，单片机的应用领域越来越广泛。

诚然，单片机的应用意义远不限于它的应用范畴或由此带来的经济效益，更重要的是它已从根本上改变了传统的控制方法和设计思想。是控制技术的一次革命，是一座重要的里程碑。

1.2单片机的特点

单片机与通用微机相比较,在结构,指令设置上均有其独特之处,其主要特点如下:

（1）单片机的存储器ROM和RAM是严格区分的。ROM称为程序存储器,只存放程序，固定常数及数据表格。RAM则为数据存储器，用作工作区及存放用户数据。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把开发成功的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中。这样,小容量的数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加速单片机的执行速度，但单片机内的RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速缓冲存储器(CACHE)使用。

（2）采用面向控制的指令系统.为满足控制的需要，单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力。

（3）单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数目有限,为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法.引脚处于何种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分。

（4）单片机的外部扩展能力强.在内部的各种功能部分不能满足应用需求时,均可在外部进行扩展(如扩展ROM，RAM，I/O接口，定时器/计数器，中断系统等)，与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性[4]。

1.3单片机的应用领域

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

（1）在智能仪器仪表上的应用:单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

（2）在工业控制中的应用:用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

（3）在家用电器中的应用:可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

（4）在计算机网络和通信领域中的应用:现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。（5）单片机在医用设备领域中的应用:单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

1.4单片机的发展趋势

现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。

纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：

（1）低功耗CMOS化

MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度

不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合[5]。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。

（2）微型单片化

现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大[6]。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。

此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。

（3）主流与多品种共存

现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大

公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。

1.5单片机的主要生产厂家和机型

目前世界是较为著名的部分8位单片机的生产厂家和部分主要机型如下：Intel(美国英特尔)公司：MCS-51/96及其增强系列；

NS(美国国家半导体)公司：NS8070系列；

RCA(美国无线电)公司：CDP1800系列；

TI(美国得克萨斯仪器仪表)公司：TMS7000系列；

Cypress(美国Cypress半导体)公司：CYXX系列；

Rockwell(美国洛克威尔)公司：6500系列；

Motorola(美国摩托罗拉)公司：6805系列；

Fairchild(美国仙童)公司：FS系列和3870系列；

Zilog(美国齐洛格)公司：Z8系列和SUPER系列；

Atmel(美国Atmel)公司：AT89系列；

National(日本松下)公司：MN6800系列；

Hitachi(日本日立)公司：HD6301，HD65L05，HD6305系列；

NEC(日本电气)公司：Ucom87，(upd7800)系列；

Philips(荷兰菲利浦)公司：P89C51XX系列；

其中Intel公司的MCS-51系列及其增强型系列在8位单片机市场中占的份额最大，达50%左右。

2 硬件系统实现

2.1功能模块图

在本设计中需用到AT89S51芯片,1个数码管，一个蜂鸣器，复位电路，8个按键，24个发光二极管。

图2 功能模块

2.2各功能模块介绍

2.2.1AT89S51芯片

本设计主要采用AT89S51芯片。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用A TMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器[7]。

此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作。掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能性能如表1所示：

表1 A T89S51芯片的主要功能

引脚功能说明

VCC：电源电压。

GND：地。

P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口

线同时转换成地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。Flash 编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。

表2 P1端口引脚的第二功能

P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @Ri指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2 寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。

P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用作上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3所示：

表3 P3端口引脚的第二功能

RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFR AUXR 的DISRTO位（地址8EH）可打开或关闭该功能。DISRTO位缺省为RESET 输出高电平打开状态。

ALE/（/PROG）：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元

的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC 指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。

/PSEN：程序存储允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没有两次有效的/PSEN 信号。

EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc 端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。

XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。

2.2.2显示模块

显示电路采用了1个LED数码管,单片机I/O的应用最典型的是通过I/O口与7段LED数码管构成显示电路。7段LED数码管，则在一定形状的绝缘材料上，利用单只LED组合排列成“8”字型的数码管，分别引出它们的电极，点亮相应的点划来显示出0-9的数字。LED数码管根据LED 的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的。因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。将多只LED的阴极连在一起即为共阴式，而将多只LED的阳