电梯控制系统设计设计说明

电梯控制系统设计设计说明

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编号：

毕业设计说明书

题目：电梯控制系统设计

院（系）：电子工程与自动化学院

专业：电子信息科学与技术专业

学生姓名：

学号：0900840218

指导教师：李莉

职称：讲师

题目类型：理论研究实验研究工程设计√软件开发

2013年5月20日

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摘要

本设计主要利用AT89S52单片机，实现电梯控制系统的设计。单片机与电机驱动电路的结合完成了电梯基本的升降、楼层停靠、方向选择、时间控制等基本功能，研究并实现了在上位机的模式下通过LABVIEW的远程监测的方法，完成了系统样机的设计与制作。

本设计参照了通用电梯的设计标准，有良好的操作界面和通用的外部接口，具有人性化设计，实现较好的外设兼容性。同时在系统样机中完成的其它设计研究还包括，利用LED和蜂鸣器组成的简单电路实现电梯意外声光报警、利用数码管实现电梯楼层显示，利用4x4矩阵键盘实现电梯楼层按键选择，利用LED实现目的楼层的指示，利用MAX232串口电路实现串口通信，来监测电梯实时状态。样机使用的主要器件包括低功耗、高性能的AT89S52单片机，低功耗、低成本、低电压的MAX232，双全桥电机专用驱动芯片L298，共阴极八段数码管，4x4矩阵键盘等，通过比较合理的设计使样机系统基本达到了任务要求，并具有很高的性价比，硬件设计简单可靠。软件部分使用keil软件进行C语言程序编写，用proteus 7软件进行仿真调试。本设计中综合使用了数字电路、模拟电路、高频电路、单片机及编程、硬件逻辑描述、LABVIEW及其应用以及计算机辅助设计（CAD）等多方面的知识，软硬件结合，很好地完成了本科毕业设计任务要求并取得了良好的学习效果。

关键词：AT89C52；单片机；电梯控制系统； C语言

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AT89S52 microcontroller, the design of the main use of the elevator control system design. Combination of microcontroller and motor driver circuit completed basic lifting of the elevator floor stop, the choice of direction, time control basic functions such as research and in the mode of the host computer through the LabVIEW remote monitoring method, the system prototype design and production.

The design with reference to the generic elevator design standards, good user interface and a common external interface, with user-friendly design, better peripheral compatibility. System prototype design research also includes the use of LED and buzzer simple circuit elevator accident sound and light alarm, use of digital control elevator floor display 4x4 matrix keyboard elevator floor button to select the use of light-emitting diode destination floor display, the MAX232 serial circuit serial communication to monitor the state of the elevator. Prototype device includes a low-power, high-performance single-chip AT89S52, low-power, low-cost, low-voltage MAX232, queen bridge motor driver chip L298N common cathode eight digital tube, 4x4 matrix keyboard, by comparing the rational design of the prototype system basically reached the mission requirements, and highly cost-effective, simple and reliable hardware design. The software part using keil software written in C language programming, debug using proteus 7 software simulation. The design of the integrated use of digital circuits, analog circuits, high-frequency circuit, microcontroller and programming, hardware logic description, LABVIEW and its applications as well as computer-aided design (CAD) and other aspects of knowledge, a combination of hardware and software, well done graduate design task requirements and have achieved good learning results.

Key words：AT89C52; MCU; Elevator control system; C language

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引言 (1)

1 系统设计要求 (2)

1.1 系统功能 (2)

1.2 总体方案 (2)

2 设计论证 (3)

2.1 主控芯片选择 (3)

2.2 楼层显示模块 (4)

2.3 声光报警模块 (4)

2.4 电机模块 (5)

2.5 电机驱动模块 (5)

3 系统硬件设计 (6)

3.1 矩阵键盘电路 (6)

3.2 单片机和人机接口模块 (8)

3.3 显示电路设计 (9)

3.4 声光报警电路设计 (9)

3.5 电机驱动电路设计 (10)

3.6 目的楼层指示电路设计 (10)

3.7串口通讯电路设计 (11)

4系统软件主流程 (11)

4.1 软件整体设计 (11)

4.2 分析键值设计 (14)

4.3 电梯运行方向的判决 (14)

5系统调试和功能测试 (16)

5.1 调试使用仪器 (16)

5.2 调试过程 (16)

5.2.1 硬件仿真 (16)

5.2.2 硬件调试 (17)

5.2.3 软件调试 (18)

5.3功能测试 (18)

6 结论 (20)

谢辞 (21)

参考文献 (22)

附录 (23)

引言

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。因此电梯在我们的生活中起着举足轻重的作用。电梯已不仅是一种生产环节中的重要设备,更是一种人们频繁乘用的交通运输设备。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。从技术发展来看,这种系统将逐渐被淘汰。而单片机价格相当便宜，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，因此这种实现方法可能是以后发展的一种趋势。

电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理技术、系统工程学等多科学和技术分支于一体的机电设备，它是建筑中永久垂直交通工具。电梯作为生产生活的典型运载工具使用已十分普及，其控制信号类型多，关系复杂，要求的控制性能特别高。随着经济的发展高层建筑越来越多对电梯的运行速度和控制性能也提出了更高的要求。而在我国于八十年代初至九十年代初投入使用的电梯,其中绝大部分采用继电器—继电器阵列结构该结构体积大、接线复杂、噪音大、触点易磨损、故障率高、维护工作量大，已无法满足现代社会的需要。

自上世纪80年代以来，微机控制系统得到了极大的发展，现已深人到我国工农业生产的各个方方面面，随着电力电子技术和微电子技术的发展,使得以微机为核心的控制系统得到广泛应用。尤其是单片机的开发与应用，其深度和广度越来越大。微机应用于电梯控制系统，与传统的采用继电接触逻辑控制系统相比，具有很大优越性，一方面，它使整个系统的体积减小，可靠性提高，使用寿命延长；另一方面，它还简化了安装调试和维护维修的工作量，使整个电梯的运行成本降低。更突出的优点是微机具有灵活的算术和逻辑运算功能，具有很强的通信和可扩展功能，实现更完善的自动控制。

常用的微机控制主要的有两种技术：基于PLC控制和基于单片机控制两大技术。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，也不像PLC 那么有针对性，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。基于单片机控制的电梯可以大大的降低成本而且运行也较可靠，采用单片机来实现老式电梯控制系统的改造无疑是最佳方案。由于单片机具有体积小、线路简单、无噪音、可靠性高、维护方便,是一种少投入、高回报的方案。同时能方便实现多台电梯的群控,并通过通讯接口与楼宇自动化系统联接，实施对电梯的监控。

本设计主要利用包括低功耗、高性能的AT89S52单片机，低功耗、低成本、低电

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压的MAX232，双全桥电机专用驱动芯片L298，共阴极八段数码管，4x4矩阵键盘等器件，实现了电梯基本的升降、楼层停靠、方向选择、时间控制等基本功能等基本功能的电梯系统设计。

样机有良好的操作界面和通用的外部接口，实现较好的外设兼容性。同时在系统样机中完成的其它设计研究还包括，利用LED和蜂鸣器组成的简单电路实现电梯意外声光报警、利用数码管实现电梯楼层显示，利用4x4矩阵键盘实现电梯楼层按键选择，利用LED实现目的楼层的显示，利用MAX232串口电路实现串口通信，来监测电梯状态等技术。通过比较合理的设计使样机系统基本达到了任务要求，并具有很高的性价比硬件设计简单可靠。软件部分使用keil软件进行C语言程序编写，用proteus 7软件进行仿真调试。本设计很好地完成了本科毕业设计任务要求并取得了良好的学习效果。

1系统设计要求

利用AT89S52单片机作为电梯控制系统的检测和控制核心，L298芯片驱动电机，键盘扫描，串口通信及外部接口电路设计电梯系统，实现基本的电梯升降功能，电梯内有意外声光报警，有远程监测系统，实现对电梯状态的远程监测等功能。要求熟练掌握硬件电路设计制作，单片机和串口通信的使用，以及电路的调试及测试方法。

1.1系统功能

1、电梯停在1F或2F时，按3F按钮呼叫，电梯上升到3F才停止

2、电梯停在2F或3F时，按1F按钮呼叫，电梯下降到1F才停止

3、电梯停在1F时，按2F按钮呼叫，电梯上升到2F停止

4、电梯停在3F时，按2F按钮呼叫，电梯下降到2F停止

5、电梯停在1F时，2F和3F均有按钮呼叫，电梯先上升到2F，暂停2S，然后

上升到3F停止

6、电梯停在3F时，2F和1F均有按钮呼叫，电梯先下降到2F，暂停2S，然后

下降到1F停止

7、电梯上升或下降途中，任何反方向按钮呼叫均无效

8、每层楼之间到达时间应在12S内完成，否则电梯停机

9、电梯内有意外，有声光报警

10、有远程监测系统，实现对电梯状态的远程监测（选做）

1.2总体方案

图1.1是系统的总体框图，由图将系统分成七个部分分别设计论证。第一部分是呼叫输入模块，采用4x4矩阵键盘，实现对楼层的呼叫信号。第二部分是单片机和人机接口模块，包括括单片机最小系统、ISP下载口及电源；第三部分是显示模块，由共阴极八段数码管来实现楼层显示；第四部分是声光报警模块，由一个LED和一个蜂鸣器组成，实现电梯意外声光报警功能。第五部分是电机驱动模块，由双全桥电机专用驱动芯片L298作为本系统所使用的直流电机的驱动；第六部分电梯模型，由直流电机和电梯

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机箱及外壳等组成，来展示本系统功能的具体实现；第七部分是系统软件，由单片机内的各模块驱动组成，包括数码管驱动、键盘驱动、发光二极管及蜂鸣器驱动、查询系统等。

2设计论证

上节已经将系统的主要组成列举，以下将除软件系统的部分进行分别论证。软件系统将另行设计论证。

2.1主控芯片选择

方案一：继电器控制方案。电梯继电器控制的优点：

(1) 所有控制功能及信号处理均有硬件实现，线路直观，易于理解和掌握，适合于一般技术人员和技术工人所掌握；

(2) 系统的保养、维修及故障检查无需较高的技术和特殊的工具、仪器；

(3)大部分电器均为常用控制电器，更换方便，价格较便宜；

(4) 多年来我国一直生产这类电梯，技术成熟，已经形成系列化产品，技术资料图纸齐全，熟悉、掌握的人员较多。

电梯继电器控制的缺点：

(1)系统触点繁多、接线线路复杂，且触点容易烧坏磨损，造成接触不良，因而故障率较高；

(2)普通控制电器及硬件接线方法难以实现较复杂的控制功能，使系统的控制功能不易增加，技术水平难以提高；

(3) 电磁机构及触点动作速度比较慢，机械和电磁惯性大，系统控制精度难以提高；

(4) 系统结构庞大，能耗较高，机械动作噪音大；

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(5) 由于线路复杂，易出现故障，因而保养维修工作量大。费用高；而且检查故障困难，费时费工。

总之，电梯继电器控制系统故障率高，大大降低了电梯的可靠性和安全性，经常造成停梯，给乘客人员带来不便和惊扰。且电梯一旦发生冲顶或蹲底，不但会造成电梯机械部件损坏，还可能出现人身事故。所以目前电梯的继电器控制已经很少使用了。

方案二：多片单片机控制方案。这种方案是使用多片AT89S52单片机，其中一片作为核心控制控制芯片，另外设置了轿厢控制系统，控制轿厢的开关，每一层的控制系统分别由一个单片机来控制，然后通过单片机主机和从机之间串口通讯，实现电梯系统的控制。这种方案的控制系统结构简单明了，每个系统实现起来比较容易，各个系统之间相互独立，便于安装、维护和修检。所以根据功能要求需要选用6片AT89S52单片机就可以实现该电梯的功能。不过单片机与单片机之间的通讯较多，同时还有单片机与PC机之间也存在通信，在目前通讯是个难点，可能导致最后不能实现或者虽然实现了但是电梯运行过程不够稳定，从而设计的系统没有稳定性。

方案三：采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）器件作为控制中心，对整个系统的运作进行统一管理。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。但这种方案要求平时有很多的知识积累和较强的专业水平，实现起来比较困难且器件较贵，不符合经济要求，而且电机的升降控制，运行时间的测量、显示、远程监测等还需要单片机的配合。

方案四：用一片AT89S52单片机为主控制器的方案，即用一个AT89S52单片机控制所有的按键、数码管显示、电动机的转动、声光报警、目的楼层指示灯等，并实现与PC机进行串口通信，用LABVIEW在上位机上实现远程监测，同时AT89S52对以上所有的信号进行处理。这种方案的控制系统相对复杂，有很大的工作量，只适用于较简单的电梯控制系统，而这次的设计的内容就是5层电梯控制系统，所以选用这种方案。单片机技术目前较为成熟，自身资源丰富，硬件设计简单，成本低，可靠性高，结合软件完全可以实现电梯运行状况的简单模拟。同时结合专业知识，学习并运用过单片机，使用起来更加得心应手。

权衡以上方案的分析，采用方案四。

2.2楼层显示模块

模拟方案一：采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关数据以及信息。点阵式液晶显示器属于低功耗、低电压驱动、结构空间小、有效面积大、构造简单器件，不仅可以显示各种字符、数字，还可以显示各种图形、曲线和汉字,可以实现屏幕上下左右

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滚动，并且具有动画、翻转、闪烁灯功能，用途十分广泛，但相对于八段数码管来说，其价格较贵，驱动电路及编程复杂。

方案二：采用传统的八段共阴极数码管（LED）显示电梯实时所到的楼层。虽功耗大，但其软件驱动简单，硬件电路调试方便，价格便宜，亮度大，显示清晰，能满足本设计的要求。

方案三：采用LED点阵显示模块。LED点阵显示系统中各模块的显示方式有静态和动态显示两种。静态显示原理简单、控制方便，但硬件接线复杂，在实际应用中一般采用动态显示方式，动态显示采用扫描的方式工作，由峰值较大的窄脉冲驱动，从上到下逐次不断地对显示屏的各行进行选通，同时又向各列送出表示图形或文字信息的脉冲信号，反复循环以上操作，就可显示各种图形或文字信息。但是LED点阵显示价格相对高，编程控制比较复杂，硬件电路也较麻烦。

以上两种方案中，选择方案二。

2.3声光报警模块

本作方案一：采用美国ISD公司的2590语音芯片，该语音芯片录放时间为90秒。ISD2500系列具有抗断电、音质好，使用方便等优点。它的最大特点在于片内E2PROM 容量为480K，所以录放时间长；有10个地址输入端，寻址能力可达1024位；最多能分600段；设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。2590语音虽然能提高强大的功能，但是芯片的硬件驱动电路相对复杂，软件驱动电路相对麻烦，价格较贵。

方案二：采用蜂鸣提示音提示当轿箱内有意外情况时，蜂鸣器响，提示乘客有意外情况。其软件驱动（只需要一个I/O口控制）、硬件电路调试非常简单方便，而且价格便宜，能满足本设计的要求。

以上两种方案中，选择方案二。

2.4电机模块

本系方案一：采用步进电机作为本设计的执行元件，步进电机无需编码器等反馈器件即可实现转速与转角（即位置）的控制（即开环控制），这是步进电机最大的特点。步进电机可实现精确定位控制，广泛应用于位移精确定位系统中，但是控制相对于直流电机较复杂。步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。常用的步进电机每转一步，角度转1.8°，在应用中，步进电机可以同时完成两个工作，其一是传递转矩，其二是传递信息。但步进电机的旋转是一个高速重复的“启—停—启—停”过程，所以转动平滑性不如直流电机。

方案二：采用直流电机作为本设计的执行元件，直流电机工作是让线圈始终交替地处于稳定状态和非稳定平衡状态，通过AT89S52单片机控制电流的方向可以实现电机的正反转。直流电机在高起动转矩、大转矩、低惯量的系统中经常使用到。同时，直流电机的驱动电路相对步进电机来说相对简单，软件驱动更加容易编写。

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此题目中电机要带动的负载，对升降精度要求不是很高，所以采用方案二。

2.5电机驱动模块

方案一：小功率驱动电路可以采用如图2.1所示的H桥开关电路。UA和UB是互补的双极性或单极性驱动信号，TTL电平。开关晶体管的耐压应大于1.5倍Us以上。当四个功率开关全用NPN晶体管时，需要解决两个上桥臂晶体管(BG1和BG3)的基极电平偏移问题。图2.2中H桥开关电路利用两个晶体管实现了上桥臂晶体管的电平偏移。但电阻R上的损耗较大，所以也只能在小功率电机驱动中使用。

图2.1 H桥开关电路(Ⅰ) 图2.2 H桥开关电路

(Ⅱ)

另外虽然H组成的电路成本较低，但是硬件电路复杂。

方案二：采用集成电机驱动控制芯片L298。L298是一种高电压、大电流电机驱动芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298芯片驱动电机，该芯片内部包含有两个集成H桥，能同时驱动两路5到24伏范围电源的直流电机，且电路及控制简单。

由于本设计只有一个直流电机，理论上已改用方案一，但是实际工作中，方案一的H桥由于涉及到功率三极管，其组成的电路带动电机的过程中很容易发热烧坏，所以本设计采用方案二。

3系统硬件设计

3.1矩阵键盘电路

矩阵键盘电路如图3.1所示：

由于输入电路所需按键比较多，AT89S52单片机的I/O接口有限，为了节省AT89S52单片机的I/O口，故选用行列式矩阵键盘。本设计采用的是4×4矩阵键盘，用

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8个I/O口控制16个键盘，分为电梯外部按钮跟电梯内部按钮两部分。电路如图3.1所示，P20 - P27是接单片机的P2端口，单片机采用行和列扫描法来判别这16个按键中哪个键按下，并将其信号进行储存，然后根据每个按键设置的功能来通过AT89S52单片机控制电机的正转、反转及停止，从而控制电梯的运行。下面将每个按键的功能说明一下：

图3.1模拟调理电路

S2: 一楼向上呼叫按键，按下此按键表示一楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S3: 二楼向上呼叫按键，按下此按键表示二楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S4: 三楼向上呼叫按键，按下此按键表示三楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S5: 四楼向上呼叫按键，按下此按键表示四楼有人要乘坐电梯上楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S6：二楼向下呼叫按键，按下此按键表示二楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S7：三楼向下呼叫按键，按下此按键表示三楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S8：四楼向下呼叫按键，按下此按键表示四楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼

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图3.2

单片机复位电

层时判断是否该停靠在此楼层；

S9：五楼向下呼叫按键，按下此按键表示五楼有人要乘坐电梯下楼，并且单片机将此信号存入固定单元，判断电梯运行状态，看是否响应此呼叫以及等到电梯运行到此楼层时判断是否该停靠在此楼层；

S10：电梯内部选择去一楼按键，按下此按键表示电梯里的乘客要去一楼，单片机根据此信号控制电梯的运行，到达所指定的楼层；

S11：电梯内部选择去二楼按键，按下此按键表示电梯里的乘客要去二楼，单片机根据此信号控制电梯的运行，到达所指定的楼层；

S12：电梯内部选择去三楼按键，按下此按键表示电梯里的乘客要去三楼，单片机根据此信号控制电梯的运行，到达所指定的楼层；

S13：电梯内部选择去四楼按键，按下此按键表示电梯里的乘客要去四楼，单片机根据此信号控制电梯的运行，到达所指定的楼层；

S14：电梯内部选择去五楼按键，按下此按键表示电梯里的乘客要去一楼，单片机根据此信号控制电梯的运行，到达所指定的楼层；

S15：电梯内部关门按键，控制电梯关门。本设计电梯只是个模型，此功能没有具体的设计实现；

S17：电梯内部开门按键，控制电梯开门。本设计电梯只是个模型，此功能没有具体的设计实现；

S16：意外声光报警按钮，此按钮按下表示电梯有突发情况，单片机根据此信号会停止电梯的运行，同时点亮警报指示灯并发出声音警报。 3.2 单片机和人机接口模块

复位电路：如右图3.2所示，AT89S52单片机的复位是由外部的复位电路实现

的。系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机复位电路参数的选定须在振荡稳定后保证复位高电平持续时间大于2个机器周期。此处，R1取200Ω，但是R2的取值一般为4倍的R1，既必须是800Ω以上。这是因为2.7V 及以下的逻辑电平被称为低电压逻辑电平，3.3V

及以上的逻辑电平被称为高电压逻辑电平，介于两者之间的逻辑电平被称为中间电平。在系统工作时，中间电平会被自动判断，不受逻辑控制。所以，此处复位端要得到高电平，要分的4/5左右的电压，则应取800Ω以上的电阻，此处我们取1KΩ。

时钟电路：系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89S 系列单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和

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图3.3 单片机时钟电路

XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠

近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。单片机晶振的两个电容的作用：这两个电容叫晶振的负载电容，分别接在晶振的两个脚上和对地的电容分别接在晶振的两个脚上和对地的电容，一般在几十皮发。它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，一般订购晶振时候供货方会问你负载电容是多少。

晶振的负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C

式中Cd ,Cg 为分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,Cic （集成电路内部电容）+△C （PCB 上电容），经验值为3至5pf 。此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz ，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容经验值约为22μF 。

ISP 编程接口及电源接口：ISP 为单片机在线编程

口，其不需要任何的外围零件。使用与标准JTAG 口兼容

的双排2*5插座，故为了节省空间，单片机ISP 编程接口与FPGA 的JTAG 编程连接口使用同一个插座。其PE0

（MOSI ）、PE1（MISO ）、PB1（SCK ）直接与插座上相应引脚相连， 图3.4 ISP 下载口电路而复位端（RESET ）则通过跳线与插座引脚相连，使用时可以通过跳线选择是对FPGA 编程或是对单片机进行编程。 3.3 显示电路设计

图3.5 楼层显示电路

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本电路采用数码管显示电梯所到达的楼层数，数码管采用共阴极由单片机的P0口控制。由于AT89S52单片机的P0口做I/O口使用时，CPU内部发控制电平0封锁与门，使与门输出为0，上拉场效应管T1处于截止状态，因此输出驱动级是漏极开路的开路电路，因此当外接数码管时，需要先接上拉电阻，然后才能驱动数码管。本设计接2.2K的排阻，上接+5V电压，数码管初始化显示为1，当电梯运行到某一层时，电梯显示该楼层，而当电梯运行到两楼层之间时，数码管显示为前一楼楼层。

3.4声光报警电路设计

图3.6 声光报警电路

如图3.6所示，本电路由蜂鸣器和发光二极管两部分组成，其中蜂鸣器由单片机的P1.0口进行控制，二极管由单片机的P3.2口进行控制。LED外接+5V电压，通过1K 的电阻进行限流，通过P3.2口控制电平的高低来控制LED灯的亮和灭。蜂鸣器通过三极管和一个限流电阻与P1.0口进行相连，三极管起开关作用，其基极的高电平使三极管饱和导通，是蜂鸣器导通发声，而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声。本设计中当有突发情况发生时，按下S16按键，蜂鸣器会发出警报，同时二极管将点亮。

3.5电机驱动电路设计

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图3.7 电机驱动电路

如3.7图所示，L298驱动电路可直接进行点击控制，无需隔离电路。通过单片机I/O口输入改变芯片控制端的电平，即可以对点击进行正转、反转、停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速点击的大电流要求。芯片的1、8、18管脚接地，4管脚接4.5V 到46V电压来驱动电机，9引脚接4.5V到7V电压来驱动芯片，6、11管脚为使能端，本设计只控制一个电机，因此6管脚直接拉高。电机的控速可通过PWM调节脉宽实现。由L298内部电路无续流二极管对三极管进行保护，所以必须在外部接线OUT1，OUT2加入续流二极管保护电路。同时，在本设计中放置两个接线相反的LED灯，用来指示电机的正转、反转和停止。

3.6 目的楼层指示电路设计

图3.8 目的楼层指示电路

如图3.8，本设计中用五个发光二极管显示电梯的目的楼层，置于电梯内部，五个发光二极管分别由单片机的P1.3到P1.7口控制，当电梯内的乘客按下目标按键时，相对应的单片机控制口输入低电平，发光二极管被点亮，其中亮的表示乘客想前往该层楼，当电梯运行到该楼层时，对应的二极管熄灭。每个发光二极管正极接+5V电压，同时每个发光二极管用1K的电阻进行限流，防止电流过大，损坏发光二级管。

3.7 串口通讯电路设计

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路使用+5v 单电源供电。其主要作用是用来将普通5V的TTL电平转为10V串口通信电平。

内部结构基本可分三个部分：

第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v 和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。

第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后

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从R1OUT、R2OUT输出。

第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。

RS232接口是制定用于串行通讯的标准。该标准规定采用一个25 个脚的DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。DB25的串口一般只用到的管脚只有2（RXD）、3（TXD）、7（GND）这三个，随着设备的不断改进，现在DB25 针很少看到了，代替他的是DB9的接口，DB9所用到的管脚比DB25有所变化，是2（RXD）、3（TXD）、5（GND）这三个。因此现在都把RS232接口叫做DB9。MAX232芯片使用+5V供电，其主要作用是用来将普通5V的TTL电平转为10V串口通信电平。本设计通过此串口与PC机实现数据通信，在PC机上通过LABVIEW对电梯的状态进行实时监测。

图3.9 串口通信电路

4 系统软件主流程

4.1 软件整体设计

本设计由于采用4x4矩阵键盘来代替内外呼叫按键，而电梯的运行方向是根据这些呼叫按键和选择按键来决定的，所以单片机要不断的扫描键盘来获取各层呼叫状态。从而来控制控制电机的转动，进而控制电梯的运行。故键盘矩阵扫描是本系统软件设计的重要一部分，另外要把键盘扫描到的各层的按键信息存储起来，然后和电梯的运行状态比较，判断是否响应各层呼叫（电梯只响应同方向呼叫），同时在电梯运行过程中通过数码管进行实时显示，同时通过串口实时发送楼层数据到PC机上，通过LABVIEW软件所制作的界面实时显示出来，实现远程监测，最后就是声光意外报警警报部分了，当发生意外时，报警按键按下，实现声光报警。整个软件设计包括一下几部分：软件主流程图如图4.1所示：

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图4.1软件流程图

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⑴初始化程序，对单片机系统进行配置，对单片机系统外围模块进行初始化，对串口模块进行初始化；

⑵主程序主要包括：

①判断乘客进入电梯后选择去哪一层，根据判断情况来控制电梯运行；

②电梯在运行过程中要不断的扫描键盘，从而来判断各楼层有无呼叫请求；

③电梯在运行过程中只响应同方向的呼叫请求；

④实时显示电梯所在位置及运行状态（上行/下行）；

⑤实时发送楼层标志位到PC机，实现远程监测；

⑥开关门有一定的延时来保证乘客走出/进入电梯；

4.2 分析键值设计

单片机在读取到键值后，自然会分析该键值来自于哪一层楼的哪个按键。然后才可以把该按键对应的储存单位置1，点亮相应的二极管（实际中的电梯也是如此）。

在本设计中，按键是按照行与列均匀分布的，特定的行与特定的列处的每个按键，均对应有特定的键值。首先可以人为地规定每个按键在电梯中所处的位置。例如规定位第一行按键为上行呼叫的按键等等（具体可参照电路图）。它有自己固定的键值。那么在返回键值后，只需用一个switch-case语句对相应存储数据进行置1即可。

在程序中，我们定义了shang[]、xia[]、nei[]三个数组对相应的按键状况进行存储，这一步是整个程序得以正常运行的前提与基础。在程序开始之前，我们设置了这样一些状态变量，它们分别对应于各个按键，当某个按键按下时，其对应的状态变量就会被置位。这样做的好处是使电梯在执行判决操作时，有据可循。因为判决函数就是依靠当前都有哪些键按下以及电梯此刻所处的上下行状态来判断下一个需要停留的目标楼层的。

分析完键值的来源后，就要点亮相应的二极管。由于二极管是由单片机控制且是低电平使发光二极管点亮，故一般来说，要点亮哪个二极管，只需在单片机向相应端口输入0即可。当电梯到达该层后，我们再向该层对应的端口输入1即可熄灭该二极管。4.3 电梯运行方向的判决

这是整个程序成功运行的核心保证。在电梯经过一个楼层时，就会自动调用该函数，它的作用是基于短时间、高效率、人性化的基础上，合理智能的对电梯的运行进行调度，结合实际情况，最终得出电梯下一个目标停留楼层。

由4.2图可知，程序中将实际情况分为四种情况来判断：电梯上行且是去送人（即电梯此时位于底层，而高层有人呼叫要上楼）、电梯上行且是去接人（即电梯此时位于底层，而高层有人呼叫要下楼）、电梯下行且是去送人（即电梯此时位于高层，而低层有人呼叫要下楼）、电梯下行且是去接人（即电梯此时位于高层，而低层有人呼叫要上楼）。

在实际应用中，最简单的情况莫过于电梯当前为闲置状态，然后有一人按下按键呼叫，然后电梯便响应呼叫。但是，实际情况往往比这复杂的多，在第一个人按下按键电

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梯运行的过程中，还很有可能会有其他不同楼层的人按下不同的按键（上行或者下行）的情况发生。那么就必须得为电梯规定好一个特定的优先级规则，让其依据这个规则来运行，以免乱作一团。那么这个规则就必须要高效且人性化，在此，我们规定，当电梯上行时，均不理会那些按下行按键的顾客。并且，若在上行过程中，也有人在某层按的是上行按键，但是电梯此时已经走过了该层，那么电梯也绝对不会再选择先下行接他。当然，当将高层上行的顾客送完后（此时一般来说电梯已经处于高层了），电梯便会检测下行按键，若更高层有人呼叫下行，则电梯会选择先去响应他们，然后再下行的过程中依次响应按了下行处于等待中的顾客，最后这些顾客都送完后，再去相应那些电梯上行过程中，处于比电梯低的楼层却按了上行键的顾客。Array图4.2电梯判决流程图

简单地说，若电梯处于上行状态，则在该过程中响应不同顾客的优先级（或者电梯响应的先后顺序）为：高层呼叫上行顾客>高层呼叫下行顾客>底层呼叫下行顾客>底层呼叫上行顾客。

那么，当电梯通过程序运行得知到相应状态后，又是如何具体的判断当天所锁定的目标楼层是否要变更呢？现以上行为例，加以详细说明：

若上行，且是送人，比如电梯当前在一层，四楼有人呼叫上楼，那么它就要响应这