電梯控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，附軟硬件架構(gòu)圖

一、項(xiàng)目概述

1.1 引言

電梯技術(shù)包括電梯電機(jī)的拖動(dòng)技術(shù)和電梯運(yùn)行的控制技術(shù)，本項(xiàng)目主要在意探索實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行的優(yōu)化，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)于電梯電機(jī)的優(yōu)化控制并實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)的基本性能與擴(kuò)展性能。國(guó)產(chǎn)電梯控制技術(shù)過(guò)去一直是以繼電器，接觸器為核心。系統(tǒng)龐大，復(fù)雜，所用控制柜很大，因此使用微機(jī)電梯控制系統(tǒng)，以期提高運(yùn)行可靠性。

1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)

單片機(jī)體積小，處理速度快，價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，是合適的控制系統(tǒng)。對(duì)電梯的控制主要是選層、啟動(dòng)、換速、平層、停車(chē)等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中以選層環(huán)節(jié)最為復(fù)雜。與通常的電器控制相比，單片機(jī)系統(tǒng)不需要通過(guò)“選層器”并且配備以大量的中間繼電器作為選層電路的控制設(shè)備，避免了設(shè)備多，檢修困難，運(yùn)行維護(hù)不便，造價(jià)成本高；應(yīng)用微機(jī)控制可以取消選層器和大量的中間繼電器，而且應(yīng)用單片機(jī)控制，又相對(duì)于應(yīng)用其他微機(jī)減少了外圍設(shè)備的接口芯片、增強(qiáng)了可靠性。因此此次我們使用ATMEL公司的EVK1100為核心進(jìn)行集成優(yōu)化控制與管理。

二、需求分析

2.1 功能要求

基本要求

A 電梯在樓層中的調(diào)度

B 電梯門(mén)的自動(dòng)開(kāi)啟

C 電梯中電機(jī)的控制

D 電梯的故障檢測(cè)

擴(kuò)展要求（根據(jù)開(kāi)發(fā)板的資源所做的擴(kuò)展）

A 電梯中的照明控制

B 電梯中的溫度顯示

2.2 性能要求

在故障檢修模式鍵被按下時(shí)，切換至故障檢修模式，電梯停止運(yùn)行工作人員可以進(jìn)行檢修，循環(huán)檢測(cè)電梯的模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時(shí)，切換到相應(yīng)的模式下。

在一般運(yùn)行模式鍵被按下時(shí)，切換至一般運(yùn)行模式，電梯實(shí)現(xiàn)一般的功能要求，循環(huán)檢測(cè)電梯的模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時(shí)，切換到相應(yīng)的模式下。

在直接運(yùn)行模式鍵被按下時(shí)，切換至直接運(yùn)行模式，電梯實(shí)現(xiàn)直接運(yùn)行，為緊急情況爭(zhēng)取時(shí)間，循環(huán)檢測(cè)模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時(shí)，切換到相應(yīng)的模式下。

故障檢修模式下，電梯停止運(yùn)行，停止外部訊號(hào)對(duì)于電梯的調(diào)度（對(duì)于模式轉(zhuǎn)換鍵，在此功能沒(méi)出現(xiàn)故障的時(shí)候任然響應(yīng)），顯示當(dāng)前樓層和溫度，使能照明。

一般運(yùn)行模式下，電梯一般運(yùn)行，對(duì)于外部訊號(hào)，通過(guò)電梯的調(diào)度算法和對(duì)于電梯的中電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，使能模式轉(zhuǎn)換鍵，顯示當(dāng)前樓層和溫度，對(duì)于照明的使能通過(guò)壓力傳感器的輸入進(jìn)行控制。

直接運(yùn)行模式下，電梯的性能要求和一般運(yùn)行模式中基本相同，唯一不同的是電梯的調(diào)度算法，電梯會(huì)直接來(lái)到電梯的直接運(yùn)行模式鍵被按下的樓層，并在載人以后直接回到底層。

3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理

利用EVK1100開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供的一些應(yīng)用：溫度，光照，LCD，PWM輸出和AVR芯片的優(yōu)越的控制功能加上一些外圍的一些模塊：壓力，H橋驅(qū)動(dòng)，語(yǔ)音輸入輸出 等實(shí)現(xiàn)電梯的簡(jiǎn)單的模擬層次上的控制（主要的控制在與電機(jī)的控制，照明的控制和溫度顯示）。在電梯的控制當(dāng)中特點(diǎn)在與對(duì)于電梯中照明的控制（壓力傳感沒(méi)有人在電梯中時(shí)關(guān)掉照明，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目的）和直接運(yùn)行模式的引入。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置

Atmel公司推出的AVR單排年級(jí)是很引人注目的一款為處理器。這種芯片基于新的RISC機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上采用了流水線的結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行前一條指令時(shí)，同時(shí)取出下一條指令，它的Flash以及強(qiáng)大的外圍接口能力使它成為目前最為流行的單片機(jī)之一。本設(shè)計(jì)采用EVK1100作為控制系統(tǒng)的核心。

A H橋驅(qū)動(dòng)

如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

圖2 H橋驅(qū)動(dòng)

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。當(dāng)電流從Q1流經(jīng)電機(jī)再流向Q4，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

實(shí)際使用的時(shí)候，用分立件制作H橋式是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。

B 壓力傳感

壓力傳感器負(fù)責(zé)測(cè)量電梯里的承受壓力，判斷電梯里是否有人，如果沒(méi)人，將控制電梯里的燈變暗。除此功能之外，當(dāng)壓力到達(dá)一定程度時(shí)，傳感器將判斷出超出承受范圍，電梯將不能繼續(xù)運(yùn)行。在選擇產(chǎn)品時(shí)，我們需要綜合考慮線性度好、外圍電路簡(jiǎn)單、靈敏度高，價(jià)格不高等綜合因素。C 直流電機(jī)

直流電機(jī)是本項(xiàng)目的核心部分，起到了控制電梯的運(yùn)動(dòng)，它的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)也將由電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，在沒(méi)有具體電梯材料的情況下，觀察電機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)作情況可以直接定性的反映本項(xiàng)目的情況。

C 電機(jī)測(cè)速模塊

一塊長(zhǎng)度為l，寬度為b，厚度為d的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，如果在其相對(duì)兩邊流通控制電流I，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在該半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢(shì)UH，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，該電勢(shì)稱(chēng)為霍爾電勢(shì)，該半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件，其大小和外磁場(chǎng)及電流成比例?；魻栭_(kāi)關(guān)傳感器由于其體積小，無(wú)觸點(diǎn)，動(dòng)態(tài)特性好，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域。這里選用SPRAGUE公司生產(chǎn)的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，它是一種硅單片集成電路，其內(nèi)部含有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開(kāi)路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡(jiǎn)單、輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點(diǎn)。

霍爾傳感器信號(hào)放大器將霍爾電勢(shì)UH放大后再經(jīng)整形、放大，輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)，該霍爾電勢(shì)的幅值隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化而變化。

轉(zhuǎn)速的測(cè)量方法有很多種，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測(cè)量的方法主要有M法(測(cè)頻法)、T法(測(cè)周期法)和MPT法(頻率周期法)。該系統(tǒng)采用M法(測(cè)頻法)，霍爾傳感器的測(cè)速電路，如圖所示。

3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)

電梯控制的軟件框架由電梯的模式作為主體框架，以完成模式下的功能為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)模式的簡(jiǎn)介如下：

故障修理模式：由管理員手動(dòng)切換，在故障模式下工程人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電梯的故障檢修

一般運(yùn)行模式：由管理員手動(dòng)切換，一般運(yùn)行模式是電梯的主要模式，完成電梯的主要功能

直接運(yùn)行模式：由用戶切換或者管理員切換，直接運(yùn)行模式下，電梯可以從當(dāng)前層面直接到達(dá)底層。當(dāng)出現(xiàn)火宅或者有病人需要急救時(shí)可以避免電梯在中間層?？浚源藸?zhēng)取寶貴的時(shí)間

3.4 系統(tǒng)軟件流程

軟件的設(shè)計(jì)是根據(jù)狀態(tài)機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)的，具體的軟件框圖如下：

圖3 程序運(yùn)行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)果

一些頭文件的申明

一些變量的申明

#define repairMode 00

#define generalrunMode 01

#define direcltyrunMode 10

int setModeR_G(int currentMode int premode); //負(fù)責(zé)狀態(tài)之間的切換

int setModeG_R(int currentMode int premode); //mode為兩位變量，由撥碼開(kāi)關(guān)在I/O口讀入

int setModeG_D(int currentMode int premode);

int setModeD_G(int currentMode int premode);

//狀態(tài)切換會(huì)返回置位bool量 modechange

int getmode() //讀取mode的當(dāng)前的值，并且刷新mode和premode

Void lcd_initialize(void) //負(fù)責(zé)顯示屏的初始化

Void port_initalize(void) //負(fù)責(zé)端口的初始化

Void motor_initalize(void) //負(fù)責(zé)電機(jī)的初始化

Void lighting_initalize(void) //負(fù)責(zé)照明的初始化

Void elevatordoor_initalize(void) //負(fù)責(zé)電梯門(mén)的初始化

Void lcd_display(int temperature); //負(fù)責(zé)溫度的顯示

Void eledoor_allopen(); //電梯門(mén)在檢修模式下常開(kāi)

Void eledoor(); //電梯門(mén)在其他兩個(gè)模式下的運(yùn)行方式

Void motor_stop();

int motor_genrun();

int motor_dirrun(); //返回一個(gè)Int值dooropen為1，控制電梯門(mén)的開(kāi)啟

//電梯在三種模式下的運(yùn)行方式

Void light_display(int pressure); //電燈的開(kāi)關(guān)控制

Void communicate(); //通信方法

Void repair() //檢修模式下的工作方式

{

While(modechange==0)

{

Communicate();

Eledoor_allopen();

Light_display();

Lcd_display(int temperature);

Int getmode();

If(premode==01&&mode==00)

setModeG_R();

}

}

Void generalrun() //一般運(yùn)行模式下的工作方式

{

While(modechange==0)

{

Communicate();

Light_display();

Lcd_display(int temperature);

If(premode==01&&mode==00)

setModeG_R();

If(premode==01&&mode==10)

setModeG_D();

}

}

Void directlyrun() //直接運(yùn)行下的工作方式

{

While(modechange==0)

{

Communicate();

Light_display();

Lcd_display(int temperature);

Int getmode();

If(premode==10&&mode==01)

setModeD_G();

}

}

Void initialize(void) //負(fù)責(zé)總體的初始化

{

currentMode=generalrunMode;

Lcd_initialize();

Port_initialize();

motor_initalize();

lighting_initalize();

elevatordoor_initalize();

}

Int main()

{

Initialize();

While(1)

{

Switch(currentMode)

{

Case repairMode;

Repair();

Break;

Case generalrunMode;

Generalrun();

Break;

Case directltyrunMode;

Directltyrun();

Break;

}

}

}