電梯控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，附軟硬件架構(gòu)圖

一、項目概述

1.1 引言

電梯技術(shù)包括電梯電機的拖動技術(shù)和電梯運行的控制技術(shù)，本項目主要在意探索實現(xiàn)電梯運行的優(yōu)化，主要實現(xiàn)對于電梯電機的優(yōu)化控制并實現(xiàn)電梯系統(tǒng)的基本性能與擴展性能。國產(chǎn)電梯控制技術(shù)過去一直是以繼電器，接觸器為核心。系統(tǒng)龐大，復(fù)雜，所用控制柜很大，因此使用微機電梯控制系統(tǒng)，以期提高運行可靠性。

1.2 項目背景/選題動機

單片機體積小，處理速度快，價格低廉，功能強大，是合適的控制系統(tǒng)。對電梯的控制主要是選層、啟動、換速、平層、停車等幾個環(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，單片機系統(tǒng)不需要通過“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，運行維護不便，造價成本高；應(yīng)用微機控制可以取消選層器和大量的中間繼電器，而且應(yīng)用單片機控制，又相對于應(yīng)用其他微機減少了外圍設(shè)備的接口芯片、增強了可靠性。因此此次我們使用ATMEL公司的EVK1100為核心進行集成優(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 電梯門的自動開啟

C 電梯中電機的控制

D 電梯的故障檢測

擴展要求（根據(jù)開發(fā)板的資源所做的擴展）

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，切換至故障檢修模式，電梯停止運行工作人員可以進行檢修，循環(huán)檢測電梯的模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時，切換到相應(yīng)的模式下。

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

在直接運行模式鍵被按下時，切換至直接運行模式，電梯實現(xiàn)直接運行，為緊急情況爭取時間，循環(huán)檢測模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時，切換到相應(yīng)的模式下。

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

一般運行模式下，電梯一般運行，對于外部訊號，通過電梯的調(diào)度算法和對于電梯的中電機的控制實現(xiàn)響應(yīng)，使能模式轉(zhuǎn)換鍵，顯示當(dāng)前樓層和溫度，對于照明的使能通過壓力傳感器的輸入進行控制。

直接運行模式下，電梯的性能要求和一般運行模式中基本相同，唯一不同的是電梯的調(diào)度算法，電梯會直接來到電梯的直接運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)功能實現(xiàn)原理

利用EVK1100開發(fā)平臺提供的一些應(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，語音輸入輸出 等實現(xiàn)電梯的簡單的模擬層次上的控制（主要的控制在與電機的控制，照明的控制和溫度顯示）。在電梯的控制當(dāng)中特點在與對于電梯中照明的控制（壓力傳感沒有人在電梯中時關(guān)掉照明，實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目的）和直接運行模式的引入。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

3.2 硬件平臺選用及資源配置

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

A H橋驅(qū)動

如圖所示，H橋式電機驅(qū)動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向。

圖2 H橋驅(qū)動

要使電機運轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極。當(dāng)電流從Q1流經(jīng)電機再流向Q4，該流向的電流將驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時，電流將從左至右流過電機，從而驅(qū)動電機按特定方向轉(zhuǎn)動。另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時，電流將從右至左流過電機，從而驅(qū)動電機沿另一方向轉(zhuǎn)動。

實際使用的時候，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、電機和控制信號就可以使用了，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

壓力傳感器負責(zé)測量電梯里的承受壓力，判斷電梯里是否有人，如果沒人，將控制電梯里的燈變暗。除此功能之外，當(dāng)壓力到達一定程度時，傳感器將判斷出超出承受范圍，電梯將不能繼續(xù)運行。在選擇產(chǎn)品時，我們需要綜合考慮線性度好、外圍電路簡單、靈敏度高，價格不高等綜合因素。C 直流電機

直流電機是本項目的核心部分，起到了控制電梯的運動，它的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)也將由電機來驅(qū)動，在沒有具體電梯材料的情況下，觀察電機的驅(qū)動運作情況可以直接定性的反映本項目的情況。

C 電機測速模塊

一塊長度為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)強度為B的磁場中，如果在其相對兩邊流通控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在該半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個與控制電流I和磁感應(yīng)強度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，該電勢稱為霍爾電勢，該半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件，其大小和外磁場及電流成比例。霍爾開關(guān)傳感器由于其體積小，無觸點，動態(tài)特性好，使用壽命長等特點，廣泛應(yīng)用于測量轉(zhuǎn)動物體旋轉(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、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡單、輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點。

霍爾傳感器信號放大器將霍爾電勢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，該霍爾電勢的幅值隨磁場強度變化而變化。

轉(zhuǎn)速的測量方法有很多種，根據(jù)脈沖計數(shù)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M法(測頻法)、T法(測周期法)和MPT法(頻率周期法)。該系統(tǒng)采用M法(測頻法)，霍爾傳感器的測速電路，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)動進行設(shè)計，各個模式的簡介如下：

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

一般運行模式：由管理員手動切換，一般運行模式是電梯的主要模式，完成電梯的主要功能

直接運行模式：由用戶切換或者管理員切換，直接運行模式下，電梯可以從當(dāng)前層面直接到達底層。當(dāng)出現(xiàn)火宅或者有病人需要急救時可以避免電梯在中間層停靠，以此爭取寶貴的時間

3.4 系統(tǒng)軟件流程

軟件的設(shè)計是根據(jù)狀態(tài)機的方式實現(xiàn)的，具體的軟件框圖如下：

圖3 程序運行流程圖

3.4 系統(tǒng)預(yù)計實現(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) //負責(zé)顯示屏的初始化

Void port_initalize(void) //負責(zé)端口的初始化

Void motor_initalize(void) //負責(zé)電機的初始化

Void lighting_initalize(void) //負責(zé)照明的初始化

Void elevatordoor_initalize(void) //負責(zé)電梯門的初始化

Void lcd_display(int temperature); //負責(zé)溫度的顯示

Void eledoor_allopen(); //電梯門在檢修模式下常開

Void eledoor(); //電梯門在其他兩個模式下的運行方式

Void motor_stop();

int motor_genrun();

int motor_dirrun(); //返回一個Int值dooropen為1，控制電梯門的開啟

//電梯在三種模式下的運行方式

Void light_display(int pressure); //電燈的開關(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;

}

}

}