模擬電梯控制器

摘要（150字左右）...................................................................................................... 3

技術指標......................................................................................................................... 4

工作安排......................................................................................................................... 4

基本原理......................................................................................................................... 5

方案論證......................................................................................................................... 7

硬件電路設計................................................................................................................. 9

軟件設計....................................................................................................................... 13

結論............................................................................................................................... 14

心得體會....................................................................................................................... 14

參考文獻....................................................................................................................... 15

附錄............................................................................................................................... 16

程序流程圖................................................................................................................... 16

重要程序段................................................................................................................... 20

元器件清單................................................................................................................... 27

本設計的電路原理圖、印制板圖............................................................................... 29

單片機：本實驗采用了新華龍電子有限公司的C8051F310單片機。其關鍵的系統參數為：

高速8051 微控制器內核

− 流水線指令結構；70%的指令的執行時間為一個或兩個系統時鐘周期

− 速度可達25MIPS（時鐘頻率為25MHz 時）

− 擴展的中斷系統

存儲器

− 1280 字節內部數據RAM（1024+256）

− 16KB(C8051F310/1)或8KB (C8051F312/3/4/5)FLASH 存儲器；

可在系統編程，扇區大小為512 字節

數字外設

− 29個端口I/O；所有口線均耐5V 電壓

− 硬件增強型UART、SMBus 和SPI 串口

− 4 個通用16 位計數器/定時器

− 16 位可編程計數器/定時器陣列（PCA），有5個捕捉/比較模塊

− 使用PCA或定時器和外部時鐘源的實時時鐘方式

時鐘源

− 內部可編程振蕩器：24.5MHz，±2%的精度，可支持無晶體UART 操作

− 外部振蕩器：晶體、RC、C、或外部時鐘

− 可在運行中切換時鐘源，適用于節電方式

因此，在本實驗中，C8051F310完全能滿足技術要求。

ST168：由于在本實驗中，對信息的采集要求的復雜性較低，而具有開關式輸出的光電傳感器即可滿足要求，而且成本較低。

在實驗中，ST168的輸出電壓可達4V以上，無放大的需要，暗電流引起的輸出電壓很小，可忽略不計。而且在實驗過程中，噪聲很小，為進一步提高信噪比，將模擬信號直接轉化為數字信號，可以將傳感器的輸出電壓信號直接經過施密特觸發器處理后傳送給單片機，其電壓幅值可達5V，完全符合設計的要求。

由于ST168光電傳感器對黑白顏色敏感，因此在實驗中主要利用該特性。將電梯外部涂成黑色，在中間留一白色區域（寬度在1cm左右即可，在實際生活中可適當加寬，以減少噪聲的干擾，提高系統的可靠性），或者將電梯外部涂成白色，在中間留一黑色區域。一般情況下，信號區域越小精度越高，但受噪聲影響也會越大，在本實驗中采用1cm。

按鍵與發光二極管：由于本實驗中需要使用13個按鍵（其中1個用于手工復位，其余均用于信號輸入），而需要1個七段數碼管和11個發光二極管（其中1個用于上電顯示，其余均用于信息的顯示），而C8051F310只有29個I/O端口，因此，不能采用將按鍵和發光二極管直接連接到單片機上。

可以采用矩陣等其他方法方法解決端口緊張的問題：（1）按鍵采用矩陣的方式，3*4的鍵盤矩陣即可實現利用7個I/O端口控制12個鍵盤的數據讀入任務。（2）關于大量的發光二極管的顯示問題，可以利用七段數碼管動態顯示的工作原理，將物理上分離的發光二極管在邏輯上鏈接成1七段數碼管，如本實驗中共采用了11個I/O端口，理論上最多可以連接21個發光二極管（相當于3個七段數碼管，其中7個I/O端口用于數據的傳輸，3個I/O端口用于七段數碼管的片選信號）和一個七段數碼管。

硬件I/O端口資源的分配：P2口用于數據輸出；P0.2、P0.3用于外接時鐘信號的輸入；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P1.7用于讀取鍵盤信號；P1.0用于電機驅動器使能端控制；P1.1、P1.2用于控制電機的運動狀態；P1.3、P1.4、P1.5、P1.6用于光電探測器的數據讀入任務；P3.2、P3.4、P3.4用于控制板中發光二極管發光組的選擇；file:///C:\Users\huqin\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.gif/C2CK用于復位和調試；P3.0、P3.1預留端口，用于實現電梯門的開關。

硬件子系統的劃分（根據PCB板來劃分）：由于本實驗要求使用兩塊PCB板來實現，分別為核心板和控制板，控制板用于鍵盤信息的讀入和信息的顯示，核心版主要用于信息的處理。因此為了提高效率，將該系統會分為兩個獨立子系統，在PROTEL99se軟件中建立了兩個項目分別為MyDesign和tt519，由不同的同學來完成。最后，兩PCB板通過排線連接，進行系統的整合。

對系統進行功能模塊劃分，可分為以下幾個部分：

電源電路，由于本實驗中的大部分IC芯片的供電電壓均為+5V，因此本實驗系統采用+5V的電源供電。但是單片機的供電電壓為+3V，不能直接將單片機直接接到+5V的供電電源上。需要設計一專門的供電系統為單片機供電。其供電電路圖如下圖所示。主要是利用了LM2937將+5V電源轉換為+3V的電源。為獲得穩定的供電系統，電路中設計了大量的電容，減小電源的噪聲對系統的影響。

鍵盤電路的設計，如下圖所示

其原理為：

（1）首先判斷是否有按鍵按下。其方法是使所有的行輸出均為低電平，然后讀列向輸出，如果沒有鍵按下，則讀入的列值均為1，否則會有值為0

（2）去除鍵抖動。若有按鍵按下，則延時5~10ms,再一次判斷有無鍵按下，如果此時仍有鍵按下，則認為鍵盤上有一個鍵處于穩定閉合狀態。

（3）若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。求鍵值的方法是對鍵盤逐行掃描。先是SW1=0，，然后讀入列值，看其是否全為一，若等于，則說明該行無鍵按下。再對下一行進行掃描，若有一個值為0，則為0的該行該列的鍵被按下。

電機驅動電路，對于小功率的5V6500直流電機，本實驗采用了L293驅動芯片，驅動電路采用了德州儀器公司推薦的H橋驅動電路，其電路原理圖如下圖所示。當使能信號為低電平時，電機處于關閉狀態，當其為高電平時，電機處于開啟狀態。此時，當1A=0，2A=1時，電機右轉；當1A=1，2A=0時，電機左轉；當1A=1，2A=1時，電機靜止。

復位電路，由于傳統的復位電路是通過采用一個高電平使單片機復位，但是C8051f310對低電平有效。因此不能采用傳統的復位電路。采用如下圖所示的復位電路，當按鍵斷開時，由電源VDD提供一高電平，當按鍵按下時，電容C6、C7會被短路，此時由電源提供的高電平會被下拉成低電平，從而會使單片機發生復位。

外部晶振電路，采用傳統的時鐘信號接入電路，如上右圖所示。

在軟件部分，為使盡可能多的同學有機會親自寫源代碼，我們將系統劃分為幾個組成部分，主要分為：鍵盤讀入部分，顯示部分，延時部分和核心主程序。其中鍵盤讀入部分主要是完成外部控制參數的讀入部分，包括目標樓層的選擇和進入電梯等；顯示部分主要完成顯示當前系統所處的狀態，比如點點當前所處的樓層數，按鍵是否有效地被單片機讀入等；延時部分主要是為了實現在電梯到達目標樓層時候有一短暫的時間停留，便于乘客的上下，以及繼續實現鍵盤的讀取與顯示任務；核心程序段主要是完成系統的資源再分配、電梯運行算法的具體實現以及系統的其他程序段的連接與使用工作。

由于鍵盤讀入部分只是向相關的寄存器中寫入數據，數據的讀入由核心主程序執行，因此在資源利用方面，并不存在沖突，因此這三個部分是相互獨立的，所以只要三個部分沒有錯誤，在一起調試的時候不會出現因資源的不合理利用而導致程序編譯的失敗。

在本系統的軟件設計中主要用到的資源有：寄存器A，CY用于數據比較，R1、R2用于實現延時程序部分，R3用于保存樓層中按下的按鍵是上升的還是下降的，R4用于保存乘客選擇的目標樓層數，R5用于保存電梯目前所處的樓層數，R6表示有人在電梯外按按鍵的樓層數，R7用于保存讀入按鍵的編號。

經過一個多月努力，經過多次修改，將錯誤和不是很合理的地方一一修改。我們終于順利的完成了原理圖、PCB以及程序源代碼的編輯工作。

完全實現了系統的要求，在工程上具有可行性。

1．           采用51系列單片機

2．           采用直流電機驅動

3．           采用光電方法實現樓層精確對位

4．           采用鍵盤模擬電梯樓層選擇（1/2/3/4，運行方向，關門、開門）

5．           采用直流電源供電

在這一個月的時間里，尤其是后半段的日子里是我真正成長的時光，因為我發現了自己的渺小，自己的缺陷，自己的無知，以及自己的無奈。

在這次設計中讓我自己最無語的是，我沒有很好的保存修改后的文檔，結果，把錯誤的設計提交了上去，而正確的設計卻不知所蹤！做人做到我這個地步只能用失敗這個詞語來形容。更讓我看不起自己的是，犯了不可饒恕的錯誤后居然厚著臉皮希冀能夠進入實際工程調試階段。通過這件事，我徹底的認識到，粗心會對一個人的影響有多大了。雖然這次唯一的影響是我沒有機會將我的思想實現樣品化，但是假如在以后工作中出現了類似的問題，那后果又會是怎樣呢？顯然那個厚厚實誰也不想見到的。進一步分析自己，是什么造成了自己的粗心？可能是天生的嗎？顯然這是個偽命題。是緊張！是激動！每次到關鍵時刻的時候，我總會莫名其妙的緊張起來，人會處于一種莫名的亢奮中，接著腦袋里一片空白，不知所措。因此，對于我來說，錯誤是不可避免的。綜其因素是因為我太看重結果了。而我的室友們就不會出現這些問題。

其次，在考慮問題的全面性上，還存在不足，主要體現在未能時刻記住系統的各部分的設計思想以及某些設計思想的不成熟性。比如，關于系統的復位部分，由于該部分并非本人親自實現，以至于在撰寫實驗報告時發現自己對其一無所知。因為傳統的單片機是高電平復位，但是本實驗用的c8051f310采用的確是低電平有效。對于一個系統設計師來說這是致命的，不可饒恕的錯誤。而且在某些電路的設計上，只是謀求系統的功能的實現，而未考慮系統的優化，這不僅會使系統的成本上升，還會導致系統軟件架構的復雜性，因此，其實際可行性較低。

最后，也是最重要的是，TEAM，團隊的協作。像上述提到的問題，對每個人來說多多少少總是存在的，只是每個人的體現形式和場合以及強烈程度不同罷了，是不可避免的。但是，這些問題對于一個團隊來說是不存在的，因為大家可以相互彌補大家的不足之處。可惜，本人在領導團隊上，經驗不是很豐富，導致不能及時有效的調動大家的積極性。最后只能借助提交相關報告的壓力來促使隊員們的工作。然而以前，我總是一個人單獨完成一些任務，未能體會到團隊的協作能力的重要性，也就未能就該方面進行必要的培養。

（1）《單片微型計算機原理與應用（第二版）》胡乾斌、李光斌、李玲、喻紅主編 ，華中科技大學出版社

（2）《電子技術基礎·模擬部分（第五版）》康華光主編，高等教育出版社

（3）《電子技術基礎·數字部分（第五版）》康華光主編，高等教育出版社

（4）《PROTEL電路設計教程》江思敏、姚鵬義、胡榮等編著，清華大學出版社

（5）  C8051F310/1/2/3/4/5 8/16 KB ISP FLASH 微控制器 數據手冊 潘琢金 譯

（6）ULN2003數據手冊（英文版）

（7）ST168數據手冊（中文版）

（8）LM2937數據手冊（英文版）

（9）CD40106數據手冊（英文版）

（10）L293數據手冊（英文版）

（11）《軟件設計師同步教程》何光明主編，清華大學出版社

Bill of Material forSheet1.Bom（核心板）

Used Part Type              Designator     Footprint

======================= ==========    ==========

4    0.1uF               C2 C5 C6 C11      0805

4    1K                  R2 R3 R5 R6      0805

2    1uF                 C4 C8            0805

1    1uF                 C7               RB.1/.2

2    2K                  R1 R4            0805

1    15uF                C3               RB.1/.2

1    16PIN               RP1              PIN16

4    20K                 R11 R12 R13 R14   0805

1    25MHZ               Y1              XTAL-200

1    25MMJK              J1              25MMJK

1    26PIN               J2                IDC-26

1    330uF               C1                RB.1/.2

4    510                 R7 R8 R9  R10     0805

1    620                 R15               0805

1    C8051F310           U1               C8051F310

2    C                   C9 C10           0805

1    CD40106             U3               ILEAD14

4    DIODE               D2 D3 D4 D5     0805

1    DIODE-ZENER         D1             0805

1    L293                C12               DIP16

1    LED                 D6               LED

1    LEDBOARD10          S2             JTAG

1    LM2937              U2               SP4

1    SW-PB               S12             KEY310

Bill of Material forSheet2.Bom（控制板）

UsedPart Type     Designator Footprint

================= ========== ==========

1    26PIN         J1         IDC-26

1    74HC573       U1         DIP20

11   200          R1 R2 R3   AXAIL0.3

                   R4 R5 R6

基于單片機八層電梯控制系統設計的所有資料下載（包含原理圖 pcb 源碼 設計文檔 實驗報告 設計論文）：
電梯模擬器設計.zip (5.94 MB, 下載次數: 178)

2017-1-5 22:27 上傳

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