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基于IAP15F2K61S2单片机的 智能感应节能电梯系统

高工
2014-03-02 17:09:21    评分

作者:广东工业大学华立学院 黄欢华,张钊,毛毓敏

指导教师:陆兴华,杨耀光

作品简介

开发背景:

  如今电梯节能技术主要体现在两个方面,一是电梯拖动系统采用变频技术,二是驱动系统为永磁同步无齿轮曳引技术,但应用这两种技术电梯成本都比较高且难以推广,而基于IAP15F2K61S2单片机的红外感应节能电梯成本,易于实行,有效解决了这种成本上的问题。

  红外感应节能电梯是在传统电梯的基础上应用人体红外释热感应器来起到节能的效果。当楼层的电梯门边的人体红外释热感应器感应到有人时电梯才会运作到达相应楼层,可防止一些人误按电梯门使电梯空载浪费电能,从而起到节能的用。

  结构说明:

  本设计采用IAP15F2K61S2单片机,利用人体红外释热感应技术设计出节能电梯系统模型。系统硬件部分主要由单片机最小系统模块、楼层检测模块、电动机驱动模块、显示模块、电源模块、人体红外释热感应模块和按键模块7部分组成。该系统采用单片机IAP15F2K61S2作为控制核心,从而控制整个电梯系统。系统构成除了硬件系统外,还有由C语言编写的软件系统以及电梯模型一个。整个系统构成如图1所示。

图1 系统构成图

  使用说明:

  本系统使用人体红外释热检测模块对轿厢内部和外部呼叫区进行检测是否有人在搭乘电梯和等待电梯来确定是否进行呼叫应答,对于按下呼叫而没有在呼叫区域等待的情况则取消该呼叫,对于轿厢内部空载而有按键按下且外部没有相应呼叫的情况也采取取消呼叫应答模式,从而达到避免电梯空载运行、省电的效果。系统的使用方法和一般电梯无异,在使用过程中增加了智能化检测。

  作品特色:

  基于IAP15F2K61S2单片机的智能感应节能电梯系统的优点和特色主要体现在以下几点:

  1、成本低,运转安全稳定可靠,维修简单。

  2、双模式,可实现载人模式和快速模式的转换。

  3、节能。其利用智能感应的方式,可防止误按使电梯空载浪费电能,从而起到节能的用。

  4、使用简单、维护便捷,推广较为容易,很大程度上可以弥补现代节能电梯造价高昂、维修困难的缺陷。

平台选型说明

本作品选用STC公司的IAP15F2K61S2单片机作为开发平台,围绕其进行智能感应节能电梯系统的设计应用。

设计说明

 摘要

  本设计采用IAP15F2K61S2单片机,利用人体红外释热感应技术设计出节能电梯系统模型。系统硬件部分主要由单片机最小系统模块、楼层检测模块、电动机驱动模块、显示模块、电源模块、人体红外释热感应模块和按键模块7部分组成。该系统采用IAP15F2K61S2单片机作为控制核心,以轿厢内外按键按下与否引起的电平变化作为用户请求信息发送到单片机,单片机控制电动机转动,根据楼层检测结果控制电机停在目标楼层。楼层检测使用光电传感器,电动机采用直流减速电动机,采用BTS7970的H桥驱动电机。

  软件部分使用C语言,利用中断方式来检测用户请求信息,根据电梯运行到相应楼层时,光电传感器产生的电平变化送到单片机处理来确定楼层数,并送到显示模块显示。利用按钮实现电梯的双模式运转,可实现载人模式,快速模式的的切换。系统硬件设计稳定,结合软件,实现了智能感应节能五层电梯运行的模拟。

  1.引言

  如今电梯节能技术主要有两个方面,一是电梯拖动系统采用变频技术,二是驱动系统为永磁同步无齿轮曳引技术,但是运用这两种技术制造的电梯成本都比较高,因此其电梯系统难以推广。而基于IAP15F2K61S2单片机的智能感应节能电梯系统,易于实行,有效解决了成本上的问题。

  红外感应节能电梯是在传统电梯的基础上应用人体红外释热感应器来起到节能的效果。其运用的思路是在每层楼的电梯门口加上人体红外释热感应器,当感应器感应到有人时电梯才会运作到达相应楼层,可防止误按使电梯空载浪费电能,从而起到节能的作用。

  2.硬件电路设计

  系统共分为7个模块,以IAP15F2K61S2单片机为核心,完成多项功能。单片机控制电机的正常运转即其运行的方向、速度;与楼层检测模块通信来控制轿厢运行,使其在适当的楼层停留;键盘输入可实现呼叫信息的发出和模式的转换,并且控制显示模块。本系统实现多功能节能电梯的控制,设计安全可靠。图2-1为电梯系统架构。

图2-1

  2.1 单片机最小系统

  IAP15F2K61S2单片机是一款真正意义上的单片机,一个芯片就是一个仿真器,是一款不需外部晶振,不需外部复位的单片机。它是增强型8051内核单片机,速度比传统8051快8到12倍;共8通道10位高速ADC,速度可达30万次/秒,3路PWM还可当3路D/A使用;具有38个I/O口。单线实现系统供电、程序下载、通信功能。系统利用IAP15F2K61S2单片机作为控制核心,电路如图2-2。

  图2-2

  2.2楼层检测模块

  楼层检测使用红外发射-接收对管来对电梯位置进行检测定位,图2-3 是红外线发射-接收对管的示例。各个楼层设置红外线对管,在轿厢上下运动的过程当中红外线发射管不断发射红外线,当轿厢运动到特定位置,轿厢反馈回来的红外信息传送到接收头,其输出发生变化。单片机通过红外线接收头输出的变化确定电梯轿厢的位置。 红外检测楼层与单片机的连接如图2-4所示。

  图2-3                                                            图2-4

  2.3电机驱动模块

  设计中受控电机为直流减速电机,额定工作电压为12V,使用双片BTS7970芯片组成的H桥来控制电机的运转。单片机输出PWM信号与电机驱动模块连接,用以驱动电机的运行,使轿厢上行、以及下行和停止等,具体功能的实现由软件编程来完成。电机驱动原理图如图2-5。

图2-5

  2.4显示模块

  显示部分使用74HC573锁存器,并用三极管来驱动以节省单片机的I/O口。五层电梯中,六个数码管中的五个用于楼层上的显示,另一个用于显示电梯到达的楼层。同时加入蜂鸣器提醒功能,电梯到达楼层时蜂鸣器响一下,提醒轿厢里的人以免错过楼层。单层显示如图2-6所示。

图2-6

  2.5人体红外释热感应模块

  人体红外释热传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。释热效应同压电效应类似,是指由于温度的变化而引起晶体表面荷电的现象。当人体进入检测区,因人体温度与环境温度有差别,传感器输出高电平;若人体进入检测区后不动,则传感器也输出低电平。传感器加上光学透镜后,其检测距离约为3~7m,适合本系统对呼叫人员的智能检测。其原理如图2-7所示。

图2-7

  2.6电源模块

  系统需要电源为5V,12V。单片机系统和传感器部分均使用5V电压,电机驱动使用12V电压,本系统设计的单片机电源为LM2940的5V稳压模块,传感器部分为LM2596的5V稳压模块,电机驱动模块为12V电源。电源部分如图2-8 。


   图2-8

  2.7键盘操作电路

  本系统采用矩阵式按键,可减少占用的I/O口资源。按键与单片机接口电路如图2-9所示。

图2-9

  在此电路中,按键输入部分采用低电平有效,上拉电阻保证了按键断开时,I/0 口线有确定的电平。当键盘有键按下时,执行键盘扫描,若某位为低电平,先延时l0ms,然后读取该位,如果读得的值仍为低电平,可确认此键已按下,然后调用该键的键处理子程序。

  3、软件设计

  3.1 系统控制主程序设计

  本设计软件主程序用来驱动步进电机运行,由人体红外释热信号来确定电梯是否运行,再将信号传达给电机从而控制电梯轿厢的运转。软件设计采用C语言编写。

主程序流程图如下:

     


  3.2 显示模块程序设计

  显示模块中,数码管显示为轿厢中显示到达的楼层。同时轿厢上、下分别利用红灯、绿灯显示,起到明显的区别作用。该部分利用动态显示,在动态扫描显示时,通过软件延时实现定时。

  3.3 按键程序设计

  按键程序主要是实现对用户呼叫信息的产生。当按键按下时产生中断请求,CPU响应中断请求,进入该中断服务程序。在程序中,对当前按下的楼层扫描,经单片机处理后控制电机运转使轿厢安全到达需要的楼层。

  4、系统数据分析

  基于IAP15F2K61S2单片机的智能感应节能电梯系统最大的一个优点就是节能。因此,我们需要对该系统的电能消耗进行分析。在空载过程中,电梯运转时对电能的消耗成为无用功,电梯的效率变低。下面我们根据具体对数据进行分析:

  1、以一幢5层的楼层,电梯每运转一层楼消耗电能平均为1W计算:

  每天电梯被误按总楼层10层,消耗的电能转变为无用功10W;

  每天电梯被误按总楼层25层,消耗的电能转变为无用功25W;

  每天电梯被误按总楼层100层,消耗的电能转变为无用功100W;

  由以上数据分析可知一幢大楼电梯每天无故启动浪费电能随着电梯因误按空载损失的电能是很多的。除此之外,电梯每天软启动过多,软启动设备、电机等的寿命也会降低,形成不必要的损失。

  2、本设计利用人体红外释热感应器检测电梯轿厢内部以及各楼层是否存在呼叫。设计采用的人体红外释热感应器HC-SR501 单个每天24小时损耗的电能约为0.15W,按照5层楼层计算,共6个HC-SR501模块每天损耗的电能为0.9W。同时加上模块电源本身的损耗约0.5W,总损耗约为1.4W。

  通过以上两组数据对比可知,智能感应节能电梯系统在节能方面上有着宏大的优势。与现代电梯相比,智能感应电梯系统能够防止电梯因误按时电梯运转产生的不必要的电能浪费。

总结

  该系统通过人体红外释热传感器检测是否存在呼叫信息,从而实现电梯的智能运转。在设计选择方案的时候,我们优先考虑作品各模块的稳定性和性价比;在作品制作过程中,不断测试系统模块与整机之间的相互通信,以检测系统的稳定性。经过艰苦的奋斗,我们很好地对作品完成并完善。基于IAP15F2K61S2单片机的智能感应节能电梯拥有系统电路结构完整,电路简单,性价较高,作品操作简易等特色。

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关键词: IAP15F2K61S2     智能感应     节能     双模式    

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