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作者：内蒙古科技大学 张建波 刘伟 王猛
指导教师：郭宇

　　作品简介

　　1.1开发背景
　　现代社会中，电梯已经成为不可缺少的运输设备。电梯的存在使得每幢高层建筑的交通更为便利。目前电梯设计使用可编程控制器(PLC)，要求功能变化灵活，编程简单，故障少，噪音低。维修保养方便，节能省工，抗干扰能力强，控制箱占地面积少。当乘员进入电梯，按下楼层按钮，电梯门自动关闭后.控制系统进行下列运作：根据轿厢所处位置及乘员所处层数.判定轿厢运行方向，保证轿厢平层时减速。将轿厢停在选定的楼层上;同时，根据楼层的呼叫，顺路停车，自动开关门。另外在轿厢内外均要有信号灯显示电梯运行方向及楼层数。电梯是现代高层建筑的垂直交通工具，其设计要求稳定性、安全性及高。随着人们生活水平的不断提高,对电梯的要求的也相应提高，电梯得到了快速发展，当前电梯总的发展趋势主要体现在以下几个方面
　　1、电梯驱动技术方面2、系统的采用直流可控硅无齿轮驱动控制系统的高速电梯，逐渐向VVVF无齿轮驱动控制系统发展，因为后者具有节能、系统小型化等特点和优点。电梯控制技术方面3、电梯运行速度方面4、曳引机技术方面
　　1.2 结构说明
　　根据系统的设计要求，作品主要分为5个模块，具体如下图1所示。　　

 　　(1) 主控模块
　　主控模块采用大赛要求的以STC15系列IAP15F2K61S2为核心芯片的单片机系统。
　　(2) 键盘控制系统
　　采用4*4矩阵键盘,分别设计了一层上、二层上、二层下、三层上、三层下以及四层下6个电梯外部的按键，电梯内部设计1、2、3、4四个按键来选择楼层。
　　(3) 步进电机控制系统
　　电梯选择步进电机控制,设计采用主控上自带的ULN2003驱动步进电机。
　　(4) 数码管显示模块
　　同样采用主控自带两片74HC595级联控制的8位共阳数码管进行显示.分别设计了1、2、3、4楼层的停以及楼层的实时显示，还有按键值的显示。6位数码管进行显示。
　　(5) LED显示模块
　　自行设计两片74HC595驱动共192个发光二极管,其中每层48个LED进行显示。

　　1.3功能与使用说明
　　作品功能与使用说明如图3所示　　

梯顶开关单独控制梯顶彩灯,矩阵键盘1---10按键控制电梯升降.1---4按键是电梯内部选择楼层按键，5---10分别为一层上、二层上下、三层上下、四层下六个按键，用来呼唤电梯。八位数码管同时显示实时楼层(左1)按键(左4)所要到达楼层一层停(左5)、二层停(左6)、三层停(左7)、四层停(左8)。
　　具体过程见软件系统设计流程图。

　　2平台选型说明

　　2.1 选择stc15单片机开发板原因
　　我们的作品是智能观光电梯当然离不了电机的控制，肯定也会需要显示功能来显示楼层、按键以及其他需要的信息，电梯的控制是人对按键的操控，stc15系的主控开发板上不仅有ULN2003的电机驱动还有八位易控制的数码管甚至有了4*4的矩阵键盘，这样对我们的设计有大大的好处，省去了我们不少做硬件需要的时间。

　　2.2 stc15单片机功能介绍
　　1. 采用宏晶公司最新STC15系列IAP15F2K61S2 芯片。ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器。可当仿真器使用。
　　2. 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12 倍
　　3. 61K字节片内片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
　　4. 片内大容量2048字节的SRAM
　　5. 大容量片内EEPROM，擦写次数10 万次数以上
　　6. 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
　　7. 共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)
　　8. 内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路
　　9. 内部高精度R/C 时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选，相当于普通8051的60MHz～420MHz
　　10. 两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5 组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用。
　　11. 一组高速异步串行通信端口SPI。
　　12.各种接口扩展齐全。
　　13. 一根优质USB 线实现系统供电、程序下载、通信功能。

　　3设计说明

　　3.1设计要求
　　(1)led显示部分要高亮引人，没有坏灯，所有灯的亮度要一致;
　　(2)步进电机部分要运行流畅，给人舒适的感觉，不能出现速度突变现象;
　　(3)红外检测部分要准确无误，因为这部分是保证电机正常运行的关键;
　　(4)键盘控制部分整洁、美观、规律，按下去时要能有效实时的控制;
　　(5)主控部分引脚接线整洁，易于操作。

　　3.2 系统硬件电路设计

　　3.2.1 主控部分
　　该部分使用大赛要求的单片机，图片如下。　　

 　　3.2.2主控模块应用一 4*4矩阵键盘
　　我们的设计用到了矩阵键盘的十个按键，如下图　　

　　矩阵键盘使用的十个按键为1---4四个楼层选择按键，用来安装在电梯机箱内供乘客选择所要去的楼层，比如有一乘客从一楼上了电梯要去三楼，进入电梯只要按一下标识这“3”的按键，电梯到了3楼就会停下或停止一段时间后继续运行。标识“1上”的按键用来安装在一层电梯外供一楼需要上楼的乘客呼叫电梯使用;标识“2上”、“2下”的两个按键是用来安装在二楼的电梯外供二楼的需要上楼或下楼的乘客呼叫电梯使用的(说明：为了维持电梯运行秩序，如果电梯向上运行时，按“2下”是无效的反之亦然，三层同理)，根据上面的解释标识“3上”、“3下”和“4下”的按键的功能也就不言而喻了。

　　3.2.3主控模块应用二 两片74HC595级联控制八位数码管
　　此功能模块也是主控上自带的，实物图片(图4)以及电路原理图如下　　

　　设计说明：如上图，左边第一位数码管用来实时显示电梯所在楼层(由红外检测模块反馈信息)，左边第二、第三位两位数码管空闲，左边第四个数码管用来实时显示按键信息(4*4矩阵键盘由上到下由左到右的按键值为1---16)，电梯每停止一次按键值清零;右边四位数码管从左到右一次为一层到四层的显示，电梯运行时，所需要停留的楼层对应的数码管点亮并显示对应楼层，例如电梯由一楼向上运行，电梯内乘客按下了“3”或者三楼有乘客需要上楼按下了“3上”按键，电梯都会到达3楼后停留，并且在电梯到达3层之前右边第二位数码管会一直显示3直到电梯到达3层停留数码管熄灭不显示任何数值。而与此同时如有按下“4”键或者”4下”按键，电梯会在3楼停留一段时间后继续向四楼运行，而没有人按下“2”和“2上”按键，对应2层的数码管不会点亮，电梯也不会在二层停留。

　　3.2.4 主控模块应用三 ULN2003A驱动步进电机
　　实物图与电路原理图如下　　

　　电机的控制是结合各个楼层的红外检测模块通过软件系统实现的，在此不再赘言，仅介绍一下步进电机的运行原理。　　

　　从图上可以看到我使用的是四相五线步进电机，1端是公共阳极，2—5是四个阴极，如要使步进电机连续转动需不断给电机八个循环脉冲，如图　　

　　而每给一个脉冲电机会固定的转动固定的角度，这样就对电机转动距离的控制有了很好的控制，另外通过控制给脉冲的频率来控制电机的转速。

　　3.2.5红外楼层检测模块
　　此模块为我们自行设计的红外楼层检测系统，使用NE555芯片来实时判断红外接收管是否接收到红外线，数据输出端与主控芯片的P10---P13口相连，实物图以及电路原理图如下　　

 　　各层检测输入端接一对发射和接收红外线的发射管和接收管。安装在每一层，这样便可以方便准确的检测电梯所在的楼层。

　　由于NE555在红外接收管未接收到红外线时为低电平，这样检测到电梯时电平由低向高的跳变不适合主控芯片的识别，于是在中间加了一反相器HD74HC，如下图　　

 　　3.2.6 两片74HC595级联控制观赏LED以及梯顶彩灯设计
　　自行制作两片74HC595级联的硬件模块，与主控的P15—P17相连。　　

所有的LED安装在每一层，横向每层48个灯，分成四组，每组12个安装在电梯外围的四个棱角上;纵向每个棱角有48个灯，由上到下分别为12个黄灯、12个红灯、12个绿灯、12个蓝灯。由上到下每8个灯级联在一起，阳极连在一起，阴极分别与其他组的灯连在一起，这样可以通过74HC595方便的控制每一盏灯的亮灭。

 　　程序控制，在电梯运行时，所有灯由上至下，由下反上，两灯一组0.5s间隔闪烁;电梯停止时，电梯所在楼层所有LED点亮，其他楼层的最低和最高点亮一盏灯，如电梯在3层，则3层的48盏绿灯全部点亮，一层最下边4盏黄灯，最上边4盏黄灯点亮，二层同样最上边最下边共8盏红灯点亮，4层亦然。

　　另外有梯顶七彩自闪高亮的彩灯　　

 　　七彩自闪的灯，闪烁时而整体划一，时而杂乱无章，高灯下明，十分引人，赏心悦目。而且此灯采用单独供电，随时控制其的亮灭。

　　3.3 系统软件设计
　　软件系统流程图如下　　

 　　4产品特色

　　4.1 实用性
　　电梯在我们生活中已经无所不在，在这个繁华的时代，在一个大型的购物中心，或者繁华的步行街道建设一个这样的观光电梯，赏心悦目的彩灯远照长空，不仅会吸引大多逛街购物的顾客来，而且会是接上的人们心情愉悦，出现出一种其乐融融的景象。

　　4.2 创新性
　　大大小小，各式各样的电梯已经无所不在，我们设计的电梯优点在于使用红外检测，平层准确，误差小于1mm，有故障排除，断电后再次接上电源，电梯会自动上升至最进的一层继续执行程序。特点在于他的led外观设计，美观，赏心悦目，是商城电梯的绝佳选择。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2289