单片机八层电梯控制系统设计 带原理图 PCB 源程序 实验报告论文

     模拟电梯控制器

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

技术指标......................................................................................................................... 4

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

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

方案论证......................................................................................................................... 7

硬件电路设计................................................................................................................. 9

软件设计....................................................................................................................... 13

结论............................................................................................................................... 14

心得体会....................................................................................................................... 14

参考文献....................................................................................................................... 15

附录............................................................................................................................... 16

程序流程图................................................................................................................... 16

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

元器件清单................................................................................................................... 27

本设计的电路原理图、印制板图............................................................................... 29

单片机：本实验采用了新华龙电子有限公司的C8051F310单片机。其关键的系统参数为：

高速8051 微控制器内核

− 流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期

− 速度可达25MIPS（时钟频率为25MHz 时）

− 扩展的中断系统

存储器

− 1280 字节内部数据RAM（1024+256）

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

可在系统编程，扇区大小为512 字节

数字外设

− 29个端口I/O；所有口线均耐5V 电压

− 硬件增强型UART、SMBus 和SPI 串口

− 4 个通用16 位计数器/定时器

− 16 位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有5个捕捉/比较模块

− 使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式

时钟源

− 内部可编程振荡器：24.5MHz，±2%的精度，可支持无晶体UART 操作

− 外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟

− 可在运行中切换时钟源，适用于节电方式

因此，在本实验中，C8051F310完全能满足技术要求。

ST168：由于在本实验中，对信息的采集要求的复杂性较低，而具有开关式输出的光电传感器即可满足要求，而且成本较低。

在实验中，ST168的输出电压可达4V以上，无放大的需要，暗电流引起的输出电压很小，可忽略不计。而且在实验过程中，噪声很小，为进一步提高信噪比，将模拟信号直接转化为数字信号，可以将传感器的输出电压信号直接经过施密特触发器处理后传送给单片机，其电压幅值可达5V，完全符合设计的要求。

由于ST168光电传感器对黑白颜色敏感，因此在实验中主要利用该特性。将电梯外部涂成黑色，在中间留一白色区域（宽度在1cm左右即可，在实际生活中可适当加宽，以减少噪声的干扰，提高系统的可靠性），或者将电梯外部涂成白色，在中间留一黑色区域。一般情况下，信号区域越小精度越高，但受噪声影响也会越大，在本实验中采用1cm。

按键与发光二极管：由于本实验中需要使用13个按键（其中1个用于手工复位，其余均用于信号输入），而需要1个七段数码管和11个发光二极管（其中1个用于上电显示，其余均用于信息的显示），而C8051F310只有29个I/O端口，因此，不能采用将按键和发光二极管直接连接到单片机上。

可以采用矩阵等其他方法方法解决端口紧张的问题：（1）按键采用矩阵的方式，3*4的键盘矩阵即可实现利用7个I/O端口控制12个键盘的数据读入任务。（2）关于大量的发光二极管的显示问题，可以利用七段数码管动态显示的工作原理，将物理上分离的发光二极管在逻辑上链接成1七段数码管，如本实验中共采用了11个I/O端口，理论上最多可以连接21个发光二极管（相当于3个七段数码管，其中7个I/O端口用于数据的传输，3个I/O端口用于七段数码管的片选信号）和一个七段数码管。

硬件I/O端口资源的分配：P2口用于数据输出；P0.2、P0.3用于外接时钟信号的输入；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P1.7用于读取键盘信号；P1.0用于电机驱动器使能端控制；P1.1、P1.2用于控制电机的运动状态；P1.3、P1.4、P1.5、P1.6用于光电探测器的数据读入任务；P3.2、P3.4、P3.4用于控制板中发光二极管发光组的选择；file:///C:\Users\huqin\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.gif/C2CK用于复位和调试；P3.0、P3.1预留端口，用于实现电梯门的开关。

硬件子系统的划分（根据PCB板来划分）：由于本实验要求使用两块PCB板来实现，分别为核心板和控制板，控制板用于键盘信息的读入和信息的显示，核心版主要用于信息的处理。因此为了提高效率，将该系统会分为两个独立子系统，在PROTEL99se软件中建立了两个项目分别为MyDesign和tt519，由不同的同学来完成。最后，两PCB板通过排线连接，进行系统的整合。

对系统进行功能模块划分，可分为以下几个部分：

电源电路，由于本实验中的大部分IC芯片的供电电压均为+5V，因此本实验系统采用+5V的电源供电。但是单片机的供电电压为+3V，不能直接将单片机直接接到+5V的供电电源上。需要设计一专门的供电系统为单片机供电。其供电电路图如下图所示。主要是利用了LM2937将+5V电源转换为+3V的电源。为获得稳定的供电系统，电路中设计了大量的电容，减小电源的噪声对系统的影响。

键盘电路的设计，如下图所示

其原理为：

（1）首先判断是否有按键按下。其方法是使所有的行输出均为低电平，然后读列向输出，如果没有键按下，则读入的列值均为1，否则会有值为0

（2）去除键抖动。若有按键按下，则延时5~10ms,再一次判断有无键按下，如果此时仍有键按下，则认为键盘上有一个键处于稳定闭合状态。

（3）若有键闭合，则求出闭合键的键值。求键值的方法是对键盘逐行扫描。先是SW1=0，，然后读入列值，看其是否全为一，若等于，则说明该行无键按下。再对下一行进行扫描，若有一个值为0，则为0的该行该列的键被按下。

电机驱动电路，对于小功率的5V6500直流电机，本实验采用了L293驱动芯片，驱动电路采用了德州仪器公司推荐的H桥驱动电路，其电路原理图如下图所示。当使能信号为低电平时，电机处于关闭状态，当其为高电平时，电机处于开启状态。此时，当1A=0，2A=1时，电机右转；当1A=1，2A=0时，电机左转；当1A=1，2A=1时，电机静止。

复位电路，由于传统的复位电路是通过采用一个高电平使单片机复位，但是C8051f310对低电平有效。因此不能采用传统的复位电路。采用如下图所示的复位电路，当按键断开时，由电源VDD提供一高电平，当按键按下时，电容C6、C7会被短路，此时由电源提供的高电平会被下拉成低电平，从而会使单片机发生复位。

外部晶振电路，采用传统的时钟信号接入电路，如上右图所示。

在软件部分，为使尽可能多的同学有机会亲自写源代码，我们将系统划分为几个组成部分，主要分为：键盘读入部分，显示部分，延时部分和核心主程序。其中键盘读入部分主要是完成外部控制参数的读入部分，包括目标楼层的选择和进入电梯等；显示部分主要完成显示当前系统所处的状态，比如点点当前所处的楼层数，按键是否有效地被单片机读入等；延时部分主要是为了实现在电梯到达目标楼层时候有一短暂的时间停留，便于乘客的上下，以及继续实现键盘的读取与显示任务；核心程序段主要是完成系统的资源再分配、电梯运行算法的具体实现以及系统的其他程序段的连接与使用工作。

由于键盘读入部分只是向相关的寄存器中写入数据，数据的读入由核心主程序执行，因此在资源利用方面，并不存在冲突，因此这三个部分是相互独立的，所以只要三个部分没有错误，在一起调试的时候不会出现因资源的不合理利用而导致程序编译的失败。

在本系统的软件设计中主要用到的资源有：寄存器A，CY用于数据比较，R1、R2用于实现延时程序部分，R3用于保存楼层中按下的按键是上升的还是下降的，R4用于保存乘客选择的目标楼层数，R5用于保存电梯目前所处的楼层数，R6表示有人在电梯外按按键的楼层数，R7用于保存读入按键的编号。

经过一个多月努力，经过多次修改，将错误和不是很合理的地方一一修改。我们终于顺利的完成了原理图、PCB以及程序源代码的编辑工作。

完全实现了系统的要求，在工程上具有可行性。

1．           采用51系列单片机

2．           采用直流电机驱动

3．           采用光电方法实现楼层精确对位

4．           采用键盘模拟电梯楼层选择（1/2/3/4，运行方向，关门、开门）

5．           采用直流电源供电

在这一个月的时间里，尤其是后半段的日子里是我真正成长的时光，因为我发现了自己的渺小，自己的缺陷，自己的无知，以及自己的无奈。

在这次设计中让我自己最无语的是，我没有很好的保存修改后的文档，结果，把错误的设计提交了上去，而正确的设计却不知所踪！做人做到我这个地步只能用失败这个词语来形容。更让我看不起自己的是，犯了不可饶恕的错误后居然厚着脸皮希冀能够进入实际工程调试阶段。通过这件事，我彻底的认识到，粗心会对一个人的影响有多大了。虽然这次唯一的影响是我没有机会将我的思想实现样品化，但是假如在以后工作中出现了类似的问题，那后果又会是怎样呢？显然那个厚厚实谁也不想见到的。进一步分析自己，是什么造成了自己的粗心？可能是天生的吗？显然这是个伪命题。是紧张！是激动！每次到关键时刻的时候，我总会莫名其妙的紧张起来，人会处于一种莫名的亢奋中，接着脑袋里一片空白，不知所措。因此，对于我来说，错误是不可避免的。综其因素是因为我太看重结果了。而我的室友们就不会出现这些问题。

其次，在考虑问题的全面性上，还存在不足，主要体现在未能时刻记住系统的各部分的设计思想以及某些设计思想的不成熟性。比如，关于系统的复位部分，由于该部分并非本人亲自实现，以至于在撰写实验报告时发现自己对其一无所知。因为传统的单片机是高电平复位，但是本实验用的c8051f310采用的确是低电平有效。对于一个系统设计师来说这是致命的，不可饶恕的错误。而且在某些电路的设计上，只是谋求系统的功能的实现，而未考虑系统的优化，这不仅会使系统的成本上升，还会导致系统软件架构的复杂性，因此，其实际可行性较低。

最后，也是最重要的是，TEAM，团队的协作。像上述提到的问题，对每个人来说多多少少总是存在的，只是每个人的体现形式和场合以及强烈程度不同罢了，是不可避免的。但是，这些问题对于一个团队来说是不存在的，因为大家可以相互弥补大家的不足之处。可惜，本人在领导团队上，经验不是很丰富，导致不能及时有效的调动大家的积极性。最后只能借助提交相关报告的压力来促使队员们的工作。然而以前，我总是一个人单独完成一些任务，未能体会到团队的协作能力的重要性，也就未能就该方面进行必要的培养。

（1）《单片微型计算机原理与应用（第二版）》胡乾斌、李光斌、李玲、喻红主编 ，华中科技大学出版社

（2）《电子技术基础·模拟部分（第五版）》康华光主编，高等教育出版社

（3）《电子技术基础·数字部分（第五版）》康华光主编，高等教育出版社

（4）《PROTEL电路设计教程》江思敏、姚鹏义、胡荣等编著，清华大学出版社

（5）  C8051F310/1/2/3/4/5 8/16 KB ISP FLASH 微控制器 数据手册 潘琢金 译

（6）ULN2003数据手册（英文版）

（7）ST168数据手册（中文版）

（8）LM2937数据手册（英文版）

（9）CD40106数据手册（英文版）

（10）L293数据手册（英文版）

（11）《软件设计师同步教程》何光明主编，清华大学出版社

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

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电梯模拟器设计.zip (5.94 MB, 下载次数: 177)

2017-1-5 22:27 上传

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