1系统概述
1.1设计要求根据所学的知识以及技能,利用MCS-51系列单片机为中心设计一个简易电梯系统,实现四层电梯的无故障运行,并用数码管和指示灯显示对应楼层和运行方向等基本信息。设计所用的单片机为STC89C52为主要的控制器,自带AD转换,当一边有按键按下时,另一边以数字的形式在数码管上显示出相应的数字信息。
- 选择合适的芯片进行驱动电路的设计;
- 运行状态精确显示;
- 平层误差不超过±1cm。
- 总体设计
总的设计框图如图1-1所示,由单片机模块、矩形按键模块以及系统信息模块三个大模块构成,它们的作用分别为:
单片机模块:数据输入输出的处理。矩形按键模块:通过按键,将相关信息送入单片机处理。系统信息模块:用若干个发光二极管和数码管作为此模块的显示电梯的运行状态,如上行或下行、电梯目前到达的楼层等信息。电机控制模块:电机运行的方向以及电机的速度控制。其中单片机模块里面包括了电源模块、复位电路模块、时钟电路模块,当通过按键模块按下需要到达的楼层,经过单片机内部转换后在数码管上显示出来。同时对按键进行扫描,定位被按下的按键,确定目标楼层并检测途径楼层是否有被按下,上行下行通过灯的亮灭显示出来,驱动上下行电机进行正转或反转,检测到达指定楼层后上下行电机停止运转,目标楼层的指示灯亮,同时开关门电机进行正转实现开门,停留一段时间后电机反转实现关门。
图1-1总体设计框图- 系统设计的整体方案
- 主控芯片的方案论证
方案一:51系列单片机
采用目前通用的单片机系列STC89C52芯片为核心控制器,其管脚图如图2-1所示,此单片机功能完善具有字节处理和位处理,软件编程灵活,容易显示各种控制功能,价格比较便宜,在市场上比较多见。方案二:PIC系列单片机采用PIC系列为核心控制器。与51系列单片机相比,其是一种精简指令型的单片机,指令数量较少,在传送和逻辑运算上都要比51系列单片机比较复杂,编写程序比较麻烦,抗干扰性不是很强,在市面上的使用不是很广泛。综上所述,结合自己目前所学和比较熟悉的,51系列单片机是自己在校期间所运用最多的,所以对此单片机系统有较深刻的了解。而且要设计出一个相对简单且容易显示的系统,51系列单片机比PIC系列单片机更容易实现,因此设计使用方案一。
图2-1 STC89C52管脚图- 显示模块的方案论证
方案一:LED数码管
采用LED数码管作为显示器件,其中数码管又分为共阴数码管和共阳数码管(数码管原理图如图2-2 所示)。使用数码管所构造的电路简单,程序设计也相对简单,关键是数码管价格低廉,设计成本少 ,显示亮度高。方案二:LCD液晶显示器采用LCD液晶为显示器件。虽然使用液晶显示屏可以显示很多内容,其构造的电路也简单,程序设计也简单,但是相比于数码管,其显示要求要高,对距离也有一定的要求,显示亮度低,成本上也相差很多。综上所述,再结合上制作的电梯系统的设计显示方面要求较低,只需要显示运行时相对应的楼层即可,无需其他显示。所以在成本上使用数码管显示比较经济实在,因此设计选用方案一。
图2-2 数码管管脚图- 电动机的方案论证
方案一:直流电机
采用直流电机为动力元件。其中直流电机又分为直流有刷电机和直流无刷电机,直流无刷电机成本高但寿命长噪声低;直流有刷电机成本低,使用简单,但生命短噪声大。直流电机的工作原理是只要有合适的电压就可以转动,所以在精度控制上不是很好。方案二:步进电机采用步进电机为动力元件。目前步进电机作为动力元件已经很广泛,其中42步进电机更是其行业最常用的步进电机尺寸。步进电机的工作原理大概是将脉冲信号转化为角位移的元件,当步进电机接收到一个脉冲信号时,它就可以向预设的方向转动一个固定的角度,从而达到精确定位的目的。同样可以通过控制脉冲频率来控制电机的转动速度,达到调速的目的。其不受太多外力的影响,控制简单。相比与直流电机的工作原理。步进电机是按照节拍工作的,可以调节很小的角度,在精确度上比较好把控。综上所述,根据系统对运行的状态和精度有一定的要求,所以设计的动力元件要具有很好的把控力,因此设计使用方案二。
- 电机驱动模块的方案论证
方案一:L298N驱动
采用L298N电机驱动为控制器。其内置两个芯片,集成性较高,抗干扰能力强,转速可调。不过L298N构成的电路比较复杂,硬件电路连接较为麻烦。关键其成本还比较高。方案二:A4988驱动采用A4988电机驱动为控制器。A4988是一款带转换器和过流保护的DMOS微步进电机驱动器,它用于操作双极步进电机,在步进模式,输出驱动的能力35V和+2A 。其控制简单,只需要控制STEP与DIR两个端口; 具有精度调整,拥有五种不同的步进模式:全、半、1/4、1/8、1/16; 可调电位器可以调节输出电流,从而获得更高的步进率。其是一款成本低,体积小,容易设计控制电路。综上所述,由于电机选用42步进电机,而且系统对于控制精度比较高,所以对比两个方案的性价比之下,选用方案二。
- 系统硬件电路设计
- 单片机最小系统的电路设计
- STC89C52芯片模块电路设计
- 系统时钟电路设计
- 复位电路设计
- 电源电路设计
- 数码管显示接口电路设计
根据方案选择设计,系统采用一位共阳数码管作为显示模块。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管,共阳数码管在应用时需要公共极的COM接到地线VCC上,当某一字段发光二极管的阴极为低电平时,相应字段就点亮,当某一字段的阴极为高电平时,相应字段就不亮。
设计的显示接口是用51单片机的P0口,如图3-5所示。在接通电源后,P0口处的输出电流很低,输出为低电平。因为P0口的片内没有上拉电阻,而P0为I/0口工作状态时,上方的FET被关断,从而输出脚浮空,即使驱动能力再怎么强,此时的输出都相当于没有接上电源。对于一位共阴极数码管,需要高电平才能驱动。所以在P0口处设计一个排阻(用作上拉电阻)是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的,由电源通过这个上拉电阻给数码管提供电流。这就解决了P0口处输出的问题,使之一位共阴数码管可以点亮相应的字段。
图3-5 数码管电路设计图- 按键控制电路设计
- 显示灯电路设计
- 步进电机驱动模块电路设计
MS1 | MS2 | MS3 | 微步分辨率 |
L | L | L | 全步 |
H | L | L | 半步 |
L | H | L | 四分之一步 |
H | H | L | 八分之一步 |
H | H | H | 十六分之一步 |
- 电机电路设计
- 系统软件设计
- 控制数码管显示的软件设计
- 控制步进电机驱动模块的软件设计
- 系统实验
- 测试仪器
- 测试结果
平层差 | +5V | +12V | |
预估值 | 1cm | 5V | 12V |
实际值 | 2mm | 5.04V | 12.01V |
电梯所在 楼层 电梯内 外呼叫按钮 | 一楼 | 二楼 | 三楼 | 四楼 |
S11 | 电梯停止 | 电梯下行 | 电梯下行 | 电梯下行 |
S21 | 电梯上行 | 电梯停止 | 电梯下行 | 电梯下行 |
S22 | 电梯上行 | 电梯停止 | 电梯下行 | 电梯下行 |
S31 | 电梯上行 | 电梯上行 | 电梯停止 | 电梯下行 |
S32 | 电梯上行 | 电梯上行 | 电梯停止 | 电梯下行 |
S42 | 电梯上行 | 电梯上行 | 电梯上行 | 电梯停止 |
S1 | 电梯停止 | 电梯下行 | 电梯下行 | 电梯下行 |
S2 | 电梯上行 | 电梯停止 | 电梯下行 | 电梯下行 |
S3 | 电梯上行 | 电梯上行 | 电梯停止 | 电梯下行 |
S4 | 电梯上行 | 电梯上行 | 电梯上行 | 电梯停止 |
需要完整的资料可以加入我的纷传圈子,里面有资源压缩包的百度网盘下载地址及提取码。
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