（西安交通工程学院 陕西 710300）

1 引言

从电梯的诞生至今，电梯的结构复杂，有多种控制类型，对运行性能有较高的要求。在电梯发展初期采用的是阵列控制结构，但这种结构占用较大空间、线路繁杂、会产生较大噪声、发生故障的概率较高、日常的维护费时费力，且电梯的运行速度和运行稳定性已经得不到满足，而单片机正好具有强大的控制和运算能力，能满足人们对电梯功能的需求，将单片机应用到电梯控制系统中，具有很好的经济价值和研究意义。

2 系统总体方案设计

（1）主控芯片选择：采用STC89C52RC 作为核心控制器[1]，该处理器包含完整的控制电路，其识别对象精确到位。不仅可以对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理同时还可以进行逻辑运算，能基本处理较小信息的请求，同时能减少设计人员的程序编写。

（2）楼层显示模块：采用常见的一位数码管显示模块。该模块使用简单，操作方便，价格实惠，能清晰显示数字，能很好达到本设计对处显示器的要求。

（3）报警提示模块：采用蜂鸣器作为报警器，当有紧急情况发生时，可以按下报警按钮，触发报警信号。其硬件电路简单，软件控制IO 输出高低电平即可。

（4）电动机模块：采用步进电机作为系统模块，因为步进电机在定位上精度高。并且步进电机不需要数模转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移。与其他电机相比，步进电机除了传递信息外还能传递矩阵，同时步进电机在电梯的升降上也有较高的精确度。

（5）按键选择模块：采用矩阵键盘作为输入设备，它由相同的行和列所组成的线路构成，在行与列的交叉点上设置一个按键，该矩阵键盘集成度高，使用简单，易于驱动，线路直观。

3 硬件设计

3.1 硬件框图

基于单片机的电梯控制系统设计思路是以STC89C52RC 最小系统作为核心处理器，利用其较多的端口资源与外部模块实现数据的传递，实现电梯的基本功能。采用行列式键盘矩阵作为外呼内选设备，有源蜂鸣器作为报警器，NLN2003A 驱动步进电机转动作为执行单元，1 位共阴数码管实时显示电梯当前所在层数，采用9个发光二极管作状态指示灯，其硬件结构如图1所示。

图1 硬件结构图

3.2 主要模块设计

（1）按键电路：按键电路为4 按键键盘矩阵，矩阵键盘的p1.0-p1.3是接STC89C52的RCP1.0-P1.3，用来检测是否有键盘按下，P1.4-P1.7是接STC89C52RC的P1.4-P1.7，用来换扫描信号。

（2）显示电路：选择则共阴数码显示管来显示当前电梯所在的层数，将所有的LED灯的正极与STC89C52RC的P0.0-P0.6端口连接。通过单片机编程控制输出数字进行楼层的显示[2]。

（3）电机驱动电路：采用步进电机，利用其驱动模块来驱动步进电机运转，电机驱动模块与微型控制器的P3.0-P3.6端口连接[3]。

（4）指示电路：指示电路由9个独立的LED灯组成，其中5个LED灯表示目的楼层指示、2个LED灯电梯运行状态指示，2个灯表示电梯门开关状态。当选择按下按键选择目的楼层后，对应的楼层指示灯亮起，当到达目的楼层后，指示灯熄灭。电梯运行状态由对应的指示灯来表示，当电梯向上运行时，UP灯点亮，表示电梯在向上运行，反之则在下运行，当按下开门按钮时OPEN灯点亮，当按下关门按钮时，Close灯点亮。

（5）报警电路：电梯内设置了紧急报警按钮，在电梯运行过程中，由于某种原因导致了电梯的工作停止，电梯内的乘客可以按下紧急按钮，并发出报警信号，系统设计中采用有源蜂鸣器作为报警器，与STC89C52RC的P3.7的端口进行连接[4]。

（6）供电电路：采用LM7805 降压、稳压芯片提供+5V 电压，给单片机以及各部分电路供电。

4 软件设计

本系统用矩阵键盘来模拟个楼层之间的按钮，当乘客按下具体的楼层数时，STC89C52RC 检测出高低电平并做出反应，将结果反馈给NLN2003A 电机驱动模块，从而使电机转动进而控制电梯的上下移动。将单片机扫描到的按键信息存储起来，并与电梯的工作状态比较，实时判断电梯的移动是否与按键相对应。当电梯停在指定楼层时，电机停止转动，指示灯熄灭。开门指示灯点亮时，表示可进、出乘客，延时一段时间等待进出乘客完成，之后关门指示灯点亮，电梯门准备关闭，当乘客进入电梯之后，按下想去的楼层数，然后电梯根据乘客的选择判断去哪一层，继续运行。电梯在上升过程中只响应上升呼叫请求，下降过程中只响应下降呼叫请求。软件流程图如图2所示。

4.1 电梯主程序

根据设计要求，实现电梯基本功能的程序应满足以下要求：

（1）当电梯正式运行时，系统进入初始化程序，显示器显示“电梯表示电梯处在二楼，等待乘客进入电梯；初始化程序结束后进入循环主程序中。

（2）主程序主要包括：

单片机判断当有乘客进入电梯后，选择去哪一层，根据判断情况来决定电梯运行，到达目标楼层后做相应的处理，如呼叫指示灯熄灭，控制电梯门开闭等，开关门有一定的延时来保证乘客走出/进入电梯。当电梯在移动时，最小系统需要实时的扫描按钮，用来判断各楼层是否有请求，若检测到有按钮信息，表示正在有乘客呼叫，此时，在主控制系统中会有指示灯亮起显示器以及指示灯会实时显示当前电梯所在楼层和电梯是在移动还是在停止；当发生意外时，紧急处理程序。

图2 主程序流程图

5 系统测试

5.1 方向优先测试

电梯按单方向响应设计，即电梯按某一方向运行时，会优先响应该运行方向的呼叫请求。测试方案：假设初始状态电梯在一楼停留，一次点击2楼，4楼的上、下按呼叫按钮和5楼的向下呼叫，观察电梯方向指示灯和电梯门开启指示灯，测试结果记录如表1所示。

表1 方向优先测试

5.2 距离优先测试

在同一箭头方向上，当有多名乘客按下不同的按钮时，电梯采取就近原则。测试初始时，电梯位于任一层，如一楼。此时三楼和四楼分别向上呼叫。测试结果：电梯先完成3楼的请求，随后完成4楼的请求。各按钮呼叫时指示灯显示正常，当电梯完成该按钮的呼叫后，与之对应的楼层指示灯将自动熄灭。

5.3 综合测试

测试方案：假设电梯在1楼停留，此时有3 名乘客需要搭乘电梯，甲的目的地是2楼，乙丙目的地是4楼。电梯运行后，3楼和4楼有乘客按了向上方向的按钮，3楼有乘客按了向下方向的按钮到1楼[5]，如表2所示。

表2 逻辑测试

测试结论：该测试比较完整的演示了电梯具有的性能，实现了多层呼叫请求的排序，对电梯进行运动控制，同时测试了楼层以及运行信息显示，指示灯状态信息的变化，经过测试，电梯实现了系统要求。

6 结论

本文主要以单片机为核心控制器，以五层电梯为研究对象。实现的功能有：楼层间的通信，楼层数的按键显示，电梯的上下运转，在遇到特殊情况比如电梯突然停止工作室有警报按钮。选用STC89C52RC 作为其控制器，通过矩阵键盘输出，STC89C52RC 负责处理矩阵键盘上传来的电平变化信息，处理完成后将结果以输出电压的方式传给ULN2003A 然后促进电机的运转，来控制电梯的上下移动。未来单片机将成为电子控制器领域的主流，电梯系统作为微处理器的重要领域之一，将会变得更加安全稳定，朝着智能化方向发展。