基于單片機的模擬電梯系統設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 R=(230Ω460Ω)，所以限流電阻選擇了 360Ω 的。基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）13圖 23 數碼管顯示模塊的電路 電梯模擬指示燈的設計圖 24 模擬指示燈的電路本次設計的指示燈共有 6 個，其中一個是電源模塊的指示燈（后面會有提到） ，還有一個是單片機電源指示燈，再一個是電梯正常運行的指示燈。這三盞燈的功能就是為了提示，不做任何模擬，還有三盞燈分別接在 ， 口上。接在 上的是表示電梯上下行的，當電梯上升時，該指示燈亮，當電梯下降時，該指示燈呈熄滅狀態。接在 和 上的指示燈模擬了四個狀態。在電梯運行后，兩盞燈同時熄滅代表電梯正在關門，同時亮代表正在開門，單獨 上的燈亮代表電梯處于關門狀態，單獨 上的燈亮代表電梯處于開門狀態。因為發光二極管接的是 5V 電源，所以限流電阻分到 3V 左右的壓降，發光二極管的工作電流通常是 2 mA5mA,所以選擇了 1k 的電阻，根據電阻公式是 R=（U－U f）／I，可以算出 R=(52)/（~）=(600~1500) Ω,所以電阻就選擇了 1K 的，這樣的電流是 3mA，發光二極管可以正常工作。 蜂鳴器電路的設計基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）14圖 25 蜂鳴器電路本次設計用 9012 三極管驅動蜂鳴器，當電梯到達所需樓層時，單片機給三極管基極輸入一個低電平，此時基極的電壓小于發射級的電壓，三極管導通，可以使蜂鳴器作響。三極管在蜂鳴器上的作用是放大聲音信號。三極管是一種控制元件，主要用來控制電流的大小，當基極電壓 UB 有一個微小的變化時，基極電流 IB 也會隨之有一小的變化，受基極電流 IB 的控制，集電極電流 IC 會有一個很大的變化，基極電流 IB 越大，集電極電流 IC 也越大，反之，基極電流越小，集電極電流也越小，即基極電流控制集電極電流的變化。但是集電極電流的變化比基極電流的變化大得多，這就是三極管的放大作用，該三極管的放大倍數在 150200 之間。在 I/O 口和三極管 B 級之間串接個1K 左右的電阻的作用是限制 I/O 口電流，防止 I/O 口過流燒壞。因為蜂鳴器正極接 VCC，串聯的電阻選擇 1k，根據公式可以算出 I/O 的電流為 5mA，再加上蜂鳴器的內阻，電流小于 5mA，可以保證I/O 口不被燒壞。 電源電路的設計 穩壓電路的介紹本次設計采用的電源電路是經典的穩壓電路。用一個電源適配器直接將 220V 的交流電轉換成9V，然后接入板子上，一開始的設計是用兩個電源，將單片機跟電機的電源分開，但考慮到了經濟性和實用性，用了這個模塊，只需一個電源輸入即可。9V 的電可以直接供給 H 橋驅動，串聯一個二極管可以有效防止反接，然后電壓經過輸入端濾波，由穩壓芯片 7805 輸出，再由輸出端濾波輸出 5V 直流電給單片機供電。這里的電阻選擇 1K 跟上面講到的發光二極管的電阻選擇一樣，都是限流的。基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）15圖 26 電源電路 穩壓芯片的介紹此次采用的是 7805 三端穩壓集成電路，三端 IC 是指這種穩壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用 78/79 系列三端穩壓 IC 來組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩壓 IC 型號中的 78 或 79 后面的數字代表該三端集成穩壓電路的輸出電壓，如 7805 表示輸出電壓為正 5V，7905 表示輸出電壓為負 5V。在實物制作中，在 7805 上安裝了散熱器，為了防止溫度過高時，穩壓性能變差。圖 27 穩壓芯片 7805 H 橋驅動電路的設計 光耦的介紹基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）16圖 28 光耦內部圖光耦。它是以光為媒介來傳輸電信號的器件，通常把發光器（紅外線發光二極管 LED）與受光器（光敏半導體管）封裝在同一管殼內。當輸入端加電信號時發光器發出光線，受光器接受光線之后就產生光電流，從輸出端流出，從而實現了“電—光—電”轉換。以光為媒介把輸入端信號耦合到輸出端的光電耦合器。這次設計時本來采用要用驅動芯片 L298N 來驅動電機的，但考慮到自己動手接觸過 H 橋電路之后會有更深的了解，后又改用 H 橋。但是剛好有同學也是用 H 橋驅動電機的，所以就加了光耦。跟原先的 H 橋相比，穩定性又有所提升。光耦的主要作用就是強弱電的隔離，因為單片機是小功率的芯片，而電機是大功率的，所以光耦可以有效的起到隔離作用。光耦合器的主要優點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是 70 年代發展起來產新型器件，現已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR） 、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節控制端電流來改變占空比，達到精密穩壓目的 [2]。如上圖，二極管負極接 VCC，二極管正極接單片機 I/O 口，發射極接地，集電極接入 H 橋電路。當電梯需要上升或者下降時，給二極管正極輸入一個高電平或者低電平，控制二極管的通斷。假如芯片給二極管正極的是低電平，此時二極管導通，然后三極管也導通，因為發射極是接地的，所以集電極端也是低電平。將此信號傳輸給 H 橋。光耦在電路中一左一右兩個，給左邊的光耦輸入低電平了，那右邊的就是要輸入高電平，這樣才能維持電機的運轉，這個在下面的 H 橋電路設計中會解釋。 H 橋驅動電路的介紹基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）17圖 29 H 橋驅動電路圖如上為本次設計的 H 橋驅動電路。電路得名于“H 橋驅動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4 個三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機就是 H 中的橫杠。在橋路左邊加了一個 NPN 三極管 Q12和 PNP 三極管 Q8，右邊也同樣加了 Q7 和 Q11,可以更有效的控制和保護電路。要使電機運轉，必須是一條對角線上的三極管導通。下面，我們用一個例子來解釋下 H 橋電路的工作原理。假設左邊是低電平，那相對應的右邊為高電平。所以左邊的光耦 C 腳輸入低電平，右邊的光耦內的三極管不導通。因為 PNP 是低電平導通，所以左邊第一個三極管 Q8 導通，因為下面串聯一個電阻，所以呈高電平狀態，所以左邊第二個三極管 Q12 導通，所以，H 橋中右下角的三極管 Q14 也導通，左上角的三極管 Q9 的基極 B 經過了三個電阻，而他的發射極只經過一個電阻，所以基極的電壓相對的低于發射極，所以左上角的三極管 Q9 也導通。所以電機可以運轉。接下來要驗證右上角的三極管 Q10和左下角的三極管 Q13 不導通，因為光耦不導通，所以右邊第一個三極管 Q7 沒有構成回路，所以不導通，右邊第二個三極管 Q11 和 H 橋右上角的三極管 Q10 同理也不導通，左下角的三極管 Q13 B級沒電壓，所以也不導通，所以，當左邊輸入低電平，右邊輸入高電平時，左上角和右下角的三極管 Q9，Q14 導通，電機正轉。反之，電機反轉。四個并聯在 H 橋三極管兩端的二極管起到續流保護的作用。基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）18第三章 電梯系統的控制程序設計 程序流程圖 主程序流程圖 開始初始化掃描鍵盤查詢變量，調用子程序電梯運行當電梯上電了之后，程序開始執行，數碼管顯示為 1 樓，同時開始掃描鍵盤，判斷是否有按鍵按下，當有按鍵按下后，根據按鍵修改變量，然后電梯運行，同時數碼管顯示相應樓層，當抵達所需樓層樓層后，開始開門，同時蜂鳴器發出聲音，提示已到達。然后循環以上過程。 中斷程序流程圖基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）19入口鍵盤掃描有鍵按下？修改請求變量電梯運行返回N Y當有鍵按下之后，中斷開始，修改變量，然后電機開始轉，電梯運行，當電梯到達所需樓層后，中斷結束，電梯開始開門，同時蜂鳴器發出聲音提示到達。然后循環上述過程。 電梯運行流程圖基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）20入口電機運行關門是否到達所需樓層？開門返回 數碼管顯示樓層NY當有鍵按下，電梯開始運行時，先關門，然后電梯運行，數碼管顯示電梯所在位置，當到達所需樓層時，電梯門打開，并且蜂鳴器發出聲音，提示到達。基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）21第四章 系統的調試 系統調試過程 軟件調試程序在調試的時候會出現很多錯誤，書寫格式上的疏忽或者循環錯誤及參數表語法錯誤等等，此次的程序是在 keil 中編譯完成的，在編寫好程序之后，出現的錯誤很多，比如“Declaration missing ” “Do statement must have while”“ unction call missing”等等一大堆，然后自己根據這些提示去查找錯誤，然后一點點的修改，最后成功編譯，當編譯成功之后仿真然后在開發板上進行調試，一開始的時候一些功能實現不了，比如開門關門的狀態跟自己預先想的完全反了，后面又去程序中修改，這樣反反復復直到功能全部實現 [5]。 系統仿真此次系統仿真用的是 protues 進行仿真的，首先用 keil 編譯程序產生 hex 文件并保存，然后在 protues 上畫出仿真圖，導入程序并進行仿真，一開始仿真的時候是使用 L298N 進行仿真的，正在關門的狀態顯示不出來，去查了正在關門的程序，是直接把那個和關門的程序寫一樣了，修改過來之后就好了，后來因為設計的更改，采用了 H 橋驅動電路的仿真仿真圖如下： [7]圖 41 仿真圖片 硬件調試在調試過程中，一開始的時候蜂鳴器一直不響，一開始以為蜂鳴器是壞的，用萬用表的二極管檔測了之后發現蜂鳴器能響，然后又看三極管，接法也沒錯誤，最后去檢查了程序的 I/O 口才發現是 I/O 口定義錯了，本來是應該定義 的，程序上寫成了 。將這個改過來之后蜂鳴器就能基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）22響了。還有就是電機只會正轉，不會反轉，然后找到當電機反轉時電流的流向，后來發現光耦接反了，按照那個接法，光耦內的三極管會一直處于斷路狀態，所以無法驅動 H 橋內的電機。當全部修改好之后，電梯就可以正常運行了。 系統調試成果當插上電源的時候，電梯顯示的樓層在 1 樓，電梯運行指示燈亮，電源指示燈亮，電源模塊的二極管也亮，圖片如下：圖 42 調試圖片假設我在 4 樓，現在我要到 1 樓去，我按下 4 樓下召喚按鈕，然后電機反轉，電梯到達 4 樓，基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）23圖片如下：圖 43 調試圖片進入門后，按下 1 樓按鍵，電梯運行，圖片如下：圖 44 調試圖片其他的各個功能也都能正常運行，這樣調試就好了。最后附上完成后的實物圖，如下：基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）24圖 45 實物圖片基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）25結束語經過了幾個月的努力，畢業設計到此終于算是完成了，回頭看看自己這幾個月下來的努力，真是一段辛酸史，起初，自己對這一塊的了解只是那么一點點，僅僅只是一點點，但是接觸的越多，發現自己以前學的真的太少太少，大學四年，也許只有這次是自己最認真的一次，這一次的收獲比任何時候都多，在這過程中，每當自己接觸到自己沒有接觸過或者了解不深刻的事物，最后被我徹底了解之后，心情總是很愉悅，這是種久違的感覺，就像曾經的高中，當自己解出一道難題，心里的滿足感是滿滿的，漸漸的，發現自己喜歡上了搞這些東西，以后有機會，一定要再自己沒有目的的做這些設計，僅僅為了能夠讓自己滿足，也許，做這類設計已經成為了我的興趣，我將持之以恒的堅持下去，保留這份激情。基于單片機的模擬電梯系統設計 麗水學院 2022 屆學生畢業設計（論文）26參考文獻[1] 張毅剛. 單片機原理及應用[M] 北京：高等教育出版社，2022. [2] 劉守義. 單片機應用技術[M] 西安電子科技大學出版社，2022.[3] 吉雷. Protel99 從入門到精通[M] 西安電子科技大學出版社 2022.[4] 清源計算機工作室. Protel99 SE 原理圖于 PCB 設計[M] 機械工業出版社，2022.[5] 張義和等. 例說 51 單片機（c 語言版