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1、模拟电梯控制与显示系统设计 摘要 单片机即单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer ） ，是集 CPU ,RAM ,ROM ,定时， 计数和多种接口于一体的微控制器。其中 51 单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性 的一种,广泛应用于各个领域.电梯是集机械原理应用、电气控制技术、微处理器技术、系统 工程学等多学科和技术分支于一体的机电设备，它是建筑中的永久垂直交通工具。本论文 选择 AT89S51 为核心控制元件，设计了一个 5 层电梯智能操作与显示系统，使用单片机 C51 语 言进行编程，实现运送乘客到任意楼层，并且显示电梯的楼层和上下行。利用单片机控制 电梯有
2、成本低，通用性强，灵活性大及易于实现复杂控制等优点 随着现代高科技的发展，住房和办公用楼都已经逐渐向高层发展。电梯是高层宾馆、商店、 住宅、多层仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通运输工具。1889 年美国奥梯斯升降 机公司推出的世界上第一部以电动机为动力的升降机，同年在纽约市马累特大厦安装成功。 随着建筑物规模越来越大，楼层也越来越高，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态 特性都提出了更高的要求。由于传统的电梯运行逻辑控制系统采用的是继电器逻辑控制线 路。采用这种控制线路,存在易出故障、维护不便、运行寿命较短、占用空间大等缺点。 目前，由可编程控制器（PLC）或微型计算机组成的电梯运行逻
3、辑控制系统，正以很快的 速度发展着。可编程控制器，是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是在顺序 控制器和微机控制器的基础上发展起来的新型控制器，是一种以微处理器为核心用作数字 控制的专用计算机，它有良好的抗干扰性能，适应很多工业控制现场的恶劣环境，所以现 在的电梯控制系统主要还是由可编程控制器控制。但是由于 PLC 的针对性较强，每一台 PLC 都是根据一个设备而设计的，所以价格较昂贵。而单片机价格相当便宜，如果在抗干 扰功能上有所 提高的话完全可以代替 PLC 实现对工控设备的控制。当然单片机并不象 PLC 那么有针对 性，所以由单片机设计的控制系统可以随着设备的更新而不断修改完善，
4、更完美的实现设 备的升级。电梯控制系统是比较复杂的一个大型系统，在计算机诞生的几十年里，继电器 控制系统为电梯控制的发展做了巨大的贡献，但在性能上和 PLC 还是有本质上的差距。在 科技的不断发展下，单片机控制系统很快可以解决抗扰性，成为方便有效的电梯控制系统单片机概述 单片机全称为单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）,又称为微控制器 （Microcontroller Unit）或嵌入式控制器（Embedded Controller） 。它是将计算机的基本部件 微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内都含有 CPU、ROM、RAM、并行 I/O、串行 I/
5、O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线等。 （如图 1-1 所示） 。随 着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着 SOC（System on Chip）方向 发展单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，在自动 化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到日益广泛的应用。单片机简介 单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运 算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储 器 (ROM)，输入输出电路(I/O 口)，可能还包括定时计运城学院计算机
6、科学与技术系毕业论文 但单片机内的 RAM 是作为数据存储器用,而不是当作高速缓冲存储器(CACHE)使用. 采用面向控制的指令系统.为满足控制的需要,单片机有更强的逻辑控制能力, 特别是具有很强的位处理能力.单片机的 I/O 引脚通常是多功能的.由于单片机芯片上引脚数 目有限,为了解决实际引脚和需要的信号线的矛盾,采用了引脚功能复用的方法.引脚处于何 种功能,可由指令来设置或由机器状态来区分，单片机的外部扩展能力强.在内部的各种功能 部分不能满足应用需求时,均可在外部进行扩展(如扩展 ROM,RAM,I/O 接口,定时器/计数器, 中断系统等),与许多通用的微机接口芯片兼容,给应用系统设计带
7、来极大的方便和灵活性 . 单片机的应用领域 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及 过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： (1)在智能仪器仪表上的应用: 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、 扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型 的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪 表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如 精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪） 。 (2)在工业控制中的应用: 用单片机
8、可以构成形式多样的控制系统、数据采 集系统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与 计算机联网构成二级控制系统等。 (3)在家用电器中的应用: 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单 片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、 再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 (4)在计算机网络和通信领域中的应用: 现代的单片机普遍具备通信接口， 可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提 供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手 机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到
9、 日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 (5)单片机在医用设备领域中的应用: 单片机在医用设备中的用途亦相当广 泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十 分广泛的用途。 单片机的发展趋势 现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公 司都推出了自己的单片机，从 8 位、16 位到 32 位，数不胜数，应有尽有，有与主流 C51 系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔 的天地。 纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展
10、趋势，大致有： 低功耗 CMOS 化 MCS-51 系列的 8031 推出时的功耗达 630mW，而现在的单片机普遍都在 100mW 左右，随 着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用 了 CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。像 80C51 就采用了 HMOS(即高密度金属氧化物半 导体工艺)和 CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。 CMOS 虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而 CHMOS 则具备了高 速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗像电池供电的应用场合。所 以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 (2)微型单片化现
11、在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一 块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如 A/D 转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT( 看门狗)、有些单片机将 LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单 元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出 具有自己特色的单片机芯片。 此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中 SMD(表面封装)越
12、来越受 欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 (3)主流与多品种共存 现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 80C51 为核心的单片机占主流，兼容其结 构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品，ATMEL 公司的产品和中国台湾的 Winbond 系列 单片机。所以 C8051 为核心的单片机占据了半壁江山。而 Microchip 公司的 PIC 精简指令 集 (RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的 HOLTEK 公司近年的单片机产量与日俱增，与 其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有 MOTOROLA 公司的产品，日本几大 公司的专用单片机。在一定的时期内，
13、这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天 下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。 (1) 8X8 点阵 LED 工作原理说明 八十年代以来出现了组合型 LED 点阵显示器模块，以发光二极管为像素，它用高亮度发光 二极管芯阵列组合后，环氧树脂和塑模封装而成。这种一体化封装的点阵 LED 模块，具有 高亮度、引脚少、视角大、寿命长、耐湿、耐冷热、耐腐蚀等特点。LED 点阵规模常见的 有 4x4、4x8、5x7、5x8、8x8、16x16 等。 根据像素颜色的数目可分为单色、双基色、三基色等。像素颜色不同，所显示的文字、图 象等内容的颜色也不同。单色点阵只能显示固定色彩如红、绿
14、、黄等单色，双基色和三基 色点阵显示内容的颜色由像素内不同颜色发光二极管点亮组合方式决定，如红绿都亮时可 显示黄色，如果按照脉冲方式控制二极管的点亮时间，则可实现 256 或更高级灰度显示， 即可实现真彩色显示。ED 点阵显示屏的组成：由多个 LED 发光二极管封装在一起组成，是一种新兴的显示器件。 为了说明 ED 点阵显示屏的原理，以单片机为控制核心， 设计和制作了一种包含硬件和软 件两部分的 显示系统。该电路通过按键控制可实现任意多个汉字的卷帘、上移和左移等多 种显示形式，可广泛应用于机场、商场、医院等公共场所进行文字广告宣传，信息发布等。 而且具有体积小、硬件电路结构简单和容易实现等特点
15、。 8X8 点阵 LED 结构如下图所示从图中可以看出，8X8 点阵共需要 64 个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线 和列线的交叉点上，当对应的某一列置 1 电平，某一行置 0 电平，则相应的二极管就亮； 因此要实现一根柱形的亮法，如图所示，对应的一列为一根竖柱，或者对应的一行为一根 横柱，因此实现柱的亮的方法如下所述： 一根竖柱：对应的列置 1，而行则采用扫描的方法来实现。 一根横柱：对应的行置 0，而列则采用扫描的方法来实现。 动态扫描的意思简单地说就是逐行轮流点亮，这样扫描驱动电路就可以实现多行（比如 8 行）的同名列共用一套列驱动器。具体就 88 的点阵来说，我们把所有同一
16、行的发光管 的阳极连在一起，把所有同一列的发光管的阴极连在一起（共阳的接法） ，先送出对应第一行发光管亮灭的数据并锁存，然后选通第一行使其燃亮一定的时间，然 后熄灭；再送出第二行的数据并锁存，然后选通第二行使其燃亮相同的时间，然后熄灭； 第 8 行之后又重新燃亮第一行，这样反复轮回。当这样轮回的速度足够快（每秒 24 次以上） ， 由于人眼的视觉暂留现象，我们就能看到显示屏上稳定的图形了。5 层智能电梯操作与显示软件设计 流程图设计软件调试 软件调试是通过对用户程序的编译、连接、执行来发现程序中存在的语法错误与逻辑错误 并加以排除纠正的过程。 (1) 设计平台 软件调试在 KEIL 编译器下进行，运行在 Windows XP 操作系统下。源程序编译及仿真调 试应分段或以子程序为单位一个一个进行，最后可结合硬件实时调试。(2) 设计步骤 1) 按照系统硬件连线图连好。 2) 把编写好的程序进行编译并输入单片机 AT89S51 仿真器和对其进行初始化。 3) 先按下开启键，观察 LED 及点阵屏能否正常显示，再观察点阵 LED 显示屏形成的电梯 上升下降信号和 LED
