基于单片机的智能电梯控制系统设计

基于单片机的智能电梯控制系统设计

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1. 系统功能概述

本设计的目标是实现一个基于单片机的智能电梯控制系统，该系统以STC89C52单片机为核心控制器，通过对外部与内部按键信号的响应，实现多层电梯的智能调度与运行控制。系统设置6层楼层，通过数码管显示电梯的当前层、目标层、运行状态（上升、下降、停止）及设计者信息。

系统具备以下主要功能：

1. 电梯状态显示功能：
   通过6个数码管实时显示电梯运行状态。其中最左侧数码管显示当前楼层，右侧第四个显示目标楼层，最右侧两个显示运行状态（UP、dn、PP），中间数码管可用于显示作者信息或备用参数。
2. 电梯呼叫与响应机制：
   电梯外部各楼层设有上/下呼叫按钮，内部设有1至6层按键。系统根据电梯的当前运行方向和楼层位置智能响应呼叫请求，合理安排电梯停靠顺序，实现模拟实际电梯的运行逻辑。
3. 楼层调度与优先级算法：
   当电梯上升时，若中途某层也发出上行请求，电梯会优先在中间层停靠后继续上行；当电梯下降时，若中途某层发出下行请求，则优先在该层停靠后继续下行。系统采用优先级队列算法，保证电梯运行的逻辑性与效率。
4. 开关门与停留控制：
   电梯到达目标楼层后自动停留约5秒，模拟开关门过程，期间禁止接受新的调度命令，停留时间可在程序中设定。
5. 串口通讯功能：
   系统配备串口通信模块，PC机可通过串口发送命令查询电梯状态（当前楼层、运行方向），也可设置电梯目标层，实现PC端远程控制。
6. 异常与状态保护：
   系统设有安全逻辑，当电梯到达最高层或最低层时禁止继续上升或下降，防止错误操作。同时可在程序中定义运行状态变量，对非法输入进行检测与忽略。

综上所述，本系统不仅实现了电梯的基础功能，还融合了自动调度与智能通信功能，是一个兼具实用性与教学研究价值的综合性单片机控制项目。

2. 系统电路设计

本系统的硬件设计主要包括：
单片机最小系统电路、数码管显示电路、按键输入电路、继电器电机驱动电路、蜂鸣器提示电路以及串口通信电路。每个模块的功能与设计原理如下所述。

2.1 单片机最小系统电路

系统选用STC89C52单片机作为核心控制单元，其内部含有8KB程序存储器、256B数据RAM、三个16位定时器、一个全双工串口以及32个通用I/O口，能够满足电梯逻辑控制、状态显示与外设通信的需求。
该模块包括晶振电路与复位电路：

• 晶振电路选用12MHz晶体振荡器，为系统提供稳定时钟源；
• 复位电路由电容、电阻及复位按钮组成，上电时自动复位确保程序从起始位置执行。

2.2 数码管显示模块

系统采用6个共阴极数码管，分别用于显示电梯的当前层、目标层、运行状态（UP、dn、PP）以及作者信息。
显示模块通过74HC573锁存器实现段码信号与位选信号的分时控制，以节省单片机I/O资源。
通过定时器中断实现动态扫描显示，使6个数码管在视觉上同时点亮。

2.3 按键输入模块

电梯控制系统共有两类按键：

1. 内部按键（6个）：
   安装于电梯内部，分别对应1~6层楼层请求。
2. 外部按键：
   • 1层仅有上行按钮；
   • 6层仅有下行按钮；
   • 2~5层各设上下行两个按钮。

按键输入采用独立按键方式，通过上拉电阻与去抖动处理后接入单片机端口，系统检测低电平信号触发事件。

2.4 电机驱动与继电器模块

为了模拟电梯的上升、下降与停止状态，系统采用L298N电机驱动模块实现直流电机的正反转控制。

• 当电梯上升时，输出正转信号；
• 当电梯下降时，输出反转信号；
• 当电梯停止时，输出关闭信号。

驱动信号由单片机P1端口输出，通过继电器或L298N模块放大电流驱动电机运行。

2.5 蜂鸣器提示电路

在电梯到达目标层或接收到新指令时，蜂鸣器发出短促提示音。
采用有源蜂鸣器模块，由单片机IO口输出高电平直接驱动，实现报警提示功能。

2.6 串口通信模块

系统通过单片机自带的UART串口与PC机通信，波特率设为9600bps。
PC端可发送命令查询电梯当前状态或下达呼叫指令，如“CALL 4”代表4层呼叫，或“STATUS”请求电梯当前层与方向。
串口模块使用MAX232电平转换芯片，实现TTL与RS232电平的互换，保证通信稳定可靠。

3. 程序设计

系统的软件设计是整个控制逻辑的核心，程序采用模块化结构，包括主程序模块、显示模块、按键扫描模块、电机控制模块、楼层调度模块与串口通信模块。

3.1 主程序设计

主程序负责系统初始化、主循环任务调度与状态更新。系统上电后自动初始化端口、定时器与串口，默认电梯停在1楼，运行状态为PP（停止）。主循环中通过标志位判断是否有新的楼层请求并调用相应的调度函数。

示例代码如下：

#include <reg52.h>

sbit MotorA = P1^0;    // 电机正转
sbit MotorB = P1^1;    // 电机反转
sbit Beep   = P1^2;    // 蜂鸣器

unsigned char current_floor = 1;
unsigned char target_floor  = 1;
unsigned char state = 0; // 0停止，1上升，2下降

void delay_ms(unsigned int t)
{
    unsigned int i, j;
    for(i=0; i<t; i++)
        for(j=0; j<123; j++);
}

void motor_control()
{
    if(state == 1) { // 上升
        MotorA = 1; MotorB = 0;
    } else if(state == 2) { // 下降
        MotorA = 0; MotorB = 1;
    } else {
        MotorA = 0; MotorB = 0;
    }
}

void main()
{
    while(1)
    {
        motor_control();
        // 模拟电梯运行逻辑
        if(current_floor < target_floor) {
            state = 1;
            delay_ms(2000);
            current_floor++;
        } else if(current_floor > target_floor) {
            state = 2;
            delay_ms(2000);
            current_floor--;
        } else {
            state = 0;
            Beep = 1; delay_ms(200); Beep = 0;
            delay_ms(5000);
        }
    }
}

该代码演示了电梯从当前层到目标层的运行过程，通过延时函数模拟电梯上下移动的时间。

3.2 按键扫描模块

按键模块用于检测外部与内部按钮输入，并根据当前状态决定目标楼层的变化。

unsigned char key_scan()
{
    if(P3_0 == 0) return 1;  // 1楼按钮
    if(P3_1 == 0) return 2;  // 2楼按钮
    if(P3_2 == 0) return 3;
    if(P3_3 == 0) return 4;
    if(P3_4 == 0) return 5;
    if(P3_5 == 0) return 6;
    return 0;
}

在主循环中，若检测到按键触发，则将对应值赋给target_floor变量，系统自动更新运行方向。

3.3 显示模块设计

显示模块通过定时中断驱动动态扫描实现。每个数码管对应一个显示内容，如当前楼层、目标楼层、状态字母（UP、dn、PP）。

void display_update()
{
    // 示例显示：当前层、目标层、状态
    DisplayBuf[0] = num_table[current_floor];
    DisplayBuf[1] = num_table[target_floor];
    if(state == 1) {
        DisplayBuf[5] = 'U'; DisplayBuf[6] = 'P';
    } else if(state == 2) {
        DisplayBuf[5] = 'd'; DisplayBuf[6] = 'n';
    } else {
        DisplayBuf[5] = 'P'; DisplayBuf[6] = 'P';
    }
}

通过定时器中断，每5ms更新一次数码管的显示，实现流畅视觉效果。

3.4 调度与运行逻辑模块

核心调度算法采用方向优先原则，即电梯在上升过程中优先响应上行请求，在下降过程中优先响应下行请求。使用两个数组分别存储上行与下行请求队列，通过循环扫描更新目标楼层。

void schedule()
{
    if(state == 1) {
        // 上升优先
        for(i=current_floor+1; i<=6; i++) {
            if(up_request[i]) {
                target_floor = i;
                break;
            }
        }
    } else if(state == 2) {
        // 下降优先
        for(i=current_floor-1; i>=1; i--) {
            if(down_request[i]) {
                target_floor = i;
                break;
            }
        }
    }
}

该模块实现了智能化的多任务调度，使电梯运行逻辑更加接近真实系统。

3.5 串口通信模块

串口通信模块实现PC端与电梯系统的数据交互。通过UART中断接收命令，根据命令内容执行相应动作。

void serial_ISR(void) interrupt 4
{
    unsigned char recv;
    if(RI) {
        RI = 0;
        recv = SBUF;
        if(recv >= '1' && recv <= '6') {
            target_floor = recv - '0';
        }
        if(recv == 'S') {
            // 返回当前状态信息
            send_state();
        }
    }
}

当PC机发送数字“3”时，电梯自动前往3层；发送“S”命令时，单片机返回当前楼层及状态信息，实现远程监控与控制。

4. 总结

本设计基于STC89C52单片机，成功实现了一个具备多层调度、智能响应、串口通信与状态显示的电梯控制系统。系统不仅完成了基本的上升、下降与停止功能，还通过软件算法模拟了真实电梯的运行逻辑，体现出单片机控制系统的灵活性与智能性。

在电路设计方面，系统实现了模块化结构，各模块之间逻辑清晰、功能独立；在程序设计方面，采用任务分层思想与中断驱动机制，使系统运行稳定可靠。该项目既可用于电梯控制原理的教学演示，也可作为嵌入式系统设计的综合实践案例。