單片機(jī)八層電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 帶原理圖 PCB 源程序 實(shí)驗(yàn)報(bào)告論文

     模擬電梯控制器

摘要（150字左右）...................................................................................................... 3

技術(shù)指標(biāo)......................................................................................................................... 4

工作安排......................................................................................................................... 4

基本原理......................................................................................................................... 5

方案論證......................................................................................................................... 7

硬件電路設(shè)計(jì)................................................................................................................. 9

軟件設(shè)計(jì)....................................................................................................................... 13

結(jié)論............................................................................................................................... 14

心得體會(huì)....................................................................................................................... 14

參考文獻(xiàn)....................................................................................................................... 15

附錄............................................................................................................................... 16

程序流程圖................................................................................................................... 16

重要程序段................................................................................................................... 20

元器件清單................................................................................................................... 27

本設(shè)計(jì)的電路原理圖、印制板圖............................................................................... 29

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單片機(jī)：本實(shí)驗(yàn)采用了新華龍電子有限公司的C8051F310單片機(jī)。其關(guān)鍵的系統(tǒng)參數(shù)為：

高速8051 微控制器內(nèi)核

− 流水線指令結(jié)構(gòu)；70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期

− 速度可達(dá)25MIPS（時(shí)鐘頻率為25MHz 時(shí)）

− 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)

存儲(chǔ)器

− 1280 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（1024+256）

− 16KB(C8051F310/1)或8KB (C8051F312/3/4/5)FLASH 存儲(chǔ)器；

可在系統(tǒng)編程，扇區(qū)大小為512 字節(jié)

數(shù)字外設(shè)

− 29個(gè)端口I/O；所有口線均耐5V 電壓

− 硬件增強(qiáng)型UART、SMBus 和SPI 串口

− 4 個(gè)通用16 位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

− 16 位可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA），有5個(gè)捕捉/比較模塊

− 使用PCA或定時(shí)器和外部時(shí)鐘源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘方式

時(shí)鐘源

− 內(nèi)部可編程振蕩器：24.5MHz，±2%的精度，可支持無(wú)晶體UART 操作

− 外部振蕩器：晶體、RC、C、或外部時(shí)鐘

− 可在運(yùn)行中切換時(shí)鐘源，適用于節(jié)電方式

因此，在本實(shí)驗(yàn)中，C8051F310完全能滿足技術(shù)要求。

ST168：由于在本實(shí)驗(yàn)中，對(duì)信息的采集要求的復(fù)雜性較低，而具有開(kāi)關(guān)式輸出的光電傳感器即可滿足要求，而且成本較低。

在實(shí)驗(yàn)中，ST168的輸出電壓可達(dá)4V以上，無(wú)放大的需要，暗電流引起的輸出電壓很小，可忽略不計(jì)。而且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，噪聲很小，為進(jìn)一步提高信噪比，將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，可以將傳感器的輸出電壓信號(hào)直接經(jīng)過(guò)施密特觸發(fā)器處理后傳送給單片機(jī)，其電壓幅值可達(dá)5V，完全符合設(shè)計(jì)的要求。

由于ST168光電傳感器對(duì)黑白顏色敏感，因此在實(shí)驗(yàn)中主要利用該特性。將電梯外部涂成黑色，在中間留一白色區(qū)域（寬度在1cm左右即可，在實(shí)際生活中可適當(dāng)加寬，以減少噪聲的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性），或者將電梯外部涂成白色，在中間留一黑色區(qū)域。一般情況下，信號(hào)區(qū)域越小精度越高，但受噪聲影響也會(huì)越大，在本實(shí)驗(yàn)中采用1cm。

按鍵與發(fā)光二極管：由于本實(shí)驗(yàn)中需要使用13個(gè)按鍵（其中1個(gè)用于手工復(fù)位，其余均用于信號(hào)輸入），而需要1個(gè)七段數(shù)碼管和11個(gè)發(fā)光二極管（其中1個(gè)用于上電顯示，其余均用于信息的顯示），而C8051F310只有29個(gè)I/O端口，因此，不能采用將按鍵和發(fā)光二極管直接連接到單片機(jī)上。

可以采用矩陣等其他方法方法解決端口緊張的問(wèn)題：（1）按鍵采用矩陣的方式，3*4的鍵盤(pán)矩陣即可實(shí)現(xiàn)利用7個(gè)I/O端口控制12個(gè)鍵盤(pán)的數(shù)據(jù)讀入任務(wù)。（2）關(guān)于大量的發(fā)光二極管的顯示問(wèn)題，可以利用七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的工作原理，將物理上分離的發(fā)光二極管在邏輯上鏈接成1七段數(shù)碼管，如本實(shí)驗(yàn)中共采用了11個(gè)I/O端口，理論上最多可以連接21個(gè)發(fā)光二極管（相當(dāng)于3個(gè)七段數(shù)碼管，其中7個(gè)I/O端口用于數(shù)據(jù)的傳輸，3個(gè)I/O端口用于七段數(shù)碼管的片選信號(hào)）和一個(gè)七段數(shù)碼管。

硬件I/O端口資源的分配：P2口用于數(shù)據(jù)輸出；P0.2、P0.3用于外接時(shí)鐘信號(hào)的輸入；P0.0、P0.1、P0.4、P0.5、P0.6、P0.7、P1.7用于讀取鍵盤(pán)信號(hào)；P1.0用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使能端控制；P1.1、P1.2用于控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；P1.3、P1.4、P1.5、P1.6用于光電探測(cè)器的數(shù)據(jù)讀入任務(wù)；P3.2、P3.4、P3.4用于控制板中發(fā)光二極管發(fā)光組的選擇；file:///C:\Users\huqin\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image002.gif/C2CK用于復(fù)位和調(diào)試；P3.0、P3.1預(yù)留端口，用于實(shí)現(xiàn)電梯門(mén)的開(kāi)關(guān)。

硬件子系統(tǒng)的劃分（根據(jù)PCB板來(lái)劃分）：由于本實(shí)驗(yàn)要求使用兩塊PCB板來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別為核心板和控制板，控制板用于鍵盤(pán)信息的讀入和信息的顯示，核心版主要用于信息的處理。因此為了提高效率，將該系統(tǒng)會(huì)分為兩個(gè)獨(dú)立子系統(tǒng)，在PROTEL99se軟件中建立了兩個(gè)項(xiàng)目分別為MyDesign和tt519，由不同的同學(xué)來(lái)完成。最后，兩PCB板通過(guò)排線連接，進(jìn)行系統(tǒng)的整合。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能模塊劃分，可分為以下幾個(gè)部分：

電源電路，由于本實(shí)驗(yàn)中的大部分IC芯片的供電電壓均為+5V，因此本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用+5V的電源供電。但是單片機(jī)的供電電壓為+3V，不能直接將單片機(jī)直接接到+5V的供電電源上。需要設(shè)計(jì)一專門(mén)的供電系統(tǒng)為單片機(jī)供電。其供電電路圖如下圖所示。主要是利用了LM2937將+5V電源轉(zhuǎn)換為+3V的電源。為獲得穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，電路中設(shè)計(jì)了大量的電容，減小電源的噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響。

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2017-1-6 16:27 上傳

鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)，如下圖所示

其原理為：

（1）首先判斷是否有按鍵按下。其方法是使所有的行輸出均為低電平，然后讀列向輸出，如果沒(méi)有鍵按下，則讀入的列值均為1，否則會(huì)有值為0

（2）去除鍵抖動(dòng)。若有按鍵按下，則延時(shí)5~10ms,再一次判斷有無(wú)鍵按下，如果此時(shí)仍有鍵按下，則認(rèn)為鍵盤(pán)上有一個(gè)鍵處于穩(wěn)定閉合狀態(tài)。

（3）若有鍵閉合，則求出閉合鍵的鍵值。求鍵值的方法是對(duì)鍵盤(pán)逐行掃描。先是SW1=0，，然后讀入列值，看其是否全為一，若等于，則說(shuō)明該行無(wú)鍵按下。再對(duì)下一行進(jìn)行掃描，若有一個(gè)值為0，則為0的該行該列的鍵被按下。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)于小功率的5V6500直流電機(jī)，本實(shí)驗(yàn)采用了L293驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)電路采用了德州儀器公司推薦的H橋驅(qū)動(dòng)電路，其電路原理圖如下圖所示。當(dāng)使能信號(hào)為低電平時(shí)，電機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)其為高電平時(shí)，電機(jī)處于開(kāi)啟狀態(tài)。此時(shí)，當(dāng)1A=0，2A=1時(shí)，電機(jī)右轉(zhuǎn)；當(dāng)1A=1，2A=0時(shí)，電機(jī)左轉(zhuǎn)；當(dāng)1A=1，2A=1時(shí)，電機(jī)靜止。

復(fù)位電路，由于傳統(tǒng)的復(fù)位電路是通過(guò)采用一個(gè)高電平使單片機(jī)復(fù)位，但是C8051f310對(duì)低電平有效。因此不能采用傳統(tǒng)的復(fù)位電路。采用如下圖所示的復(fù)位電路，當(dāng)按鍵斷開(kāi)時(shí)，由電源VDD提供一高電平，當(dāng)按鍵按下時(shí)，電容C6、C7會(huì)被短路，此時(shí)由電源提供的高電平會(huì)被下拉成低電平，從而會(huì)使單片機(jī)發(fā)生復(fù)位。

外部晶振電路，采用傳統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)接入電路，如上右圖所示。

在軟件部分，為使盡可能多的同學(xué)有機(jī)會(huì)親自寫(xiě)源代碼，我們將系統(tǒng)劃分為幾個(gè)組成部分，主要分為：鍵盤(pán)讀入部分，顯示部分，延時(shí)部分和核心主程序。其中鍵盤(pán)讀入部分主要是完成外部控制參數(shù)的讀入部分，包括目標(biāo)樓層的選擇和進(jìn)入電梯等；顯示部分主要完成顯示當(dāng)前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，比如點(diǎn)點(diǎn)當(dāng)前所處的樓層數(shù)，按鍵是否有效地被單片機(jī)讀入等；延時(shí)部分主要是為了實(shí)現(xiàn)在電梯到達(dá)目標(biāo)樓層時(shí)候有一短暫的時(shí)間停留，便于乘客的上下，以及繼續(xù)實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的讀取與顯示任務(wù)；核心程序段主要是完成系統(tǒng)的資源再分配、電梯運(yùn)行算法的具體實(shí)現(xiàn)以及系統(tǒng)的其他程序段的連接與使用工作。

由于鍵盤(pán)讀入部分只是向相關(guān)的寄存器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的讀入由核心主程序執(zhí)行，因此在資源利用方面，并不存在沖突，因此這三個(gè)部分是相互獨(dú)立的，所以只要三個(gè)部分沒(méi)有錯(cuò)誤，在一起調(diào)試的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)因資源的不合理利用而導(dǎo)致程序編譯的失敗。

在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中主要用到的資源有：寄存器A，CY用于數(shù)據(jù)比較，R1、R2用于實(shí)現(xiàn)延時(shí)程序部分，R3用于保存樓層中按下的按鍵是上升的還是下降的，R4用于保存乘客選擇的目標(biāo)樓層數(shù)，R5用于保存電梯目前所處的樓層數(shù)，R6表示有人在電梯外按按鍵的樓層數(shù)，R7用于保存讀入按鍵的編號(hào)。

經(jīng)過(guò)一個(gè)多月努力，經(jīng)過(guò)多次修改，將錯(cuò)誤和不是很合理的地方一一修改。我們終于順利的完成了原理圖、PCB以及程序源代碼的編輯工作。

完全實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的要求，在工程上具有可行性。

1．           采用51系列單片機(jī)

2．           采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

3．           采用光電方法實(shí)現(xiàn)樓層精確對(duì)位

4．           采用鍵盤(pán)模擬電梯樓層選擇（1/2/3/4，運(yùn)行方向，關(guān)門(mén)、開(kāi)門(mén)）

5．           采用直流電源供電

在這一個(gè)月的時(shí)間里，尤其是后半段的日子里是我真正成長(zhǎng)的時(shí)光，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)了自己的渺小，自己的缺陷，自己的無(wú)知，以及自己的無(wú)奈。

在這次設(shè)計(jì)中讓我自己最無(wú)語(yǔ)的是，我沒(méi)有很好的保存修改后的文檔，結(jié)果，把錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)提交了上去，而正確的設(shè)計(jì)卻不知所蹤！做人做到我這個(gè)地步只能用失敗這個(gè)詞語(yǔ)來(lái)形容。更讓我看不起自己的是，犯了不可饒恕的錯(cuò)誤后居然厚著臉皮希冀能夠進(jìn)入實(shí)際工程調(diào)試階段。通過(guò)這件事，我徹底的認(rèn)識(shí)到，粗心會(huì)對(duì)一個(gè)人的影響有多大了。雖然這次唯一的影響是我沒(méi)有機(jī)會(huì)將我的思想實(shí)現(xiàn)樣品化，但是假如在以后工作中出現(xiàn)了類似的問(wèn)題，那后果又會(huì)是怎樣呢？顯然那個(gè)厚厚實(shí)誰(shuí)也不想見(jiàn)到的。進(jìn)一步分析自己，是什么造成了自己的粗心？可能是天生的嗎？顯然這是個(gè)偽命題。是緊張！是激動(dòng)！每次到關(guān)鍵時(shí)刻的時(shí)候，我總會(huì)莫名其妙的緊張起來(lái)，人會(huì)處于一種莫名的亢奮中，接著腦袋里一片空白，不知所措。因此，對(duì)于我來(lái)說(shuō)，錯(cuò)誤是不可避免的。綜其因素是因?yàn)槲姨�看重結(jié)果了。而我的室友們就不會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題。

其次，在考慮問(wèn)題的全面性上，還存在不足，主要體現(xiàn)在未能時(shí)刻記住系統(tǒng)的各部分的設(shè)計(jì)思想以及某些設(shè)計(jì)思想的不成熟性。比如，關(guān)于系統(tǒng)的復(fù)位部分，由于該部分并非本人親自實(shí)現(xiàn)，以至于在撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)發(fā)現(xiàn)自己對(duì)其一無(wú)所知。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的單片機(jī)是高電平復(fù)位，但是本實(shí)驗(yàn)用的c8051f310采用的確是低電平有效。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)這是致命的，不可饒恕的錯(cuò)誤。而且在某些電路的設(shè)計(jì)上，只是謀求系統(tǒng)的功能的實(shí)現(xiàn)，而未考慮系統(tǒng)的優(yōu)化，這不僅會(huì)使系統(tǒng)的成本上升，還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)軟件架構(gòu)的復(fù)雜性，因此，其實(shí)際可行性較低。

最后，也是最重要的是，TEAM，團(tuán)隊(duì)的協(xié)作。像上述提到的問(wèn)題，對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)多多少少總是存在的，只是每個(gè)人的體現(xiàn)形式和場(chǎng)合以及強(qiáng)烈程度不同罷了，是不可避免的。但是，這些問(wèn)題對(duì)于一個(gè)團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)是不存在的，因?yàn)榇蠹铱梢韵嗷�彌補(bǔ)大家的不足之處�？上В�本人在領(lǐng)導(dǎo)團(tuán)隊(duì)上，經(jīng)驗(yàn)不是很豐富，導(dǎo)致不能及時(shí)有效的調(diào)動(dòng)大家的積極性。最后只能借助提交相關(guān)報(bào)告的壓力來(lái)促使隊(duì)員們的工作。然而以前，我總是一個(gè)人單獨(dú)完成一些任務(wù)，未能體會(huì)到團(tuán)隊(duì)的協(xié)作能力的重要性，也就未能就該方面進(jìn)行必要的培養(yǎng)。

（1）《單片微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用（第二版）》胡乾斌、李光斌、李玲、喻紅主編 ，華中科技大學(xué)出版社

（2）《電子技術(shù)基礎(chǔ)·模擬部分（第五版）》康華光主編，高等教育出版社

（3）《電子技術(shù)基礎(chǔ)·數(shù)字部分（第五版）》康華光主編，高等教育出版社

（4）《PROTEL電路設(shè)計(jì)教程》江思敏、姚鵬義、胡榮等編著，清華大學(xué)出版社

（5）  C8051F310/1/2/3/4/5 8/16 KB ISP FLASH 微控制器 數(shù)據(jù)手冊(cè) 潘琢金 譯

（6）ULN2003數(shù)據(jù)手冊(cè)（英文版）

（7）ST168數(shù)據(jù)手冊(cè)（中文版）

（8）LM2937數(shù)據(jù)手冊(cè)（英文版）

（9）CD40106數(shù)據(jù)手冊(cè)（英文版）

（10）L293數(shù)據(jù)手冊(cè)（英文版）

（11）《軟件設(shè)計(jì)師同步教程》何光明主編，清華大學(xué)出版社

Bill of Material forSheet1.Bom（核心板）

Used Part Type              Designator     Footprint

======================= ==========    ==========

4    0.1uF               C2 C5 C6 C11      0805

4    1K                  R2 R3 R5 R6      0805

2    1uF                 C4 C8            0805

1    1uF                 C7               RB.1/.2

2    2K                  R1 R4            0805

1    15uF                C3               RB.1/.2

1    16PIN               RP1              PIN16

4    20K                 R11 R12 R13 R14   0805

1    25MHZ               Y1              XTAL-200

1    25MMJK              J1              25MMJK

1    26PIN               J2                IDC-26

1    330uF               C1                RB.1/.2

4    510                 R7 R8 R9  R10     0805

1    620                 R15               0805

1    C8051F310           U1               C8051F310

2    C                   C9 C10           0805

1    CD40106             U3               ILEAD14

4    DIODE               D2 D3 D4 D5     0805

1    DIODE-ZENER         D1             0805

1    L293                C12               DIP16

1    LED                 D6               LED

1    LEDBOARD10          S2             JTAG

1    LM2937              U2               SP4

1    SW-PB               S12             KEY310

Bill of Material forSheet2.Bom（控制板）

UsedPart Type     Designator Footprint

================= ========== ==========

1    26PIN         J1         IDC-26

1    74HC573       U1         DIP20

11   200          R1 R2 R3   AXAIL0.3

                   R4 R5 R6

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2017-1-6 16:12 上傳

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