高層建筑的電梯設計(計算機控制課程設計)

1、<p><b>　　高層建筑的電梯設計</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 電梯在生活總的地位</p><p>　　電梯是高層賓館、商店、住宅、多層廠房和倉庫等高層建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。隨著社會的發(fā)展，建筑物規(guī)模越來越大，樓層越來越多，對電梯的調(diào)速精度

2、、調(diào)速范圍等靜態(tài)和動態(tài)特性提出了更高的要求。</p><p>　　電梯是集機電一體的復雜系統(tǒng)，不僅涉及機械傳動、電氣控制和土建等工程領域，還要考慮可靠性、舒適感和美學等問題。而對現(xiàn)代電梯而言，應具有高度的安全性。事實上，電梯上已經(jīng)采用了多項安全保護措施。在設計電梯的時候，對機械零部件和電器元件都采取了很大的安全系數(shù)和保險系數(shù)。然而，只有電梯的制造，安裝調(diào)試、售后服務和維修保養(yǎng)都達到高質(zhì)量，才能全面保證電梯的最終高

3、質(zhì)量。在國外，已“法規(guī)”實行電梯制造、安裝和維修一體化，實行由各制造企業(yè)認可的、法規(guī)認證的專業(yè)安裝隊伍維修單位，承擔安裝調(diào)試、定期維修和檢查試驗，從而為電梯運行的可靠性和安全性提供了保證。因此，可以說乘坐電梯更安全。美國一家保險公司對電梯的安全性做過認真地調(diào)查和科學計算，其結(jié)論是：乘電梯比走樓梯安全5倍。掘資料統(tǒng)計，在美國乘其他交通工具的人數(shù)每年約為80億人次，而乘電梯的人數(shù)每年卻有540億人次之多。</p><p&

4、gt;<b>　　1.2 電梯的發(fā)展</b></p><p>　　最早的電梯可以追溯到公元前2800年的埃及，那時候為了建造金字塔，就有記載使用過由人力驅(qū)動的升降器材。在瓦特發(fā)明蒸汽機后出現(xiàn)了由蒸汽驅(qū)動的電梯，后來英國的阿姆斯特朗發(fā)明了水壓梯，并且這種電梯現(xiàn)在仍有使用。隨著電力文明的到來，電梯發(fā)生了革命性的變化，電力驅(qū)動的電梯成了當今的主流，并且隨著電機的出現(xiàn)個革新，電梯的性能也得到了提高，

5、而現(xiàn)在，電梯也正以飛快的速度發(fā)展著，可以預想到，未來的電梯將不是我們現(xiàn)在所乘坐的電梯那樣，它的功能將更加強大。</p><p>　　20世紀30年代，美國紐約市的102層摩天大樓建成，美國奧的斯電梯公司為這座大樓制造和安裝了74臺速度為6.0m/s的電梯。從此以后，電梯這個產(chǎn)品，一直在日新月異地發(fā)展著。目前的電梯產(chǎn)品，不但規(guī)格品種多，自動化程度高，而且安全可靠，乘坐舒適。隨著電子工業(yè)的發(fā)展，可編程序控制器（PLC

6、）和電子計算機成功地應用到電梯的電氣控制系統(tǒng)中去后，電梯產(chǎn)品的質(zhì)量和運行效果顯著提高。</p><p>　　1.3 什么是數(shù)字電子技術(shù)與單片機技術(shù)</p><p>　　數(shù)字電子技術(shù)主要研究各種邏輯門電路、集成器件的功能及其應用，.邏輯門電路組合和時序電路的分析和設計、 集成芯片各腳功能。555定時器等。 隨著計算機科學與技術(shù)突飛猛進地發(fā)展，用數(shù)字電路進行信號處理的優(yōu)勢也更加突出。</

7、p><p>　　單片微型計算機簡稱單片機，又稱單片微控制器。它不是完成某一個邏輯功能的芯片，而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。單片機由運算器，控制器，存儲器，輸入輸出設備構(gòu)成，相當于一個微型的計算機（最小系統(tǒng)），和計算機相比，單片機缺少了外圍設備等。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。它最早是被用

8、在工業(yè)控制領域。現(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件有電子器件的產(chǎn)品中都會集成有單片機。手機、電話、計算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦以及鼠標等電子產(chǎn)品中都含有單片機。汽車上一般配備40多片單片機，復雜的工業(yè)控制系統(tǒng)上甚至可能有數(shù)百片單片機在同時工作！單片機的數(shù)量不僅遠超過PC機和其他計算機的總和，甚至比人類的數(shù)量還要多。</p><p>　　第二章 整體的設計思路綜述</p><p>　　實際

9、中，電梯的良好運行是很復雜。它需要各個部件的靈活、平衡地調(diào)節(jié)和滿足一系列的條件。由于目前所學的知識有限，充分考慮之后，在本課題中，為了簡化起見，我只把需要滿足的最基本要求羅列了出來：</p><p>　　1、乘客要去的樓層可以手動輸入并顯示；</p><p>　　2、電梯運行的樓層可自動顯示；</p><p>　　3、當A>B時，三相電機正轉(zhuǎn)，電梯上升；<

10、;/p><p>　　4、若A<B時，電機反轉(zhuǎn)，電梯下降；</p><p>　　5、當A=B時，電機停止，使電梯停止運行并開門；</p><p>　　6、各層電梯門外有使電梯上升或下降到乘客所在樓層的按鈕。</p><p>　　其中，條件中的A、B分別代表需要到的樓層和當前的樓層。</p><p>　　在查閱了大量相關(guān)

11、的資料后，我認為，設計高層電梯的可行方案有兩種，分別是運用數(shù)字電子技術(shù)和運用單片機技術(shù)。下面我就分別就這兩種情況設計電梯的可行方案。</p><p>　　第三章 利用數(shù)字電子技術(shù)對電梯的設計</p><p>　　用數(shù)字電子技術(shù)設計的方案，電梯運行的基本流程圖如圖3-1：</p><p>　　圖3-1 電梯運行流程圖</p><p>　　從圖上

12、，我們可以很清晰的知道，電梯運行需要有樓層編碼與保存電路、樓層的顯示電路、比較電路、控制電路與電機運行電路等組成。</p><p>　　3.1 樓層的編碼和保存電路</p><p>　　電梯的元件都是由各個集成電路組成的，只有輸入了二進制信息，系統(tǒng)才能識別，并進一步處理及發(fā)出動作。那么，首先我們要解決的問題就是怎樣將對應的樓層號（十進制）轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)識別的二進制信息。其次，當系統(tǒng)接受信息后，

13、怎樣保存信號并傳給下一級部件也是我們需要解決的。</p><p>　　3.1.1 樓層編碼電路</p><p>　　74LS147優(yōu)先編碼器有9個輸入端和4個輸出端。某個輸入端為0，代表輸入某一個十進制數(shù)。當9個輸入端全為1時，代表輸入的是十進制數(shù)0。它的輸入端和輸出端都是低電平有效，即當某一個輸入端低電平0時，4個輸出端就以低電平0的輸出其對應的8421BCD編碼。當9個輸入全為1時，4

14、個輸入出也全為1，代表輸入十進制數(shù)0的8421BCD編碼輸出。</p><p>　　在這里，我使用74LS147優(yōu)先編碼器對樓層號進行編碼，低電平有效。初始狀態(tài)為高電平，當開關(guān)按下后為低電平，對于之相應的樓層號進行編碼輸入。例如：按5樓則對5編碼1010。</p><p>　　3.1.2 樓層保存電路</p><p>　　74LS175是用維持阻塞觸發(fā)器組成的4位寄

15、存器。根據(jù)維持阻塞結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的動作特點可知，觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)僅僅取決于CP上升沿到達時刻D端的狀態(tài)。</p><p>　　在這里，我使用4位寄存器74LS175，保存74LS147對樓層的編碼輸出信號。</p><p>　　3.2 樓層的顯示電路</p><p>　　一部電梯中必須有顯示面板，可以實時顯示當前電梯運行到的樓層及要去的樓層。因此，顯示電路是必不可少的

16、。</p><p>　　顯示電路包括：要去樓層數(shù)碼顯示電路和現(xiàn)行樓層數(shù)碼顯示電路。它們的電路結(jié)構(gòu)是完全一樣的。使用兩個7段數(shù)碼顯示譯碼器74LS248，顯示乘客輸入的樓層號以及電梯正在運行的樓層號。例如乘客按下5號樓的按鈕，則要去樓層數(shù)碼顯示電路顯示5；電梯現(xiàn)在運行到了3樓，則現(xiàn)行樓層數(shù)碼顯示3。</p><p><b>　　3.3 比較電路</b></p>

17、;<p>　　在電梯的設計過程中，還有一個問題不能忽視：怎樣確定電梯電梯是上行還是下行？怎樣保證電梯到達要去的樓層時恰好停下？這個時候，電梯就要將需要到的樓層（A）和當前的樓層(B)實時進行比較。</p><p>　　74LS85為4位數(shù)據(jù)比較器。有三個比較的結(jié)果輸出端，在任何時刻只有一個為高電平，高電平表示有效電平。</p><p>　　在這里，我使用4位數(shù)據(jù)比較器74LS

18、85反復比較乘客輸入樓層號與當前所在樓層號的大?。?lt;/p><p>　　若A>B，則電梯向上運行；</p><p>　　若A=B，則電梯停止運行；</p><p>　　若A<B，則電梯向下運行。</p><p>　　電梯中有各樓層的上行指示燈、下行指示燈和停止燈各6個。</p><p><b>　

19、　3.4 控制電路</b></p><p>　　使用自己設計的數(shù)據(jù)選擇器，選擇所需的脈沖信號（CP）。通過74LS85三個輸出端的不同值來選擇CP。用CP來控制74LS192作加1運算還是作減1運算。</p><p>　　74LS192為可預置的十進制同步加/減計數(shù)器。使用十進制加減計數(shù)器74LS192，通過控制電路分配加1或減1信號給CPD和CPV，實現(xiàn)對現(xiàn)行樓層號的加1和減

20、1。</p><p>　　3.5 脈沖產(chǎn)生電路與步進電機的運行</p><p>　　在本方案中，有些集成電路的運行是需要有脈沖信號（CP）的，那么脈沖產(chǎn)生電路是必不可少的。</p><p>　　查閱資料后我們得知，555定時器是一種中規(guī)模集成電路，外形為雙列直插8腳結(jié)構(gòu)，體積很小，使用起來方便。只要在外部配上幾個適當?shù)淖枞菰涂梢詷?gòu)成史密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及

21、自激多諧振蕩器等脈沖信號產(chǎn)生與變換電路。</p><p>　　在這里，我使用CB555定時器接成的多諧振蕩器產(chǎn)生秒脈沖信號CP。用CP來控制74LS85和74LS175的正常工作。使電梯的現(xiàn)行樓層號加1和減1，不斷與輸入樓層號進行比較。電梯根據(jù)比較結(jié)果決定是上行還是下行。</p><p>　　使用自己設計的自起動脈沖分配電路，實現(xiàn)步進電機的正轉(zhuǎn)（向上運行）和反轉(zhuǎn)（向下運行）。這里，自起動脈

22、沖分配電路需要用到時序電路，對每種運行狀態(tài)進行編號，并使之在這幾種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。</p><p>　　3.6 系統(tǒng)各部分的實現(xiàn)</p><p>　　根據(jù)電梯流程圖，在結(jié)合了本方案的工作原理，我畫出了運行框圖，如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 方案一運行框圖</p><p>　　3.7 總電路工作原理分析</p>&

23、lt;p>　　當按下相應的外部呼叫按鍵時，電梯運行到目的樓層，顯示器實時顯示所在樓層。當人進入電梯內(nèi)，按下要去的樓層對應的按鍵，電梯就會運行到相應位置。電梯上升途中只響應上升呼叫，下降途中只響應下降呼叫，任何反方向呼叫均無效。</p><p>　　第四章 利用單片機對電梯的設計</p><p>　　另一種可行的方案使用單片機技術(shù)設計的。</p><p>　　利

24、用單片機原理設計的電梯方案同用數(shù)字電子技術(shù)設計的方案相似，電梯的基本運行流程大體如圖4-1。在本方案中，硬件由單片機最小系統(tǒng)、電梯內(nèi)外呼叫電路、顯示電路、控制電路與電機運行電路等組成。</p><p>　　圖4-1 單片機引腳</p><p>　　4.1 電梯內(nèi)部呼叫電路</p><p>　　所謂電梯內(nèi)部呼叫電路是指人們在電梯內(nèi)部時，按鍵可以決定電梯到要去的樓層。&

25、lt;/p><p>　　本方案中，6個目標樓層選擇按鍵K1、K2、K3、K4、K5、K6（分別代表1樓至6樓）與單片機P0口的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5連接（P0口作為輸出端驅(qū)動外部電路時須外界上拉電阻）。人進入電梯內(nèi)按下要去的樓層對應的按鍵，就會控制電機轉(zhuǎn)動，達到相應樓層。若按下的外部呼叫按鍵為上升的，則在電梯內(nèi)按比該樓層低的按鍵，電梯不會響應；反之亦然。電梯內(nèi)部呼叫電路如圖4-2所

26、示：</p><p>　　圖 4-2電梯內(nèi)部呼叫電路</p><p>　　4.2 電梯外部呼叫電路</p><p>　　與電梯內(nèi)部呼叫電路相似，電梯外部呼叫電路是指人們在電梯外部某樓層時，按鍵可以讓電梯到本樓層。</p><p>　　按鍵UP1（1樓只有上鍵）、UP2與DOWN2、UP3與DOWN3、UP4與DOWN4、UP5與DOWN5、D

27、OWN6（6樓只有下鍵）接單片機的P2口和P1.0、P1.1。若按下上鍵，則電梯在上升過程中不響應下降鍵；反之亦然。電梯外部呼叫電路如圖4-3所示：</p><p>　　圖 4-3電梯外部呼叫電路</p><p>　　4.3 顯示樓層電路</p><p>　　顯示電路的作用是實時顯示電梯所在樓層，用一個7段數(shù)碼管來實現(xiàn)。這一部分與2.2部分相同，顧不再重復。顯示電路

28、如4-4 所示：</p><p><b>　　圖4-4 顯示電路</b></p><p>　　4.4 電機控制電路</p><p>　　電機是電梯的心臟，沒有了電機電梯自然不能運行。其重要性不再重復。</p><p>　　在本方案中，電機采用普通直流電機。直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強

29、，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。</p><p>　　單純用單片機的電流是無法驅(qū)動電機運行的，因為電機的電流很大會燒毀單片機的。那么我們需要在這兩者之間找一個合適的適配電路，即驅(qū)動電路。查閱資料后我得知，L298可以使放大電流的作用。L298有四路輸入，四路輸出；有兩個使能端。一般情況下，我們可以直接把EA,EB兩個使能端接高，直接通過控制

30、輸入口（接單片機的I/O口,編程輸出PWM信號）來控制電機。</p><p>　　用電機驅(qū)動芯片L298來驅(qū)動。電機控制電路用來控制電機的正反轉(zhuǎn)，當按下上升鍵時，電機正轉(zhuǎn)，按下下降鍵時，電機反轉(zhuǎn)?？刂齐娐啡鐖D4-5所示：</p><p><b>　　圖4-5 控制電路</b></p><p>　　4.5 系統(tǒng)各部分的實現(xiàn)</p>

31、<p>　　4.5.1 運行框圖</p><p>　　本方案與方案一有很多相似的地方。但由于本方案比方案一所用元件少很多，故該運行框圖已經(jīng)比較簡化了。</p><p>　　圖4-6 方案二運行框圖</p><p>　　4.5.2 當前要去的樓層流程圖</p><p>　　運行框圖畫好后，我們對電梯的運行也就有了比較深刻的了解了。整個

32、電梯系統(tǒng)的運行流程圖如圖4-7所示：</p><p>　　圖4-7 當前要去的樓層流程圖</p><p>　　4.6 本方案工作原理分析</p><p>　　當按下相應的外部呼叫按鍵時，電梯運行到目的樓層，顯示器實時顯示所在樓層。當人進入電梯內(nèi)，按下要去的樓層對應的按鍵，電梯就會運行到相應位置。電梯上升途中只響應上升呼叫，下降途中只響應下降呼叫，任何反方向呼叫均無

33、效。兩相鄰樓層之間電機運行時間為3秒。</p><p>　　第五章 兩種方案的評價</p><p>　　兩種方案設計的電梯都清晰明了，簡單易行。但是，兩種方案各自也有自己的優(yōu)缺點，現(xiàn)在將其羅列如下：</p><p>　　方案一中，由于僅僅使用了數(shù)字電子器件與步進電機，沒有使用到計算機編程，使得操作起來比較簡便且經(jīng)濟投資較低。但是正是由于僅僅只有集成電路器件，使得運行

34、的安全可靠性大大降低，需要經(jīng)常進行維修。而且其精度也不是很高。這使得方案一的整體投資并不小。因此，這些缺點使得方案一的推廣有一定的難度。</p><p>　　方案二中，由于單片機的引入，使得電梯所需原器件大為減少。安全可靠性方面也大為提升。其他方面，諸如精度、穩(wěn)定運行等也有很大改進。但是在另一方面，由于需要編程，使得運行的復雜性也有所上升，經(jīng)濟投資也比較大。</p><p>　　綜合比較兩

35、種方案，我認為兩種方案都有自己的適用范圍：如果僅僅是進行電梯模擬運行或者在不是特別高的建筑（6層以下）上安裝電梯，方案一的經(jīng)濟價值比方案二大；如果是在高層建筑（6層以上）、賓館或者旅游觀光上安裝電梯，由于要求其精度非常高，方案二更具有市場價值。</p><p>　　第六章 需要改進的地方</p><p>　　做過電梯的人都知道，實際中的電梯運行要遠遠比這兩種方案要復雜得多。主要需要改進的有

36、以下幾個方面：</p><p>　　首先我們會有這樣的經(jīng)驗：即使在上行或下行的過程中，外部有人按呼叫鍵，電梯也可能會在經(jīng)過該樓層時停下，以便讓電梯外的人進入。</p><p>　　其次，電梯到達相應的樓層時，電梯門的自動開關(guān)也是不容忽視的問題。另外當有障礙物被電梯門夾住時，電梯應能立刻作出反應打開門，并且立刻停止即將運行的動作。</p><p>　　第三，在電梯進行

37、檢修時，怎樣讓點擊進入制動狀態(tài)，以便讓工作人員進行維修</p><p>　　由于我所學的知識有限，這些設計在我的方案中目前無法解決。在商用電梯的設計中，這些問題是不能忽視的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】李朝青編，《單片機原理及接口技術(shù)（第三版）》，北京：北京航空航天大學出版社，2006。</p

38、><p>　　【2】閻石主編，《數(shù)字電子技術(shù)基礎（第三版）》，北京：高等教育出版社，2008年。</p><p>　　【3】清華大學教研組組編，華成英、童詩白主編：《模擬電子技術(shù)基礎（第四版）》，北京：高等教育出版社，2008年。</p><p>　　【4】百度百科，電梯：http://baike.baidu.com/view/51767.htm。</p>