探究電梯控制系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)圖

　一、項(xiàng)目概述
　　1.1 引言
　　電梯技術(shù)包括電梯電機(jī)的拖動(dòng)技術(shù)和電梯運(yùn)行的控制技術(shù)，本項(xiàng)目主要在意探索實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行的優(yōu)化，主要實(shí)現(xiàn)對于電梯電機(jī)的優(yōu)化控制并實(shí)現(xiàn)電梯系統(tǒng)的基本性能與擴(kuò)展性能。國產(chǎn)電梯控制技術(shù)過去一直是以繼電器，接觸器為核心。系統(tǒng)龐大，復(fù)雜，所用控制柜很大，因此使用微機(jī)電梯控制系統(tǒng)，以期提高運(yùn)行可靠性。
　　1.2 項(xiàng)目背景/選題動(dòng)機(jī)
　　單片機(jī)體積小，處理速度快，價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，是合適的控制系統(tǒng)。對電梯的控制主要是選層、啟動(dòng)、換速、平層、停車等幾個(gè)環(huán)節(jié)，其中以選層環(huán)節(jié)最為復(fù)雜。與通常的電器控制相比，單片機(jī)系統(tǒng)不需要通過“選層器”并且配備以大量的中間繼電器作為選層電路的控制設(shè)備，避免了設(shè)備多，檢修困難，運(yùn)行維護(hù)不便，造價(jià)成本高；應(yīng)用微機(jī)控制可以取消選層器和大量的中間繼電器，而且應(yīng)用單片機(jī)控制，又相對于應(yīng)用其他微機(jī)減少了外圍設(shè)備的接口芯片、增強(qiáng)了可靠性。因此此次我們使用ATMEL公司的EVK1100為核心進(jìn)行集成優(yōu)化控制與管理。
　　二、需求分析
　　2.1 功能要求
　　基本要求
　　A 電梯在樓層中的調(diào)度
　　B 電梯門的自動(dòng)開啟
　　C 電梯中電機(jī)的控制
　　D 電梯的故障檢測
　　擴(kuò)展要求（根據(jù)開發(fā)板的資源所做的擴(kuò)展）
　　A 電梯中的照明控制
　　B 電梯中的溫度顯示
　　2.2 性能要求
　　在故障檢修模式鍵被按下時(shí)，切換至故障檢修模式，電梯停止運(yùn)行工作人員可以進(jìn)行檢修，循環(huán)檢測電梯的模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時(shí)，切換到相應(yīng)的模式下。
　　在一般運(yùn)行模式鍵被按下時(shí)，切換至一般運(yùn)行模式，電梯實(shí)現(xiàn)一般的功能要求，循環(huán)檢測電梯的模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時(shí)，切換到相應(yīng)的模式下。
　　在直接運(yùn)行模式鍵被按下時(shí)，切換至直接運(yùn)行模式，電梯實(shí)現(xiàn)直接運(yùn)行，為緊急情況爭取時(shí)間，循環(huán)檢測模式是否變化，當(dāng)出現(xiàn)模式的變化時(shí)，切換到相應(yīng)的模式下。
　　故障檢修模式下，電梯停止運(yùn)行，停止外部訊號(hào)對于電梯的調(diào)度（對于模式轉(zhuǎn)換鍵，在此功能沒出現(xiàn)故障的時(shí)候任然響應(yīng)），顯示當(dāng)前樓層和溫度，使能照明。
　　一般運(yùn)行模式下，電梯一般運(yùn)行，對于外部訊號(hào)，通過電梯的調(diào)度算法和對于電梯的中電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)響應(yīng)，使能模式轉(zhuǎn)換鍵，顯示當(dāng)前樓層和溫度，對于照明的使能通過壓力傳感器的輸入進(jìn)行控制。
　　直接運(yùn)行模式下，電梯的性能要求和一般運(yùn)行模式中基本相同，唯一不同的是電梯的調(diào)度算法，電梯會(huì)直接來到電梯的直接運(yùn)行模式鍵被按下的樓層，并在載人以后直接回到底層。
　　3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)原理
　　利用EVK1100開發(fā)平臺(tái)提供的一些應(yīng)用：溫度，光照，LCD，PWM輸出和AVR芯片的優(yōu)越的控制功能加上一些外圍的一些模塊：壓力，H橋驅(qū)動(dòng)，語音輸入輸出 等實(shí)現(xiàn)電梯的簡單的模擬層次上的控制（主要的控制在與電機(jī)的控制，照明的控制和溫度顯示）。在電梯的控制當(dāng)中特點(diǎn)在與對于電梯中照明的控制（壓力傳感沒有人在電梯中時(shí)關(guān)掉照明，實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的目的）和直接運(yùn)行模式的引入。
　　
　　圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖
　　3.2 硬件平臺(tái)選用及資源配置
　　Atmel公司推出的AVR單排年級(jí)是很引人注目的一款為處理器。這種芯片基于新的RISC機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上采用了流水線的結(jié)構(gòu)，在執(zhí)行前一條指令時(shí)，同時(shí)取出下一條指令，它的Flash以及強(qiáng)大的外圍接口能力使它成為目前最為流行的單片機(jī)之一。本設(shè)計(jì)采用EVK1100作為控制系統(tǒng)的核心。
　　A H橋驅(qū)動(dòng)
　　如圖所示，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。
　　
　　圖2 H橋驅(qū)動(dòng)
　　要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。當(dāng)電流從Q1流經(jīng)電機(jī)再流向Q4，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)。另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
　　實(shí)際使用的時(shí)候，用分立件制作H橋式是很麻煩的，好在現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。
　　B 壓力傳感
　　壓力傳感器負(fù)責(zé)測量電梯里的承受壓力，判斷電梯里是否有人，如果沒人，將控制電梯里的燈變暗。除此功能之外，當(dāng)壓力到達(dá)一定程度時(shí)，傳感器將判斷出超出承受范圍，電梯將不能繼續(xù)運(yùn)行。在選擇產(chǎn)品時(shí)，我們需要綜合考慮線性度好、外圍電路簡單、靈敏度高，價(jià)格不高等綜合因素。C 直流電機(jī)
　　直流電機(jī)是本項(xiàng)目的核心部分，起到了控制電梯的運(yùn)動(dòng)，它的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)也將由電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，在沒有具體電梯材料的情況下，觀察電機(jī)的驅(qū)動(dòng)運(yùn)作情況可以直接定性的反映本項(xiàng)目的情況。
　　C 電機(jī)測速模塊
　　一塊長度為l，寬度為b，厚度為d的半導(dǎo)體薄片，當(dāng)它被置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，如果在其相對兩邊流通控制電流I，且磁場方向與電流方向正交，則在該半導(dǎo)體另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)與控制電流I和磁感應(yīng)強(qiáng)度B乘積成正比的電勢UH，即UH=KHIB，其中KH為霍爾元件的靈敏度，該電勢稱為霍爾電勢，該半導(dǎo)體薄片就是霍爾元件，其大小和外磁場及電流成比例?；魻栭_關(guān)傳感器由于其體積小，無觸點(diǎn)，動(dòng)態(tài)特性好，使用壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測量轉(zhuǎn)動(dòng)物體旋轉(zhuǎn)速度領(lǐng)域。這里選用SPRAGUE公司生產(chǎn)的霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，它是一種硅單片集成電路，其內(nèi)部含有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、史密特觸發(fā)器和集電極開路輸出電路，具有工作電壓范圍寬、可靠性高、外電路簡單、輸出電平可與各種數(shù)字電路兼容等特點(diǎn)。
　　霍爾傳感器信號(hào)放大器將霍爾電勢UH放大后再經(jīng)整形、放大，輸出幅值相等、頻率變化的方波信號(hào)，該霍爾電勢的幅值隨磁場強(qiáng)度變化而變化。
　　轉(zhuǎn)速的測量方法有很多種，根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速測量的方法主要有M法（測頻法）、T法（測周期法）和MPT法（頻率周期法）。該系統(tǒng)采用M法（測頻法），霍爾傳感器的測速電路，如圖所示。
　　3.3系統(tǒng)軟件架構(gòu)
　　電梯控制的軟件框架由電梯的模式作為主體框架，以完成模式下的功能為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，各個(gè)模式的簡介如下：
　　故障修理模式：由管理員手動(dòng)切換，在故障模式下工程人員可以實(shí)現(xiàn)對于電梯的故障檢修
　　一般運(yùn)行模式：由管理員手動(dòng)切換，一般運(yùn)行模式是電梯的主要模式，完成電梯的主要功能
　　直接運(yùn)行模式：由用戶切換或者管理員切換，直接運(yùn)行模式下，電梯可以從當(dāng)前層面直接到達(dá)底層。當(dāng)出現(xiàn)火宅或者有病人需要急救時(shí)可以避免電梯在中間層?？浚源藸幦氋F的時(shí)間