電梯自動控制系統(tǒng)一般是基于PLC，但是在一些干擾較少，層數(shù)較少，且控制精度要求不高的情況下，使用單片機是十分適合的。雖然它在抗干擾及穩(wěn)定性上比不上PLC，但是它的價格、體積及靈活性是PLC所不及的。

1、系統(tǒng)硬件設計

1．1、系統(tǒng)總體組成

如圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)將基于ARMCortex－M3內(nèi)核的STM32F103ZET6芯片作為主控芯片，連接電機控制、壓力傳感、液晶顯示、光感檢測、按鍵輸入模塊，通過程序控制組成了一個智能電梯控制系統(tǒng)。其中，電機控制模塊用于模擬電梯門的開關和電梯的上下運動;壓力傳感模塊用于模擬電梯門關閉時受到阻力的情況及超重警告;光感模塊用于模擬電梯抵達樓層時的位置檢測;液晶顯示模塊用于模擬電梯內(nèi)部的樓層顯示及電梯門開關動畫;按鍵模塊用于模擬電梯內(nèi)樓層按鍵及電梯外的上下樓層按鍵。為了達到高效節(jié)能的目標，將電梯設計為：不可以按相鄰樓層的按鍵，即不能通過電梯到達相鄰樓層，這樣就可以使得只上一層或下一層的人不使用該電梯，從而提高了電梯的工作效率，并且節(jié)約了能源。

圖1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1．2、步進電機及TB6560電機控制

步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”）。

圖2 ?電機與TB6560連接圖

TB6560是一款帶細分的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片，配合簡單的外圍電路即可開發(fā)出高性能的驅(qū)動電路。本系統(tǒng)中TB6560用來控制57系列兩相四線步進電機，如圖2 電機與TB6560連接圖所示。微控制器通過軟件驅(qū)動，控制步進電機的轉(zhuǎn)動角位移，如圖3 TB6560與MCU連接原理圖所示，其中當輸入電平為5V時，R_EN、R_CW、R_CLK為0;當輸入電平為12V時，R_EN、R_CW為1kΩ，R_CLK為1．5kΩ;當輸入電平為24V時，R_EN、R_CW為2kΩ，R_CLK為3kΩ。

圖3 ?TB6560與MCU連接原理圖

1．3、HX711稱重A/D轉(zhuǎn)換器及壓力傳感器

HX711是一款24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。通過給芯片的SCK引腳輸入固定脈沖數(shù)，達到配置輸入通道、增益選擇及DOUT引腳數(shù)據(jù)讀取的作用。

本系統(tǒng)中，用HX711芯片來充當壓力檢測器。當電梯超重時，控制STM32給出聲音警報，并拒絕啟動電梯上下。另當電梯關門時，HX711也被用來檢測兩門受到的壓力，若兩門間感受到的壓力大于設定值時，門將停止關閉并且重新打開。其中一個壓力傳感器裝在電梯門上，另一個裝在電梯底部。如圖4HX711與MCU及壓力傳感器連接原理圖所示，L1為用于隔離模擬與數(shù)字的電源，Q1為用于關斷傳感器和ADC的電源，STM32通過GPIO口與HX711的SCK引腳和DOUT引腳相連。當需要讀取壓力數(shù)據(jù)時，使用TIM定時器往SCK發(fā)送固定個數(shù)的脈沖，在DOUT處可以得到想要獲得的數(shù)據(jù)。

圖4 ?HX711與MCU及壓力傳感器連接原理圖

1．4、TCRT5000光電傳感器模塊

TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設計的一款紅外反射式光電開關。傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處于關斷狀態(tài)，此時模塊的輸出端為高電平;被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為低電平。

本系統(tǒng)共用了兩個TCRT5000模擬檢測“電梯到達某一樓層時”的情形。實際情況中可以在每一樓層裝多個光感。當檢測到已到達指定樓層時，控制電梯運動的電機停止，電梯停在該樓層。TCRT5000電路原理圖如圖5所示。

圖5 ?TCRT5000電路原理圖

1．5、按鍵及TFT彩屏設計

一般電梯內(nèi)設有電梯門開關以及多個樓層按鍵，還有顯示樓層信息的液晶屏。本系統(tǒng)使用開發(fā)板自帶TFT彩屏模擬電梯內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當按下“開”或“關”按鍵時，液晶屏上顯示電梯門對應動畫且電機配合運轉(zhuǎn);電梯在樓層間運動時，每當?shù)诌_某個樓層，液晶屏左上角顯示動畫中的數(shù)字便改為當前樓層。當電梯向高樓層運動時，液晶屏左上角顯示向上箭頭，反之則是向下箭頭。電梯外設有“上”和“下”兩個按鍵，用來發(fā)送電梯請求。LCD顯示界面如圖6所示。

圖6 ?LCD顯示界面

2、軟件設計

2．1、主控模塊

如圖7系統(tǒng)主控程序流程圖所示，當STM32接收到電梯內(nèi)外按鍵請求時，判斷電梯是否在同樓層，若是，則打開電梯門，反之則將電梯運行到該樓層。當電梯抵達目的樓層時，通過光感檢測電梯是否處于合適位置，如果是，則打開電梯門。若有較多乘客或者貨物進入，超過電梯負重時，給出聲音提醒，并將電梯門處于打開狀態(tài)后鎖死電機，直到負重達到正常水平，再進行電梯運作。

圖7 ?系統(tǒng)主控程序流程圖

2．2、電機控制模塊

當電梯門需要打開或關閉時，STM32通過用定時器輸出脈沖的方式，使用某個GPIO口給TB6560電機驅(qū)動器的CLK引腳輸入脈沖，控制步進電機運動。假設電梯門打開時電機正轉(zhuǎn)，即CW引腳低電平或者懸空，反之，關閉時則將CW引腳置高。同時該電機還模擬控制電梯在樓層中的運動。假設上樓時電機正轉(zhuǎn)，CW引腳置低;下樓時，CW引腳置高，電機反轉(zhuǎn)。如圖8電機控制流程圖所示，在獲得電梯請求后，判斷是開關電梯門還是上下樓層，然后按流程圖中的順序進行對應的操作。若是開關電梯門，則在關門時實時監(jiān)測HX711處的數(shù)據(jù);若是上下樓層，則當?shù)诌_樓層后，進行電梯門操作。

圖8 ?電機控制流程圖

2．3、HX711壓力傳感控制模塊

在本設計中，對于HX711的初始化設置，選擇輸入通道A，128增益。在電梯關閉時，打開對應定時器通道，定時讀取HX711采集到的數(shù)據(jù)，一旦超過限值，控制電機轉(zhuǎn)向從而打開電梯門，確保乘客安全。

2．4、LCD顯示模塊、按鍵模塊及TCRT5000光感模塊

在按鍵響應中，本系統(tǒng)使用外部中斷迅速反應電梯內(nèi)外部請求，TCRT5000光感模塊也使用到了外部中斷檢測。而對于模擬電梯內(nèi)部的LCD顯示，使用現(xiàn)有的庫函數(shù)對界面進行設計。具體界面如圖6LCD顯示界面所示，屏幕的左側(cè)作為電梯內(nèi)部的按鈕及樓層顯示液晶。當電梯在樓層中移動時，抵達某一層，屏幕左上角的數(shù)字就會刷新成當前樓層的數(shù)字，若是上升則數(shù)字邊的箭頭向上，反之向下。屏幕右側(cè)模擬電梯門的開關，與電機同步。

3、小結(jié)

本例只是電梯正常工作的基本原理及方法的模擬實現(xiàn)。由于只是探求電梯的運行原理，減少了電機、光感、壓力傳感器、按鍵的數(shù)量。實際應用中，需要更好的儀器設備以及調(diào)試方法。