基于无线通信的电梯节能化运行控制系统的研制

1基于无线通信的电梯节能化运行控制系统的研制王帅，齐云松，永亮，张淼电气工程及自动化学院指导教师：魏国教授1、课题研究目的经过几十年的发展，电梯的性能不断完善，已成为人们生活中不可或缺的工具，但传统的电梯控制策略对人性化和节能方面的考虑不够充分，造成了电梯使用中的时间和电能的浪费。本项目拟对传统轿厢式电梯进行探索性改造，实现具有自主知识产权的技术开发，提出了一种省时、节电的电梯优化控制策略，通过增加电梯内和电梯外的指令取消功能、测试梯内人数并在梯外显示功能、满载测试与直驶功能等，减少不必要的电梯启停次数，实现电梯运行的优化控制，从而达到节电、省时的目的。2、课题背景虽然电梯从诞生到现在已经历了无数次的改进，但随着科学技术的不断进步和人们生活习惯的变化，对电梯的功能又提出了更高的要求。传统的电梯缺少一套省时、节电的电梯优化控制策略，不具备错误指令取消功能、候梯人又无法知道电梯内的人数情况，这些造成了的电梯不必要启停，使电梯运行的优化控制得到限制。其运转模式将大量的时间浪费在无意义的等待中，也造成了能源的浪费。对电梯的相关功能进行改造，使之不断进步，势在必行。3、课题研究主要内容3.1位置检测本模型的位置检测是通过霍尔传感器实现的。轿厢内安装霍尔传感器，每层的停止位置安装薄片磁铁。当电梯到达指定位置时，霍尔传感器与磁铁靠近，输出电压变化，将该电压输入单片机的内部ADC进行采样，以此判断电梯位置并控制电机，电梯控制系统和梯外指令系统之间用无线通信芯片实现信息的交换。3.2人数检测与显示功能在每层楼的叫梯按钮旁边增加一个小显示屏，显示电梯内人数。在电梯满员或接近满员时，可以给各楼层的候梯者适当的提示，避免多数人的长时间等待和电梯的无意义停靠。依托红外对管测出是否有人从下面经过。将两个红外对管安装在电梯顶部向下发射，一个靠近外侧，一个靠近内侧。装置的示意图如图１所示：2图1红外对管计算人数装置示意图如果将左右两个对管分别计为1，2：如1先感知人通过，2后感知：表示有人进入电梯；如2先感知人通过，1后感知：表示有人走出电梯。利用单片机中的时钟，判断出两个信号的先后顺序，最终计算出电梯内人数的结果，并将其用LED屏在各个楼层实时输出。3.3信号处理与通信方式各层楼的LED显示屏，上下按钮与单片机相连，这个单片机接收上下按钮的信号后通过处理把控制电梯开启或停止的信号通过低频无线射频芯片发射出去，两者通过TTL串口相连；同时在电梯轿厢的内部，传感器把检测出包含电梯内部人数信息的信号也输入到一个单片机中，这个单片机也通过TTL接口与RF低频射频芯片相连，使得这个单片机可以通过无线通信的方式把人数信息发送到每层楼的单片机中，这样每个楼层的单片机就可以通过调用显示模块的程序在LED显示屏上显示出目前电梯内的人数。可以选择低频433Hz作为系统的通信频段，这种RF低频无线通信芯片的成本低，体积小，可以很好地应用在这种场合，无线通信也省去了布线的麻烦，具体的系统框图如图2所示：图2信号处理与通信方式系统框图3.4系统电路设计与功能实现我们设计的电梯控制系统和梯外选择系统的电路原理图分别如图3、图4所示：TTLTTL单片机单片机低频RF无线通信芯片低频RF无线通信芯片LED显示屏包含人数信息的信号取消信号3ENA6ENB11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISENA1ISENB15VS4VSS9GND8U2L298N+24V0.5R17VCC12P6电机PB0(XCK/T0)1PB1(T1)2PB2(AIN0/INT2)3PB3(AIN1/OC0)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MISO)7PB7(SCK)8RESET9PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(OC1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP)20PD7(OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0(SCL)22PC1(SDA)23PC2(TCK)24PC3(TMS)25PC4(TDO)26PC5(TDI)27PC6(TOSC1)28PC7(TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7(ADC7)33PA6(ADC6)34PA5(ADC5)35PA4(ADC4)36PA3(ADC3)37PA2(ADC2)38PA1(ADC1)39PA0(ADC0)40VCC10U1ATmega16-16PC12345678910P3ISP编程接口VCCVCC128M33pFC133pFC21234P2无线模块接口VCCS1S2S3S41KR41KR31KR21KR1VCCf9g10e1d2A3c4DP5b6a7A8DS5人数显示510R9510R10510R11510R12510R13510R14510R15510R16VCC123P1线性霍尔输入VCC12P7电源输入+24VD2D1D3D4DS1DS2DS3DS4510R5510R6510R7510R8VCCFB4ON/OFF5GND3IN1OUT2U3LM2575T-5.0D5Diode5822100uFC4300uHL1+24VVCC300uFC31kR1740kR17100R171243S?红外对管1VCCVCC1kR1740kR17100R171243S?红外对管2VCCVCCINT0INT1INT0INT1图3电梯控制系统电路原理图412345678910111213141516P1LCD1234P3无线通信模块GNDY111.0592MC122pFC222pF12345678910P4JTAGVCCGND10KR1Res110KR2Res110KR3Res110KR4Res110KR5Res110KR6Res1S1SW-PBS3SW-PBS2SW-PBS4SW-PBS5SW-PBS6SW-PBVCCGNDGNDVCCPB0(XCK/T0)1PB1(T1)2PB2(AIN0/INT2)3PB3(AIN1/OC0)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MISO)7PB7(SCK)8RESET9PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(OC1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP)20PD7(OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0(SCL)22PC1(SDA)23PC2(TCK)24PC3(TMS)25PC4(TDO)26PC5(TDI)27PC6(TOSC1)28PC7(TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7(ADC7)33PA6(ADC6)34PA5(ADC5)35PA4(ADC4)36PA3(ADC3)37PA2(ADC2)38PA1(ADC1)39PA0(ADC0)40VCC10U1ATmega16L-8PCVCCJ1J2J3J4J1J2J3J4LCD4LCD5LCD61KR7Res11KR8Res11KR9Res11KR10Res11KR11Res11KR12Res1D5LED0D2LED0D4LED0D1LED0D3LED0D6LED0VCC123P2Header3123P5Header312P6电源输入LCD5LCD6LCD4VCCGNDVCCGND123P7Header3GNDVin1OUT2GND3FB4OFF5*1LM2575100uFC3Cap330uFC4CapL110uHD7DSchottkyGNDVCC图4梯外选择系统电路原理图5电路包括：单片机，按键及指示灯，数码管（显示梯内人数），L298电机驱动芯片，LM2576稳压芯片，红外对管（计算进出人数），线性霍尔UGN3503(判断电梯位置)3.5软件设计将系统在运行时的程序流程图画出。如以下各图所示。3.5.1下位机主程序图5下位机主程序流程图程序主要控制思想：主程序在循环中不断扫描电梯内按键，通过把得到的键值排序获得下一个目的层数，然后控制电梯改变运动方向。例如，电梯现在1楼停止，乘客进入电梯，按下2，3，4层的按键，那么程序会得到键值2，3，4，将这三个数从小到大排序为234，当前层为1，则比1大的最小值为2，那么目的层就是2层，电梯到达2层时停止。如果在从一层到2层的行进过程中，乘客把2层取消，那么扫描得到键值为3，4，再次排序为34，那么目的层为3层，电梯不在2层停止，而是在3层停止，达到节省时间和电能的目的。3.5.2上位机主程序6图6上位机主程序流程图3.5.3上位机串口接收中断图7上位机串口接收中断流程图73.5.4下位机外部中断外部中断０guy0guy1?是下位机外部中断流程图，guy++，数码管显示guy，发送guy到上位机中断返回梯内人数guy９？是否变量guy0++外部中断1guy0guy1?是guy--，数码管显示guy，发送guy到上位机中断返回梯内人数guy0？是否变量guy1++图8下位机外部中断程序流程图3.5.5下位机串口接收中断图9下位机串口接收程序中断流程图83.5.6下位机ADC中断服务程序图10下位机ADC中断服务程序流程图如果主程序循环中没有扫描到有键按下，并且电梯处于停止状态，说明梯内无人控制电梯运行。那么检测串口是否收到有效的叫梯指令，如果有则控制电梯向叫梯层运动。如果在电梯向叫梯层运行过程中叫梯被取消，则电梯会在当前层的下一层停止，通过减少电梯的启停次数达到节能目的。4、结论经过我们小组成员的不懈的努力，电梯实物基本成型，可以做到上述部分功能的演示。目前可以由电机控制电梯模拟上下运行并实现利用红外线判断进出电梯人数的功能。下图是已经设计好的电梯模型实物照片（图11）。9图11电梯模型实物照片运用整个电梯控制系统的硬件设计，经过的调试，验证了方案的可行性，实验效果良好。电路板实物照片如图12，图13所示：10图12电梯控制系统电路板实物照片图13梯外选择系统电路板实物照片经过测试,我们设计的简易电梯模型可以实现现有电梯的全部功能，在梯内梯外同时交替时行驶路线与现有电梯的相关功能相吻合。同时可以实现该项目所提出的人数测试与显示、梯内梯外指令取消选择功能、电梯行驶路线的优化可以实现。完全满足前面的两个例子，也适用于其他类似的情况。无线通信的功能也可以很好的适用于这种场合，实验圆满成功！与该项目相配套的论文《基于单片机的电梯优化控制单元的研究》已定在《机械工程师》（中文核心期刊）2009年第9期上发表。5、问题、体会与收获在科技创新中，我们的专业技术水平也有了很大的提高。从前我们多是从事于课本知识的学习。这次的研制过程让我们真正的走进了实验室，体会到了实践的快乐。我们培养出了思考问题的能力以及在遇到新问题时解决问题的能力。在电梯模型的制作上曾遇到过很多麻烦，在电梯的结构设计，电梯稳定性的实现，电机的固定方法与位置上出现了我们没有预料到的问题。但我们想办法克服了这些困难，在这过程中收获不小，不仅拓宽了我们解决问题的思路，学到了各种搜集信息的方法，还在查阅资料及向老师、学长请教的过程中，拓宽了我们的知识面。更为重要的是，这次科技创新计划让我们了解了从一个想法到一个产品的过程。自己想法的实现需要一步一步地走，从易到难，逐步发现问题，逐步解决问题，使自己的想法得11到完善。从中发现的问题也是对我们意志品质的考验与锻炼。真心的感谢学校和老师，感谢学校的大力投入，感谢老师的大量付出，为我们提供了这样一个提高自身素质的平台。在今后的学习和生活中，我们一定以此为契机，继续向着自己的目标努力奋斗，早日成为祖国和人民所需要的人才，不辜负学校和老师的期望。