武汉理工大学毕业设计（论文）
1 绪论
1.1 研究背景
1.1.1 电梯发展综述
人类利用升降工具运输货物、人员的历史非常悠久。早在公元前2600年，埃及人在建造金字塔时就使用了最原始的升降系统，这套系统的基本原理至今仍无变化：即一个平衡物下降的同时，负载平台上升。早期的升降工具基本以人力为动力。1203年，在法国海岸边的一个修道院里安装了一台以驴子为动力的起重机，这才结束了用人力运送重物的历史。英国科学家瓦特发明蒸汽机后，起重机装置开始采用蒸汽为动力。紧随其后，威廉·汤姆逊研制出用液压驱动的升降梯，液压的介质是水。在这些升降梯的基础上，一代又一代富有创新精神的工程师们在不断改进升降梯的技术。
1887年，美国奥的斯公司制造出世界上第一台电梯，这是一台以直流电动机传动的电梯。它被装设在1889年纽约德玛利斯大厦。这座古老的电梯，每分钟只能走10米左右。1900年，以交流电动机传动的电梯开始问世。1902年，瑞士的迅达公司研制成功了世界上第一台按钮式自动电梯，采用全自动的控制方式，提高了电梯的输送能力和安全性。随着超高层建筑的出现，电梯的设计、工艺不断得到提高，电梯的品种也逐渐增多。1900年，美国奥梯斯公司制成了世界上第一台电动扶梯。1950年又制成了安装在高层建筑外面的观光电梯，使乘客能在电梯运行中清楚地眺望四周的景色[1] ~[3]。
中国最早的一部电梯出现在上海，是由美国奥的斯公司于1901年安装的。1932年由美国奥的斯公司安装在天津利顺德酒店的电梯至今还在安全运转着。改革开放以来，我国电梯业进入了高速发展的时期。如今，在我国任何一个城市，电梯都在被广泛应用着。电梯给人们的生活带来了便利，也为我国现代化建设的加速发展提供了强大的保障。
150年来，电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新——手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制、人机对话等等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿厢电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势；变速式自动人行道扶梯的出现大大节省了行人的时间；不同外形——扇形、三角形、半菱形、半圆形、整圆形的观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。如今，以美国奥的斯公司为代表的世界各大著名电梯公司各展风姿，仍在继续进行电梯新品的研发，并不断完善维修和保养服务系统。调频门控、智能远程监控、主机节能、控制柜低噪音耐用，一款款
1
武汉理工大学毕业设计（论文）
集纳了人类在机械、电子、光学等领域最新科研成果的新型电梯竞相问世[4]。
1.1.2 单片机的发展及趋势
单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展[5]。
1、单片机发展阶段
（1）SCM即单片微型计算机阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。
（2）MCU即微控制器阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
（3）单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统
[6]
。
2、单片机的发展趋势 [7]
（1）CMOS化。近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
（2）低功耗化。单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3~6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。
（3）低电压化。几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3~6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1~2V。目前0.8V供电的单片机已经问世。
（4）低噪声与高可靠性。为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新
2
武汉理工大学毕业设计（论文）
的技术措施。
（5）高性能化。主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。
（6）小容量、低价格化。以4位、8位机为中心的小容量、低价格化也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制电路单片化，可广泛用于家电产品。
（7）外围电路内装化 这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高，有可能把众多的各种处围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的CPU、ROM、RAM、定时器/计数器等以外，片内集成的部件还有模/数转换器、DMA控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的锁相电路等。
1.2 研究思路及设计步骤
本设计的主要任务是完成一个升降系统的控制模块，即根据每个楼层不同的按键需求，让升降机做出合理的判断，控制升降机启停、开关轿厢门，以及对升降机状态进行显示和模拟。根据此任务，本设计需要研究的内容有：
1、根据系统的技术要求，进行系统硬件的总体方案设计； 2、学习单片机的相关知识，并且加以运用；
3、选择恰当的芯片，并对其内部协议有所掌握，便于应用。
4、研究C语言编程，并且规定升降机的工作规则，用C语言加以实现； 5、对软件和仿真电路进行调试，让其协调工作，完成指定任务。 结合以上内容，本设计方案步骤如下： 硬件部分：
首先，对实际的电梯系统进行模拟，一般情况下，一个电梯应该具备相关按键、显示二极管、数码管等，由于这是一个相对完整的控制系统，故还要有拖拽电机、厢门电机等机械部分的模拟。然后，结合这些实物，选择恰当的芯片，并分成若干模块，安排好各自之间的关系。其次，由于其有诸多按键和显示环节，而单片机的I/O口管脚资源实在有限，故需要I/O口扩展，用以管理二极管和按键。因而要选择8255A和74LS373芯片。接着，要在Proteus中完成电路图的设计，并进行调试。
软件部分：
处于最底层的是对8255A芯片的寄存器读写工作，完成后方可进行更高层的应用程序调试。然后是关于升降机调度时所遵循的原则作出规定，其必须基于高效与人性化两个原则。最后是使用C语言将规定程序化，以便基于Proteus的仿真能够按照设计的原则运行。
3
武汉理工大学毕业设计（论文）
1.3 课题的开发环境简介
1.3.1 系统仿真软件proteus 7.5
Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其
它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，新增加Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器[8]~[9]。
1.3.2 C51的程序开发软件Keil
单片机开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的汇编语言源程序要变为CPU可以执行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。机器汇编是通过汇编软件将源程序变为机器码，用于MCS-51单片机的汇编软件有早期的A51，随着单片机开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展，Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。掌握这一软件的使用对于使用51系列单片机的爱好者来说是十分必要的，如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
Keil C51 软件是众多单片机应用开发的优秀软件之一，它集编辑，编译，仿真于一体，支持汇编,PLM 语言和 C 语言的程序设计，界面友好，易学易用[10]。
1.4 设计功能要求
本设计是为一八层的电梯升降控制系统，即在此升降控制系统的作用下使升降机能够合理高效地运行，完成各楼层的接送任务。对升降机的控制主要是选层、正反转、平层、停车等几个控制环节及附设的开关门显示、电机模拟、楼层显示和运行状态显示等。乘客通过按钮发出呼叫信号，顶层和底层呼叫按钮只有一个分别为向下和向上，其他层为两个；轿厢内的乘客进行选层，即为内选信号；电梯自动进行开关门；升降机运行时对顺向信号
4
武汉理工大学毕业设计（论文）
停车，对反向信号进行存储；电梯到达相应楼层时进行显示；电梯运行状态要用相应的显示。
1.5 本文内容安排
在设计过程中，我查阅了大量的相关资料、期刊，并在导师的指导帮助下仔细地进行分析。现将论文的章节安排做简要说明：
第一章，即绪论部分，先对电梯和单片机发展现状及趋势进行简要介绍，并对设计步骤与重点加以说明，简单介绍了两个与毕业设计有关的开发软件。
第二章，详细地阐述了设计中所用到的各个模块的硬件电路及其工作原理。其中包括单片机最小系统、8255A控制模块、键盘输入模块等。
第三章，详细阐述8255A芯片基本读写的实现及其初始化。
第四章，在仿真电路连接的基础上，设计了单片机中断处理函数、电梯判决运行函数、开关门及显示模块的控制函数。
5