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摘 要:本文提出了一种教学型电梯控制系统的单片机解决方案,详细介绍了该系统的结构框架、产品选型和电路设计思路。
关键词:电梯C8051F020控制系统
中图分类号:TP368.1 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0087-02
Teaching elevator microcontroller hardware design
Wangkai
(Jiangsu Maritime Institute, Nanjing,211170)
Abstract:This paper presents a teaching-oriented elevator microcontroller system solution,detailed structural framework of the system, product selection and circuit design ideas.
Keywords:elevator C8051F020control system
隨着城市中高层建筑的增多,电梯需求量也越来越大,需要大量从事电梯工作的技术人员,为满足市场需求,很多高校都开设了电梯的相关课程,目前市场上主流的电梯控制系统是微机控制系统,为提高学生对电梯微机控制系统的模块构成,运行控制方式的理解,加深对电梯控制系统相关知识的了解、掌握,笔者提出一种基于单片机的电梯控制系统硬件设计方案,希望对教学型电梯的控制系统设计有所帮助。
1 电梯控制系统硬件模块总体框图
整个系统硬件分为以下4个功能模块:主控制单元、现场信号输入单元、指令信号输出单元、通信串口单元。具体通信关系见图1所示。
主控制单元为负责对现场信号的分析处理,并下达相关指令指挥电梯运行;现场信号输入单元确保将现场信号实时准确地输入到单片机的输入接口中;指令输出信号单元负责将指令实时传递到电梯的各电气部件;通信串口单元可把控制系统与计算机建立联接,接受或输出信号和程序。
2 各模块的选型及电路设计
2.1 主控制单元
采用美国silicon lab公司的C8051F020为MCU。C8051F020是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,性能明显优于8051系列单片机,性能特点包括:
(1)高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS);与传统的8051单片机相比,C8051F020的指令运行速度更快,是一般8051单片机的10倍以上。
(2)8051单片机进行数据采集使用时,需要外加AD、DA转换器件,C8051F020内部有数据采集用的器件ADC和DAC,其中有2个ADC:一个是12位8通道可编程转换速率最大为100ksps,带PGA和模拟多路开关的ADC;另一个是8位8通道可编程转换速率最大为500ksps,带PGA和模拟多路开关的ADC。DAC也有2个,用于将12位的数字量转换为电压量,可产生连续变化的波形,两路信号可同步输出。
(3)C8051F020带有各类串行接口。8051的串行口只有一个UART串口,而C8051F020有4个串行口:SMB US,SPI以及2个增强型的UART,可同时与外界进行串行数据通信。
2.2 现场信号输入单元
C8051F020的电压为5V,电梯的控制信号电压一般为24V,且电梯运行时,会有各类噪声干扰,当这些干扰随着输入信号进入单片机系统,会降低系统的稳定性和准确性。为了提高通信系统的抗干扰性和较远距离的传输能力,采用了光电耦合器,主要优点在于单向传输信号,输入端和输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。更重要的是光电耦合器适用于对响应要求高的场合,响应时间在10μs左右,可以完成实时传送信号的要求,典型的光耦电路如图2所示。
2.3 指令信号输出单元
数据采集板除了采集状态信号外,还要接受由主处理模块送来的命令,继而控制电梯电机主电路里的一路继电器。为了将3.3V的弱电信号变换为24V的电流型驱动信号,本系统采用了光电耦合与UN2003共同驱动的方式。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7KΩ的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
图3为具体的电路连接图。
2.4 通信串口单元
选用MAX485器件,MAX485接口芯片是MAXIM公司的一种RS 485芯片,采用单一电源+5 V工作,额定电流为300μA,采用半双工通讯方式,完成将TTL电平与RS 485电平之间转换的功能。MAX485是通过两个引脚RE(2脚)和DE(3脚)来控制数据的输入和输出。当RE为低电平时,MAX485数据输入有效;当DE为高电平时,MAX485数据输出有效。在半双工使用中,通常可以将这两个脚直接相连,然后由PC或者单片机输出的高低电平就可以让MAX485在接收和发送状态之间转换了,还可在MAX485输出A、B端口加上TVS管起到防雷,防静电的作用,电路图如图4所示。
3 系统运行测试
在4层4站的模型电梯上测试该系统运行,由于C8051F020拥有8个8位的I／O端口,极大减少了外部连线和器件扩展,提高了系统的可靠性和抗干扰能力,完全可以满足大量电梯信号的实时传送。此外,还可以通过设置XBR0、XBR1、XBR2交叉开关配置寄存器,将片内的计数器／定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口I／O引脚,使用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用I／O口。
可改进的地方在于如果计算机与电梯控制系统距离较远,可以加上光电隔离电路,在无信号传输时将MAX485和单片机进行隔离,减小了各器件间可能存在的干扰。
4 结论
该方案基于单片机系统设计,与传统的PLC教学型电梯不同,极大的降低了成本,又能满足使用需要。同时,也符合目前电梯行业以微机控制系统为主的现状,可使学生更快地适应市场需求,对基于微机设计的教学型电梯数据采集系统也是一种有益的借鉴。
参考文献
[1] 孙立香,赵不贿,刘星桥.C8051F020与80C51单片机的异同点[J].国外电子元器件,2007(5).
[2] 戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计.电子工业出版社,2007(5).
[3] 潘琢金C8051F020/1/2/3混合信号ISPFLASH微控制器数据手册沈阳新华龙电子有限公司2002(10).
关键词:电梯C8051F020控制系统
中图分类号:TP368.1 文献标识码:Ａ 文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0087-02
Teaching elevator microcontroller hardware design
Wangkai
(Jiangsu Maritime Institute, Nanjing,211170)
Abstract:This paper presents a teaching-oriented elevator microcontroller system solution,detailed structural framework of the system, product selection and circuit design ideas.
Keywords:elevator C8051F020control system
隨着城市中高层建筑的增多,电梯需求量也越来越大,需要大量从事电梯工作的技术人员,为满足市场需求,很多高校都开设了电梯的相关课程,目前市场上主流的电梯控制系统是微机控制系统,为提高学生对电梯微机控制系统的模块构成,运行控制方式的理解,加深对电梯控制系统相关知识的了解、掌握,笔者提出一种基于单片机的电梯控制系统硬件设计方案,希望对教学型电梯的控制系统设计有所帮助。
1 电梯控制系统硬件模块总体框图
整个系统硬件分为以下4个功能模块:主控制单元、现场信号输入单元、指令信号输出单元、通信串口单元。具体通信关系见图1所示。
主控制单元为负责对现场信号的分析处理,并下达相关指令指挥电梯运行;现场信号输入单元确保将现场信号实时准确地输入到单片机的输入接口中;指令输出信号单元负责将指令实时传递到电梯的各电气部件;通信串口单元可把控制系统与计算机建立联接,接受或输出信号和程序。
2 各模块的选型及电路设计
2.1 主控制单元
采用美国silicon lab公司的C8051F020为MCU。C8051F020是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,性能明显优于8051系列单片机,性能特点包括:
(1)高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS);与传统的8051单片机相比,C8051F020的指令运行速度更快,是一般8051单片机的10倍以上。
(2)8051单片机进行数据采集使用时,需要外加AD、DA转换器件,C8051F020内部有数据采集用的器件ADC和DAC,其中有2个ADC:一个是12位8通道可编程转换速率最大为100ksps,带PGA和模拟多路开关的ADC;另一个是8位8通道可编程转换速率最大为500ksps,带PGA和模拟多路开关的ADC。DAC也有2个,用于将12位的数字量转换为电压量,可产生连续变化的波形,两路信号可同步输出。
(3)C8051F020带有各类串行接口。8051的串行口只有一个UART串口,而C8051F020有4个串行口:SMB US,SPI以及2个增强型的UART,可同时与外界进行串行数据通信。
2.2 现场信号输入单元
C8051F020的电压为5V,电梯的控制信号电压一般为24V,且电梯运行时,会有各类噪声干扰,当这些干扰随着输入信号进入单片机系统,会降低系统的稳定性和准确性。为了提高通信系统的抗干扰性和较远距离的传输能力,采用了光电耦合器,主要优点在于单向传输信号,输入端和输出端完全实现了电气隔离,抗干扰能力强,使用寿命长,传输效率高。更重要的是光电耦合器适用于对响应要求高的场合,响应时间在10μs左右,可以完成实时传送信号的要求,典型的光耦电路如图2所示。
2.3 指令信号输出单元
数据采集板除了采集状态信号外,还要接受由主处理模块送来的命令,继而控制电梯电机主电路里的一路继电器。为了将3.3V的弱电信号变换为24V的电流型驱动信号,本系统采用了光电耦合与UN2003共同驱动的方式。
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。该电路的特点如下:ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7KΩ的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。
图3为具体的电路连接图。
2.4 通信串口单元
选用MAX485器件,MAX485接口芯片是MAXIM公司的一种RS 485芯片,采用单一电源+5 V工作,额定电流为300μA,采用半双工通讯方式,完成将TTL电平与RS 485电平之间转换的功能。MAX485是通过两个引脚RE(2脚)和DE(3脚)来控制数据的输入和输出。当RE为低电平时,MAX485数据输入有效;当DE为高电平时,MAX485数据输出有效。在半双工使用中,通常可以将这两个脚直接相连,然后由PC或者单片机输出的高低电平就可以让MAX485在接收和发送状态之间转换了,还可在MAX485输出A、B端口加上TVS管起到防雷,防静电的作用,电路图如图4所示。
3 系统运行测试
在4层4站的模型电梯上测试该系统运行,由于C8051F020拥有8个8位的I／O端口,极大减少了外部连线和器件扩展,提高了系统的可靠性和抗干扰能力,完全可以满足大量电梯信号的实时传送。此外,还可以通过设置XBR0、XBR1、XBR2交叉开关配置寄存器,将片内的计数器／定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出及其它的数字信号配置为在端口I／O引脚,使用户可以根据自己的特定需要选择所需的数字资源和通用I／O口。
可改进的地方在于如果计算机与电梯控制系统距离较远,可以加上光电隔离电路,在无信号传输时将MAX485和单片机进行隔离,减小了各器件间可能存在的干扰。
4 结论
该方案基于单片机系统设计,与传统的PLC教学型电梯不同,极大的降低了成本,又能满足使用需要。同时,也符合目前电梯行业以微机控制系统为主的现状,可使学生更快地适应市场需求,对基于微机设计的教学型电梯数据采集系统也是一种有益的借鉴。
参考文献
[1] 孙立香,赵不贿,刘星桥.C8051F020与80C51单片机的异同点[J].国外电子元器件,2007(5).
[2] 戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计.电子工业出版社,2007(5).
[3] 潘琢金C8051F020/1/2/3混合信号ISPFLASH微控制器数据手册沈阳新华龙电子有限公司2002(10).