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1、高层建筑的电梯设计第一章 绪论1.1 电梯在生活总的地位 电梯是高层宾馆、商店、住宅、多层厂房和仓库等高层建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。随着社会的发展，建筑物规模越来越大，楼层越来越多，对电梯的调速精度、调速范围等静态和动态特性提出了更高的要求。电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。事实上，电梯上已经采用了多项安全保护措施。在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面保证电梯的最终高
2、质量。在国外，已“法规”实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队伍维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。因此，可以说乘坐电梯更安全。美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是：乘电梯比走楼梯安全5倍。掘资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。1.2 电梯的发展最早的电梯可以追溯到公元前2800年的埃及，那时候为了建造金字塔，就有记载使用过由人力驱动的升降器材。在瓦特发明蒸汽机后出现了由蒸汽驱动的电梯，后来英国的阿姆斯特朗发明了水压梯，
3、并且这种电梯现在仍有使用。随着电力文明的到来，电梯发生了革命性的变化，电力驱动的电梯成了当今的主流，并且随着电机的出现个革新，电梯的性能也得到了提高，而现在，电梯也正以飞快的速度发展着，可以预想到，未来的电梯将不是我们现在所乘坐的电梯那样，它的功能将更加强大。20世纪30年代，美国纽约市的102层摩天大楼建成，美国奥的斯电梯公司为这座大楼制造和安装了74台速度为6.0m/s的电梯。从此以后，电梯这个产品，一直在日新月异地发展着。目前的电梯产品，不但规格品种多，自动化程度高，而且安全可靠，乘坐舒适。随着电子工业的发展，可编程序控制器（PLC）和电子计算机成功地应用到电梯的电气控制系统中去后，电梯
4、产品的质量和运行效果显著提高。1.3 什么是数字电子技术与单片机技术数字电子技术主要研究各种逻辑门电路、集成器件的功能及其应用，.逻辑门电路组合和时序电路的分析和设计、 集成芯片各脚功能。555定时器等。 随着计算机科学与技术突飞猛进地发展，用数字电路进行信号处理的优势也更加突出。单片微型计算机简称单片机，又称单片微控制器。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。单片机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和
5、开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。它最早是被用在工业控制领域。现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。汽车上一般配备40多片单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算机的总和，甚至比人类的数量还要多。第二章 整体的设计思路综述实际中，电梯的良好运行是很复杂。它需要各个部件的灵活、平衡地调节和满足一系列的条件。由于目前所学的知识有限，充分考虑之后，在本课题中，为了简化起见，我只把需要满足的最基本
6、要求罗列了出来：1、乘客要去的楼层可以手动输入并显示；2、电梯运行的楼层可自动显示；3、当AB时，三相电机正转，电梯上升；4、若AB，则电梯向上运行；若A=B，则电梯停止运行；若AB，则电梯向下运行。电梯中有各楼层的上行指示灯、下行指示灯和停止灯各6个。3.4 控制电路使用自己设计的数据选择器，选择所需的脉冲信号（CP）。通过74LS85三个输出端的不同值来选择CP。用CP来控制74LS192作加1运算还是作减1运算。74LS192为可预置的十进制同步加/减计数器。使用十进制加减计数器74LS192，通过控制电路分配加1或减1信号给CPD和CPV，实现对现行楼层号的加1和减1。3.5 脉冲产生
7、电路与步进电机的运行在本方案中，有些集成电路的运行是需要有脉冲信号（CP）的，那么脉冲产生电路是必不可少的。查阅资料后我们得知，555定时器是一种中规模集成电路，外形为双列直插8脚结构，体积很小，使用起来方便。只要在外部配上几个适当的阻容元件，就可以构成史密特触发器、单稳态触发器及自激多谐振荡器等脉冲信号产生与变换电路。在这里，我使用CB555定时器接成的多谐振荡器产生秒脉冲信号CP。用CP来控制74LS85和74LS175的正常工作。使电梯的现行楼层号加1和减1，不断与输入楼层号进行比较。电梯根据比较结果决定是上行还是下行。使用自己设计的自起动脉冲分配电路，实现步进电机的正转（向上运行）和反
8、转（向下运行）。这里，自起动脉冲分配电路需要用到时序电路，对每种运行状态进行编号，并使之在这几种状态之间转换。3.6 系统各部分的实现 根据电梯流程图，在结合了本方案的工作原理，我画出了运行框图，如图3-2所示：图3-2 方案一运行框图3.7 总电路工作原理分析当按下相应的外部呼叫按键时，电梯运行到目的楼层，显示器实时显示所在楼层。当人进入电梯内，按下要去的楼层对应的按键，电梯就会运行到相应位置。电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向呼叫均无效。第四章 利用单片机对电梯的设计另一种可行的方案使用单片机技术设计的。利用单片机原理设计的电梯方案同用数字电子技术设计的方案相似
9、，电梯的基本运行流程大体如图4-1。在本方案中，硬件由单片机最小系统、电梯内外呼叫电路、显示电路、控制电路与电机运行电路等组成。图4-1 单片机引脚4.1 电梯内部呼叫电路 所谓电梯内部呼叫电路是指人们在电梯内部时，按键可以决定电梯到要去的楼层。本方案中，6个目标楼层选择按键K1、K2、K3、K4、K5、K6（分别代表1楼至6楼）与单片机P0口的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5连接（P0口作为输出端驱动外部电路时须外界上拉电阻）。人进入电梯内按下要去的楼层对应的按键，就会控制电机转动，达到相应楼层。若按下的外部呼叫按键为上升的，则在电梯内按比该楼层低的按键，电梯不会响
10、应；反之亦然。电梯内部呼叫电路如图4-2所示：图 4-2电梯内部呼叫电路4.2 电梯外部呼叫电路 与电梯内部呼叫电路相似，电梯外部呼叫电路是指人们在电梯外部某楼层时，按键可以让电梯到本楼层。按键UP1（1楼只有上键）、UP2与DOWN2、UP3与DOWN3、UP4与DOWN4、UP5与DOWN5、DOWN6（6楼只有下键）接单片机的P2口和P1.0、P1.1。若按下上键，则电梯在上升过程中不响应下降键；反之亦然。电梯外部呼叫电路如图4-3所示：图 4-3电梯外部呼叫电路4.3 显示楼层电路显示电路的作用是实时显示电梯所在楼层，用一个7段数码管来实现。这一部分与2.2部分相同，顾不再重复。显示电
11、路如4-4 所示：图4-4 显示电路4.4 电机控制电路电机是电梯的心脏，没有了电机电梯自然不能运行。其重要性不再重复。在本方案中，电机采用普通直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转；能满足生产自动化系统各种不同的特殊运行要求。单纯用单片机的电流是无法驱动电机运行的，因为电机的电流很大会烧毁单片机的。那么我们需要在这两者之间找一个合适的适配电路，即驱动电路。查阅资料后我得知，L298可以使放大电流的作用。L298有四路输入，四路输出；有两个使能端。一般情况下，我们可以直接把EA,EB两个使能端接高
12、，直接通过控制输入口（接单片机的I/O口,编程输出PWM信号）来控制电机。用电机驱动芯片L298来驱动。电机控制电路用来控制电机的正反转，当按下上升键时，电机正转，按下下降键时，电机反转。控制电路如图4-5所示：图4-5 控制电路4.5 系统各部分的实现4.5.1 运行框图本方案与方案一有很多相似的地方。但由于本方案比方案一所用元件少很多，故该运行框图已经比较简化了。图4-6 方案二运行框图4.5.2 当前要去的楼层流程图运行框图画好后，我们对电梯的运行也就有了比较深刻的了解了。整个电梯系统的运行流程图如图4-7所示：电梯改为上升电梯改为下降电梯到达最顶层电梯到达最底电梯在下降当前楼层=目的楼
13、层继续下行查找下个要去的楼层若无下行需求，则反向查询向上查找下一个要去的楼层若无按键需求则停止当前楼层=目的楼层延时等待20s开始是24是24是24是24是24延时等待20s否否否否图4-7 当前要去的楼层流程图4.6 本方案工作原理分析当按下相应的外部呼叫按键时，电梯运行到目的楼层，显示器实时显示所在楼层。当人进入电梯内，按下要去的楼层对应的按键，电梯就会运行到相应位置。电梯上升途中只响应上升呼叫，下降途中只响应下降呼叫，任何反方向呼叫均无效。两相邻楼层之间电机运行时间为3秒。第五章 两种方案的评价两种方案设计的电梯都清晰明了，简单易行。但是，两种方案各自也有自己的优缺点，现在将其罗列如下：
14、方案一中，由于仅仅使用了数字电子器件与步进电机，没有使用到计算机编程，使得操作起来比较简便且经济投资较低。但是正是由于仅仅只有集成电路器件，使得运行的安全可靠性大大降低，需要经常进行维修。而且其精度也不是很高。这使得方案一的整体投资并不小。因此，这些缺点使得方案一的推广有一定的难度。方案二中，由于单片机的引入，使得电梯所需原器件大为减少。安全可靠性方面也大为提升。其他方面，诸如精度、稳定运行等也有很大改进。但是在另一方面，由于需要编程，使得运行的复杂性也有所上升，经济投资也比较大。综合比较两种方案，我认为两种方案都有自己的适用范围：如果仅仅是进行电梯模拟运行或者在不是特别高的建筑（6层以下）上
15、安装电梯，方案一的经济价值比方案二大；如果是在高层建筑（6层以上）、宾馆或者旅游观光上安装电梯，由于要求其精度非常高，方案二更具有市场价值。第六章 需要改进的地方做过电梯的人都知道，实际中的电梯运行要远远比这两种方案要复杂得多。主要需要改进的有以下几个方面：首先我们会有这样的经验：即使在上行或下行的过程中，外部有人按呼叫键，电梯也可能会在经过该楼层时停下，以便让电梯外的人进入。其次，电梯到达相应的楼层时，电梯门的自动开关也是不容忽视的问题。另外当有障碍物被电梯门夹住时，电梯应能立刻作出反应打开门，并且立刻停止即将运行的动作。第三，在电梯进行检修时，怎样让点击进入制动状态，以便让工作人员进行维修由于我所学的知识有限，这些设计在我的方案中目前无法解决。在商用电梯的设计中，这些问题是不能忽视的。参考文献【1】李朝青编，单片机原理及接口技术（第三版），北京：北京航空航天大学出版社，2006。【2】阎石主编，数字电子技术基础（第三版），北京：高等教育出版社，2008年。【3】清华大学教研组组编，华成英、童诗白主编：模拟电子技术基础（第四版），北京：高等教育出版社，2008年。【4】百度百科，电梯：【5】刘国荣、梁景凯主编，计算机控制与应用，北京：机械工业出版社，2013年。
