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1、基于单片机的电梯轿厢振动检测目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 课题的发展现状11.2 课题的提出及研究意义21.3 本文的内容结构2第二章 总体设计32.1 振动分析32.2 系统整体设计62.3 本章小结7第三章 硬件设计83.1 单片机模块83.2 振动信号检测模块113.3 模/数转换模块133.4 显示模块143.5 串口通信模块153.6 抗干扰技术183.7 系统电路板设计183.8 本章小结19第四章 软件设计204.1 设计思想204.2 单片机程序设计214.2.1 主程序214.2.2 模数转换子程序224.2.3 串口通信子程序244.3 上位机程
2、序设计254.4 本章小结30第五章 系统调试315.1 硬件调试315.2 软件调试325.3 整体调试345.4 本章小结34结 论35参考文献36致 谢38附录1 系统原理图39附录2 系统PCB图41附录3 单片机设计程序42附录4 上位机设计程序46附录5 系统电路板实物51摘 要本文主要研究基于单片机的电梯轿厢振动检测。旨在通过单片机和传感器对运行中的电梯轿厢进行振动检测，得出轿厢振动的具体波形，为电梯振动的原因分析提供具体依据，也为消除电梯振动对人体的危害提供帮助。通过研究发现了电梯的不规则振动超过一定程度会对人体产生危害，而且通过波形分析也得出电梯振动的一些规律。文中首先介绍了
3、单片机功能特点，分析了单片机和传感器在电梯检测中的重要作用。然后对电梯轿厢振动的各种原因进行了综合分析，同时也提供了一些电梯振动的消除方法。其次主要是针对电梯水平振动的检测及仿真，通过单片机和传感器将电梯轿厢的振动量传递到上位机，从而得到电梯振动的波形并进行详细分析。最后，调试结果表明，该系统实时性较好，运行稳定可靠，而且具有体积小，低功耗和使用方便等优点，是一种较为理想的电梯轿厢振动检测系统。关键字：单片机；电梯；振动检测AbstractThis paper mainly studies the vibration testing of elevator car based on the S
4、CM. Microcontroller and the sensor are designed to detect the vibration on the running elevator car, the specific waveform of elevator vibration obtained, to provide the specific basis for analysis of the causes, also to provide help for eliminating the hazards to human. The experiment found that th
5、e irregular vibration of the elevator will harm the human body if it exceeds a certain level, and some law of vibration of the elevator obtained by waveform analysis. This article describes the features of the SCM, and analyzes the important role of microcontroller and sensor in the elevator vibrati
6、on detection, also comprehensive analyzes various reasons for the vibration of the elevator car to provide some eliminating methods. This experiment is mainly for the horizontal vibration of the elevator inspection and simulation, and the amplitude and frequency of elevator vibration is passed to PC
7、 through the microcontroller sensor to get the elevator vibration waveform and to carry on the detailed analysis. At last, the test result shows that the system has real-time better, stable and reliable operation, but also small in size, power consumption provinces, the advantages of convenience, it
8、 is an ideal elevator car vibration detection system.Keywords: SCM; levator; vibration testing第一章 绪 论1.1 课题的发展现状随着全球经济的快速发展和科技的突飞猛进，特别是在我国改革开放以来，越来越多的现代化都市规划者把目光均投向了高层或超高层建筑，而高层或超高层建筑的运输与消防要求，必须用高速或超高速电梯才能满足，因此高层或超高层建筑在大量涌现的同时也使高速或超高速电梯的数量不断增多，从而使电梯在人们日常生活中所起的重要作用日益明显。但是，由于电梯轿厢在狭小的电梯井道内运行，随着电梯升降速度的不
9、断提高，必将带来一系列空气动力学问题，其中包括气动噪声、电梯轿厢的振动、乘客的安全性和舒适性等一系列问题。所以保证电梯安全、稳定、高效的运行，越来越多地引起了人们的关注。然而长期以来经常发生的情况是：1) 电梯出现人体敏感振动或运行速度不匀等故障时，维修人员难以及时赶到故障电梯的现场；2) 维修人员不能及时地获得电梯日常运行的振动记录和检测资料，不仅不能避免人们乘坐带有安全隐患的电梯，而且同时还增加了分析与排除故障的难度，大大延长了维修的时间；电梯轿厢振动检测系统正是基于以上种种原因而出现的。电梯轿厢振动检测系统是当今电梯控制领域的必要技术；是电梯的管理、维护和确保电梯安全运行的需要；是及时发
10、现故障，并进行分析和排除的必要手段。目前，国外各大电梯公司如日本的三菱、美国的奥的斯、瑞士的迅达、芬兰的通力、德国的蒂森等都有不同水平的且与自己电梯系统配套的电梯轿厢振动检测系统。所以，与这些有着较长电梯发展史的国家相比，目前我们国家的电梯市场还处在发展阶段，还有较长的路要走，引进先进技术、开发新产品、安装高速高档电梯的同时，还应重视和加强对电梯的规范化管理，尤其是日常的维护维修和改造方面还有许多工作要做。对于电梯轿厢振动检测系统，国内与国外有着不同的侧重点，但却有一个共同的目标是：人们乘坐高效的电梯既安全稳定又舒适可靠。此外，国外电梯轿厢振动检测系统产品样本中很多都有类似“可在同一个屏幕上同
11、时检测n台电梯的轿厢振动情况”这样的技术指标，这是与他们重视群控功能分不开的。同时检测群组运行中的几台电梯，可以更直观地了解到群组中各电梯运行的健康状况，以便及时调整群组电梯的分配原则，消除安全隐患的同时，提高了群组电梯的运行效率。1.2 课题的提出及研究意义现代社会中，电梯已成为不可缺少的运输设备。电梯是势能负载，使用过程中启动、制动频繁，负荷变化较大，行驶方向也不断变化。因此，为了保证电梯安全、可靠、高效地运行，要求电梯在各种负荷下都具有良好的调速性、稳定性以及控制性等。单片机以其体积小、功能强、处理速度快、功耗低、价格便宜等特点在电梯领域已经得到了广泛的应用。目前，单片机不仅在电梯自动控
12、制和远程监控方面发挥着重要的作用，而且在新型智能电梯语音系统方面中也有其一技之长。随着电梯的发展，在提升电梯升降速度的同时，满足乘客的舒适感越来越重要，所以，单片机在电梯轿厢振动检测方面有着广阔的发展空间。目前，国内外电梯轿厢振动检测的方式通常有以下两种：一是使用专门的电梯轿厢振动检测仪器定时地对电梯进行现场检测并做好详细记录，然后综合多次检测结果进行分析，最后得出结论。但是这种方式不仅浪费人力物力，而且也不能及时有效的消除电梯可能给人们带来的安全隐患。二是基于单片机及串口通信标准，专门铺设线路，由有关人员通过设在电梯维护服务中心的计算机对分布在各处的电梯集中远程振动检测控制。这种方式在节省人
13、力物力的同时也使电梯轿厢振动检测实时高效。本课题主要着眼于后者即运用单片机技术和加速度传感器技术，再通过串口通信技术，将实时采集到的电梯轿厢振动情况经过特殊处理后传送至电梯维护服务中心的计算机中以波形的方式实时显示出来，从而可以为电梯在运行过程中故障的发现、分析和排除提供适时、方便和形象的解决方案。1.3 本文的内容结构本文首先主要是根据对电梯轿厢振动的数学分析，提出了课题的总体设计；然后着重介绍系统硬件电路的设计，元器件参数的确定；其次详细讲述软件编程的总体设计思想及模块流程图，并仿真测试；紧接着侧重论述电路板调试过程中遇到的主要问题与解决方法；最后给出本课题的总结与展望。第二章 总体设计2
14、.1 振动分析一、建立振动模型随着电梯速度的提升，导轨产生的振动不断加剧，而导轨又是产生轿厢振动的主要原因之一，因此，下面主要就电梯导轨对轿厢振动的影响来分析和研究。电梯载客部分主要是轿厢，轿厢由轿架和轿厢体组成。电梯轿厢简化结构如下图21 所示：图21 电梯轿厢简化结构图可以看出，在轿厢体和轿架之间嵌有垫块，用于固定轿厢体防止振动。导轮或导靴则安装在轿架的上下两侧，与导轨一起组成轿厢的导向件，同时也可以减少水平振动和抑制由偏载引起的轿厢倾斜，导轨则固定在墙壁上。一般来说，导致电梯轿厢水平振动的因素有导轨交接处的突起、导轨表面的高低不平、导轨的弯曲以及导轮自身的缺陷等。因此制造平直的导轨以及安
15、装导轨时尽量使两根导轨对直，这将大大减少轿厢的水平振动。不过，缺点是这会提高安装和制造成本。另一种可以取代的方法是用控制手段来抑制轿厢的水平振动，这种方法不仅可以节省成本，而且还方便控制调整。下面就这种方法展开数学分析：轿厢沿着导轨运行时，如果只考虑轿厢的水平振动，则建立电梯轿厢受力分析数学模型如下图22 所示：图22 轿厢水平运动模型图中，为轿厢质量；为摆动的转动惯量；为导靴系统的刚度；为导靴系统的阻尼；为轿厢的水平位移；为导靴1的水平位移；为导靴2的水平位移；为导靴3的水平位移；为导靴4的水平位移；为轿厢摆动的角位移；为滚轮1与滚轮3到质心的垂直距离；为滚轮2与滚轮4到质心的垂直距离；为轿
16、厢运行速度（假设电梯上行）。其振动微分方程可表示如下： （1）（2）若只研究图22 中轿厢右侧导轨激励对轿厢水平振动的影响，可假设图22 中电梯轿厢其左侧导轨是理想的导轨，即。并且假设(L为轿厢上下导靴的距离)，则振动微分方程可简化为：（3）（4） 求得系统的2个固有频率（5） （6） 式（3）描述了轿厢质心对导轨激励的响应，式（4）描述了轿厢在导轨的激励下绕质心的摆动，求解两式得到位于轿厢底部位置的水平振动加速度a为：（7）若电梯以速度v匀速上行，则有（8）（9）二、振动的仿真分析已知电梯运行时影响轿厢水平振动的因素主要有导轨工作面的表面粗糙度与直线度、导轨安装后的偏差等。导轨工作面的表面粗
17、糙度反映的是工作面的微观不平，对轿厢振动的影响较小；导轨直线度反映的是工作面的宏观不平，对电梯的运行平稳性影响较大。导轨安装后对工作面垂直度与工作面之间的距离均有特殊要求，若发生较大偏差，对轿厢振动的影响更大。从直线度中提取的特征参数，如接头处的台阶，未对准度和弯曲反映的都是导轨的宏观不平，它们都可以看作是轿厢振动的振动源。轿厢产生振动可以看成是所有这些振动源共同作用的结果。通过LABVIEW虚拟仪器进行计算机仿真，得到水平振动加速度随时间变化曲线如下图23 所示：图23 水平振动加速度随时间变化曲线同时，通过LABVIEW仿真，得到水平振动加速度随频率变化曲线如下图24所示：图24 水平振动
18、加速度随频率变化曲线所以，在检测振动时，应合理选择检测参数，如振动位移是研究强度和变形的重要依据；振动加速度与作用力或载荷成正比，是研究动力强度和疲劳的重要依据；振动速度决定了噪声的高低，人对振动的敏感程度在很大的频率范围内是由振动速度来决定的。 2.2 系统整体设计通过对电梯轿厢振动的数学分析，并参考GB/T 100581997电梯技术条件规定，乘客电梯启动加速度和制动减速度最大值均不应大于，平稳运行时轿厢垂直方向和水平方向的振动加速度分别不应大于和，得知电梯加速度测量的上限达到的数量级，而对于数量级的振动信号测量，则希望分辨力能达到级别，因此检测系统的动态范围要求达到60dB。综上而知，振
19、动检测系统整体框图设计如下图25 所示：图25 系统整体框图此外，由于人体对振动的敏感频率仅限于低频段，所以，电梯轿厢振动检测系统也应该具有较好的低频特性。基于单片机的电梯轿厢振动检测系统，其主要工作就是在电梯运行中通过多个振动传感器把电梯轿厢各个方向上的大量振动数据实时可靠的记录下来，然后把记录下来的振动数据送入ADC0809数据采集系统进行特殊转换处理，将带有干扰的模拟信号经过滤波等干扰消除过程转换成单片机易于接受的数字信号，之后传送给AT89S52单片机再经过进一步的特殊处理，一方面将接受来的数字信号转换成数码管接受的显示段码显示出来；另一方面将接受来的振动数字信号处理成为PC机能够接受
20、的振动信号，然后通过MAX232电平转换使单片机与PC机的串行口电平匹配，把处理后的振动数据送入PC机。PC机接受单片机传送来的振动数据后再以波形的方式显示出来以便分析振动变化情况，从而得出电梯轿厢振动各个方向上的参数变化趋势，以便设计人员做出相应的对策来消减电梯轿厢的振动。2.3 本章小结本章首先介绍了电梯轿厢的组成结构，并对电梯轿厢进行了受力数学分析，然后根据分析所得的结论，通过虚拟仪器进行了振动仿真，最后，提出了电梯轿厢振动检测系统的总体设计方案。本章主要是通过对振动分析，在整体上来把握电梯轿厢振动检测系统的设计方案，为下面第二章着重介绍系统硬件电路的设计提供明确的方向。第三章 硬件设计
21、通过上一章节对系统总体设计方案的介绍可知：电梯轿厢振动检测系统的硬件电路是以单片机为核心，由振动信号检测模块、A/D转换模块，显示模块及串口通信模块四部分组成。因此，本章节主要是针对以上各模块进行硬件电路设计。3.1 单片机模块该模块使用的单片机是美国Atmel公司的AT89S52单片机，该型号单片机功能强大，价格低廉，可以灵活应用于各种控制领域。AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机，它在单一芯片内集成了并行I/O口、异步串行口、16位定时器/计数器、中断系统、片内RAM和片内ROM以及其他一些功能部件。AT89S52单片机的基本组成如下图31 所示：图31 AT89S52单片机
22、的基本组成l 中央处理器CPU：单片机的核心部件，用于产生各种控制信号，完成对数据的算术逻辑运算和传送；l 内部数据存储器RAM：用于存放可以读/写的数据；l 内部程序存储器ROM：用于存放程序指令或某些常数表格；l 4个8位的并行I/O接口P0、P1、P2和P3：每个口都可以用作输入或者输出；l 3个定时器/计数器：用来作外部事件计数器，也可以用来定时；l 内部中断系统：具有8个中断源、2个优先级的嵌套中断结构，可实现二级中断服务程序嵌套，每一个中断源都可以用软件程序规定为高优先级中断或低优先级中断；l 一个串行接口电路：可以用于异步接收发送器；l 内部时钟电路：振荡频率可以高达40MHz，
23、但是晶体和微调电容需要外接；单片机AT89S52提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位的定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。下面对单片机模块设计时所用到的引脚作下说明：RST（9脚）：复位输入。当振荡器工作时
24、，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。EA / Vpp（31脚）：外部访问允许。欲使单片机CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）状态。需要注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。当EA为高电平即接Vcc端时，CPU则执行内部程序存储器中的指令。当F1ash存储器进行编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTAL2（18脚）：接外部晶振和微调电容的一端。在AT89S52片内它是振荡电路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。若采用外部时钟电路，则该引脚须悬空。XTAL1（19脚）：接外部晶振
25、和微调电容的另一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。单片机模块电路连接图如下图32所示。该电路由5V电源给单片机供电，该芯片的P0.0P0.7用作A/D转换模块的输出端口，由于ADC0809输出的是高电平，所以在程序初始化后，P0.0P0.7为低电平。P1.0P1.7用作四位数码管的显示段码输入端口，P2.0P2.3用作动态显示的选位端口，P3.0P3.1用作串口通信的接收和发送端口，P3.2和P3.3分别用来控制ADC0809的A/D转换结束信号和地址锁存允许信号，由于二者均为高电平有效，所以在程序初始化后，P3.2和P3.3均为低电平。图32
26、 单片机模块电路连接图由上图可知，该模块采用的是内部方式时钟电路。AT89S52单片机要形成时钟信号，必须外接相关元件。所以用外接11.0592MHz晶振以及电容C1和C2构成并联谐振电路，从而可以形成稳定的自激振荡器，然后将其接在反馈回路中。当振荡频率在612MHz时，通常使电容C1和C2的值选择为30pF来进行微调。内部方式时钟电路连接图如下图33所示：图33 内部方式时钟电路AT89S52单片机同其他微处理器一样，在启动时需要复位，使CPU和系统的各个部件处于一种确定的初始状态。复位信号从RST引脚输入且高电平有效，其有效电平应维持至少2个机器周期。该模块采用的是按键手动复位方式，复位电
27、路如下图34所示。单片机的复位是通过电容充电来实现的。只要电源VCC的电压上升时间不超过1ms且通过在VCC与RST之间加一个22uF的电容C3，RST与GND之间加一个1k的电阻R1，在按下复位按钮后电容C3通过R2放电，同时电源VCC通过R1和R2分压，而R1要比R2大许多，所以大部分电压降落在R1上，使RST端得到一个高电平从而导致单片机复位。图 时钟电路图34 按键手动复位电路一个实际单片机应用系统能否正常工作，首先要检查能否产生正确的复位信号。复位以后，单片机内部各寄存器的状态如下表31所示：表31 单片机内部各寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTL000HPSW
28、 00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000B3.2 振动信号检测模块该模块所选MMA7260QT低成本微型电容式加速度传感器采用了信号调理、单极低通滤波器和温度补偿技术，提供4个量程可选，并且因其小巧轻便，将其安装在电梯轿厢中实时检测电梯运行中的轿厢振动状况，从而可以提高电梯的安全性能。MMA7260QT内部结构如下图35所示。gn-Select1和gn-Select2为量程选择控制，Sleep Mode为休眠模式控制，当其为高电平时MMA7260QT正常工
29、作，低电平时休眠。Xout、Yout、Zout分别为X、Y、Z三个方向的模拟输出，并且该芯片采用5V直流电作为其工作电压，所以Vss为5V供电源的正极，在5V的工作电压下，当检测到有振动信号时输出电压为3.78V，输出端经NPN型三极管将电流放大后与ADC0809的IN0连接。三轴加速度传感器是一种可以对物体运动过程中的加速度进行测量的电子设备，本设计是基于单片机技术将MMA7260QT应用在电梯轿厢振动检测方面。图35 MMA7260QT内部结构振动信号检测模块的电路连接图如下图36所示。该电路在接通电源之后，工作指示灯亮说明电路正常工作，休眠控制引脚Sleep Mode接单片机P3.7，当
30、P3.7为高电平时，MMA7260QT加速度传感器开始工作，低电平时则休眠。gn-Select1、gn-Select2分别去接单片机P2.4、P2.5来控制测量范围和重量灵敏度的档位选择。并且该电路采用RT9161来进行电压选择控制，能够对电梯轿厢的振动进行检测，根据振动强度输出不同的电压值来表示振动的变化情况。图36 振动信号检测电路3.3 模/数转换模块电梯轿厢的振动量由振动传感器测量得到之后还需经过数据采集处理系统转换成单片机可以接受的数字信号，而ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D转换器，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信
31、号中的一个进行A/D转换，其转换时间为100us左右。因此本设计选择使用ADC0809来转换振动传感器测量所得的轿厢振动信号。A/D转换器的结构框图如下图37 所示： 图37 A/D转换器的结构ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面对此模块所用到的引脚简单说明：IN0IN7：8路模拟量输入端。OUT1OUT8：8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址输入线，选通8路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。START：A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。 EOC
32、： A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND：地。ADC0809与单片机连接如图38所示：图38 ADC0809与单片机连接此模块选择的是ADC0809的通道0，数据输出口连接单片机的P0口，时钟脉冲由单片机P3.3来产生，同时地址锁存允许信号也由P3.3控制，当有振动信号输入时，P3.3为高电平，使得AL
33、E=1，从而将地址存入地址锁存器中，A/D转换启动脉冲输入端连接P3.0，P3.0输出脉冲的上升沿将逐次逼近寄存器复位，下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行，直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示转换结束。数据输出允许信号OE连接单片机P3.1，E0C=1可用作中断申请，当P3.1输出高电平时，ADC0809的输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上传送给单片机进行处理。3.4 显示模块该模块采用的是四位数码管动态显示，即一位一位地轮流点亮各位显示器，对于显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。在同一时刻只有一位显示器在工作，利用人眼的视觉暂留效应和发光
34、二极管熄灭时产生的余辉效应，看到的却是多个字符同时显示。显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数，可实现亮度较高较稳定的显示。显示模块的电路连接图如39所示。四位一体数码管采取的是共阳极接法，其内部段已连接好，A、B、C、D、E、F、G、DP为段引脚，1、2、3、4分别表示四个数码管的位，此模块用单片机将ADC0809转换后的数字量处理成显示段码再通过P1口发送给四位数码管的段引脚，并且用P2.0P2.3依次给数码管的位送低电平来控制数码管一位一位地显示。图39 数码管与单片机连接3.5 串口通信模块单片机和PC机的通信是通过单片机的串口和PC机
35、串口之间的硬件连接来实现的。PC机内装有异步通信适配器板，其主要器件为可编程的8250UART芯片。它使该机有能力与其他具有标准RS-232C串行通信接口的计算机或设备进行通信。而AT89S52单片机本身具有一个全双工的串行口，只要外接一个MAX232电平转换器就可以与PC机的RS-232C串行口连接，组成一个简单可行的通信接口。电路具体连接如下图310 所示：图310 单片机与PC机串口通信本系统中采用异步串行通信方式来实现单片机与PC之间的通信。异步串行通信是以字符为单位组成的帧进行传送的，即一帧一帧地进行传送。帧由发送端一帧一帧地发送，通过传输线由被接收设备一帧一帧地进行接收。发送端何时
36、开始发送和何时结束发送是由帧格式来规定的。通信线上没有数据传送时为逻辑高电平，每当接收端检测到传输线上发送来的逻辑低电平（帧起始位）时就知道发送端已开始发送，每当接收端接收到帧的停止位时就知道一帧字符信息已发送完毕。串行数据传送格式有两种：一是无空闲位字符帧。字符帧格式如下图311 所示：图311 无空闲位字符帧格式二是有空闲位字符帧。字符帧格式如下图312 所示：图312 有空闲位字符帧格式在串行通信时，要求单片机和PC机双方都采用一个标准接口，从而使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。RS-232C是美国电子工业协会EIA公布的串行通信标准，也是目前用的最多的一种串行通信标准，它除了包括
37、物理指标外，还包括按位串行传送的电气指标。其中，RS代表推荐，232是标识号，C表示修改的次数。RS-232C通常适用于短距离或带调制解器的通信场合，目前已广泛应用于计算机外围设备的串行异步通信接口中。RS-232C是数据终端设备DTE和数据通讯设备DCE之间的接口，RS-232C的机械标准规定DTE应配置DB25的插头，即25针连接器，其应配置DB25的插座，即25孔连接器。在实际应用中，DB25型连接器的许多信号都用不上，对于一般的全双工通信，仅需几条信号线就可以实现了，其中包括一条发送线、一条接收线和一条地线。因此实际应用中普遍采用DB9插头，即9针连接器。9针连接器如下图313 所示：
38、图313 9针连接器9针连接器各针脚功能如下表32 所示：针 脚符 号通 信 方 向功 能1DCD计算机 调制解调器载波信号检测2RXD计算机 调制解调器接收数据3TXD计算机 调制解调器发送数据4DTR计算机 调制解调器数据终端准备好5GND计算机 调制解调器信号地线6DSR计算机 调制解调器数据装置准备好7RTS计算机 调制解调器请求发送8CTS计算机 调制解调器清除发送9RI计算机 调制解调器振铃信号指示表32 针串行口的针脚功能然而由于PC机RS-232C的逻辑电平与AT89S52单片机的TTL电平互不兼容，RS-232C的逻辑0电平规定为+3+15V之间，逻辑1电平为315V之间。因
39、此，为了与TTL电平的AT89S52单片机器件连接，必须进行电平转换。美国MAXIM公司生产的MAX232系列RS-232C收发器是目前应用较为普遍的串行口电平转换器件。PC机和单片机的串行接口连接原理图如下图314 所示。数据应用串行通信时在硬件上采用三线制接法，将单片机和PC机串口的3个引脚（RXD、TXD、GND）分别连在一起，即将PC机和单片机的发送数据线TXD与接收数据RXD交叉连接，两者的地线GND直接相连，而其他信号线如握手信号线均空置不用，而是采用软件握手的方式，这样既可以实现预定的任务又可以简化电路设计。图314 PC机和单片机的串行通信连接原理图3.6 抗干扰技术影响正常工
40、作的信号称为噪声，又称干扰。在单片机控制系统中，如果出现了干扰，就会影响指令的正常执行，造成控制事故或控制失灵；在测量通道中，如果产生了干扰，就会使测量产生误差，甚至某些情况下电压的冲击有可能使系统遭到致命的破坏。本系统硬件抗干扰采取以下三种方法：1、选用可靠的元器件一般情况下，元器件在出厂前都进行了相关测试。所以在通常应用时不再进行测试，而直接将元器件用在电路中进行通电运行实验。在实验中若发现元器件问题，直接替换不合格元器件。2、接插件的选择应用单片机控制系统通常由几块印制电路板组成，各板之间以及各板与基准电源之间经常选用接插件相连接。所以在接插件的插针之间也易造成干扰，这些干扰与接插件插针
41、之间的距离以及插针与地线之间的距离都有关系。因此在设计选用时要注意以下几个问题：1) 合理地设置插接件：如电源插接件与信号插接件要尽量远离，主要信号的接插件外面最好带有屏蔽。2) 插头座上增加接地针数：在安排插针信号时，选用一些插针作为接地针，均匀分布于各信号针之间，这样能起到一定的隔离作用，以减小针间信号互相干扰。3) 信号针尽量分散，增大彼此间的距离。3、印刷电路板抗干扰设计技术印制电路板是器件、信号线、电源线的高密度集合体，布线和布局好坏对可靠性影响很大。1) 印制电路总体布局原则如下： 印制电路板大小要适中，板面过大，印制线路太长，阻抗增加，成本偏高；板子太小，板间相互连线增加，易增加
42、干扰环境。 印制板元件布局时相关元件应尽量靠近，如晶振、时钟发生器及CPU时钟输入端等，大电流电路要远离主板，或另做一块板。2) 数据线的传输方向应尽量保持一致，这样有助于增强抗干扰能力。接地线可环绕印制板一周安排，根据实际情况尽可能就近接地。3.7 系统电路板设计综合系统硬件各个模块的设计，并结合硬件抗干扰技术，在Protel99SE中绘制出：1、系统印刷电路板的原理图设计如附录1所示。2、系统印刷电路板PCB设计如附录2所示。3.8 本章小结本章节主要介绍了系统的几个重要组成部分，对单片机、振动传感器、A/D转换器、数码管以及串口通信等各模块的工作原理作了详细分析与设计，另外也特别从硬件方
43、面介绍了系统的抗干扰技术。最后，通过软件Protel99SE绘制出了系统印刷电路板的原理图和PCB图，为下面第四章节的软件设计提供了具体的编程依据，同时按照硬件电路进行编程也大大降低了程序编写的难度。第四章 软件设计4.1 设计思想由于电梯轿厢的振动方向很多，所以本系统主要检测X、Y、Z三个方向上的振动。三个方向如下图41 所示：图41 电梯轿厢振动建模图示整个系统的功能是由硬件电路配合软件来实现的，当硬件基本定型后，软件的功能也就基本定下来了。从软件的功能不同可分为两大类：一是监控软件（主程序），它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件，它是用来完成实质性的
44、功能，如串口通信、振动检测等。系统整体设计思想表示如图42 所示：图42 电梯轿厢振动检测系统实现思想本设计是硬件电路和软件编程相结合的设计方案，选择合适的编程语言是一个重要的环节。在单片机的应用系统程序设计时，常用的是汇编语言和C语言。汇编语言的特点是占用内存单元少，执行效率高。执行速度快。但它依赖于计算机硬件，程序可读性和可移植性比较差。而C语言虽然执行效率没有汇编语言高，但语言简洁，使用方便，灵活，运算丰富，表达化类型多样化，数据结构类型丰富，具有结构化的控制语句，程序设计自由度大，有很好的可重用性，可移植性等特点。由于现在单片机的发展已经达到了很高的水平，内部的各种资源相当的丰富，CP
45、U的处理速度非常快。用C语言控制单片机无疑是设计者一个理想的选择。所以在本设计中采用C语言编写软件程序。系统整体设计流程如下图43 所示：图43 系统整体设计流程4.2 单片机程序设计4.2.1 主程序系统软件设计采用模块化结构和子程序嵌套技术，可读性好，便于编制和扩充。主流程采用顺序查询方式，分别检测上位机控制信号、振动转感器信号。AT89S52单片机中的主程序主要完成以下两个工作：（1）对系统初始化，包括对I/O端口P1、P2、P3的初始化和配置；（2）扫描I/O口，接收并处理MMA7260QT传感器的振动数据；主程序基本设计思路是：程序运行后，等待PC机对MMA7260QT传感器的启动信号，如果检测到有效信号，则MMA7260QT传感器正常工作，得到X、Y、Z三个方向上的振动数据后首先进入A/D转换子程序，待转换完成后再进入数值转换为字符串子程序，然后进入显示子程序，最后进入串口通信子程序将字符串发送给PC机，如此反复循环。单片机主程序设计流程如下图44 所示：图44 单片机主程序设计流程具体程序详见附录3所示。4.2.2 模数转换子程序MMA7260QT检测出来的电梯轿厢振动量经ADC0809采集、转换后生成数字量，单片
