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1、电梯控制模型硬件设计摘要：本设计是利用电梯控制模型的教学实验仪器模拟电梯，以电梯的运动作为设计重点。本电梯控制模型是采用Cygnal MCS51单片机作为核心器件，实现对电梯模拟轿厢的自动控制。该系统控制过程是利用红外脉冲测速的方法, 采用H型脉冲宽度调制电路对电机驱动调速，实现转速和方向的控制；轿厢测重用一片电阻应变片吊拉方式，保证承受能力； LED与LCD同时多变量显示及超重报警、语音提示。系统能够响应楼层呼叫、准确到位、自动记录、显示楼层编号及运行时间。轿厢模型能够显示并存储物体重量，可以预置额定负荷，可发超重报警信号，厢内能够表示乘客欲达到的层数按钮，可按电梯模型运行规则做相应的运动。
2、 关键词：CygnalMCS51 脉冲宽度调制 电阻应变片Hardware Design of Elevator Control ModelABSTRACT: In this paper, the elevator control model adopts Cygnal MCS51 single chip as the chief part to realize the automatic mechanical action of the simulate elevator car. The systemic controlling process makes use of the infra
3、red to measure the speed, and transmits the signal to a single chip. The electrical machine drives adopts the pulse width modulation electro circuit which can simply realize the controlling of turning speed and direction. The elevator car assures the bearing ability with the way of hanging a resisto
4、r. The LED and LCD can variably display and phonically report with the alarm system. The system can respond to the floor calling signal and record the number of floor and the running time accurately and automatically. The model of elevator car can show the weight of the object in it, prearrange a li
5、mit weight, and send out the signal of overweight. The floor number button inside the car can also drive the car commendably. Keywords: CygnalMCS51; Pulse width modulation; Strain resistor 目 录前言1一 电梯的发展趋势及选题背景21 电梯的发展趋势22 选题背景3二 系统设计与方案论证51 系统整体设计与方案论证52 单片机控制模块设计与方案论证63 电机驱动调速模块设计与方案论证64 轿厢称重模块设计与方
6、案论证85 液晶显示模块设计与方案论证86 键盘输入模块设计与方案论证9三 系统的原理概述101 电机转速测控部分的工作原理102 轿厢称重部分工作原理13四 系统硬件设计161 单片机核心设计162 直流电机驱动电路的设计183 键盘显示电路的设计204 电源部分的设计235 超重报警及语音提示电路的设计24五 系统软件设计261 程序总框架流程图262 轿厢称重流程图28六 系统调试291 用户样机硬件调试292 用户样机软件的设计、调试30总结32致谢33参考文献34前 言随着高层建筑的兴建，电梯作为一种垂直运输载人交通工具，近几年得到迅速发展。控制对象（被控设备）的结构越来越复杂，实现
7、的功能也越来越多。安全可靠、运行平稳、停靠准确、乘坐舒适是电梯的主要性能目标。在现代工业自动化领域中，已大量采用微机PLC和单片机的控制。本次电梯控制模型的设计，它通过电梯控制模型教学实验仪器模拟实际电梯，以电梯的运动为设计重点。此系统作为电梯控制模型教学仪器，主要是让学生通过相关实验，对电机速度的测量与控制、轿厢载重的测量与报警、轿厢对各楼层呼叫的响应等方面有较深层次的掌握。本电梯控制模型的设计，一方面是从教学的角度，全面考察学生对单片机的认识及其应用；另一方面，从适应工业发展的要求，为我国加入世界贸易组织培养更多更优秀的人才。一 电梯的发展趋势及选题背景1 电梯的发展趋势在2001年11月
8、我国加入世界贸易组织后，使我国经济向全球一体化的方向又迈进了一大步。我国市场将变得更加开放，贸易将会更加自由，这就是说更多国外产品将参与国内市场的竞争，而且产品价格由于关税降低也将会变得非常有竞争力。而电梯作为一种载人、物的运输工具，近几年得到了迅速的发展。在最近的一段时间内，电梯技术的发展趋势将会是环保；驱动系统使用永磁同步无齿曳引机；电梯产业将信息化、网络化；蓝牙技术在电梯上应用；在电梯向高技术发展的同时，我们也清醒认识到中国人均收入低，对价格特别敏感，在这个特殊环境下，市场迫切需要简单、可靠的普及型电梯。在将来这类电梯约占中国电梯总需求一半以上。在现代工业自动化领域，已大量采用微机PLC
9、和单片机的控制，因此使得控制对象（被控设备）的结构越来越复杂，实现的功能也越来越多。同时，提高了生产效率，降低了产品的成本。然而，如此复杂的控制系统的设计很难一次设计调试完成，如果直接在带控设备上实验调试系统的功能，不仅大大浪费时间及人力、物力，严重时，由于控制系统设计中的软硬件的某些错误，还会造成事故，破坏设备，因此，希望有一种装置，它能够根据控制系统的输出，做出一系列待控设备所应该作出的反应，即模拟这种设备的各种状态。传统电梯多采用直流门机，利用电阻分压和分流方式进行调速控制。在这种控制方式中门机是分级调速的，运行时能耗高噪声大，而且调整困难故障率高。近年来，随着交流变频调速技术的广泛应用
10、，门机调速系统的性能大为改进，从而提高了电梯的安全可靠性。交流门机是电梯行业发展的一大趋势。随着高层建筑的兴建，电梯作为一种垂直运输载人交通工具，近几年得到迅速发展。安全可靠、运行平稳、停靠准确、乘坐舒适是电梯的主要性能目标。在实际电梯分类方法中，不同的分类方法会互相交叉，按用途可将电梯分为以下几类：乘客电梯：为运送乘客而设计的电梯，应用范围广泛。 载货电梯：可以有人随乘，主要为运送货物而设计的电梯，应用在工厂厂房和仓库中。 客货电梯：以运送乘客为主，但也可以运送货物的电梯。 病床电梯：为运送病床（包括病人）及医疗设备而设计的电梯，应用在医院和医疗中心。 住宅电梯：为便于运送乘客和家具、沙发、
11、担架等而设计的，供住宅楼使用的电梯。 杂物电梯：轿厢空间受限制，不允许人员进入。主要用于运送少量食品、图书和文件等。 汽车电梯：用作运送车辆而设计的电梯，应用在立体停车设备中。 特种电梯：应用在一些有特殊要求场合的电梯，包括防爆电梯、防腐电梯、船用电梯等。 观光电梯：井道和轿厢壁至少有一侧透明，乘客可观看轿厢外景物的电梯，主要运送乘客。实际电梯的基本原理主要分机械及电气两方面。机械方面：通过曳引机驱动，经由钢丝绳与曳引轮之间产生的摩擦力来带动轿厢上行及下行；作为平衡用的对重与轿厢的运行方向相反。电气方面：由控制柜内的微机程序驱动并与机械系统共同作用而控制电梯的运行及停止。2 选题背景电梯的运行
12、状态和系统设计构思包括：电梯在层与层之间的顺序和逻辑关系；电梯在某层停驻时的状态；电梯的速度测量。本次电梯控制模型的设计，是为了考察学生对单片机的认识及对单片机的应用。电梯控制模型是根据最常见的升降式电梯结构，采用透明有机材料制成，其结构模拟实际电梯，且几乎具备了实际电梯的所有功能。事实上可以把它看作是小型化了的真实电梯。电梯大部分部件均是采用透明有机材料制成，使得电梯的内部结构一目了然。本设计中的电梯控制模型，是采用80C51F020单片机作为核心辅之以相应的硬件电路、编制程序，模拟实际电梯，完成相应的功能。设计达到和超过了设计任务书主要技术指标要求和具有新颖、简单、实用的特点。它通过电梯控
13、制模型教学实验仪器模拟实际电梯，以电梯的运动为设计重点。此系统作为电梯控制模型教学仪器，主要让学生通过相关实验，对电机速度的测量与控制、轿厢载重的测量与报警、轿厢对各楼层呼叫的响应有较深层次的掌握。本系统主要由以下功能模块组成： C8051F020单片机控制核心 电梯运动控制系统 电梯呼叫系统 重量监测与报警 供电系统方案论证与比较二 系统设计与方案论证1 系统整体设计与方案论证LED显示键盘控制超重报警单 片 机C8051F020测重液晶显示转速检测电动机PWM驱动数码管显示图2-1 整体结构设计模块说明：单片机控制模块：系统的主控制器，控制其他模块协调工作。电机驱动调速模块：采用H型PWM
14、电路，保证了可以简单地实现转速和方向的控制。轿厢称重模块：采用一片电阻应变片吊拉方式，保证受力均匀。液晶显示模块：采用液晶显示可以显示很多信息，接口电路简单，控制方便。键盘输入模块：用C8051F020控制44键盘。方案一：对于这一整套的控制系统，若是简单地采用数字电路搭接组合，将导致整个系统规模庞大，而且电路复杂，并且稳定性不够，不易控制。无法达到题目要求。方案二：采用PLC工控的方式也是比较好的设计思想，但由于与设计本身的教学目的相冲突，所以不选择此种方案。方案三：采用单片机编程控制的方式，通过单片机控制电机的正转，反转，速度以及停滞等动作，系统将变得更为简洁且稳定，题目要求的所有功能都较
15、易实现，而且由于单片机的优越性，可以增加许多其他的功能。权衡以上方案的分析，拟采用方案三。2 单片机控制模块设计与方案论证方案一：专用型单片机芯片。它是指用途比较专一，出厂时程序已经一次性固化好，不能再修改的单片机芯片。例如电子表里的单片机芯片就是其中的一种，其生产成本很低。很显然这种单片机芯片不能满足我们设计的要求。方案二：通用传统型单片机芯片。它的用途很广泛，使用不同的接口电路及编制不同的应用程序就可完成不同的功能。小到家用电器仪器仪表，大到机器设备和整套生产线都可用单片机来实现自动化控制。如8031、8051等，这些单片机芯片价格也很便宜，但要实现某些功能时，必须外接很多电路，最后总的开
16、销也不小。 方案三：选用CPU高集成混合信号SOC单片机芯片C8051F020，由于C8051F020的高集成度,只需少量的外围电路。另外,C8051F020内核与普通51系列兼容,且指令简单易学，可缩短系统开发周期。实践证明，本控制系统精度高，稳定性好，硬件简单且工作可靠。其主要特点： 高速的（20MIP-25MIPS）与8051完全兼容的CIP-51内核。 内部FLASH存储器可实现在线系统编程，可作程序存储器也可作非易失性数据存贮。 工作电压为2.7V-3.6V，典型值为3V。I/O、RST、JTAG引脚均允许5V电压输入。 片内JTAG仿真电路，提供全速的电路内仿真，不占用片内用户资源
17、。支持断点、单步、观察点、运行和停止等调试命令，支持存贮器和寄存器校验和修改。3 电机驱动调速模块设计与方案论证电动机转速是工程上一个常用参数。旋转体的转速常以每秒钟或每分钟转数来表示。转速的测量方法很多，由于转速是以单位时间内转数来衡量，在变换过程中多数是有规律的重复运动。方案一 ：采用无刷直流电动机。具有梯形反电动势的永磁同步电动机通常被称为无刷直流电动机，它具有结构简单、体积小、重量轻、效率高、高功率密度、启动扭矩大、惯量小和响应快等其它种类直流电机无法比拟的特性。采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，从而克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等一系列弊病。无
18、刷直流电动机不仅具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，而且具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点。它的硬件电路图如图2-2所示。存储器显示块C8051F020霍尔脉冲信号D/A输出电机驱动电路直流无刷电机图2-2 为无刷直流电机硬件电路图其中电机驱动采用美国安森美公司开发的高性能第二代单元无刷直流电机控制器MC33035。该芯片内部具有定频调宽PWM电路,它集译码、过热、过流、欠压保护、正反转控制等诸多功能于一身，是一种功能齐全的电机控制器。通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压可以实现调速。在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，
19、产生脉宽调制(PWM)信号。改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速。所以我们可以通过单片机控制DAC0的输出，控制输入到直流无刷电机的电压，进而控制PWM波的占空比达到控制电机转速的目的。方案二：采用测速发电机。该方法是测速发电机与直流电机同轴相连，测速发电机输出电压与轴的转速成正比，然后采用A/D转换，按照需要设置一定的采样周期，进行闭环调节。该方法比较适合电动机功率比较大的场合，本系统电动机功率比较小，此方法增加了负荷，不够实用，且该发电机不节约能源。方案三：采用减速直流电动机，该模块采用红外光电传感器。它由红外发射管与接收管两部分组成。测量仪器发射出的红外线
20、固定在待测目标上的反射条反射后，携带上有关转速信息。在接收到反射波后，经过处理可得到转速。瞬时转速的测量主要是借助光电或磁电传感器来实现。其体做法是：与电机同轴连接一均匀分布的齿盘旋转，使该齿盘或直接利用电机来带动齿盘旋转，使该齿盘与电机轴同步旋转。光电或磁电传感器发出信号，经过光敏电阻后形成电脉冲，将脉冲送入计数器，并记录脉冲间隔时间，通过计算可得出电机的瞬时转速。采用达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性
21、也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。以上都是可行的转速测量控制系统的方案，方案一中的霍尔元件，在工业上广泛采用。但是在本题中，电机转轮较小，方案一中的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。相反，方案三是用于精度较高的场合，可以在电机转轮上加较多的遮光条来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案三。4 轿厢称重模块设计与方案论证压力传感器有两种：一种是金属丝电阻应变片，一种是压力传感器铂片。由于压力传感器铂片制作、焊接、标定都比较麻烦，不易在短期内完成。所以我们采用第一种。其原理是将金属丝电阻应变片粘附在弹簧片的表面，弹簧片在力的作用下发生形变，而电阻应变片也随着弹簧片一起变形，这将导致电阻
22、应变片电阻的变化。弹簧片受的力越大，形变也越大，电阻应变片电阻的变化也越大，测量出电阻应变片电阻的变化，就可以计算出弹簧片受力的大小。方案一：采用一个应变弹簧片支撑方式，将其固定在轿厢上。受重物停放位置影响，测量不够准确。放中间与放周围差别较大。方案二：采用多个（三个或四个）应变弹簧片，测量精度虽可提高，但电路复杂，各应变弹簧片需分开调整，调试难度较大。方案三：采用一个应变弹簧片吊拉工作方式，将应变弹簧片安放在吊拉轿厢的绳上，这样可以改善用一个应变弹簧片支撑时因位置不同而使压力不同的问题。而且只用对一片应变弹簧片进行调整，电路也较为简单。基于以上分析，拟采用方案三。5 液晶显示模块设计与方案论
23、证采用字符型LCD、LED同时显示。传统的8位数码管（LED）显示移动时间以及移动距离；采用点阵式液晶显示器（LCD）显示各种相关数据以及信息。它的功耗较小，体积相对较小，在有限的空间内可显示更多的数据.采用LED显示,它的缺点在于功耗大、体积大，在有限的空间内显示的数据有限。通过比较，故采用161的LCD显示。虽然这种方案不能像点阵式方案可显示汉字，但LCD也可用英文显示较为清晰的提示和数字，配上LED显示完全满足本设计的要求，其软件编程相对于点阵式LCD也简单得多，其价格也比较合理。用LCD和LED相结合的多变量显示，实现了设计任务书的具体要求。6 键盘输入模块设计与方案论证键盘方面采用矩
24、阵键盘，用C8051F020控制44键盘。矩阵键盘，是最传统的键盘方式，其程序和实现都很容易，而且很多书上都有现成的资料可共参考，稍加改动即可使用。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成44=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的按键比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。三 系统的原理概述1 电机转速测控部分的工作
25、原理采用红外光电传感器。该器件由红外发射管与接收管两部分组成，当光信号被隔断时，接收部分产生一个脉冲，通过对脉冲的计数，以达到测速的目的。电机控制部分，由于选择使用了减速直流电机，即24V直流电机自带减速机构，因此采用H型PWM驱动电路，通过对输出脉宽占空比的调节来调节电机转速；通过两对三极管的分别导通与截止，来控制电机正反转。其中直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。直流电机的优点：直流发电机的电势波形较好，对电磁干扰的影响小。
26、直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。直流电机的缺点：由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。直流发电机是机械能转换为直流电能的电气设备。它的转换工作原理是： 设电动机拖动转子以每分转n转转动，电机内部的固定部分要有磁场。这个磁场可以是磁铁也可以是磁极铁心上绕套线圈，再通过直流电产生磁场。这种线圈每个磁极上有一个，也就是，电机有几个磁极就有几个励磁线圈，这几个线圈串联（或并联）起来就构成了励磁绕组。这里要注意的是各线圈通过电流的方向不可出错。在以上条件下环外导体将感应电势，其大小与磁通密度 B 、导体的有效长度 L导体切割磁场速度 v 三者的乘积成正
27、比，其方向用右手定则判断。但是要注意某一根转子导体的电势性质是交流电。而经电刷输出的电动势却是直流电了。将直流电机的工作原理归结如下： 直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过。 电机内部有磁场存在。 载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力 f 的作用（左手定则）。 所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。直流电机的额定值主要有：额定功率P指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。若大于 1KW 或 1MW 时,则用 KW 或 MW 表示。额定电压U指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为量纲单位。额定电流 I指电机在额
28、定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。额定转速 n指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。 额定励磁电流 I指电机在额定状态时的励磁电流值。电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一为导电的绕组，因为重要，故称为电枢绕组。电枢绕组是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。电枢绕组的构成，应能产生足够的感应电动势，并允许通过一定多电枢电流，从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外，还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，运行可靠。考虑到精度的要求，我们在电机转轮上以30度为间隔安装了12片遮光条以隔断红外光传感器的光信号。这样电机转轮转一圈将产生12个脉冲，单片机
29、内的计数器一对该脉冲进行计数，且每0.2秒读一次计数器，这样就可以达到对电动机转速进行测量的目的。在直流电机驱动电路的设计中，对于它的功能和性能主要考虑以下几点：功能：电机是单向还是双向转动？需不需要调速？对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可。当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。如果不需要调速，只要使用继电器即可；但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速。对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标： 输出电流和电压范围。它决定着电路能驱动多大功率的电机。 效
30、率。高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通（H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路）入手。 对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。 对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染；大的电流可能导致地线电位浮动。 可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。本电路采用的是基于PWM原理的H型驱动电路。该电路采用S8050和大功率三极管3
31、DD15组成复合管，可以保证电动机起动瞬间的电流要求。电动机PWM驱动模块的电路设计与实现，电路原理图如图3-1所示。当U2为高电平，U3为低电平时Q2、Q3管导通，Q1、Q4管截止，电动机正转。当U2为低电平，U3为高电平时，Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，电动机反转。另外四个二极管可以在U2由高变低时，通过D2、D4两个二极管形成电动机线圈感应电压的回路，在U3由高变低时，通过D1、D3两个二极管形成电动机线圈感应电压的回路，起到保护电动机的作用。在电路中端口P02、P03的控制电压取自单片机。电机电压根据实际要求为24V，若用单片机直接控制复合管会对单片机有影响。基于上述考虑，我们运用了
32、PC817光耦集成块，将控制部分与电机的驱动部分隔离开，且不共地，这样就增加了各系统模块之间的隔离度，使得系统运行更为稳定。至于U2与U3这对控制电压，我们采用了100Hz的周期信号控制，通过对其占空比的调整，对电机转速进行调节。最小脉宽为1us，无级调速，可以满足电机转速调整的精度要求。同时，可以通过U2与U3的切换来控制电动机的正转与反转。转速检测:光电旋转编码器测取转速和位移信号，输出脉冲经倍频后接人高速输入端HSI，将脉冲送到片内定时器T2进行计数。在数字测速中，转速检测精度对准确定位有着重要的影响。为满足系统低速和高速运行时的测量精度要求，本系统采用M/T法，它综合M法和T法的优点，
33、检测时间由两部分组成，即T=T0+T ，其中T0为采样时间，T是为清除计数误差而引人的延时，即从定时时刻T到下一个脉冲到来时的时间间隔。其中：n= (60*f *m1)/(P*m2)式中f为时钟频率。m1为检测时间T内旋转编码器输出的脉冲数。p为电动机每转一周旋转编码器输出的脉冲数。m2为检测时间T内所计内部时钟脉冲数。M/T法测速需保证在脉冲上升沿到来时对m1和m2，进行计数。Header212JP2ACACHeader2V+ V-AC+AC-D1Bridge2+C12200ufIN OUTGND1234123MC7824ACT+C21000uf1kR1LED2+24VGND12JP1Mot
34、orMotorHeader23035v AC_IN123JP3R21KQ5S8050Q6Q1Q3D2Motor2Motor1Q9Q7Q8Q10R31.6KS80503DD15R41.6KQ2Q4D3D5R71.6KD4U2U3PC817PC817R51KR61.6K3DD153DD15图3-1 电动机PWM驱动模块的电路原理图2 轿厢称重部分工作原理1) 轿厢的组成：轿厢一般由轿厢架、轿底、轿壁、轿顶等主要构件组成。各类电梯的轿厢基本结构相同，由于用途不同在具体结构及外形上将有一定的差异。轿厢架是轿厢的主要承载构件，它由立柱，底梁，上梁和拉条组成。轿厢体由轿底板，轿厢壁，轿厢顶等组成。轿内设置
35、：一般轿内设有如下部分或全部装置，操纵电梯用的按钮操作箱；显示电梯运行方向及位置的轿内指示板；通讯联络用的警铃，电话或对讲系统；风扇或抽风机等通风设备；保证有足够照明度的照明器具；标有电梯额定载重量，额定载客数及电梯制造厂名称或相应识别标志的铭牌；电源及有/无司机操纵的钥匙开关等。 2) 轿厢地板有效面积的确定 3) 轿厢结构的设计计算4) 轿厢的称重装置:分为机械式，橡胶块式和负重传感器式。 其中，应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器。应变式传感器的核心元件是电阻应变计，也称应变计或应变片，是一种能将机械构件上的应变的变化转化为电阻变化的传感元件。应变计是一种重要的敏感元件，它在实验应
36、力分析中是测量应变和应力的主要传感元件，之所以成为重要的敏感元件，主要由于具有如下的优点： 应变的灵敏度和精度高。能测1-2微应变的应变。误差一般可小于1%。精度可达0.015%FS（普通精度可达0.05%FS）。 测量范围大。从弹性变形一直可测至塑性变形，变形范围从1%-20%。 尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为0.2mm*2.5mm）,重量轻，对试件工作状态和力分布影响很小。既可用于静态测量，又可用于动态测量，且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫兹的动态过程）。 3) 能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水压、强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。 价低廉、品种多样，便于选择和大量使
37、用。本称重系统中运用悬臂式传感器，它一般可测0.5kg以下的载荷，最小可测几十克重。悬梁式传感器也可达到很大的量程，如钢制工字悬梁结构传感器量程为0.2-30T，精度可达0.02%FS。悬臂梁式传感器具有结构简单、应变计容易粘贴。本称重系统采用一片金属丝电阻应变片。图3-2为应变片电桥测量电路，有应变片电阻R1和另外三个电阻R2、R3、R4构成桥路，当电桥平衡时（即电阻应变片未受力作用时），R1=R2=R3=R4=R，此时电桥的输出U0=0,当应变片受力后，R1发生变化，使R1、R3R2、R4，电桥输出U00，并有：应变片电桥测量电路: (3-1)电桥测量电路如图3-2所示。R1R2U0R3R
38、4图3-2 电桥测量电路四 系统硬件设计1 单片机核心设计C8051F020系列器件使用Cygnal专利CIP-51微控制器内核。CIP-51与MCS-51指令集完全兼容。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及8/4个字节宽的I/O端口。本设计选用CPU为高集成混合信号SOC单片机芯片C8051F020。CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大
39、系统时钟频率为12-24MHZ。而对于CIP-51内核，70%指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。C8051F020系列MCU在CIP-51内核和外设有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。扩展的中断系统向CIP-51提供了22个中断源（标准8051只有7个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统时，这些增加的中断源是非常有用的。丢失检测器、一个有比较器0提供的电压检测器、一个软件强制抚慰、CNVSTR引脚。/RST引脚是双向的，可接受
40、外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。除了VDD监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止，使用MONEN引脚，允许/禁止VDD监视器。在一次上电复位之后的MCU初始化期间，WDT可以被永久性。CIP-51包含一个扩展的中断系统，支持22个中断源，每个中断源有两个优先级。中断源在片内外设与外部输入引脚之间的分配随器件的不同而变化。每个中断源可以在一个SFR中有一个或多个中断标志。当一个外设或外部源满足有效的中断的中断条件时，相应的中断标志被置为“1”。如果中断被允许，在中断标志被置位时将产生中断使能。CIP-51有两种可软件编程的电源管理方式：等待和停机。在等待
41、方式，CPU停止运行，而外设和时钟处于活动状态。在停机方式，CPU停止运行，所有的中断和定时器（时钟丢失检测器除外）都处于非活动状态，系统时钟停止。由于在等待方式下时钟仍然运行，所以功耗与进入等待方式之前的系统时钟频率和处于活动状态的外设数目有关。停机方式消耗最少的功率。8051F020MCU是高集成度的混合信号片上系统，有按8位端口组织的64个数字I/O引脚（C8051F020/2）或32个数字I/O引脚。低端口（P0、P1、P2和P3）。既可以按位寻址也可以按字节寻址。高端口（P4、P5、P6和P7）只能按字节寻址。所有引脚都耐5V电压，都可以被配置为漏极开路或推挽输出方式和弱上拉。交叉开
42、关根据优先权译码将所选择的内部数字资源分配到I/O引脚，寄存器XBR0、XBR1和XBR2用于选择内部数字功能或让I/O端口。每个单片机的交叉开关的功能完全以样，只是P2在F001/06/16中没有对应的引脚，P1和P2在F002/07/17中没有相应的引脚。数字资源如果被分配到没有的引脚则不能被访问。12位精度转换器：C8051F020有一个片内12位SAR ADC（ADC0），一个9通道输入多路选择开关和可编程增益放大器。该ADC工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的12位精度，INL为+/-1LSB。A/D转换有4种启动方式：软件明亮、定时器2溢出、定时器3溢出和外部信号输入。
43、这种灵活性允许用软件事件、外部硬件信号或周期性的定时器异常信号触发转换。一次转换完成可以产生一个中断，或者用软件查询一个状态来判断转换结束。在转换完成后，10或12位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。这些数据字可以用软件控制为左对齐或右对齐。C8051F020芯片引脚如图4-1所示。图4-1 为C8051F020芯片引脚图2 直流电机驱动电路的设计PWM电路由四个大功率晶体管组成H型桥式电路构成，四部分晶体管以对角组合分为两组：根据两个输入端的高低电平决定晶体管的导通和截止。4个二极管在电路中起防止晶体管产生反向电压的保护作用。4个电感在电路中是起防止电动机两端的电流和晶体管上的电流
44、过大的保护作用。PWM的工作原理:PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的。因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。本设计采用由达林顿管组成的H型PWM电路驱动电机。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速
45、和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强。PWM调速工作方式：方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。PWM调脉宽方式：调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式。因为采用这种方式，电动机在
46、运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。在电动机驱动信号方面，我们采用了占空比可调的周期矩形信号控制。脉冲频率对电动机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但是带负载能力差，脉冲频率低则反之。经实验发现，脉冲频率在40Hz以上，电动机转动平稳，但加负载后，速度下降明显，低速时甚至会停转；脉冲频率在10Hz以下，电动机转动有明显跳动现象。实验证明，脉冲频率在15Hz-30Hz时效果最佳，而具体采用的频率可根据个别电动机性能在此范围内调节。通过N1输入信号，N2输入低电平与N1输入低电平，N2输入信号分别实现电动机的正转与反转功能。通过对信号占空比的调整来对车速进行调节。速度
47、分7档控制，从高电平（第6档）到低电平（第0档）中间占空比以20%逐极递减。速度微调方面，可以通过对占空比以1%的跨度逐增或逐减分别实现对速度的逐加或逐减。3 键盘显示电路的设计矩阵式键盘的结构与工作原理： 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成44=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。这样，当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入
