基于单片机的智能电梯控制系统设计

李欣阳 张博文 王慧敏

摘要：该文设计的智能电梯核心是STC89C51单片机，使用电机驱动芯片驱动两个直流减速电机实现控制电梯的基本上下行与开关门效果，利用可燃气体传感器与电阻式薄膜压力传感器检测电梯是否有可燃气体与电梯承载重量是否超重，同时通过按键实现楼层的选择与电梯上下行控制。

關键词：单片机;智能电梯;安全监测;安全控制

中图分类号：TP3       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）32-0126-03

1 引言

伴随着电子科技的飞跃式发展，与此同时，互联网通信技术也发展迅猛，智慧城市以及智能装备成了城市建设的一大热门方向[1]。伴随着“中国制造2025”的大力推进，智能化已经变成了电梯产业开发的热门方向，然而电梯产业在开发的时候需要注重生产安全等层面的要素，这也给智能电梯的发展提出了全新的考验。此外，由于现代化高科技进程的不断发展，当今全世界使用电梯的频次愈来愈高，从中能够看到电梯早已变成人们生活中十分重要的一种工具，已经得到了普遍的应用，因此强化对电梯控制系统的研究十分有意义[2]。

物联网技术在电梯运行方面能进一步实现智能化，其能够让电梯的管理工作更加方便，也能够让电梯的运营更加可靠[3]。与此同时，人们可以对正在运营的电梯开展实施的控制，假设电梯中的部分参数出现问题就能够进行及时更改，以避免错误的发生，提升电梯的总体运营效能;另一方面利用LCD1602显示电梯所处的位置和乘坐的人数，帮助用户在上下班高峰期查找电梯的运营状态，这样能够降低等待周期，提升了电梯的综合应用效率。

2 系统整体设计

2.1电梯控制系统总体方案

本设计基于STC89C51单片机， 实现通过内外双键盘实现电梯进出人与控制电梯上下行效果;通过MQ-9可燃气体传感器检测电梯桥厢内是否有可燃气体;通过薄膜压力传感器实时检测电梯是否超重;通过LCD1602显示电梯当前楼层编号与电梯内人数等功能。使用DRV8833电机驱动模块外接独立电源驱动两个N20减速电机分别连接绞盘和丝杆，同时配合设计的电梯模型实现电梯间上下行与电梯门的开启与关闭。通过ADS1115模数转换芯片使用IIC通信协议与51连接实现实时的ADC功能。使不具有ADC功能的51单片机能够实时检测压力传感器与可燃气体传感器的感应数据，对电梯是否超重和是否有可燃气体进行实时检测避免安全隐患。通过状态机的方式对电梯内的人数进行统计，不同的状态对应不同的处理结果。在进行实物设计之前，先进行Proteus仿真，在仿真当中模拟出设备端的运行状态，检验程序的设计与运行逻辑的正确性。整个电梯系统的主程序流程图如图1所示，系统Proteus仿真如图2所示。

2.2 系统整体测试方案

系统使用内外部矩阵按键控制电梯进行上下行以及电梯门的开合，超重和可燃气体检测为自动进行，检测到超重则会在LCD1602显示相应的重量信息，检测到可燃气体会进行报警。针对系统整体进行测试，检测项目整体是否有不符合设计要求的地方，检测安全机制是否能够正常运行，检测电梯是否能够正常运作，对于系统异常状态是否能够进行报警，检测系统对于输入的敏感程度。针对系统整体测试要求提出以下五个测试点进行检测，并记录测试结果。如表1所示。

1）针对电梯内无人的情况进行测试：启动整个系统后，电梯初始化完成后，按下内部按键，电梯显示当前承载人数为0，分别按下内部按键1、2、3，电梯无任何动作，说明电梯对内部无人的情况进行了异常排除，图3为测试点1测试结果。

2）针对电梯内无人的情况进行测试：分别按下外部按键1、2、3，电梯桥厢驶向对应楼层，当电梯到达对应楼层后，LCD1602显示楼层号为该层对应的楼层号，同时电梯门自动开合一次，让人员进出，此时LCD1602显示当前电梯内对应的人数，并对其进行了增减，图4为测试点2测试结果。

3）针对电梯内有人的情况进行测试：分别按下内部按键1、2、3，电梯桥厢驶向对应楼层，当电梯到达对应楼层后，LCD1602显示楼层号为该层对应的楼层号，同时电梯门自动开合一次，让人员进出，此时LCD1602显示当前电梯内对应的人数，并对其进行了增减，图5为测试点3测试结果。

4）针对电梯内是否存在可燃气体进行测试： 使用打火机释放丁烷气体，靠近MQ-9可燃气体传感器，大约3秒后，LCD1602显示由T转变为F，表明MQ-9可燃气体传感器已经检测到可燃气体，图6为测试点4测试结果。

5）针对电梯的重量进行测试：使用手指按压薄膜压力传感器，薄膜压力传感器若检测到压力，则会在LCD1602显示出对应的压力大小，图7为测试点5测试结果。

2.3 系统存在的问题

以上5个测试点的测试结果大体符合本次智能电梯控制系统的要求，但仍存在以下三方面的问题：

1）检测到可燃气体后未作排气装置

在电梯内部检测到可燃气体后，因为电梯轿厢为一个较为封闭的空间，不利于可燃气体的排出，但受限于制作成本以及时间原因并未做过多的关注，后续改进方法为在电梯间增加排气风扇，当检测到可燃气体后自动开启。

2）按键仅为内部与外部两个键盘未作拆分

受限于单片机引脚数的原因，并未制作全模拟的能够在每层进行上下行检测的按键，而是采用了较为节省硬件资源的矩阵键盘的方式去模拟一栋楼内的住户使用电梯间的情况。

3）单楼层内存在较多重物时，电机会有失准

出于成本考虑，本项目的模型采用了直流减速电机作为整个电梯间上下行以及电梯门开合的动力，但使用直流电机在电梯承载了较多的重物后，在相同的电压与驱动时间下会出现上行距离比空载时更短的情况。

3  结论

本设计基于STC89C51单片机的设计实现了通过内外双键盘实现电梯进出人与控制电梯上下行的效果;通过MQ-9可燃气体传感器检测电梯桥厢内是否有可燃气体;通过薄膜压力传感器实时检测电梯是否超重;通过LCD1602显示电梯当前楼层编号与电梯内人数等功能。软件的仿真结果以及对测试点的测试结果表明本次设计的基于单片机的智能电梯系统基本达到设计要求，能实现电梯的基本指令与运行。

参考文献

[1] 刘岑松，罗小巧，洪习欢.基于物联网的智能浇花系统[J].电子测量技术，2020，43（1）：176-180.

[2] 廖志雄.探析物联网技术在电梯监测报警管理系统中的应用[J].企业技术开发，2015，34（3）：48-49.

[3] Li P，Jin F J.Adaptive fuzzy control for unknown nonlinear systems with perturbed dead-zone inputs[J].Acta Automatica Sinica，2010，36（4）：573-579.

【通联编辑：朱宝贵】