基于STM32的智能电梯控制系统设计

电梯自动控制系统一般是基于PLC，但是在一些干扰较少，层数较少，且控制精度要求不高的情况下，使用单片机是十分适合的。虽然它在抗干扰及稳定性上比不上PLC，但是它的价格、体积及灵活性是PLC所不及的。

1、系统硬件设计

1．1、系统总体组成

如图1系统总体结构，本系统将基于ARMCortex－M3内核的STM32F103ZET6芯片作为主控芯片，连接电机控制、压力传感、液晶显示、光感检测、按键输入模块，通过程序控制组成了一个智能电梯控制系统。其中，电机控制模块用于模拟电梯门的开关和电梯的上下运动;压力传感模块用于模拟电梯门关闭时受到阻力的情况及超重警告;光感模块用于模拟电梯抵达楼层时的位置检测;液晶显示模块用于模拟电梯内部的楼层显示及电梯门开关动画;按键模块用于模拟电梯内楼层按键及电梯外的上下楼层按键。为了达到高效节能的目标，将电梯设计为：不可以按相邻楼层的按键，即不能通过电梯到达相邻楼层，这样就可以使得只上一层或下一层的人不使用该电梯，从而提高了电梯的工作效率，并且节约了能源。

图1  系统总体结构

1．2、步进电机及TB6560电机控制

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”）。

图2  电机与TB6560连接图

TB6560是一款带细分的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片，配合简单的外围电路即可开发出高性能的驱动电路。本系统中TB6560用来控制57系列两相四线步进电机，如图2 电机与TB6560连接图所示。微控制器通过软件驱动，控制步进电机的转动角位移，如图3 TB6560与MCU连接原理图所示，其中当输入电平为5V时，R_EN、R_CW、R_CLK为0;当输入电平为12V时，R_EN、R_CW为1kΩ，R_CLK为1．5kΩ;当输入电平为24V时，R_EN、R_CW为2kΩ，R_CLK为3kΩ。

图3  TB6560与MCU连接原理图

1．3、HX711称重A/D转换器及压力传感器

HX711是一款24位A/D转换器芯片。通过给芯片的SCK引脚输入固定脉冲数，达到配置输入通道、增益选择及DOUT引脚数据读取的作用。

本系统中，用HX711芯片来充当压力检测器。当电梯超重时，控制STM32给出声音警报，并拒绝启动电梯上下。另当电梯关门时，HX711也被用来检测两门受到的压力，若两门间感受到的压力大于设定值时，门将停止关闭并且重新打开。其中一个压力传感器装在电梯门上，另一个装在电梯底部。如图4HX711与MCU及压力传感器连接原理图所示，L1为用于隔离模拟与数字的电源，Q1为用于关断传感器和ADC的电源，STM32通过GPIO口与HX711的SCK引脚和DOUT引脚相连。当需要读取压力数据时，使用TIM定时器往SCK发送固定个数的脉冲，在DOUT处可以得到想要获得的数据。

图4  HX711与MCU及压力传感器连接原理图

1．4、TCRT5000光电传感器模块

TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为高电平;被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为低电平。

本系统共用了两个TCRT5000模拟检测“电梯到达某一楼层时”的情形。实际情况中可以在每一楼层装多个光感。当检测到已到达指定楼层时，控制电梯运动的电机停止，电梯停在该楼层。TCRT5000电路原理图如图5所示。

图5  TCRT5000电路原理图

1．5、按键及TFT彩屏设计

一般电梯内设有电梯门开关以及多个楼层按键，还有显示楼层信息的液晶屏。本系统使用开发板自带TFT彩屏模拟电梯内部结构。当按下“开”或“关”按键时，液晶屏上显示电梯门对应动画且电机配合运转;电梯在楼层间运动时，每当抵达某个楼层，液晶屏左上角显示动画中的数字便改为当前楼层。当电梯向高楼层运动时，液晶屏左上角显示向上箭头，反之则是向下箭头。电梯外设有“上”和“下”两个按键，用来发送电梯请求。LCD显示界面如图6所示。

2、软件设计

2．1、主控模块

如图7系统主控程序流程图所示，当STM32接收到电梯内外按键请求时，判断电梯是否在同楼层，若是，则打开电梯门，反之则将电梯运行到该楼层。当电梯抵达目的楼层时，通过光感检测电梯是否处于合适位置，如果是，则打开电梯门。若有较多乘客或者货物进入，超过电梯负重时，给出声音提醒，并将电梯门处于打开状态后锁死电机，直到负重达到正常水平，再进行电梯运作。

图7  系统主控程序流程图

2．2、电机控制模块

当电梯门需要打开或关闭时，STM32通过用定时器输出脉冲的方式，使用某个GPIO口给TB6560电机驱动器的CLK引脚输入脉冲，控制步进电机运动。假设电梯门打开时电机正转，即CW引脚低电平或者悬空，反之，关闭时则将CW引脚置高。同时该电机还模拟控制电梯在楼层中的运动。假设上楼时电机正转，CW引脚置低;下楼时，CW引脚置高，电机反转。如图8电机控制流程图所示，在获得电梯请求后，判断是开关电梯门还是上下楼层，然后按流程图中的顺序进行对应的操作。若是开关电梯门，则在关门时实时监测HX711处的数据;若是上下楼层，则当抵达楼层后，进行电梯门操作。

图8  电机控制流程图

2．3、HX711压力传感控制模块

在本设计中，对于HX711的初始化设置，选择输入通道A，128增益。在电梯关闭时，打开对应定时器通道，定时读取HX711采集到的数据，一旦超过限值，控制电机转向从而打开电梯门，确保乘客安全。

2．4、LCD显示模块、按键模块及TCRT5000光感模块

在按键响应中，本系统使用外部中断迅速反应电梯内外部请求，TCRT5000光感模块也使用到了外部中断检测。而对于模拟电梯内部的LCD显示，使用现有的库函数对界面进行设计。具体界面如图6LCD显示界面所示，屏幕的左侧作为电梯内部的按钮及楼层显示液晶。当电梯在楼层中移动时，抵达某一层，屏幕左上角的数字就会刷新成当前楼层的数字，若是上升则数字边的箭头向上，反之向下。屏幕右侧模拟电梯门的开关，与电机同步。

3、小结

本例只是电梯正常工作的基本原理及方法的模拟实现。由于只是探求电梯的运行原理，减少了电机、光感、压力传感器、按键的数量。实际应用中，需要更好的仪器设备以及调试方法。