基於STM32F103ZET6芯片+TB6560+HX711 24位A/D轉換器芯片+TCRT5000光電傳感器模塊的智能電梯控制系統設計方案

　　電梯自動控制系統一般是基於PLC，但是在一些幹擾較少，層數較少，且控制精度要求不高的情況下，使用單片機是十分適合的。雖然它在抗幹擾及穩定性上比不上PLC，但是它的價格、體積及靈活性是PLC所不及的。

　　1、系統硬件設計

　　1.1、系統總體組成

　　如圖1系統總體結構，本系統將基於ARMCortex-M3內核的STM32F103ZET6芯片作為主控芯片，連接電機控制、壓力傳感、液晶顯示、光感檢測、按鍵輸入模塊，通過程序控制組成瞭一個智能電梯控制系統。其中，電機控制模塊用於模擬電梯門的開關和電梯的上下運動;壓力傳感模塊用於模擬電梯門關閉時受到阻力的情況及超重警告;光感模塊用於模擬電梯抵達樓層時的位置檢測;液晶顯示模塊用於模擬電梯內部的樓層顯示及電梯門開關動畫;按鍵模塊用於模擬電梯內樓層按鍵及電梯外的上下樓層按鍵。為瞭達到高效節能的目標，將電梯設計為：不可以按相鄰樓層的按鍵，即不能通過電梯到達相鄰樓層，這樣就可以使得隻上一層或下一層的人不使用該電梯，從而提高瞭電梯的工作效率，並且節約瞭能源。

　　圖1 系統總體結構

　　1.2、步進電機及TB6560電機控制

　　步進電機是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)。

　　圖2 電機與TB6560連接圖

　　TB6560是一款帶細分的低功耗、高集成兩相混合式步進電機驅動芯片，配合簡單的外圍電路即可開發出高性能的驅動電路。本系統中TB6560用來控制57系列兩相四線步進電機，如圖2 電機與TB6560連接圖所示。微控制器通過軟件驅動，控制步進電機的轉動角位移，如圖3 TB6560與MCU連接原理圖所示，其中當輸入電平為5V時，R_EN、R_CW、R_CLK為0;當輸入電平為12V時，R_EN、R_CW為1kΩ，R_CLK為1.5kΩ;當輸入電平為24V時，R_EN、R_CW為2kΩ，R_CLK為3kΩ。

　　圖3 TB6560與MCU連接原理圖

　　1.3、HX711稱重A/D轉換器及壓力傳感器

　　HX711是一款24位A/D轉換器芯片。通過給芯片的SCK引腳輸入固定脈沖數，達到配置輸入通道、增益選擇及DOUT引腳數據讀取的作用。

　　本系統中，用HX711芯片來充當壓力檢測器。當電梯超重時，控制STM32給出聲音警報，並拒絕啟動電梯上下。另當電梯關門時，HX711也被用來檢測兩門受到的壓力，若兩門間感受到的壓力大於設定值時，門將停止關閉並且重新打開。其中一個壓力傳感器裝在電梯門上，另一個裝在電梯底部。如圖4HX711與MCU及壓力傳感器連接原理圖所示，L1為用於隔離模擬與數字的電源，Q1為用於關斷傳感器和ADC的電源，STM32通過GPIO口與HX711的SCK引腳和DOUT引腳相連。當需要讀取壓力數據時，使用TIM定時器往SCK發送固定個數的脈沖，在DOUT處可以得到想要獲得的數據。

　　圖4 HX711與MCU及壓力傳感器連接原理圖

　　1.4、TCRT5000光電傳感器模塊

　　TCRT5000光電傳感器模塊是基於TCRT5000紅外光電傳感器設計的一款紅外反射式光電開關。傳感器的紅外發射二極管不斷發射紅外線，當發射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，光敏三極管一直處於關斷狀態，此時模塊的輸出端為高電平;被檢測物體出現在檢測范圍內時，紅外線被反射回來且強度足夠大，光敏三極管飽和，此時模塊的輸出端為低電平。

　　本系統共用瞭兩個TCRT5000模擬檢測“電梯到達某一樓層時”的情形。實際情況中可以在每一樓層裝多個光感。當檢測到已到達指定樓層時，控制電梯運動的電機停止，電梯停在該樓層。TCRT5000電路原理圖如圖5所示。

　　圖5 TCRT5000電路原理圖

　　1.5、按鍵及TFT彩屏設計

　　一般電梯內設有電梯門開關以及多個樓層按鍵，還有顯示樓層信息的液晶屏。本系統使用開發板自帶TFT彩屏模擬電梯內部結構。當按下“開”或“關”按鍵時，液晶屏上顯示電梯門對應動畫且電機配合運轉;電梯在樓層間運動時，每當抵達某個樓層，液晶屏左上角顯示動畫中的數字便改為當前樓層。當電梯向高樓層運動時，液晶屏左上角顯示向上箭頭，反之則是向下箭頭。電梯外設有“上”和“下”兩個按鍵，用來發送電梯請求。LCD顯示界面如圖6所示。

　　圖6 LCD顯示界面

　　2、軟件設計

　　2.1、主控模塊

　　如圖7系統主控程序流程圖所示，當STM32接收到電梯內外按鍵請求時，判斷電梯是否在同樓層，若是，則打開電梯門，反之則將電梯運行到該樓層。當電梯抵達目的樓層時，通過光感檢測電梯是否處於合適位置，如果是，則打開電梯門。若有較多乘客或者貨物進入，超過電梯負重時，給出聲音提醒，並將電梯門處於打開狀態後鎖死電機，直到負重達到正常水平，再進行電梯運作。

　　圖7 系統主控程序流程圖

　　2.2、電機控制模塊

　　當電梯門需要打開或關閉時，STM32通過用定時器輸出脈沖的方式，使用某個GPIO口給TB6560電機驅動器的CLK引腳輸入脈沖，控制步進電機運動。假設電梯門打開時電機正轉，即CW引腳低電平或者懸空，反之，關閉時則將CW引腳置高。同時該電機還模擬控制電梯在樓層中的運動。假設上樓時電機正轉，CW引腳置低;下樓時，CW引腳置高，電機反轉。如圖8電機控制流程圖所示，在獲得電梯請求後，判斷是開關電梯門還是上下樓層，然後按流程圖中的順序進行對應的操作。若是開關電梯門，則在關門時實時監測HX711處的數據;若是上下樓層，則當抵達樓層後，進行電梯門操作。

　　圖8 電機控制流程圖

　　2.3、HX711壓力傳感控制模塊

　　在本設計中，對於HX711的初始化設置，選擇輸入通道A，128增益。在電梯關閉時，打開對應定時器通道，定時讀取HX711采集到的數據，一旦超過限值，控制電機轉向從而打開電梯門，確保乘客安全。

　　2.4、LCD顯示模塊、按鍵模塊及TCRT5000光感模塊

　　在按鍵響應中，本系統使用外部中斷迅速反應電梯內外部請求，TCRT5000光感模塊也使用到瞭外部中斷檢測。而對於模擬電梯內部的LCD顯示，使用現有的庫函數對界面進行設計。具體界面如圖6LCD顯示界面所示，屏幕的左側作為電梯內部的按鈕及樓層顯示液晶。當電梯在樓層中移動時，抵達某一層，屏幕左上角的數字就會刷新成當前樓層的數字，若是上升則數字邊的箭頭向上，反之向下。屏幕右側模擬電梯門的開關，與電機同步。

　　3、小結

　　本例隻是電梯正常工作的基本原理及方法的模擬實現。由於隻是探求電梯的運行原理，減少瞭電機、光感、壓力傳感器、按鍵的數量。實際應用中，需要更好的儀器設備以及調試方法。