【51单片机】：智能施工电梯系统
项目效果：
基于51单片机的智能施工电梯系统
摘 要
智能施工电梯系统目前广泛应用于人们建筑工程中，为人们施工时上下搬运提供了极大的便利。智能施工电梯系统包括密码开启、超重提示，电梯运作及相关信息显示等等功能，施工电梯为我们的建筑工程中上下运输带来巨大的改变。
本次设计是利用AT89C52单片机控制的智能施工电梯系统,包括课题概述、总体方案、硬件设计、软件设计和系统调试等。硬件部分主要由51单片机、步进电机模块、4*4矩阵按键、称重HX711模块、LCD1602显示和蜂鸣器模块等部分组成。利用代码控制芯片使能步进电机模块用于控制电梯的上下运动，4*4矩阵按键用于检测用户请求的楼层信息，称重HX711模块用于检测电梯是否超重，LCD1602显示用于显示电梯的状态信息和时间，蜂鸣器模块用于发出警报声。通过单片机控制外围设备，对单片机进行综合性应用。
该设计的最终目标是实现了一个简单的电梯控制系统，能够控制电梯的上下运动，并且能够检测电梯是否超重。通过使用单片机控制外围设备，实现了电梯的智能化控制，提高了电梯的安全性和便利性。同时，该设计还具有一定的实用性，可以作为小型电梯控制系统的基础，扩展更多的功能和性能，满足不同场合的需求。
关键词：51单片机；步进电机模块；4*4矩阵按键；称重HX711模块；LCD1602显示；蜂鸣器
目录
项目效果：
摘 要
概述
1.1电梯的应用与发展
1.2电梯的发展现状
1.3智能施工电梯系统研究的背景和内容
第2章 设计要求及内容
2.1智能施工电梯系统设计要求
2.2智能施工电梯系统设计内容
第3章 系统总体方案及硬件设计
3.1 智能施工电梯系统总体方案
3.2 硬件选型
3.3 硬件设计
编辑
第4章 软件设计
4.1 系统总体流程设计
4.2 系统总流程图
第5章 系统调试
5.1 系统调试遇到的Bug和解决方案
5.2 解决Bug的经验
第6章 项目体会
6.1项目总结
概述
1.1电梯的应用与发展
1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙·格雷夫斯·奥的斯第一次向世人展示了他的发明－历史上第一部安全升降梯。从那以后，升降梯在世界范围内得到了广泛应用。以奥的斯的名字而命名的电梯公司也开始了她辉煌的旅程。150年以来，她已经发展成为世界、亚洲和中国领先的电梯公司。
生活在继续，科技在发展，电梯也在进步。电梯的材质由黑白到彩色，样式由直式到斜式，在操纵控制方面更是步步出新－手柄开关操纵，按钮控制，信号控制，集选控制、人机对话等，多台电梯还出现了并联控制，智能群控；双层轿箱电梯展示出节省井道空间，提升运输能力的优势，变速式自动人行道扶梯大大节省了行人的时间；不同外形的扇形、三角形、半棱形、圆形观光电梯则使身处其中的乘客的视线不再封闭。一个半世纪的风风雨雨，翻天覆地的是历史的变迁，永恒不变的是电梯提升现代人生活质量的承诺。
1.2电梯的发展现状
随着计算机技术和电力电子技术的发展，现代电梯已经成为典型的机电一体化产品。电梯具有很高的安全要求，它以零部件的形式出厂，总装配在工地现场进行，通过机械零部件之间的装配和机械装置与土建结构之间的的衔接完成安装，最终形成电梯产品。精心的制造和安装还不能完全保证无故障运行，其运行可靠性在很大程度上依靠维修保养。所以，电梯的制造、安装和维保不宜分割。
大规模的经济建设尤其是蓬勃发展的房地产业给电梯行业开拓了广阔的市场，2001年我国电梯产量达4.5万台，创造了行业发展史上的一个新的高峰，被业内人士称为“第三次浪潮”。目前，中国经济建设需求的各类电梯、几乎全部可以在中国生产。由此可见，一个兴旺的电梯市场已经形成。进入80年代以来，随着经济建设的持续高速发展，我国电梯需求量越来越大。
在智能电梯领域中，有一种简陋的电梯系统，就是建筑工程中的施工电梯。由于蓬勃发展的房地产业，所以大规模的建筑工程兴起，为了使工程进度加快，节省人力，所以在建筑工程中经常会使用到施工电梯。
1.3智能施工电梯系统研究的背景和内容
随着社会的不断发展和科技的不断进步，人们对于工程建设的要求也越来越高。在建筑施工中，电梯作为必要的设备之一，已经成为工程建设中不可或缺的一部分。然而，传统的电梯设备在施工中存在一些问题，比如安装和拆卸困难、移动不便、安全性低等等，这些问题不仅增加了施工难度，同时也影响了施工效率和质量。
为了解决这些问题，智能施工电梯控制系统应运而生。该系统可以有效地提高施工电梯的安全性和便捷性，使得电梯的安装和拆卸更加容易，同时也能够提高施工效率和质量。
第一，需要考虑如何实现电梯的智能化控制。传统的电梯控制系统通常采用机械式控制，但在施工中，这种方式显然不太适用。因此，需要采用更加先进的电子控制技术，比如单片机控制技术。单片机控制技术可以提高电梯的精度和稳定性，同时也可以降低电梯的成本和维护难度。
第二，需要考虑如何实现电梯的自动化控制。智能施工电梯控制系统需要能够自动地响应用户的请求，并且能够自动地控制电梯的上下运行。因此，需要采用一些传感器和控制模块，比如步进电机模块、4*4矩阵按键、称重HX711模块等，来实现电梯的自动化控制。
第三，需要考虑如何实现电梯的安全控制。智能施工电梯控制系统需要能够检测电梯是否超重，避免电梯的过载运行，同时也需要能够发出报警声音，保障电梯的安全性。因此，需要采用一些安全控制模块，比如LCD1602显示器和蜂鸣器模块等，来实现电梯的安全控制。
第四，需要考虑如何实现电梯控制系统的实用性和可靠性。智能施工电梯控制系统需要能够适用于不同的施工环境和需求，同时也需要具备足够的可靠性和稳定性，保障电梯的正常运行。因此，需要对电梯控制系统进行充分的测试和优化，保证其实用性和可靠性。
综上所述，智能施电梯控制系统具有广泛的应用前景和研究价值。本文介绍了该系统的设计和实践，同时也探讨了该系统中存在的技术问题和挑战。相信在未来的研究中，将会有更多的技术和方法被应用到该系统中，使其更加完善和实用。
第2章 设计要求及内容
2.1智能施工电梯系统设计要求
智能施工电梯系统是利用AT89C52单片机作为核心控制智能施工电梯系统，实现电梯的上下运动和智能化控制。该系统具有密码开启、超重提示、电梯运作及相关信息显示等功能，可为建筑工程中的搬运提供便利，并提高梯级的安全性和便捷性。此外，该设计还具有一定的实用性，可作为小型电梯控制系统的基础，扩展更多的功能和性能，满足不同场合的需求。
综合考虑，制作智能施工电梯系统的要求如下几点：
系统稳定性：在设计过程中，需要保证系统的稳定性，防止出现电梯失控等危险情况。因此需要对硬件和软件进行充分的测试和调试，确保系统的可靠性和稳定性。
系统安全性：电梯是一种特殊的设备，需要保证其安全性。因此，在设计过程中需要考虑到电梯超重等异常情况，并进行相应的处理，以确保电梯的安全性。
系统易用性：电梯是一种常用的设备，需要保证其易用性。因此，在设计过程中需要考虑到用户的使用习惯和操作方式，设计简便易懂的界面和操作方式，提高电梯的易用性。
系统扩展性：本设计是一个简单的电梯控制系统，未来可以根据实际需求扩展更多的功能和性能。因此，在设计过程中需要考虑到系统的扩展性，为后续的功能扩展和升级留下足够的余地。
系统实现：AT89C52单片机通过控制步进电机模块的正反转和速度，实现电梯的上下运动；4*4矩阵按键用于检测用户输入的楼层信息；称重HX711模块用于检测电梯是否超重。电梯状态显示模块由LCD1602显示屏组成，可以实现电梯的状态信息和时间的显示。安全警报模块由蜂鸣器模块组成，当电梯超重时，蜂鸣器模块会发出警报声。
系统测试：在系统设计和搭建完成后，需要进行充分的测试和调试，确保系统的可靠性和稳定性。测试过程中需要测试电梯控制模块、电梯状态显示模块和安全警报模块的功能，以及系统的稳定性、安全性、易用性和扩展性，确保系统能够满足设计要求。
2.2智能施工电梯系统设计内容
本设计采用了基于单片机的设计方案，主要由电梯控制模块、电梯状态显示模块和安全警报模块三部分组成。其中，电梯控制模块主要负责电梯的上下运动和用户请求的楼层信息的处理；电梯状态显示模块主要负责电梯状态信息和时间的显示；安全警报模块主要负责电梯故障和其他异常情况的警报提示。
本设计的系统流程如下：
电梯启动：用户需要在电梯内部输入正确的密码后，按下启动按钮，电梯才能启动。
监测电梯状态：电梯状态包括电梯所在楼层、电梯运行方向、是否超重等信息。
用户请求楼层：用户在电梯内部输入楼层请求信息，电梯根据请求信息自动运行到相应的楼层。
超重检测：电梯内置称重传感器，当电梯载重超过预设值时，系统会发出警报声且无法启动电梯。
本设计的系统实现如下：
电梯控制模块：电梯控制模块由单片机、步进电机模块和按键模块组成。单片机通过控制步进电机模块的正反转和速度，实现电梯的上下运动；按键模块用于检测用户输入的楼层信息。
电梯状态显示模块：电梯状态显示模块由LCD显示屏组成，可以实现电梯状态信息和时间的显示。
安全警报模块：安全警报模块由蜂鸣器模块组成，当电梯发生超重时，蜂鸣器模块会发出警报声并且电梯无法启动。
本设计的系统优势如下：
提高施工电梯的安全性和便捷性：本设计采用了智能化控制，可以实现电梯的自动控制，避免了传统电梯的手动操作，提高了电梯的安全性和便捷性。
实现密码开启和超重提示功能：本设计采用了密码开启和超重提示功能，可以防止未授权人员使用电梯，同时也可以避免电梯超载，保证了电梯的安全性。
显示电梯状态和时间：本设计采用了电梯状态显示模块，可以实时显示电梯的状态信息和时间，方便用户了解电梯的运行情况。
第3章 系统总体方案及硬件设计
3.1 智能施工电梯系统总体方案
该系统的硬件部分主要由AT89C52单片机、步进电机模块、44矩阵按键、称重HX711模块、LCD1602显示和蜂鸣器模块等部分组成。软件部分使用C语言，和Keil软件完成主要工程部分，利用代码控制芯片使能步进电机模块用于控制电梯的上下运动，44矩阵按键用于检测用户请求的楼层信息，称重HX711模块用于检测电梯是否超重，LCD1602显示用于显示电梯的状态信息和时间，蜂鸣器模块用于发出警报声。
一、硬件设计
智能施工电梯控制系统的硬件设计包括电梯主控板、电机模块、各类传感器和安全控制模块等。其中，电梯主控板是整个系统的核心部件，负责电梯的智能化控制和自动化控制。电机驱动板则负责控制电梯电机的运转。传感器和安全控制模块则负责检测电梯的重量、高度和运行状态等信息，以保障电梯的安全性。
二、软件设计
智能施工电梯控制系统的软件设计包括电梯控制程序和安全控制程序两个部分。电梯控制程序负责控制电梯的上下运行、停止和呼叫等功能，采用单片机控制技术实现。安全控制程序则负责检测电梯的重量、高度和运行状态等信息，以及发出警报信号，保障电梯的安全性。
三、安全控制设计
智能施工电梯控制系统的安全控制设计包括超重保护、上下限位保护和电机过载保护等功能。超重保护功能通过称重HX711模块检测电梯的重量，当电梯超重时，系统会发出警报信号，避免电梯的过载运行。上下限位保护功能通过限位开关检测电梯的高度，当电梯达到上下限位时，系统会自动停止电梯的运行。电机过载保护功能通过电机驱动板和电流检测模块实现，当电机过载时，系统会自动停止电梯的运行。
四、系统测试和优化
智能施工电梯控制系统的测试和优化包括硬件测试和软件测试两个方面。硬件测试主要是通过对开发板进行测试，以保障系统的正常运行。软件测试主要是通过对电梯控制程序和安全控制程序进行测试，以保障系统的稳定性和可靠性。
3.2 硬件选型
单片机芯片选型：
考虑到本设计需要控制电梯的上下运动，因此需要选择一款能够控制外围设备的单片机。51单片机具有较强的性能和可靠性，可满足本次设计的需求，并且价格较为实惠，因此选择51单片机作为控制器。
STC89C52RC是一种基于8051架构的51单片机芯片，由中国的STC公司生产。它包含52KB的闪存程序存储器，1KB的RAM数据存储器，以及一系列的外设接口，例如串口、定时器、计数器等等，可广泛应用于工业自动化、仪器仪表、智能家居、电子产品等领域。STC89C52RC具有低功耗、高性能和高可靠性等优点，成本相对较低，因此在中国的嵌入式系统开发领域得到了广泛应用。
传感器选型：
1、步进电机模块：步进电机模块是控制电梯上下运动的核心部分，需要选择性能较好的步进电机模块。根据电梯的负载和运行速度等参数，选择步进电机模块型号为28BYJ-48，具有精度高、转速快、价格便宜等优点，能够满足本设计的需求。
2、4*4矩阵按键：4*4矩阵按键用于检测用户请求的楼层信息，需要选择稳定性好的矩阵按键，防止误触发。根据需求，选择4*4矩阵按键型号为16键矩阵键盘，具有稳定性好、触感优良、价格便宜等特点，能够满足本设计的需求。
3、称重HX711模块：称重HX711模块用于检测电梯是否超重，需要选择高精度的称重模块。根据需求，选择HX711模块，HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24 位A/D 转换器芯片。与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。降低了电子秤的整机成本，提高了整机的性能和可靠性。具有精度高、噪声低、价格便宜等特点，能够满足本设计的需求。
4、LCD1602显示器：LCD1602显示器用于显示电梯的状态信息和时间，需要选择易于使用和集成的显示器。根据需求，选择LCD1602显示器，具有显示效果好、易于使用、价格便宜等特点，能够满足本设计的需求。
5、蜂鸣器模块：蜂鸣器模块用于发出警报声，需要选择音量适中、声音清晰的蜂鸣器模块。根据需求，选择主流的有源蜂鸣器模块，有源蜂鸣器的优点：程序控制方便，直接直流电压驱动可以发音。具有音量适中、声音清晰、价格便宜等特点，能够满足本设计的需求。
6. DS1302是一款常用的实时时钟芯片，具有低功耗、高精度、易于控制等特点，可广泛应用于电子产品中的时间和日期显示功能。DS1302选型的好处包括低功耗、高度精确的时钟和日历功能、精确的时间信息、控制简单，易于集成、 价格实惠，适用于各种应用场景，能够满足本设计的需求。
智能施工电梯系统硬件选型方案的特点：系统集成度高，模块化设计，易于维护和升级；多种传感器和模块的使用，使得电梯具有自动控制、安全提示等功能；采用单片机控制电梯的上下运动，具有精度高、稳定性好等特点。
3.3 硬件设计
在硬件设计中，电子CAD软件是必不可少的工具。立创EDA作为国内知名的PCB设计软件之一，具有易学易用、功能完备、价格实惠等特点，受到了越来越多的电子工程师的青睐。立创EDA的使用可以大大提高硬件设计的效率和质量，让设计师更加专注于产品的创新和优化。
在使用立创EDA进行硬件设计时，我们需要进行以下步骤：
1.电路设计：根据产品的需求和功能要求，选择合适的电子元器件并将其组合成电路，绘制成原理图。在设计电路时，需要考虑电路的稳定性、精度、功耗等因素，并进行仿真和调试。
2.PCB布局：将电路设计转化为PCB布局，包括元器件的位置和走线的布局。在布局时，需要考虑电路的信号完整性、电磁兼容性、散热等因素，并进行优化和调整。
3.PCB制造：将PCB布局转化为实际的PCB板，并进行制造和质量检验。在制造时，需要选择合适的PCB厂家，并进行工艺流程和质量控制。
4.PCB测试：对PCB板进行测试和调试，包括电路的测试、信号完整性测试、电磁兼容性测试等。在测试时，需要选择合适的测试设备和方法，并进行数据分析和修正。
第4章 软件设计
4.1 系统总体流程设计
方案实现流程：
- 开机硬件自检，LCD1602显示开机界面并提示下一步。
- 点击按键K1，进入密码输入界面，一共三次输入密码的机会，如果三次都输错误，系统锁定，无法进行下一步。按键K2是退出按钮，点击即可退出系统。
- 密码输入正确之后，进入系统，第一行显示当前的时间，第二行显示当前的重量，自动开启称重模块，实时检测重量，当重量>100g，蜂鸣器立即报警，且无法进入控制系统，电梯无法升降。
- 点击按键K3，进入电梯升降系统，由4*4矩阵键盘模拟楼层按钮、步进电机模拟电梯升降，系统楼层一共是1层~9层，由4*4矩阵键盘控制，当点击S4，步进电机正转4圈，到达4层；当点击S9，步进电机继续正转5圈，到达9层；当点击S1，步进电机反转9圈，到达1层。
- 点击K4，可以退出系统。
4.2 系统总流程图
流程图如下：系统提示界面流程图、显示输入密码流程图、电梯控制流程图、主流程图、系统控制电梯流程图。
第5章 系统调试
5.1 系统调试遇到的Bug和解决方案
系统调试是软件工程中非常重要的一个环节，经常需要面对各种各样的bug。在实际的系统调试中，我也遇到了不少的bug，下面我将分享一些经验和教训。
- 内存不足，定义的变量占用的字节数超过芯片内部规定字节数，导致程序崩溃。解决方案：对程序进行精简，对没必要的变量进行合并或删除，对程序没有调用的部分删除。
- 步进电机故障：电机是电梯升降的动力源，如果电机出现故障，会导致电梯无法正常升降。解决方案：检查电机的接线和配置是否正确，如果无法解决，可以更换电机。
- 程序逻辑错误：程序逻辑错误是指程序中的逻辑关系出现问题，导致电梯无法正常运行。解决方案：对程序进行逐行调试，找出逻辑错误的原因并进行修复。
- 硬件故障：硬件故障是指电梯系统中的硬件出现故障，例如电路板损坏、线路接触不良等。解决方案：对电梯系统进行硬件检测，找出故障的部件并进行修复或更换。
- 单片机引脚冲突问题：当使用了多个外设时，可能会导致设备占用的引脚太多且可能会互相冲突，导致程序出错。解决方案：对能合并的引脚合并，使用芯片进行串转并，形成单控制多的效果。
- 调试、下载接口故障：单片机的调试、下载接口可能会出现故障，导致调试无法进行。解决方案：检查调试接口连接是否正确，检查调试工具是否损坏，如果需要，可以更换调试工具。
- 时序错误：当单片机的时序不正确时，会导致系统无法正常运行。解决方案：检查时序设置是否正确，修改时序参数以满足系统要求。
- 电源问题：单片机的电源问题可能会导致系统无法正常工作。解决方案：检查电源连接是否正确，检查电源质量是否良好，如果需要，可以更换电源。
5.2 解决Bug的经验
经过长时间的学习和探索，制作智能施工电梯系统，解决了很多问题，解决Bug是软件开发中必不可少的一环，它不仅需要开发人员具备扎实的编程技能和经验，还需要具备较强的问题解决能力和耐心。下面我将分享一些解决Bug的经验。
1.确定Bug的复现步骤
在解决Bug之前，首先需要确定Bug的复现步骤。应该尽可能地重现出Bug的现象，并记录下引发Bug的操作步骤、输入数据等信息。这样有助于更快地定位问题，并减少不必要的调试时间。
2.分析Bug的原因
确定Bug的复现步骤之后，需要对Bug进行分析，找出Bug的根本原因。这个过程需要结合代码调试工具、日志文件等工具，仔细排查程序的执行流程和变量的值等信息。在分析Bug的过程中，应该保持冷静，避免过度推测和假设，确保分析结果准确可靠。
3.修复Bug的代码
分析出Bug的原因之后，需要对Bug的代码进行修复。在修复Bug的过程中，要遵循良好的编程习惯，保持代码的可读性和可维护性。同时，还要注意代码的兼容性和稳定性，确保修复后的程序不会引入新的Bug。
4.进行测试和验证
修复Bug之后，需要进行测试和验证，确保Bug已经被完全解决。测试和验证的过程可以包括手动测试、自动化测试、代码审查等方法。需要对修复后的代码进行全面的测试和验证，确保程序的功能和性能都符合预期。
总的来说：解决Bug需要具备扎实的编程技能和经验，以及较强的问题解决能力和耐心。在解决Bug的过程中，开发人员需要遵循良好的编程习惯，保持代码的可读性和可维护性，同时还要注意程序的兼容性和稳定性。最终，成功解决Bug不仅能提高程序的稳定性和可靠性，还能增强开发人员的自信心和专业能力。
第6章 项目体会
6.1项目总结
在完成智能施工电梯系统的课程设计过程中，我获得了很多有价值的体会和经验。下面是我个人的课程体会：
1.技术学习是不断迭代的过程
在开发智能施工电梯系统的过程中，我不断学习新的技术和知识。在学习过程中，我深刻认识到技术学习是一个不断迭代的过程。我们需要不断地学习和实践，才能掌握新的技术和知识。同时，我们还需要保持谦虚和开放的心态，不断吸取他人的经验和教训，以便更好地提高自己的技能和水平。
2.需求分析是项目成功的关键
在开发智能施工电梯系统之前，我们需要对用户需求进行充分的分析和了解。需求分析是项目成功的关键，只有了解用户需求，才能开发出符合用户要求的系统。在需求分析过程中，我们需要与用户进行充分的沟通和交流，以便更好地了解用户的需求和期望。
3.代码规范和良好的编程习惯是必不可少的
在开发智能施工电梯系统的过程中，我们需要遵循代码规范和良好的编程习惯。代码规范和良好的编程习惯可以提高代码的可读性和可维护性，有助于我们更好地协作和交流。同时，良好的编程习惯还可以提高我们的编程效率和代码质量，有助于我们更好地完成开发任务。
4.测试和调试是项目开发过程中必不可少的环节
在开发智能施工电梯系统的过程中，测试和调试是必不可少的环节。只有经过充分的测试和调试，才能确保系统的稳定性和可靠性。在测试和调试过程中，我们需要细心耐心地排查问题，找出系统中存在的漏洞和问题，并及时修复和改进。
总的来说，完成智能施工电梯系统的设计过程中，我获得了很多有价值的体会和经验。这些经验和体会对于我今后的项目开发非常有帮助。我将会继续努力学习和实践，提高自己的技能和水平，为更好地完成项目开发任务做出更多的贡献。