基于单片机MB90F543的八层站变频电梯控制器的设计

基于单片机MB90F543的八层站变频电梯控制器的设计

冯辉唐义锋罗斌

冯辉唐义锋罗斌（江苏财经职业技术学院）

摘要：本文详细阐述了一种八层站变频电梯控制器的软硬件设计。硬件采用富士通的16位单片机MB90F543为核心构建，包括电源管理电路、开关量输入输出电路、EEPROM存储和看门狗电路、人机对话接口电路和编码器分频脉冲接收电路等；软件程序是根据变频电梯的控制要求进行设计的，主要分析了基于时间片轮转的全集选电梯控制程序的流程。现场调试结果显示控制器能够满足八层站变频电梯的控制要求。

关键词：变频电梯控制器单片机全集选

0引言

电梯在操纵控制方式方面的发展经历了手柄开关操纵、按钮控制、信号控制、集选控制等过程，对于多台电梯出现了并联控制、智能群控。从控制系统组成看，最初的电梯纯粹由继电器控制曳引机的正反转和松抱闸，后来采用PLC控制电梯的运行，直到今天PLC仍然作为控制器的主要设备。但是随着微电子业的发展和系统集成成本的不断降低，使用单片机构建的电梯专用微机控制器正在逐步成为主导。本文研究一种基于富士通16位单片机MB90F543的八层站电梯控制器。

1控制器整体结构设计与控制单元的选择

控制器是整个电梯控制系统的核心，其主要功能是接收整个电梯系统各方面的输入信号，根据系统的状态进行处理，输出相应的处理信号，完成整个系统的控制。八层站的电梯需要处理的轿厢呼梯信号和门厅呼梯信号共有22个，接口按键输入4个，以及平层信号、限位信号、强迫减速信号、检修输入、消防输入和各接触器触点输入等，共有40个左右的输入开关量信号。控制的输出信号包括曳引机的正反转接触器和调速接触器，以及楼层显示、开关门输出、抱闸制动接触器和照明控制等15个控制输出，4只数码管显示输出，以及22个呼梯信号灯输出。

由此可见，如此多的输入输出信号及其处理要求，51系列单片机的资源显然无法胜任，而富士通的16位单片机MB90F543能支持多任务处理，系统堆栈指针多，指针可间接寻址，具有桶式移位寄存器指令，可以编程修补等，并且其指令周期达62.5ns，能使控制系统达到极高的处理速度。它包含大量片内外设，并且有81个I/O扩展接口，可以充分满足八层站电梯控制器的要求，有效减少辅助外设，提高集成度，降低成本。

2控制器硬件电路的设计

硬件电路包括电源管理电路、开关量输入输出电路、EEPROM存储和看门狗电路、人机对话接口电路和编码器分频脉冲接收电路等。

2.1电源电路及看门狗电路电源电路设计方面，考虑到单片机系统的信号传输和抗干扰等角度，采用两级电源24V和5V，即外部信号直接采用开关电源提供的24V电源经滤波后使用，而内部芯片采用的5V电源由LM7805稳压管提供。系统采用武汉力源科技的一款多功能看门狗芯片X5043，将四种常用的功能：上电复位、看门狗定时器、电源电压监控和块锁保护的串行EEPROM存储器组成在一个封装之内。X5043把这种组合降低了系统成本、减少了电路板空间和增加了可靠性。

2.2开关量输入输出电路输入输出采用总线扩展的方法，输入通过74LS244片选八路数据总线，输出则是通过锁存器74LS273片选锁存后再保持输出。系统输入接口设计为低电平输入有效，通过光耦隔离输入，转换到内部5V信号后输入到74LS244，再通过输入数据总线送给MCU。输出则是MCU通过数据总线输出到74LS273后锁存保持输出到光耦的输入侧，光耦的输出端则串在输出继电器线圈回路中，以控制其触点的开合。输入信号经过光电耦合后再经过74LS244，由P1作为输入的数据总线，P2.0-P2.4作为输入的片选信号。

2.3编码器分频脉冲接收电路

通常旋转编码器产生的脉冲信号分为共模脉冲信号和差模信号两种，在电梯系统中，使用异步电动机时选用共模信号的旋转编码器，而使用同步电动机时则会选用差模信号的旋转编码器。因此，作为高性能的电梯控制器，必须兼容共模信号和差模信号的接收。如图2所示，本文利用拨动开关设计解决了共模信号和差模信号兼容接收的问题，使用MB90F543的重装载计数器计数中断功能实现脉冲的接收与处理，这样理论上的有效接收频率可以达1/(262.5ns)=8MHz，高速光耦6N137最高的通断频率也达10MHz，因此完全可以满足最高几百kHz的同步电机脉冲的数据采集要求。

3控制策略分析与程序设计

程序是整个电梯控制系统中的灵魂，程序设计的好坏决定了电梯系统能否高效、稳定、安全的工作。电梯控制程序具有实时性高的特点，为此本研究采用全集选控制作为电梯正常运行的控制方法，保证所有呼梯信号都能够得到快速的响应。将程序主体分为信号采集处理、电梯运行控制和输出及显示驱动三个部分。

3.1信号采集与处理

3.1.1并行I/O开关量信号数据采集处理。在开关量信号采集，首先要进行防抖动的设计，也就是在时间片实时算法中输入的开关量必须要一个状态保持20个时间片（40ms）不变，才能确认其状态。数据处理要根据不同信号的功能加以区别，如果是安全回路信号，应立即产生安全回路故障，及时停止电梯运行。

3.1.2脉冲信号接收中断数据处理。系统采用重装载计数器ReloadTimer0来接收分频脉冲，当计数到设定值时将产生中断，计数器也相当于一个分频器，其计数初值可以和变频器的分频比配合设置，这样可以适用于不同速度规格的电梯。而中断程序则记录整个井道位置对应的计数数值变化，用于平层停车位置的确认。总分频比由变频器分频比和内部计数分频构成

3.1.3速度数据变换处理。控制器通过调节变频器的输出频率，以调节曳引机的转速，进而调整电梯的运行速度。系统控制变频器输出的方法是数字调速，通过输出数字量组合控制变频器的多段速输出。

在运行前设置好变频器速度参数确定对应状态下的运行频率。本电梯系统选用的变频器是安川VarispeedG7，它提供8种速度状态选择。电梯控制系统只需要根据速度任务要求，选择相应的速度，改变对应的I/O口组合状态即可改变电梯速度，使用十分方便。

3.2电梯运行控制程序设计电梯运行中主要有全集选自动运行、检修运行、井道自学习以及司机运行和消防运行等运行状态。在全集选自动运行状态中，系统将按照全集选算法自动记忆并逐个响应所有的呼梯信号。全集选算法主要强调响应呼梯信号的顺序，当电梯停止时，最先的召唤决定电梯的运行方向。而电梯在运行过程中对于外召唤的响应则遵守“顺向近程劫梯，逆向远程劫梯”原则。即在电梯运行过程中，位于电梯运行方向上的外召呼梯信号，且其召唤方向与电梯运行方向一致，电梯到达该层将立即给予响应，此为顺向近程劫梯；而其召唤方向与电梯运行方向不一致的呼梯信号电梯经过时将不予停车响应，需等到电梯运行完现有方向上所有呼梯信号后，再返回响应此召唤，此为逆向远程劫梯。全集选控制记录所有的内外呼信号，并按照一定原则先后给予响应。

在自动运行过程中，当电梯响应一个召唤时，系统将该召唤的楼层号与当前楼层号比较。启动时，调速输出数字量则根据距离的远近（多层运行还是单层运行）产生不同的输出组合；减速时，输出爬行速的数字量组合；检修状态下运行的速度则是另外一种输出组合。各自输出组合和对应变频器输出频率和参数

整个全集选控制自动运行流程如图3所示。在运行控制过程中，所有控制判断都采用最小时间片轮转调度算法。因为时间片只有2ms，只要状态条件满足判断要求，程序每2ms都会被执行一次，因此所有程序都是往下执行，满足执行条件的就执行，不满足则跳过，等待下次运行到此处再判断，这样可以实时执行所有控制意图。另外，对运行控制过程中出现紧急事故的安全抱闸、消防事故等均采用置相关标志位的方法，下一次轮转时间片程序再根据其标志位的状态执行。

4结束语

本文设计的控制器已经投入生产，并投放市场。现场调试结果显示控制器能够高效地响应所有呼梯信号，在楼层定位、平层停车、抱闸减速、停车舒适感等方面表现均十分出色。而使用本控制器的电梯控制柜在加强了控制功能的同时也降低了成本，提高了产品竞争力。

参考文献：

[1]冯辉，黄林，李伟.电梯现场仿真调试系统的设计[J].北京：微计算机信息.2007.4-2.

[2]陈恒亮.电梯结构与原理[M].北京：中国劳动社会保障出版社.2005.

[3]创兴电子科技有限公司.FFMC-16LX富士通16位单片机简介MB9

0540/545系列[S].2001http://www.21IC.com.

[4]武汉力源电子有限公司.X25043说明书[S].2000.<http://www.21IC.com>.

作者简介：冯辉男汉族1983.9江苏涟水人讲师江苏财经职业技术学院电子工程系电工基础教研室主任研究方向：智能控制，单片机应用与开发。