单片机的智能扶梯控制系统的设计与实现
摘 要本课题在当前智能扶梯系统的研究基础上，提出了一种可以通过AT89C51单片机作为主控来实现的一款新型智能扶梯控制系统，在其内部使用了新型模块HR-SR04型热释电传感器、小型步进电机等作为核心部分，构建了其硬件框架结构，实现了扶梯的拖动、扶梯人体检测、智能启停以及液晶显示等功能，经过了系统仿真以及专业仪器测量发现这款系统的实现大大降低了目前相关产品的总体功耗，在硬件上由于大多数使用的都是新型并且价格低廉的芯片模块，大大压缩了总体系统的生产成本。本系统最终经过了多方面的测试和发现问题后的不断改进完善，最终呈现出了很高的实用性，推向市场后将淘汰大量现有相关产品。
目录
一、 引言 1
二、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控器件的选择 2
（二） AT89C51单片机 3
（三） LCD1602型液晶 3
（四） 步进电机简介 4
（五） 人体检测传感器 5
三、 硬件系统设计 6
（一） 智能扶梯系统的硬件结构框图设计 6
（二） AT89C51单片机组控模块系统的设计 6
（三） 液晶电路设计 7
（四） 扶梯传输带拖动电路设计 8
（五） 人体检测模块 8
（六） 按键模块 9
四、 软件系统设计 10
（一） 智能扶梯系统的软件工作流程设计 10
（二） 液晶显示流程设计 11
（三） 步进电机工作流程图设计 12
（四） 人体检测工作流程图 13
五、 调试及实物 14
（一） 实物展示及端口与按键说明 14
（二） 问题总结 16
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
附录二 元件列表 22
附录三 程序 23
引言
随着科学技术的不断发展以及人们对生活品质的不断追求，扶梯在人们的生活中以及随处可见了，这种机械系统通常被安置在大型商场、展会等公共场所。近些年来随着其核心技术以及生产成本的不断
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降低，在大多数公共场合基本实现了普及化，它的主要功能是通过传输带运送行人或者货物。目前国内外大多数不同规模的企业都掌握着制造和生产扶梯的技术。本文课题将以此为研究背景，提出了通过性价比更高的控制器和热释电传感器等模块的合理搭配，来设计一款能够实现更高性能指标的智能扶梯控制系统。扶梯控制系统的出现是在电子技术以及传感器技术的飞速发展以及趋向成熟后的一个必然产物，其中主要的核心部件——热释电传感器不仅依靠经过反复推敲的理论基础，并且需要结合到实际应用中，将理论基础映射到实际的电子线路中，将人体检测过程通过硬件电路来实现，并通过数字信号输出的形式来实现加速度值的检测输出。本文将以大学期间所掌握的专业知识作为基础，经过多次的尝试、试验、改进和优化，最终实现了一款性价比非常高的智能型扶梯控制系统。
本文从多个角度对智能扶梯控制系统进行了描述和展现，首先将这种系统的起源发展背景及现状进行了探讨和阐述，并分析研究了目前这种控制系统投入市场后所存在的普遍缺点；论文第二部分对控制系统的总体结构框架进行了设计，选取了相应的元器件及模块，以于下文对软硬件系统进行设计；第三、四两部分着重对本次所设计的控制系统的硬件以及软件系统进行了设计，并对设计过程以及设计原理进行了详细描述；在软硬件系统都设计完毕后，下列为本课题将要实现的功能和指标：
1、功能：
1）能够实现扶梯的流畅运行；能够通过按键实现对扶梯上型/下行的控制；
2）具有人体检测功能，具有显示功能，对扶梯的运行状态进行显示；
2、指标：
1）人体检测空间范围为10米，在10米以内具有较高的相应速度和正确性；
2）液晶屏能够实现英文字符和阿拉伯数字的显示，同一时间内能够达到10个以上的字符信息量显示。
方案选择及元器件介绍
主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，另外不同类型的主控器件要求开发者具备不同的开发功底，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析，从中选择出一款具体型号的芯片来作为本控制系统的控制芯片。
如果采用单片机芯片来作为主控器件，那么首选当然是大学期间熟知的AT89C51/AT89C51等基础51芯片，这些被冠以相类似型号却出自不同厂家的51单片机在内部结构上大同小异，全部都采用了MCS51的CPU来作为运算部分，因此这些51单片机都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器界来说相对是属于最低的一个款式，无论是单片机还是FPGA，开发成本主要包含芯片自身成本、烧写仿真器购买成本、电路构建以及PCB绘制成本、开发环境成本以及开发者自身掌握的知识成本等，在这几个方面，都能够在本次毕业设计中降到最低程度。在51单片机的处理性能方面，相对于FPGA来说处于劣势状态，51单片机目前最高的时钟频率能够达到40M，并且其内部具有机器周期的概念，即为了提高51单片机的工作稳定性能，必须将时钟频率除以12，才能在此速度下执行指令，因此对于数据的处理能力来说相对较慢。在内置功能模块方面，它内部集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。
而如果采用Altera公司或者赛灵思等公司推出的高性能FGPA器件来作为控制系统的核心处理器，那么将能够实现系统更高的集成度，许多硬件结构以及软件结构都能够通过程序的配置而在FPGA芯片内部实现，尤其是一些逻辑器件，FPGA在这方面最强。FPGA在开发成本相对51单片机来说较高，这不仅和FPGA高超的处理性能有关，而且还和FPGA造价昂贵的程序下载仿真器件有密切关系。另外开发FPGA的VHDL等语言相对较为陌生，如果采用FPGA来作为主控处理器，那么必须花费一段时间来对VHDL语言进行熟悉。FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
综合上面对两中不同的处理器进行综合对比和分析，得出一个结论：51单片机虽然性能相对FPGA较低，但是更加适合开发毕业设计，而FPGA无论是在内部功能模块还是数据处理性能上都超过51单片机，但是对于本人来说，FPGA较为陌生，不利于硬件实现的成功性，因此最终决定选用51单片机来作为主控芯片。
AT89C51单片机
本文所设计的这款智能扶梯控制系统选用了图1中的AT89C51单片机芯片来作为系统的主要控制芯片，通过这个芯片强大的控制作用，从而达到读取、驱动外部其它模块的目的，从而使得各模块都能够相互配合，实现本文的设计目标，下面对这款单片机芯片进行详细的介绍。
AT89C51单片机是ATMEL公司的设计人员采用了传统经典的MCS51为内核并配置了FLASH、RAM以及定时器等模块而实现的一款新型单片机，作为ATMEL公司最基础并且最热门的一款控制器芯片，它深受高校学生以及其他单片机初学者的青睐，这主要得益于其内部的寄存器数量较少，非常容易进行程序代码的编写，不像其他高端单片机（如STM32）那样，有着上百个寄存器需要配置。所谓AT89C51，其中的STC指的是ATMEL公司的英文名称，C51指的是通过C语言开发的MCS51内核单片机，ATMEL公司的设计人员为这款单片机配置了一个能够最多存储4k字节程序代码的FLASH以及一个能够最多存储128字节临时数据的RAM，通过这个储存模块的搭配，用户能够轻松的实现程序代码的下载，此特点决定了它是学生实验中的最佳选择对象。
目录
一、 引言 1
二、 方案选择及元器件介绍 2
（一） 主控器件的选择 2
（二） AT89C51单片机 3
（三） LCD1602型液晶 3
（四） 步进电机简介 4
（五） 人体检测传感器 5
三、 硬件系统设计 6
（一） 智能扶梯系统的硬件结构框图设计 6
（二） AT89C51单片机组控模块系统的设计 6
（三） 液晶电路设计 7
（四） 扶梯传输带拖动电路设计 8
（五） 人体检测模块 8
（六） 按键模块 9
四、 软件系统设计 10
（一） 智能扶梯系统的软件工作流程设计 10
（二） 液晶显示流程设计 11
（三） 步进电机工作流程图设计 12
（四） 人体检测工作流程图 13
五、 调试及实物 14
（一） 实物展示及端口与按键说明 14
（二） 问题总结 16
总 结 18
参考文献 19
致 谢 20
附录一 原理图 21
附录二 元件列表 22
附录三 程序 23
引言
随着科学技术的不断发展以及人们对生活品质的不断追求，扶梯在人们的生活中以及随处可见了，这种机械系统通常被安置在大型商场、展会等公共场所。近些年来随着其核心技术以及生产成本的不断
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
降低，在大多数公共场合基本实现了普及化，它的主要功能是通过传输带运送行人或者货物。目前国内外大多数不同规模的企业都掌握着制造和生产扶梯的技术。本文课题将以此为研究背景，提出了通过性价比更高的控制器和热释电传感器等模块的合理搭配，来设计一款能够实现更高性能指标的智能扶梯控制系统。扶梯控制系统的出现是在电子技术以及传感器技术的飞速发展以及趋向成熟后的一个必然产物，其中主要的核心部件——热释电传感器不仅依靠经过反复推敲的理论基础，并且需要结合到实际应用中，将理论基础映射到实际的电子线路中，将人体检测过程通过硬件电路来实现，并通过数字信号输出的形式来实现加速度值的检测输出。本文将以大学期间所掌握的专业知识作为基础，经过多次的尝试、试验、改进和优化，最终实现了一款性价比非常高的智能型扶梯控制系统。
本文从多个角度对智能扶梯控制系统进行了描述和展现，首先将这种系统的起源发展背景及现状进行了探讨和阐述，并分析研究了目前这种控制系统投入市场后所存在的普遍缺点；论文第二部分对控制系统的总体结构框架进行了设计，选取了相应的元器件及模块，以于下文对软硬件系统进行设计；第三、四两部分着重对本次所设计的控制系统的硬件以及软件系统进行了设计，并对设计过程以及设计原理进行了详细描述；在软硬件系统都设计完毕后，下列为本课题将要实现的功能和指标：
1、功能：
1）能够实现扶梯的流畅运行；能够通过按键实现对扶梯上型/下行的控制；
2）具有人体检测功能，具有显示功能，对扶梯的运行状态进行显示；
2、指标：
1）人体检测空间范围为10米，在10米以内具有较高的相应速度和正确性；
2）液晶屏能够实现英文字符和阿拉伯数字的显示，同一时间内能够达到10个以上的字符信息量显示。
方案选择及元器件介绍
主控器件的选择
主控器件的选择对于设计一款自动控制系统来说是最关键的一部分，该器件的控制性能、处理速度以及内部资源模块将在很大程度上决定了控制系统的软硬件结构以及开发成本，另外不同类型的主控器件要求开发者具备不同的开发功底，下面就对单片机以及FPGA这两款性能卓越的微处理器进行介绍和分析，从中选择出一款具体型号的芯片来作为本控制系统的控制芯片。
如果采用单片机芯片来作为主控器件，那么首选当然是大学期间熟知的AT89C51/AT89C51等基础51芯片，这些被冠以相类似型号却出自不同厂家的51单片机在内部结构上大同小异，全部都采用了MCS51的CPU来作为运算部分，因此这些51单片机都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器界来说相对是属于最低的一个款式，无论是单片机还是FPGA，开发成本主要包含芯片自身成本、烧写仿真器购买成本、电路构建以及PCB绘制成本、开发环境成本以及开发者自身掌握的知识成本等，在这几个方面，都能够在本次毕业设计中降到最低程度。在51单片机的处理性能方面，相对于FPGA来说处于劣势状态，51单片机目前最高的时钟频率能够达到40M，并且其内部具有机器周期的概念，即为了提高51单片机的工作稳定性能，必须将时钟频率除以12，才能在此速度下执行指令，因此对于数据的处理能力来说相对较慢。在内置功能模块方面，它内部集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。
而如果采用Altera公司或者赛灵思等公司推出的高性能FGPA器件来作为控制系统的核心处理器，那么将能够实现系统更高的集成度，许多硬件结构以及软件结构都能够通过程序的配置而在FPGA芯片内部实现，尤其是一些逻辑器件，FPGA在这方面最强。FPGA在开发成本相对51单片机来说较高，这不仅和FPGA高超的处理性能有关，而且还和FPGA造价昂贵的程序下载仿真器件有密切关系。另外开发FPGA的VHDL等语言相对较为陌生，如果采用FPGA来作为主控处理器，那么必须花费一段时间来对VHDL语言进行熟悉。FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
综合上面对两中不同的处理器进行综合对比和分析，得出一个结论：51单片机虽然性能相对FPGA较低，但是更加适合开发毕业设计，而FPGA无论是在内部功能模块还是数据处理性能上都超过51单片机，但是对于本人来说，FPGA较为陌生，不利于硬件实现的成功性，因此最终决定选用51单片机来作为主控芯片。
AT89C51单片机
本文所设计的这款智能扶梯控制系统选用了图1中的AT89C51单片机芯片来作为系统的主要控制芯片，通过这个芯片强大的控制作用，从而达到读取、驱动外部其它模块的目的，从而使得各模块都能够相互配合，实现本文的设计目标，下面对这款单片机芯片进行详细的介绍。
AT89C51单片机是ATMEL公司的设计人员采用了传统经典的MCS51为内核并配置了FLASH、RAM以及定时器等模块而实现的一款新型单片机，作为ATMEL公司最基础并且最热门的一款控制器芯片，它深受高校学生以及其他单片机初学者的青睐，这主要得益于其内部的寄存器数量较少，非常容易进行程序代码的编写，不像其他高端单片机（如STM32）那样，有着上百个寄存器需要配置。所谓AT89C51，其中的STC指的是ATMEL公司的英文名称，C51指的是通过C语言开发的MCS51内核单片机，ATMEL公司的设计人员为这款单片机配置了一个能够最多存储4k字节程序代码的FLASH以及一个能够最多存储128字节临时数据的RAM，通过这个储存模块的搭配，用户能够轻松的实现程序代码的下载，此特点决定了它是学生实验中的最佳选择对象。
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