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8.19 自动升降电梯控制器设计

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设计要求

设计一个6层楼的电梯控制器。 该控制器可控制电梯完成6层楼的载客服 而且遵循方向优先原则，并能响应提前关 门延时关门，并具有超载报警和故障报警； 同时指示电梯运行情况和电梯内外请求信 息。

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电梯控制方式

1.内部请求优先控制方式 2.单向层层停控制方式 3.方向优先控制方式

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1.内部请求优先控制方式方案

内部请求优先控制方式类似于出租车的工作方式， 先将车上的人送至目的地，再去载客。作为通用 型电梯应该服务于大多数人，必须考虑电梯对内、 外请求的响应率P: Pin = 100%; Pout = 0~100%; 在内部请求优先控制方式中，当电梯外部人的请 求和电梯内部人的请求冲突时，外部人的请求信 号可能被长时间忽略，因而它不能作为通用型电 梯的设计方案。

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2.单向层层停控制方式方案

单向层层停控制方式等同于火车的运行方式，遇 站即停止、开门。 这种方案的优点在于“面面俱到”,可以保证所 有人的请求都能得到响应。 然而这样对电梯的效率产生消极影响：不必要的 等待消耗了大量时间，而且电梯的运作与用户的 请求无关，当无请求时电梯也照常跑空车，就浪 费了大量电能。 对用户而言，此种控制方式的请求响应时间也不 是很快。 因而这不是理想的方案。

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3.方向优先控制方式方案

方向优先控制是指电梯运行到某一楼层时先考虑这 一楼层是否有请求：有，则停止； 无，则继续前进。 停下后再启动时，①考虑前方——上方、或下方是 否有请求：有，则继续前进；无，则停止；②检测 后方是否有请求， 有请求则转向运行， 无请求则维 持停止状态。这种运作方式下，电梯对用户的请求 响应率为100%,且响应的时间较短。 假设： 电梯每两层间的运行时间为ΔT ,楼层数为6, 在每层楼的停止时间为t, 如果每层楼都有请求,则这 种控制方式的效率和上面的单向每层停等控制方式 的效率一样, 然而, 当不是每层楼都有请求 (假定为 只有第6层有请求输入) 时,上面的方式2(设为A方式) 的响应时间

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T=5*(ΔT + t ) 而方向优先控制方式(设为B方式)对同一请求的响应时间 T1=5*ΔT 即效率比 ηb/ηa = 1 + t /ΔT 方向优先控制方式的效率远大于单向层层停等控制方式的 效率。 而且，方向优先控制方式下，电梯在维持停止状 态的时候可以进入省电模式，又能节省大量电能， 本设计选择方向优先控制方式。

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系统组成FPGA系统时钟 分频器电梯升、降、停

楼层请求 故障清除关门中断 超载 提前关门

信号 存储中央处理器

门

开、关、停 楼层显示 请求信号显示

状态存储

超载、故障报警

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模块设计

1. 外部数据高速采集模块设计 2.信号存储模块

3. 基于FPGA的中央处理模块4.信号的输出、显示模块

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1.外部数据高速采集模块设计

对外部信号采集、处理要求电梯控制器： (1)外部请求信号的实时、准确采集。(2)准确、实时 的捕捉楼层到达信号。(3)有效的防止楼层到达信号、外 部请求信号的误判。 控制器采用FPGA作为系统控制的核心，系统时钟频率是 32.0000MHz,完全可以满足实时采集数据的要求。由于电 路中毛刺现象的存在，信号的纯净度降低，单个的毛刺往 往被误作为系统状态转换的触发信号，严重影响电梯的正 常工作。可以采用多次检测的方法解决这个问题，对一个 信号进行多次采样以保证信号的可信度。 外部请求信号的输入形式为按键输入，到达楼层信号来自 光敏传感器，关门中断信号及超载信号则产生于压力传感 器。 键盘、光敏外部输入接口电路未设计。

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2.信号存储模块

电梯控制器的请求输入信号有18个(电梯外有6个 上升请求和6个下降请求的用户输入断口，电梯内 有6个请求用户输入断口),由于系统对内、外请 求没有设置优先级，各楼层的内、外请求信号被采 集后可先进行运算，再存到存储器内。 电梯运行过程中，由于用户的请求信号的输入是离 散的，而且系统对请求的响应也是离散的，因此请 求信号的存储要求新的请求信号不能覆盖原来的请 求信号，只有响应动作完成后才能清除存储器内对 应的请求信号位。

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3.基于FPGA的中央处理模块

中央数据处理模块是系统的核心，通过对存储的数据(含 请求、到达楼层等信号)进行比较、判断以驱动系统状态 的流转。电梯工作过程中共有9种状态：等待、上升、下 降、开门、关门、停止、休眠、超载报警以及故障报警状 态。一般情况下，电梯工作起始点是第一层，起始状态是 等待状态，启动条件是收到上升请求。 超载状态时电梯关门动作取消，同时发出警报，直到警报 被清除； 故障时电梯不执行关门动作，同时发出警报，直 到警报被清除(看门狗信号有效的条件是一层楼连续发生 关门中断情况超过3次)。本系统由请求信号启动，运行中 每检测到一个到达楼层信号，就将信号存储器的请求信号 和楼层状态信号进行比较，再参考原方向信号来决定是否 停止，转向等动作。

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(系统状态流程图 )

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4.信号的输出、显示模块

本系统的输出信号有两种： 一种是电机的升降 控制信号(两位)和开门/关门控制信号；另一 种是

面向用户的提示信号(含楼层显示、方向显 示、已接受请求显示等)。 电机的控制信号一般需要两位，本系统中电机有 3种工作状态： 正转、反转和停转状态。 两位控 制信号作为一个三路开关的选通信号，此三路开 关选用模拟电子开关。 系统的显示输出包括数码管楼层显示、数码管请 求信号显示和表征运动方向的箭头形指示灯的开 关信号。 完全可以满足人们的需要，而且效率比较高。

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本系统具有请求信号显示功能，结合方向显示， 可以减少用户对同一请求的输入次数，这样就 延长了电梯按键的使用寿命。假如电梯处于向 上运动状态，初始位置是底层，初始请求是6 楼，2楼时进入一人，如果他的目的地也是6楼， 他看到初始请求是6楼，就可以不再按键。同 时，电梯外部的人也可根据请求信号显示(上 升请求、下降请求、无请求),就可以避免没 必要的重复请求信号输入。电梯使用时，系统 结合相应的电梯使用规范。

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电梯控制器程序设计与仿真

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电 梯 控 制 器 电 路 符 号

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电梯控制器VHDL程序

--文件名：dianti.vhd。 --功能：6层楼的电梯控制系统。 --最后修改日期：2004.4.12。 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; use ieee.std_logic_unsigned.all; use ieee.std_logic_arith.all;

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entity dianti is port ( clk : in std_logic; --时钟信号(频率为2Hz) full,deng,quick,clr:in std_logic; --超载、关门中断、提前关门清除报警信号 c_u1,c_u2,c_u3,c_u4,c_u5: in std_logic; --电梯外人的上升请求信号 c_d2,c_d3,c_d4,c_d5,c_d6 : in std_logic; --电梯外人的下降请求信号 d1,d2,d3,d4,d5,d6 : in std_logic; --电梯内人的请求信号 g1,g2,g3,g4,g5,g6 : in std_logic; --到达楼层信号 door : out std_logic_vector(1 downto 0); --电梯门控制信号 led : out std_logic_vector(6 downto 0); --电梯所在楼层显示 led_c_u:out std_logic_vector(5 downto 0);--电梯外人上升请求信号显示 led_c_d:out std_logic_vector(5 downto 0);--电梯外人下降请求信号显示 led_d : out std_logic_vector(5 downto 0); --电梯内请求信号显示 wahaha : out std_logic; --故障报警信号 ud,alarm : out std_logic; --电梯运动方向显示，超载警告信号 up,down : out std_logic ); --电机控制信号和电梯运动 end dianti;