基于單片機自動門控制系統(tǒng)的設計

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畢業(yè)論文（設計） 論文題目： 基于單片機的自動門控制系統(tǒng)的設計 學生姓名： 付2b 學 號： 所在院系： 電氣信息工程學院 專業(yè)名稱： 通信工程 屆 次： 指導教師： 目 錄 前言 2 0.1 課題背景 2 0.2 智能自動門的論依據(jù) 3 0.3 單片機的發(fā)展及89C51系列的運用 3 0.4 課題研究的目的和意義 4 0.5 課題的設計要求 5 0.6 自動門的基本設計思路 6 1 系統(tǒng)總體方案 7 1.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃 7 1.2 單片機介紹 8 1.3 熱釋電紅外傳感器 11 1.4 步進電機 13 1.5 故障檢測及顯示 14 1.6 門行程檢測 14 2 系統(tǒng)硬件設計 15 2.1 設計電路的電框圖和原理 15 2.2 系統(tǒng)硬件總體邏輯設計 15 2.3 設計電路原理圖 16 3 系統(tǒng)軟件設計 16 3.1 系統(tǒng)主程序流程圖 17 3.2 開門子程序流程圖 18 3.3 開門中斷程序流程圖 19 3.4 T1中斷服務程序流程圖 20 3.5 程序源代碼 21 4 調(diào)試與檢測 26 4.1 調(diào)試 26 4.2 門行程檢測及故障檢測 26 結(jié)論 26 參考文獻 27 致謝 29 基于單片機的自動門控制系統(tǒng)的設計 學生：付民（指導教師：王千春） （淮南師范學院電氣信息工程學院） 摘 要：在當今社會隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對生活水平的要求越來越高，在 這種大趨勢下，自動門的應用也越來越廣泛，在很多現(xiàn)代建筑中都能看 到它的身影，如銀行，賓館、超市等?，F(xiàn)在自動門在國內(nèi)外的發(fā)展狀況 很不均衡，國外的產(chǎn)品性能比較優(yōu)良但相對的其價格也比較昂貴，而國 內(nèi)的產(chǎn)品雖然價格比較便宜但性能比較差，容易出故障。因此在本文中 設計了一款性價比較高的自動門控制系統(tǒng)，它功能強大，價格適中，在 市場上將會有較強的競爭力。 單片機SCM(Single Chip Microcomputer)，是把微型計算機主要部分都 集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。主要包括了微處理器(CPU)、存 儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出口(1/0口)和定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等 功能部件。單片機自20世紀70年代問世以來，以其極高的性能價格比， 受到人們的重視和關(guān)注，應用很廣、發(fā)展很快。而51單片機是各單片機 中最為典型和最有代表性的一種。本課題的另一個特點是使用復雜可編 程邏輯器件（CPLD）控制電機的驅(qū)動，縮短了開發(fā)時間，提高了系統(tǒng)的 靈活性和可靠性，降低了成本。通過單片機控制交流電機，使門自動打 開，當人進門后又可以使門自動關(guān)閉。另外，我們還設計了完善的故障 監(jiān)測電路來提高系統(tǒng)的可靠性。 關(guān)鍵詞：自動門控制系統(tǒng)；AT89C51；步進電機 Design of Micro Controller-Based Automatic Retractable Door Control System Student:FU Ming (Faculty Advise:WANG Qianchun) (Electrical and Information Engineering Departmet, Huainan Normal University) Abstract: With the development of economy and living standard, automatic doors are being widely used. It is absolutely necessary to a modern building such as hotel,supermarket. As the controlling core of the automatic door, the automatic door controller determines its performance. Most of automatic door controllers that have been sold in our country are made by foreign manufactures. The performance of these products is high, but they are very expensive. Our home-made automatic doorcontrollers are not so expensive, however, the performance is unsatisfied and the faulty rate is high. So we have developed a new kind of automatic door controller based on MC68HC11K1. The controller has good competitive ability because it’s powerful, reliable, convenient and low-cost.SCM (performance Chip cluster generator attempts, namely, the Microcomputer Micro Controller, is the main part in a Chip are integrated on the Single Chip Microcomputer. Mainly includes microprocessor (CPU), memory (ROM, RAM), input/output (1/0 mouth) and timer/counters, interrupt system function components. SCM since the 1970s, since the advent of its extremely high performance-price ratio, attention by people and attention, it is widely used and fast development. And 51 SCM is the most typical and every SCM most representative one. Key words：Automatic door control system;AT89C51; Stepper motor 前言 0.1 課題背景 隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的提高，現(xiàn)代社會中智能化建筑越來越多，作為現(xiàn)代建筑智能化一個重要指標的自動門的應用也越來越廣泛，在賓館、銀行等現(xiàn)代化建筑中都能看到其身影。 目前自動門發(fā)展的現(xiàn)狀是國外一些大公司的產(chǎn)品性能比較優(yōu)良功能也較多 但其價格也相對偏高，如德國的 BLASL，瑞士的 TORMAX，日本的 National 等，這些公司產(chǎn)品的主要特點是功能繁多，性能可靠，但普遍價格偏高且操作復 雜。而國內(nèi)的產(chǎn)品雖然價格比較合理但是在性能上卻不能和國外的同類產(chǎn)品相 比，它們普遍存在著各種各樣的毛病，故障率高。 鑒于以上這種情況我們設計了一款性能優(yōu)良、價格適中的自動門控制系統(tǒng)， 要求具有多種操作模式，能夠根據(jù)用戶需求進行各種參數(shù)的調(diào)節(jié)且操作方便，此 外，系統(tǒng)需要具有很強的自我保護和故障診斷功能，使其性能穩(wěn)定可靠，降低故 障率，減少運營成本。 0.2 智能自動門的論依據(jù) 自動門從理論上理解應該是門的概念的延伸，是門的功能根據(jù)人的需要所進行的發(fā)展和完善。自動門是指：可以將人接近門的動作（或?qū)⒛撤N入門授權(quán)）識別為開門信號的控制單元，通過驅(qū)動系統(tǒng)將門開啟,在人離開后再將門自動關(guān)閉，并對開啟和關(guān)閉的過程實現(xiàn)控制的系統(tǒng)。 自動門開始在建筑物上使用，是在二十世紀年以后。二十年代后期，美國的超級市場的開放，自動門開始被使用，受此影響，世界第一自動門品牌多瑪在1945年開發(fā)出油壓式、空氣式自動門，新建大樓的正門也開始使用了。到了1962年，電氣式己開始出現(xiàn)，之后伴隨著城市的建設，自動門技術(shù)的領(lǐng)域每年都在增加。當初，用供給建筑物用電源進行電動機的速度控制很難，只好進行油壓、空壓速度控制，轉(zhuǎn)換但因能源利用率低很低，然而伴隨著電氣控制的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在電氣控制技術(shù)已經(jīng)成熟，直接控制電動機的電氣式自動門逐漸成為主流。例如：各種用可識別控制的自動專用門，如：感應自動門(紅外感應,微波感應,觸摸感應,腳踏感應)、刷卡自動門等。 自動門機的基本組成大體上相同，有了以上構(gòu)成，再加上開門信號，就可以配置成一套簡單的自動門系統(tǒng)了。 自動門的系統(tǒng)設置是指根據(jù)使用要求而配備的，與自動門控制器相連的外圍輔助控制裝置，如開門信號源、門禁系統(tǒng)、安全裝置、集中控制等。必須根據(jù)建筑物的使用特點。通過人員的組成，樓宇自控的系統(tǒng)要求等合理配備輔助控制裝置。 0.3 單片機的發(fā)展及89C51系列的運用 擔任本設計處理部分的是89c52單片機（89C51系列）.目前單片機滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機械了。 隨著半導體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機的集成度將更高、體積將更小、功能將列強。在單片機家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司將其MCS –51系列中的80C51內(nèi)核使用權(quán)以專利互換或出售形式轉(zhuǎn)讓給全世界許多著名IC制造廠商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、華邦等，這些公司都在保持與80C51單片機兼容的基礎上改善了80C51的許多特性。這樣，80C51就變成有眾多制造廠商支持的、發(fā)展出上百品種的大家族，現(xiàn)統(tǒng)稱為80C51系列。80C51單片機已成為單片機發(fā)展的主流。專家認為，雖然世界上的MCU品種繁多，功能各異，開發(fā)裝置也互不兼容，但是客觀發(fā)展表明，80C51可能最終形成事實上的標準MCU芯片。 STC89C51RC系列單片機是宏晶科技出的新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，12時鐘/機器和6時鐘/機器可選，HD版本和90C版本內(nèi)部集成MAX810專用復位電路。89C52與89C51的區(qū)別在于51的程序空間為4K字節(jié)，而52程序空間為8K字節(jié)，其余性能與結(jié)構(gòu)相同。本論文以89C51RC系列來講述。 0.4 課題研究的目的和意義 自動門根據(jù)使用的場合及功能的不同可分為自動平移門、自動平開門、自動旋轉(zhuǎn)門、自動圓弧門、自動折疊門等，其中自動平移門使用得最廣泛，我們通常所說的自動門、感應門就是指自動平移門。 自動平移門最常見的結(jié)構(gòu)形式是自動門機械驅(qū)動裝置和門內(nèi)外兩側(cè)紅外線，當人走近自動門時，紅外線感應到人的存在，給控制器一個信號，控制器通過驅(qū)動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關(guān)閉。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管，同時又可節(jié)約空調(diào)能源、防風、防塵、降低噪音，提高了建筑的檔次。 隨著電子科技的不斷發(fā)展, 各種智能控制系統(tǒng)進入人們的生活。自動平移門控制系統(tǒng)成為學校、公司等人流密集地疏導人流、控制出入的首選。 0.5 課題的設計要求 一個自動門的設計還要包括下面三個方面： 一、智能化設計 自動門選擇配置智能化控制系統(tǒng)，可隨意設定門扇的運行速度，并可設定半開狀態(tài)，調(diào)節(jié)方便。使自動門始終保持在最佳運行狀態(tài)。并具有自動矯正功能，即使遇到大風等原因引起的運行阻力增大，仍然能夠保持平穩(wěn)的開關(guān)門動作。 二、安全性設計 具有自動反轉(zhuǎn)安全裝置，當碰到障礙物或人體等異常狀況時，門扇自動反轉(zhuǎn)退出，并在下次接近阻力區(qū)域時以安全速度前進，避免夾人事件和機件損毀的現(xiàn)象發(fā)生，提高自動門運行時的安全性，延長自動門壽命。門扇開啟輕巧方便，當停電時，老人、兒童等均可開閉自如，開閉力量在3.5公斤以下，方便、安全、可靠。 三、穩(wěn)定性設計 自動門采用步進電機，具有高效、省電、低噪音、高轉(zhuǎn)速、高扭力、連續(xù)使用不過熱等特性，大大超越傳統(tǒng)交流伺服馬達。 由于采用步進電機驅(qū)動，配合T型齒條同步帶，使門體自低速至高速的運行中具有卓越的穩(wěn)定性。由于采用高性能的電源輸入，不管電壓波幅多大均可自動穩(wěn)壓。此外在負載瞬間短路時還有過壓及過流保護措施，有效保障自動門運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定耐久和安全。自動門在具體場合的使用設計上，還應注意做好以下配置的選用： 1、安全輔助裝置 如在高檔酒店等地方可以選擇安裝防夾人紅外感應器，防止停留在門附近的人被門所夾住。 2、備用電源 為保證停電時自動門也能工作正常，應配置備用電源。 3、輔助光線傳感器 在需要的地方，自動門可以安裝輔助光線傳感器（紅外對射保護裝置），當門打開時，人站著不動，用手遮擋輔助光線傳感器，門應該保持打開狀態(tài)。當手離開后幾秒后，門應該重新關(guān)閉。綜上所述，自動門在很多領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)越性，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，自動門在我國已經(jīng)迎來了快速發(fā)展的黃金時期。 一、主要的技術(shù)指標： 技術(shù)指標 單門 雙開門 門重量 130kg1扇 100kg2扇 導軌長度 2000~5000mm 開門速度 200~450mm/秒(可調(diào)) 閉門速度 200~450mm/秒(可調(diào)) 慢行速度 30~50mm/秒(可調(diào)) 開門時間 開門靜止后1~10秒的范圍內(nèi)(可調(diào)) 控制器 高速智能電腦處理器控制 馬達 DC24V 40W無刷步進電機 電源電壓 AC220V 50Hz 消耗功率 100W 手動開啟力 3.5公斤以下 安全功能 開閉時遇到障礙物能立即開啟,晚間轉(zhuǎn)換到報警功能 使用環(huán)境 -20℃～+50℃ 0.6 自動門的基本設計思路 人體 信號 熱釋電紅外 線傳感器或按鍵控制 單片機信號處理 步進電動機 自動門 的開與關(guān) 圖1 設計總結(jié)圖 設計的基本思想如下圖： 綜上，通過設計總結(jié)構(gòu)圖可以實現(xiàn)以下要求： 1、有人來時（進門或出門）開門。當人走到離門不遠的時候時，安裝在門上側(cè)的熱釋紅外線傳感器信號檢測裝置檢測到有人時，將啟動電動機帶動傳動鏈開門。 2、無人時關(guān)門,當熱釋收發(fā)裝置沒有檢測到有人在離門的范圍內(nèi)，將啟動電動機帶動傳動鏈關(guān)門。 3、關(guān)門中途來人，立即開門。當啟動電動機帶動傳動鏈關(guān)門時，感應探頭突然檢測到在離門1m的范圍內(nèi)有人，則立即停止電動機關(guān)門，啟動電動機帶動傳動鏈開門。 4、遇到故障和安全問題時，能緊急制動和報警，防止事故發(fā)生。 1 系統(tǒng)總體方案 本章圍繞系統(tǒng)的總體設計，介紹系統(tǒng)組成框圖、主控芯片單片機的內(nèi)部硬件資源及其接口技術(shù)、整個自動門系統(tǒng)所用到的其它IC的介紹。 1.1 系統(tǒng)總體規(guī)劃 本系統(tǒng)主要由單片機及電機控制電路、紅外線檢測電路、故障檢測電路等組成。正常工作時,單片機循環(huán)檢測紅外線檢測電路輸出信號， 據(jù)此產(chǎn)生直流電機控制信號，電動機帶動門運行，當系統(tǒng)檢測到控制方式發(fā)生改變時，系統(tǒng)進入相應式。如門在的控制方關(guān)門過程中遇到人或其他障礙物時門無條件朝相反方向打開。其原理方框圖如2所示： AT89C51單片機 SRAM 紅外線檢測電路 門行程檢測電路 電機控制電路 EPROM 故障檢測電路 故障顯示報警 控制方式切換 圖2 原理方框圖 1.2 單片機介紹 單片機是把微型計算機主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計機，即將運算器，控制器，輸入輸出接口，部分存儲器以及其他一些邏輯部件集成在一個芯片上，故可以把單片機看成是一個不帶外部設備的微型計算機，相于一個沒有顯示器，沒有鍵盤，不帶監(jiān)控程序的單板機。 由于單片計算機具有體積小，重量輕，耗電少，功能強和價格低等特點，又 由于數(shù)據(jù)大多是在芯片內(nèi)傳送處理，所以運行速度快，抗干擾能力強。單片機 從 七十年代問世以來，在二十多年的時間里，發(fā)展異常迅速，并已廣泛應用于各 種領(lǐng)域。單片機具有通訊接口，用單片機進行接口的控制與管理，單片機與主 機可并行工作，大大地提高了系統(tǒng)的運行速度，所以在網(wǎng)絡通訊領(lǐng)域也得到了 越來越多的應用。其結(jié)構(gòu)如圖3所示： 圖3 單片機結(jié)構(gòu)框圖 本課題設計所用到的的單片機是較為常見的——AT89C51，它是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器單機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)性高且價廉的方案。外形如圖1所示 ， 芯片管腳如圖4所示： 圖4 AT89C51外形及引腳圖 圖4 芯片管腳 1.2.1 AT89C51主要特性 1、與MCS-51 兼容 2、4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 3、壽命：1000寫/擦循環(huán) 4、數(shù)據(jù)保留時間：10年 5、全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 6、三級程序存儲器鎖定 7、128*8位內(nèi)部RAM 8、32可編程I/O線 9、兩個16位定時器/計數(shù)器 10、5個中斷源 11、可編程串行通道 12、低功耗的閑置和掉電模式 13、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 1.2.2 AT89C51管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。在實際應用中，大多數(shù)情況下都使用P3口的第二功能。 P3.0 —RXD：串行輸入口 P3.1 —TXD：串行輸出口 P3.2 —/INT0：外部中斷0 P3.3 —/INT1：外部中斷1 P3.4 —T0：記時器0外部輸入 P3.5 —T1：記時器1外部輸入 P3.6 —/WR：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3.7 —/RD：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效的/PSEN信號。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 1.3 熱釋電紅外傳感器 熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠遠高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾 該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化 并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用 因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式 該電阻阻抗高達104ＭΩ，故引入的Ｎ溝道結(jié)型場效應管應接成共漏形式 即源極跟隨器 來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負極性的。 人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生信號。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)有如下圖5所示： 1——D腳 2——S腳 3——G腳 圖5 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖5是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時D端接電源正極，G端接電源負極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。 制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0．2～20μm。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。 1.4 步進電機 步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機：它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移．即結(jié)一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)動一個角度．因此作常適合于單片機控制。近30年來．數(shù)字技術(shù)、計算機技術(shù)和水磁材料的迅速發(fā)展．推動廠步進電動機的發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣闊的前景。 1.4.1 步進電動機的特點 (1)步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比具有良好的跟隨型。以由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽?。同時．它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉外數(shù)控系統(tǒng)。 (2)步進電動機的動態(tài)響應快。易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。 (3)速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。低速下仍能保證獲很大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載。 (4)步進電動機只能通過脈沖電源供電才能遠行。它不能直接使用交流電源和直流電源 (5)步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象．必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。 (6)步進電動機自身的噪音和振動較大．帶慣性負載的能力較差。 1.4.2 28BYJ-48 步進電機 本課題所先用的是28BYJ-48步進電機,它是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。通俗一點講：當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。您可以通過控制脈沖個來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。 步進電機28BYJ-48型四相八拍電機，電壓為DC5V—DC12V。當對步進電機施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動。每一個脈沖信號對應步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度（一個步距角）。當通電狀態(tài)的改變完成一個循環(huán)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個齒距。四相步進電機可以在不同的通電方式下運行，常見的通電方式有單（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A。。。），雙（雙相繞組通電）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。。。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。。。）。其圖片如6所示。 圖6 28BYJ-48步進電機 1.5 故障檢測及顯示 在故障檢測電路中，配置了溫度和速度傳感器，用來監(jiān)測電機的工作情況，從而實現(xiàn)電機過熱保護和門運行障礙保護，同時還設置了電壓監(jiān)控電路，用于檢測系統(tǒng)異常情況。檢測電路首先將檢測到的信號轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)ADC0809轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，單片機定期讀取數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，即馬上采取相應的緊急措施，向系統(tǒng)發(fā)出故障信號，系統(tǒng)停止工作，向故障顯示電路發(fā)出指令，發(fā)出報警信號并顯示故障類型。 1.6 門行程檢測 門行程檢測電路通過檢測門行程開關(guān)的閉合情況來發(fā)送不同的信號，使電機改變轉(zhuǎn)速，進而控制門運行的速度以提高運作效率，為了保護門不受到損害和保證門運行效率，在門行程檢測電路中設置了四個行程開關(guān)。它們分別代表開門極限、程極限1、行程極限2、關(guān)門極限。門在開啟過程中，分別經(jīng)過慢速、加速、減速和停止四個過程，門的關(guān)閉過程則與上述過程相反。門運行到極限位置時，限位開關(guān)動作，單片機根據(jù)接收到響應的信號，改變電機運行速度。 2 系統(tǒng)硬件設計 2.1 設計電路的電框圖和原理 紅外自動門控制系統(tǒng)的硬件組成如下圖所示。本系統(tǒng)主要由AT89C51單片機及其外圍電路、紅外檢測電路，門行程檢測電路、步進電機控制電路、故障檢測電路、故障顯示電路、控制方式切換電路等七部分組成。單片機循環(huán)檢測紅外檢測電路和門行程檢測電路輸出信號，據(jù)此產(chǎn)生步進電機控制信號，電動機帶動門運行，當系統(tǒng)檢測到控制方式發(fā)生改變時，系統(tǒng)進入相應的控制方式。如門在關(guān)門過程中遇到人或其他障礙物時門無條件朝相反方向打開，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進入故障處理程序。 圖7 紅外線自動門控制系統(tǒng)硬件框圖 2.2 系統(tǒng)硬件總體邏輯設計 感應自動門的種類很多，在此，僅以平移型感應自動門機作為設計的重點。首先，平移式自動門機組由以下部件組成： （1） 主控制器：它是自動門的指揮中心，通過內(nèi)部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應指令，指揮馬達或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控器調(diào)節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)?！　? （2） 感應探測器：負責采集外部信號，如同人們的眼睛，當有移動的物體進入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號?！　? （3） 動力馬達：提供開門與關(guān)門的主動力，控制門扇加速與減速運行?！? （4）當門扇要完成一次開門與關(guān)門，感應探測器探測到有人進入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達運行。馬達得到一定運行電流后做正向運行，將動力傳給同步帶，步帶轉(zhuǎn)動一段時間后，馬達反轉(zhuǎn)，自動門關(guān)閉。 2.3 設計電路原理圖 圖8 電路原理圖 3 系統(tǒng)軟件設計 整個系統(tǒng)軟件主要由主程序、開門子程序、關(guān)門子程序、T0中斷服務程序、T1中斷服務程序、外部中斷服務子程序組成。主程序主要是完成系統(tǒng)進行初始化、中斷設置等功能。程序設計中設置了一個外部中斷0，它保證紅外自動門能夠在無人操控情況下自動運行，主要功能是當檢測到有人出入門時，啟動電機，從而實現(xiàn)自動開關(guān)門的目的。 3.1 系統(tǒng)主程序流程圖Y N 開始 定時器T0、T1的設置 中斷優(yōu)先級設置 系統(tǒng)終止 開外部中斷1 開定時器T0 關(guān)外部中斷1 開定時器 開中斷 系統(tǒng)故障 手動方式 Y N 3.2 開門子程序流程圖 Y Y 返回 開門 電機減速 門狀態(tài)檢測 電機加速 電機停止 加速 減速 停止 N Y N N 3.3 開門中斷程序流程圖 開門子程序 中斷返回 裝載T0常數(shù) 開中斷 關(guān)門子程序 關(guān)T0中斷 讀按鍵操作 加速 開門否 Y Y N N 3.4 T1中斷服務程序流程圖 關(guān)T1中斷 指向0809地址 中斷返回 啟動下一通道 開T1中斷 數(shù)據(jù)存放 數(shù)據(jù)指針加1 通道號加1 轉(zhuǎn)換結(jié)束 采樣結(jié)束 Y Y N N 3.5 程序源代碼 3.5.1 主程序 MOV R4，A INC R1 CLR R5，A SUBB A，R4 XCH A，R4 DEC R1 SJMP LP2 JB 00H，ROLE SPEED0 BIT P1.0 ； 門行程行狀1 SPEED1 BIT P1.1 ； 門行程行狀2 SPEED2 BIT P1.2 ； 門行程行狀3 SPEED3 BIT P1.3 ； 門行程行狀4 KEYDOOROPEN BIT P1.4 ； 手動門開按鈕 KEYDOORCLOSE BIT P1.5 ； 手動門關(guān)按鈕 MODE BIT P1.6 ； 手動/自動切換 DOOROPEN BIT P3.0 ； 門開驅(qū)動信號 DOORCLOSE BIT P3.1 ； 門關(guān)驅(qū)動信號 SIGNAL BIT P3.2 ； 紅外線傳感器信號 A0809E0C BIT P3.3 ； A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號 HSPEED BIT P3.4 ； 電機速度變換 DOORSTATE BIT 00H ； 門狀態(tài) RERROR BIT 01H ； 系統(tǒng)故障 ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP INT0 ORG 000BH AJMP T0 ORG 001BH AJMP T1 ORG 0050H START: CLR DOOROPEN ； 關(guān)電機驅(qū)動 CLR DOORCLOSE MOV TMOD, #11H ； 定時器工作方式 MOV TLO,#OFOH ； 置定時器常數(shù), MOV TH0,#08DH MOV TL1,#0E0H MOV TH1,#0B1H MOV TCON,#50H MOV IP,#08H ； 優(yōu)先級設置 MOV IE,#80H ； 開中斷 LOOP: ACALL SYSERROR ； 調(diào)用系統(tǒng)故障子程序 JB RERROR,WAIT ； 有故障等待處理 MOV A,P2 ANL A,#OFH JNZ WAIT ； 無按鍵等待 JB MODE,AUTO ； 運行方式判斷 CLR EXO SETB ETO SJMP LOOP AUTO: SETB ETO SJMP LOOP WAIT: SJMP $ ； 等待 3.5.2開門子程序 DOOR_OPEN:JB DOORSTATE, LOOP3 ； 門已開退出 CLR HSPEED CLR DOORCLOSE SETR DOOROPEN ； 低速啟動 JNP SPEED1,$ SETB HSPEED ； 高速開門 JNB SPEED2,$ CLR HSPEED ； 低速運行 JNB SPEED3,$ CLR DOOROPEN ； 停機 SETB DOORSTATE ； 保存門狀態(tài) LOOP3：RET 3.5.3 關(guān)門子程序 DOOR_CLOSE:JNB DOORSTATE, LOOP4 ； 門已關(guān)退出 CLR HSPEED CLR DOOROPEN SETB DOORCLOSE ； 低速啟動 JB SPEED2,$ CLR HSPEED ； 高速關(guān)門 JB SPEED0,$ CLR DOORCLOSE ； 停機 CLR DOORSTATE LOOP4: RET 3.5.4 T0中斷服務程序 T0： CLR ET0 ； 關(guān)中斷 JB KEYDOOROPEN， LOOP ； 開門否 ACALL DOOR_OPEN ； 調(diào)開門子程序 SJMP LOOP2 LOOP1： JB KEYDOORCLOSE,LOOP2 ； 關(guān)門否 ACALL DOOR_OPEN ； 調(diào)關(guān)門子程序 LOOP2： MOV TL0，#0F0H ； 重裝定時常數(shù) MOV TH0，#08DH SETB ET0 ； 開中斷 RETI 3.5.5 T1中斷服務程序 ORG 000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP SERVE MAIN: ORL P1,#0FFH SETB 1T0 ； 選擇邊沿觸發(fā)方式 SETB EX0 ； 允許INTO中斷 SETB A ； CPU開中斷 AJMP $ ； 等待中斷 T1： CLR ET1 MOV R1，#03H MOV RO，#20H MOV DPTR，#ADDR0809 ； 0809地址 MOV R2，#00H LOOP5： MOV A，R2 ； 通道號 MOVX @DPTR,A ； 啟動A/D轉(zhuǎn)換 JB A0809EOC,$ ； 轉(zhuǎn)換是否結(jié)束 MOVX A,@DPTR ； 讀轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV @R0,A ； 數(shù)據(jù)保存 INC R0 INC R2 ； 下一通道 DJNZ R1,LOOP5 ； 三個通道是否完成 MOV TL1,#0E0H ； 重裝定時常數(shù) MOV TH1,#0B1H SETB ET1 RETI 3.5.6 外部中斷服務子程序 ORG 0300H INT： MOV TLO，#11H MOV THO，#OFCH CPL P1 RETI INT0： CLR EX0 LOOP8： ACALL SYSERROR ； 故障檢查 JB RERROR，LOOP6 ； 有故障返回 JB DOORSTATE，LOOP6 ； 門已開返回 ACALL DOOR_OPEN ； 開門 LOOP7： ACALL DELAY10S ； 等待10s ACALL SYSERROR ； 故障檢查 JB RERROR，LOOP6 ； 無故障繼續(xù) JNB SIGNAL，LOOP7 ； 有人等待 CLR HSPEED SETB DOORCLOSE ； 無人時，低速關(guān)門 JNB SIGNAL，LOOP8 ； 有人來打開門 JB SPEED2，$ SETB HSPEED ； 無人快速關(guān)門 JNB SIGNAL，LOOP8 ； 有人來打開門 JB SPEED1，$ CLR HSPEED ； 無人速度降低 JB SPEED0，$ LOOP6: CLR DOORCLOSE ； 停機 CLR DOORSTATE ； 門狀態(tài)保存 SETB EX1 RET 4 調(diào)試與檢測 4.1 調(diào)試 調(diào)試為了確保該門控系統(tǒng)的安全高效運行必須滿足下列條件： 1．大門的結(jié)構(gòu)必須適合于自動控制 特別要注意滾輪的直徑必須與需要控制的大門重量相匹配其尺寸和重量符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范之規(guī)定。 2．確保大門在滑動過程中不發(fā)生傾斜。 3．確保大門活動平穩(wěn) 準確 在整個移動過程中不出現(xiàn)任何不正常的摩擦現(xiàn)象。 4．確保地面條件穩(wěn)固 避免固定基座的膨脹螺絲發(fā)生搖晃。 5．認真檢查上方導軌和行程限位的機械擋塊是否安裝到位。 4.2 門行程檢測及故障檢測 門行程檢測電路通過檢測門行程開關(guān)的閉合情況來發(fā)送不同的信號，使電機改變轉(zhuǎn)速，進而控制門運行的速度以提高運作效率，為了保護門不受到損害和保證門運行效率，在門行程檢測電路中設置了四個行程開關(guān)。它們分別代表開門極限、行程極限1、行程極限2、關(guān)門極限。門在開啟過程中，分別經(jīng)過慢速、加速、減速和停止四個過程，門的關(guān)閉過程則與上述過程相反。門運行到極限位置時，限位開關(guān)動作，單片機根據(jù)接收到響應的信號，改變電機運行速度。 在故障檢測電路中，配置了溫度和速度傳感器，用來監(jiān)測電機的工作情況，從而實現(xiàn)電機過熱保護和門運行障礙保護，同時還設置了電壓監(jiān)控電路，用于檢測系統(tǒng)異常情況。 檢測電路首先將檢測到的信號轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)單片機內(nèi)部的戶以轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號，單片機定期讀取數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，即馬上采取相應的緊急措施，向系統(tǒng)發(fā)出故障信號，系統(tǒng)停止工作，向故障顯示電路發(fā)出指令，發(fā)出報警信號并顯示故障類型。 結(jié)論 畢業(yè)設計完成的主要工作是完成單片機控制系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)和故障處理系統(tǒng)。通過搜集目前紅自動門控制系統(tǒng)的相關(guān)資料，了解國內(nèi)外自動門控制系統(tǒng)的相關(guān)制作方法，并通過設計方案的比較，針對設計任務提出了可行方案。在設計方案中，結(jié)合單片機的功能特點及其控制特性，利用簡便的單片機C-51語言和其內(nèi)部時鐘，以單片機作為檢測和控制的核心。根據(jù)設計方案，詳細地闡述了單片機的控制原理、傳感器使用方法、PCB板的制作，設計了相應的硬件電路和系統(tǒng)軟件，制作了電路原理樣機并進行調(diào)試。結(jié)果表明，所設計的電路和軟件能完成基本的測試功能。 設計硬件之前，要首先收集好有關(guān)的基礎性資料，應備有良好的應用類參考書和專業(yè)類參考書。對于有關(guān)的科技期刊和專