地鐵自動門控制器的設(shè)計(jì)

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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目： 地鐵自動門控制器的設(shè)計(jì) 院 系： 電子信息工程系 專 業(yè)： 電子信息工程1202班 學(xué) 號： 1209151048 姓 名： 呼彥旭 指導(dǎo)教師： 黃文準(zhǔn) 司開波 2015年12月  摘要 隨著社會的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們生活水平的逐步提高，各種方便生活的自動控制系統(tǒng)開始進(jìn)入人們的生活，以單片機(jī)為核心的自動門系統(tǒng)是其中的一個。本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的地鐵自動門，以單片機(jī)系統(tǒng)為主體，以直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量為核心，實(shí)現(xiàn)對地鐵車站門的自動控制。 本設(shè)計(jì)以8051為核心的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，紅外傳感器，磁力開關(guān)組合。直流伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，用單片機(jī)逆旋轉(zhuǎn)控制程序，打開和關(guān)閉控制，直流電機(jī)由橋驅(qū)動。充分發(fā)揮單芯片的性能。該電路的優(yōu)點(diǎn)是簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，價格高，具有一定的使用和參考價值。 關(guān)鍵詞：地鐵自動門；直流電機(jī)；紅外傳感器；轉(zhuǎn)速測量  Abstract With the development of society, the progress of science and technology and people’s life level gradually improve, all sorts of convenience life automatic control system began to enter into peoples lives, the automatic door systems with SCM as the core is one of them. This paper introduces the design of metro automatic door, based on single chip microcomputer as the subject in this system, dc motor, speed measurement as the core, realize the automatic control to iron. This design is mainly used the 8051 as control core, combin of DC motors, infrared sensors, magnetic switch.Making full use of the microcontroller performance. Through the microcontroller program control the dc servo motor foreward or inversion, thus control the door open or close; and close Dc motor driven adopt H bridge.Its advantage is the circuit is simple, software’s function is consummation, the control system is reliable, cost-effective is high,it has a certain use and reference value. Keywords: Metro automatic door；DC motor；Infrared sensors；Speed measurement 目 錄 1 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 研究的意義 1 1.3 研究的目的 1 1.4 國內(nèi)外相關(guān)研究情況 2 2 自動門系統(tǒng)方案 3 2.1 設(shè)計(jì)思想和整體框圖 3 2.2 器件選型 3 3 自動門系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 6 3.1 系統(tǒng)硬件整體邏輯設(shè)計(jì) 6 3.2 控制器單元的硬件設(shè)計(jì) 6 3.3 直流電機(jī)驅(qū)動模塊 12 3.4 檢測模塊 16 3.5 轉(zhuǎn)速測量模塊 17 4 軟件設(shè)計(jì) 20 4.1 整體程序流程圖 20 4.2 功能模塊設(shè)計(jì) 20 4.2.1 PWM信號發(fā)生程序設(shè)計(jì) 20 4.2.2 轉(zhuǎn)速測量模塊程序設(shè)計(jì) 23 4.2.3 檢測開關(guān)程序設(shè)計(jì) 25 5 設(shè)計(jì)仿真與分析 26 5.1 仿真軟件介紹 26 5.2 整體分析 27 5.3 軟件調(diào)試 28 5.4 硬件仿真 29 總 結(jié) 30 致 謝 31 參考文獻(xiàn) 32 1 緒論 1.1 課題背景 現(xiàn)代社會是一個快速發(fā)展的信息化社會，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們不斷追求舒適、方便的生活環(huán)境。因此相應(yīng)的電子產(chǎn)品，智能自動門也出現(xiàn)在人們的生活中。隨著技術(shù)的日益成熟和完善，自動門的性能越來越成熟，廣泛應(yīng)用于政府機(jī)關(guān)、銀行、醫(yī)院、商業(yè)、工業(yè)等不同行業(yè)，提高了人們的生產(chǎn)生活條件。自動門的工作人員不僅給我們帶來了方便和節(jié)能空調(diào)、防風(fēng)、防塵、防噪音等好處，也讓建筑增添了不少的優(yōu)雅。 1.2 研究的意義 自動門不但能給人們帶來人員出入方便、節(jié)約空調(diào)能源、防風(fēng)、防塵、防噪音等好處，更令我們的建筑物增添了不少高貴典雅的氣息。 21世紀(jì)的今天，門更加突出了安全理念，強(qiáng)調(diào)了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時還突出了建筑藝術(shù)的理念，強(qiáng)調(diào)門與建筑以及周圍環(huán)境整體的協(xié)調(diào)、和諧。自動門的普及和應(yīng)用，改變了人們的防護(hù)意識，提升了人們的安全觀念。同時也幾乎成為了銀行，寫字樓、酒店等辦公娛樂場所裝修必不可少的一項(xiàng)配置。 大中型公共場所，為這些建筑増?zhí)砹肆聋?、時尚的姿彩，人們根據(jù)需要改善和完善自動門的相對功能，從理論上應(yīng)該是理解的延伸，使用價值觀。所以對自動門的理解應(yīng)該是從人們對功能要求的開始。作為建筑的一部分，從最基本的意義上講，要滿足外部環(huán)境的需要和人的隔離要求。因此，門本身應(yīng)該是堅(jiān)定的和密封的。 1.3 研究的目的 隨著電子科技的不斷發(fā)展, 各種智能控制系統(tǒng)進(jìn)入人們的生活。自動門控制系統(tǒng)成為地鐵、超市等人流密集地疏導(dǎo)人流、控制出入的首選。自動門能實(shí)現(xiàn)入門授權(quán)的自動識別控制和防擠壓等功能。 為了使地鐵自動門能夠更好的為地鐵服務(wù), 得到一種電路簡單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價比較高的地鐵自動門系統(tǒng)，本文研究一種雙翼對開式自動門控制系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了入門授權(quán)的識別控制和防擠壓等功能。該系統(tǒng)以8051作為控制核心，直流電機(jī)、紅外傳感器、磁開關(guān)相結(jié)合的系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。具有一定的使用和參考價值。 1.4 國內(nèi)外相關(guān)研究情況 在國外，進(jìn)入九十年代以來，自動門技術(shù)發(fā)展很快，技術(shù)已經(jīng)成熟 ，并取得了驚人的成就，自動化技術(shù)是自動門的重要部分。在現(xiàn)在，人們生活中自動門可以節(jié)約空調(diào)能源、降低噪音、防塵、防風(fēng)，同時可以使出入口顯得很莊重高端，因此應(yīng)用非常廣泛。 在國內(nèi)全自動旋轉(zhuǎn)門技術(shù)來源于荷蘭、瑞典、日本等國。九十年代后期旋轉(zhuǎn)門開始在國內(nèi)建筑領(lǐng)域中得到迅速推廣和廣泛的使用。 從本世紀(jì)開始，國內(nèi)進(jìn)入了全面建設(shè)小康社會的新階段，創(chuàng)造美好生活環(huán)境是裝飾業(yè)發(fā)展的巨大推動力?，F(xiàn)代城市建筑物裝飾裝修中，將高科技應(yīng)用到建筑物的外觀形象上，使城市建筑的入口體現(xiàn)出智能化。對門的選擇由單一的功用型向個性化、品位化發(fā)展，旋轉(zhuǎn)門以其全新的概念，寬敞開放的門面和高格調(diào)的設(shè)計(jì)，自然成為當(dāng)代的建筑裝飾的主流，無可質(zhì)疑的必選設(shè)施。堪稱建筑物的點(diǎn)睛之筆。北京引龍對自動門產(chǎn)品質(zhì)量、安全性、節(jié)能性、噪音、施工質(zhì)量、售后服務(wù)擁有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范著自動門市場的管理有序狀態(tài)。 37 2 自動門系統(tǒng)方案 2.1 設(shè)計(jì)思想和整體框圖 本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用單片機(jī)程序?qū)χ绷魉欧姍C(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，從而對門進(jìn)行開、關(guān)的控制。在門的兩側(cè)各有一個感應(yīng)器，分別感應(yīng)從里面出去和從外面進(jìn)來的人。感應(yīng)探測器探測到有人靠近，脈沖信號傳給主控制器，主控制器判斷注意電機(jī)運(yùn)行后，在監(jiān)測電機(jī)的速度，及時通知并進(jìn)入加力電機(jī)運(yùn)行速度慢。直流電動機(jī)用橋驅(qū)動。紅外傳感器探測人體的傳感器。下圖2-1是自動門系統(tǒng)整體框圖。 圖2-1 自動門系統(tǒng)整體框圖 2.2 器件選型 單片機(jī)AT89C51各個引腳的作用： VCC/GND：供電電源。 P0口：可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位，能夠用于外部程序/數(shù)據(jù)存儲器。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出I/O，P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入。在FLASH編程和校驗(yàn)時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：既可用于標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出I/O，也可用于外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器訪問時的高八位地址。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：既可以作標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出I/O，也可作為AT89C51的一些特殊功能口， 管腳 備選功能 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） RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位裝置，保持高水平的RST腳兩個機(jī)器周期時間。 ALE/PROG：當(dāng)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。 /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(jī)器周期兩次/PSEN有效。 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(dāng)/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(dāng)/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。 8051單片機(jī)最早由Intel公司推出，其后，多家公司購買了8051的內(nèi)核，使得以8051為內(nèi)核的MCU系列單片機(jī)在世界上產(chǎn)量最大,應(yīng)用也最廣泛，有人推測8051可能最終形成事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)MCU芯片。對凌陽系列芯片相同的芯片模塊的硬件功能都具有相同的資源特點(diǎn)；不同類型的芯片內(nèi)資源被刪除。最大特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。廣泛應(yīng)用于家用電器、工業(yè)控制、儀器儀表、安防報(bào)警、電腦周邊等領(lǐng)域。它在發(fā)音上的主要優(yōu)勢。8051作為系統(tǒng)控制器，單片機(jī)運(yùn)算功能強(qiáng)大，軟件編程靈活，可自由利用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法，具有低功耗、體積小、技術(shù)成熟、成本低等特點(diǎn)，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而且我們也比較熟悉這款芯片，因此采用8051構(gòu)成系統(tǒng)控制部分。 直流電機(jī)采用H橋驅(qū)動：單片機(jī)的一個引腳分別產(chǎn)生兩種占空比不同的PWM（脈沖寬度調(diào)制）波形作為驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和制動；另外由一個引腳產(chǎn)生轉(zhuǎn)向控制信號，在門的中間及其兩邊設(shè)置磁開關(guān)，作為中斷信號產(chǎn)生源，來判斷電機(jī)是否應(yīng)該轉(zhuǎn)換速度或停止；有無人進(jìn)出采用紅外線來探測，有人時則產(chǎn)生中斷，執(zhí)行開門動作；轉(zhuǎn)速測量采用在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置一個帶有相差180度且位于同一半徑上的兩小孔的圓盤，用紅外線照射轉(zhuǎn)動的圓孔，光透過小孔被光敏三極管接收，從而產(chǎn)生脈沖經(jīng)整形電路后送到單片機(jī)內(nèi)部定時計(jì)數(shù)測出頻率。 在感應(yīng)器的選擇方面是很靈活的，在高檔酒店，辦公樓應(yīng)用到中央處理器，可以選擇高靈敏度傳感器；在人行道和銀行的邊緣，商店和其他經(jīng)常有人通過，區(qū)域具體和有效的傳感器選擇；在醫(yī)院手術(shù)室門前可以使用壓力傳感器；和車庫門可以由固定的光傳感器?，F(xiàn)在廣泛使用的傳感器主要是微波傳感器和紅外傳感器。微波傳感器，也被稱為微波雷達(dá)，物體運(yùn)動反應(yīng)，反應(yīng)速度快，對步行速度正常的人員通過的地方，它是在附近的門的工作人員不想出去，不動，雷達(dá)將不再反應(yīng)。自動門關(guān)上，可能出現(xiàn)夾現(xiàn)象。紅外傳感器，在響應(yīng)對象的存在，無論是移動人員，只要傳感器掃描范圍，它會反應(yīng)。紅外感應(yīng)器的反應(yīng)速度比微波感應(yīng)器慢。本系統(tǒng)首先要求的是安全，所以選用紅外線傳感器。 3 自動門系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)硬件整體邏輯設(shè)計(jì) 數(shù)字控制伺服系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制器、PWM功率驅(qū)動接口、傳感器接口和電機(jī)本體四部分組成。計(jì)算機(jī)的作用是：設(shè)置信號的位置，根據(jù)傳感器接口給出，絕對零位脈沖和電流反饋控制，脈沖寬度調(diào)制（脈寬調(diào)制）信號。最后，由脈寬調(diào)制的開關(guān)電源接口的電機(jī)的最終驅(qū)動力。在該系統(tǒng)中，通過軟件實(shí)現(xiàn)反饋控制，因此，根據(jù)負(fù)載變化系統(tǒng)的性質(zhì)，最佳匹配的參數(shù)。信號過濾也可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，它更可能是通過計(jì)算機(jī)補(bǔ)償技術(shù)來補(bǔ)償傳感器的精度。計(jì)算機(jī)控制在可靠性、小型化、聯(lián)網(wǎng)群控制等方面的優(yōu)點(diǎn)都是經(jīng)典模擬伺服系統(tǒng)無法比擬的。 3.2 控制器單元的硬件設(shè)計(jì) 控制器單元硬件電路圖如圖3-1所示： 圖3-1 控制器最小系統(tǒng) 一片MCS-51單片機(jī)芯片內(nèi)包含一個8位CPU、振蕩器和時鐘電路、至少128字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器，可尋址外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器個64k字節(jié)，21個特殊功能寄存器，4個并行I/O接口，2個16位定時/計(jì)數(shù)器,至少5個中斷源，提供兩級中斷優(yōu)先級，可實(shí)現(xiàn)兩級中斷服務(wù)程序嵌套。具有有位尋址功能，有較強(qiáng)的布爾處理能力。各功能單元（包括IO端口和定時器/計(jì)數(shù)器等）都由特殊功能寄存器（SFR）集中管理。 MCS-51單片機(jī)在物理結(jié)構(gòu)上有四個存儲空間： 1、片內(nèi)程序存儲器 2、片外程序存儲器 3、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器 4、片外數(shù)據(jù)存儲器 程序內(nèi)存ROM的尋址范圍：0000H~ FFFFH容量64KB。EA = 1,尋址內(nèi)部ROM；EA = 0,尋址外部ROM。地址長度：16位。作用：存放程序及程序運(yùn)行時所需的常數(shù)。 七個具有特殊含義的單元是： 0000H——系統(tǒng)復(fù)位，PC指向此處； 0003H——外部中斷0入口 000BH—— T0溢出中斷入口 0013H——外中斷1入口 001BH—— T1溢出中斷入口 0023H——串口中斷入口 002BH—— T2溢出中斷入口 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM物理上分為兩大區(qū)：00H~ 7FH即128B內(nèi)RAM和 SFR區(qū)。作用：作數(shù)據(jù)緩沖器用。 一個微處理器可以很聰明地完成一些任務(wù)，除了他們強(qiáng)大的硬件，還需要運(yùn)行他們的軟件，實(shí)際上，微處理器是不聰明，他們完全按照預(yù)先編寫的程序和執(zhí)行。因此，設(shè)計(jì)人員編寫的程序存儲在微處理器的程序存儲器中，通常被稱為只讀存儲器（只讀存儲器）。該程序相當(dāng)于一系列的指令，用于處理微處理器的問題。事實(shí)上，同樣的程序和數(shù)據(jù)，都是由機(jī)器碼串組成的。只有代碼被存儲在程序存儲器中。 MCS-51具有64KB程序存儲器尋址空間，它是用來存儲用戶程序。信息數(shù)據(jù)和表格等。8031單片機(jī)內(nèi)部ROM，它必須是外部程序存儲器，地址空間為64KB，在單片機(jī)端必須接地。從外部程序存儲器讀取程序的力量。對于內(nèi)部只讀存儲器8051微控制器，在正常運(yùn)行期間，你需要拿起高電平，先從內(nèi)部程序存儲器讀取程序，當(dāng)上位機(jī)的值超過了內(nèi)部只讀存儲器的容量時，就要把外部程序存儲器讀寫程序。 8051片內(nèi)有4kB的程序存儲單元，其地址為0000H—0FFFH,單片機(jī)啟動復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容為0000H,所以系統(tǒng)將從0000H單元開始執(zhí)行程序。但在程序存儲中有些特殊的單元，這在使用中應(yīng)加以注意。 其中一組特殊是0000H—0002H單元，系統(tǒng)復(fù)位后，PC為0000H,單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序，如果程序不是從0000H單元開始，則應(yīng)在這三個單元中存放一條無條件轉(zhuǎn)移指令，讓CPU直接去執(zhí)行用戶指定的程序。 另一組特殊單元是0003H—002AH,這40個單元各有用途，它們被均勻地分為五段，它們的定義如下： 0003H—000AH外部中斷0中斷地址區(qū)。 000BH—0012H定時/計(jì)數(shù)器0中斷地址區(qū)。 0013H—001AH外部中斷1中斷地址區(qū)。 001BH—0022H定時/計(jì)數(shù)器1中斷地址區(qū)。 0023H—002AH串行中斷地址區(qū)。 可見以上的40個單元是專門用于存放中斷處理程序的地址單元，中斷響應(yīng)，根據(jù)中斷類型，自動中斷到各自的區(qū)域執(zhí)行程序。從上面我們可以看到，每個中斷服務(wù)程序都是8個字節(jié)單位的8個字節(jié)來存儲一個中斷服務(wù)程序顯然是不可能的。因此，上述地址單元不能用于存儲在程序中的其他內(nèi)容，并且只能存儲在中斷服務(wù)程序中。但通常情況下，我們被放置在中斷響應(yīng)地址區(qū)的無條件跳轉(zhuǎn)指令，指向的程序存儲器的另一個真的存儲中斷服務(wù)程序的日?？臻g來執(zhí)行，這樣的中斷響應(yīng)，中央處理器讀取此傳輸指令，他轉(zhuǎn)向其他地方繼續(xù)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。 0000h-0002h，只有三個存儲單元，在程序三存儲單元存儲是存儲在過程中沒有實(shí)際意義，我們通常在實(shí)際編程是一個組織的指令，通過網(wǎng)站跳轉(zhuǎn)指令的用戶ROM區(qū)從0033h開始，再設(shè)置程序語言。從用戶的只讀存儲器用戶可以啟動0033個區(qū)域通過組織命令任何安排，但在應(yīng)用程序應(yīng)注意，不超過實(shí)際存儲空間，否則程序?qū)⒉粫业健? 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù)存儲器也稱為隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器。數(shù)據(jù)存儲器分為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲和外部數(shù)據(jù)存儲。 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器為8位地址，所以最大可尋址的范圍為256個單元地址，對片外數(shù)據(jù)存儲器采用間接尋址方式，R0、R1和DPTR都可以做為間接尋址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的尋址范圍最大為256個單元，而DPTR是16位地址指針，尋址范圍就可達(dá)到64KB。也就是說在尋址片外數(shù)據(jù)存儲器時，尋址范圍超過了256B,就不能用R0、R1做為間接尋址寄存器，而必須用DPTR寄存器做為間接尋址寄存器。 8051單片機(jī)片內(nèi)RAM共有256個單元(00H-FFH),這256個單元共分為兩部分。其一是地址從00H—7FH單元(共128個字節(jié))為用戶數(shù)據(jù)RAM。從80H—FFH地址單元(也是128個字節(jié))為特殊寄存器(SFR)單元。 MCS-51系列單片機(jī)有四個雙向的8位并行口P0~P3，每個口各有一個8位的口鎖存器，復(fù)位后它們的初態(tài)全為1。 P1口為準(zhǔn)雙向口，P1口的每一位都能獨(dú)立地定義為輸出線或輸入線。作為輸入線的位，口鎖存器的相應(yīng)位必須為1狀態(tài)。 P3口是一個雙功能口，作為第一功能使用時，其功能和P1口相同。作為第二功能使用時，其口鎖存器狀態(tài)必須為1。P3口的每一位可獨(dú)立地定義為第一功能的輸入輸出和第二功能的輸入輸入。 P2口也是準(zhǔn)雙向口，并且是雙功能口，它既可作為第一功能的輸入輸出口使用，也可作為第二功能的系統(tǒng)擴(kuò)展地址總線口，輸出高8位地址AB8~AB15。 P0口也是雙功能口，既可可作為第一功能的輸入輸出口使用，也可作為第二功能的系統(tǒng)擴(kuò)展地址/數(shù)據(jù)總線口，分時輸出低8位地址AB0~AB7和收發(fā)數(shù)據(jù)信息D0~D7。P1、P2、P3都能驅(qū)動3個TTL門，且不需要外加電阻就能直接驅(qū)動MOS電路。P0作為I/O時需外接上拉電阻才能驅(qū)動MOS電路。 如果MCS-51本身的I/O口數(shù)量和種類或存儲器容量不能滿足用戶需求時，可擴(kuò)展I/O接口或外數(shù)據(jù)存儲器，外部數(shù)據(jù)存儲器和外部擴(kuò)展接口統(tǒng)一編址，CPU對它們的操作指令也相同。在外部64k的數(shù)據(jù)空間（存儲類型XDATA）內(nèi)，可以各劃出一個區(qū)域作為擴(kuò)展I/O地址空間和外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間。 MCS-51系列單片機(jī)至少有5個中斷請求源，提供2個中斷優(yōu)先級，可實(shí)現(xiàn)2級中斷服務(wù)程序嵌套。每個中斷源可程控為高優(yōu)先級中斷或低優(yōu)先級中斷。和中斷系統(tǒng)相關(guān)的特殊功能寄存器有中斷優(yōu)先級控制寄存器IP，中斷使能控制寄存器IE，以及定時/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON、串行通信口控制寄存器SCON的相關(guān)位。 MCS-51系列單片機(jī)的5個中斷請求源中，有通過P3.2、P3.3輸入的二個外部中斷源和，片內(nèi)兩個定時器/計(jì)數(shù)器 (T/C0、T/C1) 的溢出中斷請求源TF0和TF1，還有一個片內(nèi)串行通信口發(fā)送或接收中斷請求源TI或RI。這些中斷請求源分別由特殊功能寄存器TCON和SCON的相應(yīng)位所鎖存。 1、 定時器/計(jì)數(shù)器（T/C）控制寄存器TCON TCON的高4位控制定時/計(jì)數(shù)器，低4位控制外部中斷。其格式如表3-1所示。 表3-1 定時器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 定時/計(jì)數(shù)器控制 外部中斷控制 IT0、IT1：外部中斷0、1觸發(fā)方式選擇位，由軟件設(shè)置。置1為下降沿觸發(fā) (即當(dāng)外部中斷請求源信號有從1電平到0電平的變化時，外部中斷請求標(biāo)志IE0或IE1才會置1 )，設(shè)置0 為低電平觸發(fā) (即只要外部中斷請求源信號為0時，外部中斷請求標(biāo)志IE0或IE1就置1 )。 IE0、IE1：外部中斷0、1請求標(biāo)志位。產(chǎn)生中斷請求時，硬件置位，CPU響應(yīng)中斷后，硬件清零。 TF0、TF1：T/C0、T/C1計(jì)數(shù)溢出中斷請求標(biāo)志位。產(chǎn)生中斷時，硬件置位，CPU響應(yīng)中斷后，硬件清零。 TR0、TR1：T/C0、T/C1啟動標(biāo)志位。其操作方法將在定時器/計(jì)數(shù)器章節(jié)中介紹。 2、 串行通信控制寄存器SCON SCON中與串行通信中斷有關(guān)的位是SCON.1和SCON.0。格式如表3-2所示。 表3-2 中斷服務(wù)程序入口地址表 編號 中斷源 入口地址 硬件優(yōu)先級 0 外部中斷0 0003H 最高 1 T/C0中斷 000BH 高 2 外部中斷1 0013H 中 3 T/C1中斷 001BH 低 4 串行通信口中斷 0023H 最低 通常在中斷入口安排一條相應(yīng)的無條件跳轉(zhuǎn)指令，以當(dāng)CPU響應(yīng)中斷后，可從中斷入口跳轉(zhuǎn)到用戶設(shè)計(jì)的相應(yīng)中斷處理程序入口。 與中斷系統(tǒng)相關(guān)的特殊功能寄存器有以下幾個： 1、TCON：涉及的位標(biāo)志IE0、TF0、IE1、TF1 2、IE：設(shè)及的位標(biāo)志EX0、ET0、EX1、ET1、ES 3、IP：涉及的位標(biāo)志PX0、PT0、PX1、PT1、PS 4、SCON：涉及的位標(biāo)志RI、TI 定時器/計(jì)數(shù)器是單片機(jī)的一個重要功能部件，可用來實(shí)現(xiàn)定時、計(jì)數(shù)、頻率測量、脈沖寬度測量、產(chǎn)生信號、信號檢測等。 MCS-51系列單片機(jī)中有至少有2個定時器/計(jì)數(shù)器—T/C0和T/C1，它們既可以編程為定時器使用，也可編程為計(jì)數(shù)器使用。若是內(nèi)部晶振驅(qū)動時鐘，則是定時器；若是對外部輸入的脈沖信號計(jì)數(shù)，則是計(jì)數(shù)器。 當(dāng)T/C以定時器方式工作時，在每個機(jī)器周期計(jì)數(shù)加1，計(jì)數(shù)頻率 = fosc / 12。如晶振頻率為12MHz時，計(jì)數(shù)頻率為1MHz，每隔1s計(jì)數(shù)值加1。 當(dāng)T/C以計(jì)數(shù)器方式工作時，計(jì)數(shù)脈沖來自外部輸入管腳T0 (P3.4) 或T1 (P3.5) ，當(dāng)外部脈沖信號負(fù)跳變時計(jì)數(shù)值加1。假如外部信號是周期性連續(xù)脈沖信號，則每過一個振蕩周期，計(jì)數(shù)器進(jìn)行一次加1計(jì)數(shù)。因計(jì)算機(jī)識別輸入信號的負(fù)跳變需兩個機(jī)器周期，所以可計(jì)數(shù)外部脈沖的最高頻率為fosc / 24。當(dāng)晶振為12MHz時，最高計(jì)數(shù)頻率為500kHz，假如外部脈沖頻率高于此頻率，計(jì)數(shù)將出錯。 和T/C有關(guān)的特殊功能寄存器有TH0、TL0、TH1、TL1、TCON和TMOD，其中TH0和TL0為T/C0的計(jì)數(shù)寄存器，TH1和TL1為T/C1的計(jì)數(shù)寄存器。 TCON中高4位用于控制定時/計(jì)數(shù)器的啟停以及產(chǎn)生計(jì)數(shù)溢出中斷標(biāo)志，其各位的定義如下表3-3所示。 表3-3 定時器/計(jì)數(shù)器控制寄存器TCON D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 TF0 TR0 TF1 TR1 IE1 IT1 IE0 IT0 TR0、TR1：T/C0、T/C1啟動控制位，需軟件控制。1—啟動計(jì)數(shù)；0—停止計(jì)數(shù)。TF0、TF1：T/C0、T/C1計(jì)數(shù)溢出中斷請求標(biāo)志位。產(chǎn)生中斷時，硬件置位；CPU響應(yīng)中斷時，硬件清零。 TCON上電復(fù)位時清零。TMOD用于設(shè)置定時器/計(jì)數(shù)器的工作模式，其各位的定義如表3-4所示。 表3-4 定時器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器TMOD D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/ M1 M0 GATE C/ M1 M0 T/C1 T/C0 其中高4位對應(yīng)于T/C1，低4位對應(yīng)于T/C0。 C/：計(jì)數(shù)器或定時器選擇位。0—定時器；1—計(jì)數(shù)器。 GATE：門控信號位。0—T/C的啟停僅受TR0或TR1的控制；1—T/C的啟停受到雙重控制，即TR0和P3.2或TR1和P3.3同時為1才能啟動T/C0或TC1。 M1、M0：工作方式選擇位。 定時器定時時間和計(jì)數(shù)初值之間的關(guān)系： 定時時間 = (滿計(jì)數(shù)值 ? 計(jì)數(shù)初值) ? 機(jī)器周期 機(jī)器周期 = 12 / fosc 滿計(jì)數(shù)值：16位計(jì)數(shù)：216 = 65536 8位計(jì)數(shù)： 28 = 256 定時/計(jì)數(shù)器編程操作步驟： 1、確定工作模式：編程TMOD； 2、計(jì)算定時器計(jì)數(shù)初值，并裝載到THx和TLx中，或THx和TLx清零； 3、在中斷方式工作時，開CPU中斷和源中斷：編程IE。必要時設(shè)置中斷優(yōu)先級：編程IP； 4、啟動T/C：置位TCON中的TR0、TR1。 3.3 直流電機(jī)驅(qū)動模塊 微處理器取代模擬電路作為電動機(jī)控制器有如下特點(diǎn)： 1、使電路更簡單 為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯，模擬電路需要大量的電子元器件，使得電路復(fù)雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)的控制邏輯可以通過該軟件。 2、可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制 微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快，精度高，具有大容量存儲單元，因此具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制的能力，如優(yōu)化控制等。 3、靈活性和適應(yīng)性 因?yàn)榭刂破鞯目刂品绞绞怯绍浖瓿傻?，如果你要修改控制律，一般不需要改變硬件電路，只能修改程序即可。在系統(tǒng)的調(diào)試和升級，可以繼續(xù)試著選擇最佳的參數(shù)，很方便。 4、無零點(diǎn)漂移，控制精度高 數(shù)字控制不會出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問題。無論被控制量的大小如何，都可以保證足夠的控制精度。 5、可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作 因此現(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動機(jī)的控制器。本設(shè)就是由單片機(jī)控制產(chǎn)生PWM信號，通過H橋驅(qū)動直流電機(jī)。 電機(jī)的驅(qū)動方法可以分為：可關(guān)斷晶閘管的門極驅(qū)動、功率晶體管的驅(qū)動、和功率場效應(yīng)管的驅(qū)動等。此次設(shè)計(jì)我采用的方法是由功率場效應(yīng)管來組成驅(qū)動電路。 直流電機(jī)是第一個電機(jī)，也是第一個實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的。長期以來，直流電動機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的主導(dǎo)地位。由于它具有良好的電流速度特性，簡單的控制性能，效率高，動態(tài)特性優(yōu)異；雖然近年來受到了其他電機(jī)的挑戰(zhàn)，但迄今為止仍是最速控制電機(jī)的最為首選的選擇。 近年來，直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)和新型電力電子器件的出現(xiàn)，脈寬調(diào)制控制模式已成為絕對主流。這種控制方法很容易實(shí)現(xiàn)在單片機(jī)控制中，這為直流電機(jī)控制提供了一個機(jī)會。 眾所周知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速n的表達(dá)式為： n=（U-IR)／KΦ （3-1） (3-1)中，U-電樞端電壓；I-電樞電流：R-電樞電路總電阻；Φ-每極磁通量；K-電動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場合都是用電樞控制法。下面介紹在勵磁恒定不變的情況下，如何通過調(diào)節(jié)電樞電壓來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 絕大多數(shù)的直流電動機(jī)是由開關(guān)驅(qū)動的。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制脈寬調(diào)制來控制電機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速。 當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電機(jī)兩端響電壓Us。PWM信號的周期為T，其中高電平時間為tl，低電平時間為t2。當(dāng)開關(guān)管截止時電機(jī)電樞兩端的電壓為0。t2秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管動作重復(fù)前面的過程。這樣，直流電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值U0為： U0=(tlUs+0）/（t1+t2）=t1Us/T= a Us (3-2) 式中，a為占空比，a=tl／T。 占空比a表示了在一個周期T里，開關(guān)管道通的時間與周期的比值。a的變化范同為0≤a≤1。由（3-2）可知，當(dāng)電源電壓Us不變的情況下，電樞的端電壓的平均值U0取決于占空比a的大小，改變a值就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速的原理。 在PWM調(diào)速時，占空比a是一個重要參數(shù)。以下三種方法都可以改變占空比的值： 1、定寬調(diào)頻法：這種方法是保持tl不變，只改變t2，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 2、調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持t2不變，只改變tl，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 3、定頻調(diào)寬法：這種方法是使周期T(或頻率)保持不變，而同時改變t1和t2。 前兩種方法由于在調(diào)速時改變了控制脈沖的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時將會引于控制脈沖的頻率，且考慮到程序設(shè)計(jì)的方便性問題，仍是用的第二種方法。目前，在直流電機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。 PWM控制信號的產(chǎn)生方法有四種： 分立電子元件組成的PWM信號發(fā)生器：這種方法是用分立的邏輯電子元件組成PWM信號電路。他是最早期的方式。現(xiàn)在已被淘汰了。 軟件模擬法：利用單片機(jī)的一個I/O引腳，該軟件具有輸出電平，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制輸出。這種方法需要大量的時間處理器，單片機(jī)不能進(jìn)行其他的工作，所以現(xiàn)在也使用較少。但是由于自動門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在脈寬調(diào)制輸出信號中不需要做其它的動作，同時考慮到實(shí)驗(yàn)室模擬器沒有特殊的脈寬調(diào)制端口，所以使用這種方法。 專用PWM集成電路：從PWM控制投術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的PWM集成電路芯片，這些芯片除了有PWM信號發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。在單片機(jī)控制直流電動機(jī)中，使用專用PWM集成電路可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，工作更可靠。 單片機(jī)的PWM口：新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括PWM功能。單片機(jī)通過初始化設(shè)置，使其能自動地發(fā)出PWM脈沖波，只有在改變占空比時CPU才進(jìn)行干涉。 直流電動機(jī)的PWM驅(qū)動又分為可逆與不可逆、雙極性與單極性之分。本設(shè)計(jì)采用了單極性驅(qū)動可逆PWM系統(tǒng)，下面作一下詳細(xì)介紹。 單極性驅(qū)動方式是指住一個PWM周期內(nèi)，電動機(jī)的電樞制成收單極性的電壓。單極性驅(qū)動也有T型和H型之分，以H型最多。H型又可以分為多種控制方式，此設(shè)計(jì)采用受限單極性驅(qū)動方式和受限倍頻單極性驅(qū)動方式。 首先單極性驅(qū)動可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動電路如下圖3-2所示。 圖3-2 受限單極可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng) 電機(jī)止轉(zhuǎn)時，開關(guān)管Ql受PWM控制信號的控制，開關(guān)管Q2施加高電半使其常開；開關(guān)管Q3、Q4施加低電平，使它們?nèi)冀刂?。如圖3-2的狀態(tài)。 在要求電動機(jī)反轉(zhuǎn)時，開關(guān)管Q1受PWM控制信號的控制，開關(guān)管V2施加高電平使其常開；開關(guān)管Q1、Q2施加低電平，使它們?nèi)冀刂埂? 當(dāng)要求電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，在每個PWM周期的0-tl區(qū)間，Ql導(dǎo)通，電動機(jī)工作在電動狀態(tài)。在每個PWM周期的tl-t2區(qū)間，Q1截止，電流在自感電動勢的作用下，經(jīng)Q2和D4型重新流回路，如圖3-1的虛線2所示，電動機(jī)繼續(xù)工作在電動狀態(tài)。 電動機(jī)正轉(zhuǎn)時的電流波形如圖3-3(a)所示。占空比比仍可按式3-1計(jì)算。 當(dāng)電動機(jī)制動時，PWM 信號的占空比減小，使電樞兩端的平均電壓小于反電動勢。在反電動勢的作用下，電流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，但是由于V2處十截止?fàn)顟B(tài)，使耗能制動電流通路受到限制，所謂“受限”因此而得名。 當(dāng)電動機(jī)工作在輕載時，在每個PWM周期的tl-t2區(qū)間，當(dāng)續(xù)流電流衰減到零后，由于V2的截止使反電動勢不能建立反向電流，電樞電流出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，如圖3-3（b)所示。 (a) 正轉(zhuǎn) （b）輕載 圖3-3 受限單極可逆PWM電流波形 首先單極性驅(qū)動方式在輕載時會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，這是這種方式不利的一面，可以通過提高開關(guān)頻率或改進(jìn)電路設(shè)計(jì)來克服；但是由于能夠避免開關(guān)管直通，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以得以普遍使用。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)受限單極性控制具體方法如下： 下圖3-4是用單片機(jī)控制受限單極性可逆PWM驅(qū)動系統(tǒng)的原理圖。圖中單片機(jī)將PWM定向到P0.0引腳，另外通過P1.0引腳發(fā)出轉(zhuǎn)向控制信號，規(guī)定其中高電平代表正轉(zhuǎn)，低電平代表反轉(zhuǎn)。從單片機(jī)輸出的PWM信號和轉(zhuǎn)向信號先經(jīng)過2個與門和l個非門在各個開關(guān)管的柵極相連。 當(dāng)單片機(jī)要求正轉(zhuǎn)時，單片機(jī)Pl.0輸出高電平信號，該信號分成3路：第1路接與門Yl的輸入端，使與門Yl的輸出由PWM決定，所以開關(guān)管vl柵極受PWM控制。第2路直接與開關(guān)管Q2柵極相連，使Q2導(dǎo)通。第3路經(jīng)非門Fl連接到與門Y2的輸入端，使與門Y2輸出為0，這樣使開關(guān)管Q4截止。從非門Fl輸出的另一路與開關(guān)管Q3的柵極相連，其低電平信號也使Q3截止. 同樣電動機(jī)要求反轉(zhuǎn)，單片機(jī)P1.0輸出低電平信號，經(jīng)過兩個與門和一個非門組成邏輯電路后，使開關(guān)管Q4受PWM信號的控制，Q3導(dǎo)通，Q1、Q2截止。圖3-4 單片機(jī)控制受限單極性可逆PWM系統(tǒng)原理圖 3.4 檢測模塊 檢測有無人進(jìn)出采用對射主動紅外探測器。限位開關(guān)則由磁開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。下面介紹一下具體實(shí)現(xiàn)方法及原理。 生活中有很多種保護(hù)裝置，如被動紅外傳感器、電子圍欄、紅外探測器等，可由人體或其他物體檢測。其中，最廣泛使用的紅外探測器是最廣泛使用的，因?yàn)樗子诎惭b，價格低，市場接受了大量的消費(fèi)者。 它由2部分組成，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。該發(fā)射器發(fā)射了一個特定波長的紅外光，當(dāng)然，人眼看不到，但可以通過一個特定的設(shè)備檢測，也可以成像。通常情況下，接收器接收接收器，但如果發(fā)射器被該對象阻擋，則會發(fā)出報(bào)警信號。 每一個火災(zāi)探測器的某個高度門自動門的設(shè)計(jì)。并通過導(dǎo)管將發(fā)射管和接收管捕獲，確保發(fā)射的光是一束光，不受其它光干擾。高電平信號傳輸接收管光被阻塞。這兩個接收器的輸出連接到一個門，然后通過門到INT0引腳。所以無論是一門或一個人出去，會有一個低電平信號輸入INT0端口，使單片機(jī)得到某人的信息，調(diào)用相應(yīng)的程序來執(zhí)行適當(dāng)?shù)男袆哟蜷_大門。 限位開關(guān)分別設(shè)置在門開啟的限位位置，關(guān)閉門的限位位置，以及半位置的位置。此開關(guān)是這樣一種裝置：在其附近的一半的磁鐵，磁性開關(guān)被吸入封閉狀態(tài)，輸出高電平。輸出低電平。 將兩小塊磁鐵分別置于門的右上角位置，則當(dāng)自動門移到限位開關(guān)處時，此開關(guān)就會被吸合，發(fā)出高電平信號，分別輸出給P0.4、P0.5、P0.6這三個引腳，單片機(jī)經(jīng)過查詢這三個引腳來判斷到那個限位開關(guān)，再執(zhí)行變速或停止的相應(yīng)動作。限位開關(guān)的安裝方法如下圖3-5所示。 圖3-5 檢測有無人進(jìn)出及限位開關(guān)模塊 3.5 轉(zhuǎn)速測量模塊 轉(zhuǎn)速測量的方法是用一個圓盤固定在電機(jī)軸上，圓盤上相同半徑的圓環(huán)上相隔180度的兩個位置鉆兩個小圓孔，用于透光。有紅外發(fā)光二極管從圓盤一側(cè)照射到小孔上，紅外光透過小孔照射到圓盤那一側(cè)的光敏三極管上，于是光敏二極管發(fā)出脈沖。再經(jīng)過脈沖整形送入T1計(jì)數(shù)。從而測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 常用的紅外發(fā)光二極管(如SE303-PH303)，其外形和發(fā)光一極管LED相似，發(fā)出紅外光(近紅外線約0.93,um)。管壓降約1.4V，工作電流一般小于20mA。為了適應(yīng)不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。 光敏三極管是具有放大能力的光-電轉(zhuǎn)換三極管，廣泛應(yīng)用于各種光控電路中。在無光照射時，光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，無電信號輸出。當(dāng)光信號照射其基極(受光城口)時，光敏三極管將導(dǎo)通，從發(fā)射極或集電極輸出放大后的電信號。電路如下圖3-6所示： 圖3-6 轉(zhuǎn)速測量模塊的電路設(shè)計(jì) 當(dāng)光敏三極管無光照射時是截止的，所以輸出為高電平5V，當(dāng)接受光照后導(dǎo)通，于是集電極輸出為低電平。形成一個窄的脈沖信號。 下面介紹一下脈沖整形的原理： 1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個穩(wěn)定狀態(tài)，一個暫穩(wěn)態(tài)。 2.在外加脈沖的作用下，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個暫穩(wěn)態(tài)。 3.由于電路中RC延時環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持的時間取決于RC的參數(shù)值。 利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的這些特性可以實(shí)現(xiàn)脈沖整形、脈沖定時、延時等功能。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常都是靠RC電路的充放電過程來維持的。根據(jù)RC電路的不同接法(即接成微分電路形式或積分電路形式)又把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為微分型和積分型兩種。微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器如圖3-7所示。 圖3-7 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 當(dāng)觸發(fā)脈沖V1加到輸入端時，在Rd和Cd組成的微分電路輸出端得到很窄的正、負(fù)脈沖Vd。當(dāng)Vd上升到Vth以后，將引發(fā)以下的正反饋過程 接通電源VDD不觸發(fā)時，U I＝0，而U I 2＝VDD＝1，所以U O2＝0。故有自然穩(wěn)態(tài)：UO=0。這時U I，＝0，U O1＝1≈VDD ，自然穩(wěn)態(tài)時，電容C兩端均為VDD ，C中無電荷。C中無電荷，是穩(wěn)態(tài)的標(biāo)志。觸發(fā)時，UI＝1，UO1＝0，由于電容C兩端的電壓在觸發(fā)瞬間不能突變，所以UI2＝0，使UO2＝1。故有暫態(tài)：UO=1。 接下來，C充電，充電回路為：VDD→R→C→UO1 ，充電使UI2上升。當(dāng)UI2上升到等于G2門的閾值電平VTH時，UO2突跳為0，電路返回到自然穩(wěn)態(tài)：UO=0。 當(dāng)UO=0時，UI，＝0，UI＝0（因?yàn)橛|發(fā)高電平已經(jīng)消逝），所以UO1從“0”突跳為“1”（即上升了VDD）；由于電容C兩端的電壓瞬間不能突變，所以UI2也應(yīng)該從VTH突跳為UI2＝VTH＋VDD；但實(shí)際上由于G2門輸入端有鉗位二極管，所以UI2實(shí)為UI2＝VDD＋0.7。 接下來，C放電，放電回路為：UI2→VDD→UO1→C→UI2 ，放電使UI2下降，當(dāng)UI2下降到等于VDD時（此時，C兩端均為VDD，C中無電荷），電路穩(wěn)定，保證UO=0。 根據(jù)以上的分析，即可畫出電路中各點(diǎn)的電壓波形，如圖3-8所示。 由圖3-7可知，TW等于UI2從0上升到VTH所對應(yīng)的時間。這里，電容C的充電時間常數(shù)τ=RC，起始值UI2（0+）=0，穩(wěn)定值UI2（∞）=VDD，轉(zhuǎn)換值UI2（TW）=VTH，帶入RC過渡過程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算可得： 4 軟件設(shè)計(jì) 4.1 整體程序流程圖 本設(shè)計(jì)程序以匯編語言編寫，因?yàn)閰R編語言易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快。 本程序的設(shè)計(jì)主要由PWM信號發(fā)生程序、轉(zhuǎn)速測量模塊程序和檢測開關(guān)程序組成。整體程序流程圖如下頁圖4-1所示。 4.2 功能模塊設(shè)計(jì) 本軟件主要是采用查詢的方法來實(shí)現(xiàn)。雖然中斷方法查詢實(shí)時和節(jié)省時間，但根據(jù)系統(tǒng)的要求，因?yàn)槿绻藗冞M(jìn)入INT0中斷服務(wù)程序和服務(wù)程序不易確定自動門到底部的快門速度。檢查適當(dāng)?shù)脑O(shè)置是否完全可能。 4.2.1 PWM信號發(fā)生程序設(shè)計(jì) PWM信號就是脈沖寬度信號，一定時間的高電平和一定時間的低電平的循環(huán)即可形成PWM信號。于是本程序采用將P0.0清0和置l的方法來實(shí)現(xiàn)。首先在程序開始初始化的時候?qū)0.0清0，調(diào)用PWM信號產(chǎn)生程序時，先將P0.0置1，然后經(jīng)定時程序延時一段時間后再將P0.0清0。然后判斷有沒有中斷要執(zhí)行，如到達(dá)限位開關(guān)或是有人進(jìn)出時。如果以上情況都沒發(fā)生就繼續(xù)調(diào)用這一個方波的發(fā)生程序。直至有中斷打斷時，執(zhí)行清0 P0.0或調(diào)用另一個方波發(fā)生程序?qū)嵤┳兯佟? 圖4-1 整體程序流程圖 變速是根據(jù)程序的順序執(zhí)行順序而判斷門所處的位置來實(shí)現(xiàn)的。此程序嚴(yán)格按照自動門開關(guān)一次的順序來編寫的，考慮了各階段可能遇到的所有問題，因此根據(jù)程序執(zhí)行的控制器可判斷自動門是該快速還是慢速。 圖4-2 快速開門流程圖 具體程序如下： KSLOW:CLR P1.0 SETB P0.0 LCALL DEL LCALL DEL CLR P0.0 LCALL DEL JB P3.2,GFAST JB P0.4,STOP1 AJMP KSLOW 其中DEL所標(biāo)號的子程序就是基本的延時程序，實(shí)現(xiàn)延時0.1秒。它的設(shè)計(jì)采用了多重循環(huán)定時。 循環(huán)是一個過程可以反復(fù)執(zhí)行的程序，那么你可以使用周期結(jié)構(gòu)，這有助于縮短進(jìn)程，提高程序的質(zhì)量。一個圓形程序由以下三個部分組成： 循環(huán)體：就是要求某一段程序重復(fù)執(zhí)行的程序部分。 循環(huán)結(jié)束條件：在循環(huán)程序中必須給出循環(huán)結(jié)束條件。常見的循環(huán)是計(jì)數(shù)循環(huán)，循環(huán)了一定次數(shù)后就結(jié)束循環(huán)。 循環(huán)初值：用于循環(huán)過程的工作單元，在循環(huán)開始往往要置以初態(tài)。即分別賦其一初始值。 多重循環(huán)定時加長了定時時間，最簡單的多重循環(huán)為由DJNZ指令構(gòu)成的軟件延時程序，他是較為常用的程序之一。DJNZ指令的機(jī)器周期為2，則如果單片機(jī)的晶振頻率為l2MHz則一個機(jī)器周期是l us，因此執(zhí)行一條DJNZ指令的時間為2us。 定時0.1 s的程序如下： DEL: MOV R7，#200 DEL1: MOV R6，#250 DEL2: DJNZ R6，DEL2 DJNZ R7，DEL1 RET 其中R6、R7是兩個8位的寄存器，分別裝有兩次的循環(huán)初值，250和200執(zhí)行內(nèi)循環(huán)時，執(zhí)行時間為250*2us=5000us=0.5ms。外層循環(huán)執(zhí)行時間為200*0.5ms=100ms=0.1s。 在基本延時程序的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用它可以實(shí)現(xiàn)多種定時。 MOV R0，#14H LOOPl：CALL DEL DJNZ R0，LOOPI 就實(shí)現(xiàn)了20*0.1s=2s的定時。 4.2.2 轉(zhuǎn)速測量模塊程序設(shè)計(jì) 本程序采用定時和技術(shù)結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。其中定時沒有采用定時器／計(jì)數(shù)器。因?yàn)榍斑呉呀?jīng)有了基本延時程序，為了使程序更簡便并且有更高的利用率，因而仍采用軟件延時的方法。具體程序如下： T10: MOV TMOD,#50H; T1為方式1計(jì)數(shù)器 MOV TL1，#0 MOV TH1，#0 MOV R0,#10; 測試一秒內(nèi)的轉(zhuǎn)速 SETB TR1 LOOP2:LCALL DEL DJNZ R0，LOOP2 CLR TR1 MOV A,TL1 CJNE A，#0,JIXU1 JIXU1:JB P0.6,GSLOW AJMP GFAST 當(dāng)調(diào)用關(guān)門程序的過程中才有必要測速，另一部分不需要設(shè)置此程序。在呼叫中的閉合信號的過程中，調(diào)用速度程序。TL。第一個計(jì)數(shù)器TL啟動計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)設(shè)置初始值為0，然后開始計(jì)時，計(jì)時l秒計(jì)數(shù)器的數(shù)值傳遞給登記，在兩倍的最小速度數(shù)值和電機(jī)正常狀態(tài)相比（因?yàn)楸P上設(shè)置有兩個孔，因此最低轉(zhuǎn)速兩倍）。如果值是小于2倍的最小值表示一個障礙，從而打開門到程序的執(zhí)行。 其中TMOD是定時器／計(jì)數(shù)器的工作方式寄存器。它用于選擇定時器／計(jì)數(shù)器的工作模式和工作方式，它的字節(jié)地址為89H，不能進(jìn)行位尋址。其格式如下圖4-1所示 圖4-1 TMOD格式 當(dāng)GATE位為0時，僅由運(yùn)行控制位TRX(x=0，1)=1來啟動定時器／計(jì)數(shù)器運(yùn)行。 M1、M0為工作方式選擇位。本程序中將其設(shè)置為01，表示定時器／計(jì)數(shù)器工作在方式l，為l6位定時器／計(jì)數(shù)器。 C/T=1時為計(jì)數(shù)器模式，計(jì)數(shù)器對外部輸入引腳TO(P3．4腳)或Tl(P3．5腳)的外部脈沖(負(fù)跳變)計(jì)數(shù)。 TRl為計(jì)數(shù)器控制位，TRl為1啟動定時器／計(jì)數(shù)器工作(GATE為0的時候僅由它來控制定時器／計(jì)數(shù)器)。該位可由軟件置l或清0。 4.2.3 檢測開關(guān)程序設(shè)計(jì) 檢測器檢測是否有人接到INT0引腳，由于需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能，查詢方法的設(shè)計(jì)中采用。因?yàn)槿绻谥袛喾?wù)程序中使用中斷方式，打開速度是很難確定的，因?yàn)椴还苁鞘裁礌顟B(tài)，都很有可能有人在不需要執(zhí)行的情況下進(jìn)行公開動作。如果不能準(zhǔn)確地確定自動門最近的位置，就不能正確調(diào)用相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號，從而使電機(jī)達(dá)到不同的轉(zhuǎn)速。查尋方法如下： JNB P3.2，KSLOW 還有 JB P0.6，GSLOW 等語句。 JNB指令意思是：如果P3.2為高電平，則跳轉(zhuǎn)到KFAST執(zhí)行。 JB指令是當(dāng)此引腳為高電平時進(jìn)行跳轉(zhuǎn)。 系統(tǒng)中有多個請求源，均采用了對輸入引腳查詢的方式。這有助于準(zhǔn)確的判斷所應(yīng)執(zhí)行的動作。 5 設(shè)計(jì)仿真與分析 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)過程，一般都包括如下幾個過程：首先設(shè)計(jì)硬件電路，并在Multisim上仿真，仿真好了就完成硬件組裝工作，然后進(jìn)入軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試和硬件調(diào)試階段。 5.1 仿真軟件介紹 本設(shè)計(jì)的仿真軟件采用Multisim和Keil uVision3軟件相結(jié)合的方法。Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入，電路硬件描述語言輸入法，具有豐富的仿真分析。工程師可以使用Multisim搭建的電路原理圖，以及電路仿真。Multisim提煉的復(fù)雜內(nèi)容的SPICE仿真，使工程師不需要知道香料技術(shù)的深度可以快速捕捉，新設(shè)計(jì)的仿真和分析，這使得它更適合于電子教育。通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計(jì)流程。 Multisim以庫的形式管理元器件，經(jīng)菜單Tools/ Database Management打開Database Management（數(shù)據(jù)庫管理）窗口（如下圖所示），對元器件庫進(jìn)行管理?！? 在Database Management窗口中的Daltabase列表中有兩個數(shù)據(jù)庫：Multisim Master和User。其中Multisim Master庫中存放的是軟件為用戶提供的元器件，User是為用戶自建元器件準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)庫。用戶對Multisim Master數(shù)據(jù)庫中的元器件和表示方式?jīng)]有編輯權(quán)。當(dāng)選中Multisim Master時，窗口中對庫的編輯按鈕全部失效而變成灰色。但用戶可以通過這個對話窗口中的Button in Toolbar顯示框，查找?guī)熘胁煌悇e器件在工具欄中的表示方法。據(jù)此用戶可以通過選擇User數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而對自建元器件進(jìn)行編輯管理。 在Multisim Master中有實(shí)際元器件和虛擬元器件，它們之間根本差別在于：一種是與實(shí)際元器件的型號、參數(shù)值以及封裝都相對應(yīng)的元器件，在設(shè)計(jì)中選用此類器件，不僅可以使設(shè)計(jì)仿真與實(shí)際情況有良好的對應(yīng)性，還可以直接將設(shè)計(jì)導(dǎo)出到Ultiboard中進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)。另一種器件的參數(shù)值是該類器件的典型值，不與實(shí)際器件對應(yīng)，用戶可以根據(jù)需要改變器件模型的參數(shù)值，只能用于仿真，這類器件稱為虛擬器件。它們在工具欄和對話窗口中的表示方法也不同。在元器件工具欄中，雖然代表虛擬器件的按鈕的圖標(biāo)與該類實(shí)際器件的圖標(biāo)形狀相同，但虛擬器件的按鈕有底色，而實(shí)際器件沒有。 本設(shè)計(jì)主要是針對Multisim的原理圖設(shè)計(jì)和利用Multisim實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的仿真。軟件部分采用Keil軟件進(jìn)行匯編語言編程，Keil uVision3是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)匯編語言的軟件開發(fā)系統(tǒng)。 本設(shè)計(jì)仿真步驟