基于單片機的自動門控制系統(tǒng)設計.doc

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第一章 緒論 1.1課題研究的背景 社會的進步、科技的前進將人們的生活投入了一個急劇發(fā)展的數(shù)字化的21世紀。人們生活水平也隨之逐漸升高，讓人們對美好生活環(huán)境追求的欲望也愈來愈強烈，因而各類方便于生活的單片機自動控制系統(tǒng)開始進入了人們的生活。以單片機為核心的自動門系統(tǒng)就是其中之一。因自動門之中使用的芯片和傳感器技術的日漸先進，使它的實用性變的更好，功能也愈來愈多，從而讓它的應用范圍也越來越廣泛。使用自動門會給人們帶來人員出入方便、節(jié)約能源、減少噪音等好處，也令人們的建筑更加的現(xiàn)代化。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 自動門是上個世紀中期在建筑物上得到利用。在上個世紀二十年代之后，自動門開始造美國的超級市場上初次使用。當時使用的是油壓式自動門，這是世界上第一跨自動門，根據(jù)它的使用原理，氣動式自動門也開始得到發(fā)明。到1962年電氣化的進步，電氣式自動門得以發(fā)展，因它較于油壓式和氣動式維護更加方便，電氣式自動門隨著城市化的推進，使用它的用戶也隨之增加。但在上世紀六十年代電氣設備的發(fā)展還處于低級階段，電機轉(zhuǎn)速難以控制，故此當時的電氣式自動門的性能還是差強人意，能源利用率低下，維護的成本還是相對較高。在進入計算機時代之后，計算機技術的不斷發(fā)展，電子控制技術開始成熟，直接控制電動機的電氣式自動門得到急劇的發(fā)展，使其逐步成為自動門的主流。 在中國自動門現(xiàn)在隨著城市化推進的浪潮在社會中得到廣泛的應用，現(xiàn)在在每個城市都可以見到自動門的身影。但在國內(nèi)因其研發(fā)起步較晚，自主研發(fā)的程度比較低，大部分的專利都在外國人的手中。在進入新世紀之后，國內(nèi)的計算機發(fā)展進入快車道，追趕上國際上的先進水平。利用計算機技術的自動門技術在國內(nèi)也在飛速發(fā)展。 自動平移門是現(xiàn)在最常見的自動門。工作的方式是將兩個人體紅外感應器安裝在門內(nèi)外兩側(cè)。當人走近自動門時，任意一個人體紅外感應器感應到人體紅外的存在，就控制步進電機打開門。當人通過門之后，再將門關閉。因為自動平移門可以在進入自動模式后能夠完成自動控制，可以讓建筑物層次得以提升又方便美觀。因此迅速在國內(nèi)外建筑市場得到廣泛的普及。 1.3課題研究意義和目的 21世紀是電子科技不斷發(fā)展的時代， 各種智能控制系統(tǒng)逐漸的進入人們的生活之中。自動門控制系統(tǒng)因它能夠出色的完成疏導人流，降低人員密度，防止再次發(fā)人員踩踏的慘劇，已成為商場、超市、旅店、寫字樓等人流集中地的首選。 為了使自動門更好的為人們服務。為了 獲得一種簡單電路，功能完善，維護方便和性價高等優(yōu)點的自動門系統(tǒng)，本文中，研究了一種平開式的自動門控制系統(tǒng)。 實現(xiàn)了自動識別人體紅外識和防擠壓等功能。該系統(tǒng)以STC89C52作為控制核心，以步進電機、紅外傳感器和光電開關結(jié)合的簡易單片機系統(tǒng)，充分發(fā)揮核心控制系統(tǒng)的性能。具有一定的使用和參考價值。 1.4課題主要研究內(nèi)容 閱讀單片機以及自動控制相關知識。通過去圖書館下載往年有關的論文進行參考，查閱資料，瀏覽圖書館相關文獻，使用網(wǎng)絡參考網(wǎng)絡上的論文。在此基礎上利用單片機實現(xiàn)自動門控制系統(tǒng)的設計。本次設計總體結(jié)構(gòu)大致分為電源模塊、動力模塊、報警模塊、人體感應模塊、門行程檢測模塊、障礙物檢測模塊共六大模塊組成，通過Keil軟件編寫設計所需要的程序并對程序進行檢查分析，Altium designer進行原理圖設計和PCB板的布線，最后使用Proteus軟件進行仿真。本控制系統(tǒng)基本框圖如圖1.1所示 圖1.1紅外檢測框圖  第二章 系統(tǒng)硬件設計 為了滿足生活中日益增長的自動門需求，本設計是完成一種基于89C52單片機的自動門控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括報警電路，HC-SR501人體感應模塊，復位電路，動力模塊，控制方式切電路換等。當有人經(jīng)過人體感應模塊時，人體感應模塊會感應到人體的溫度，之后會將紅外線信號轉(zhuǎn)化為電壓信號,從而該系統(tǒng)會自動打開門，讓行人通過。當人通過后，人體感應模塊感應不到人體的溫度，之后輸出低電壓信號，從而該系統(tǒng)會自動打關門。該系統(tǒng)操作簡單，可靠性強，靈敏度高，檢測范圍廣，便于安裝，非常適代替原始的手動門，從而達到出入方便的目的。 2.1硬件整體設計思路 根據(jù)需要實現(xiàn)的功能選取基本硬件： （1） 主控芯片：STC89C52； （2） 人體感應模塊：HC-SR501； （3） 報警模塊：蜂鳴器： （4） 動力模塊：步進電機； （5） 障礙檢測模塊：E18-D50NK； （6） 門行程檢測模塊：ITR-9608光電開關 系統(tǒng)整體硬件框圖如圖2.1所示 圖2.1系統(tǒng)硬件框圖 2.2單片機介紹 單片機是微型計算機系統(tǒng)。雖然它小，但具備一臺計算機的大部分部件：運算器、控制器、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)。相當于一塊芯片成為了一臺體積小、質(zhì)量輕、價格便宜的計算機。這為它的廣泛應用提供了便利的條件。 根據(jù)系統(tǒng)需求，需要控制芯片能在5V~7V電壓下工作，低功耗響應速度快，具備定時器，UART串口通信，外部中斷，至少具備8個I/O口，能夠驅(qū)動小電流設備。根據(jù)以上功能需要，綜合考慮選取在市場上應用比較廣泛且性價比高的Atmel 公司的STC89C52單片機，作為主控芯片，并選取11.0592MHz的晶振外接在主控芯片上圖2.2為STC89C52單片機的最小系統(tǒng)圖。 圖2.2 STC89C52單片機最小系統(tǒng) 2.2.1STC89C52單片機引腳說明 STC89C52單片機擁有40個引腳。表1按照引腳功能可分4個部分。 表2.1單片機引腳說明 單片機引腳 引腳功能 主電源引腳 VCC（40） 電源輸入，接+5V電源 GND（20） 接地線 外接晶振引腳 XTAL1（19） 片內(nèi)振蕩電路的輸入端 XTAL2（18） 片內(nèi)振蕩電路的輸出端 控制引腳 RST/VPP（9） 復位信號輸入端 ALE/PROG（30） 地址鎖存允許信號 PSEN（29） 外部存儲器讀選通信號 EA/VPP（31） 程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令 可編程輸入/輸出引腳 P0口(32~39) 準雙向8位三態(tài)I/O口 P1口（1~8） 準雙向8位三態(tài)I/O口 P2(21~28) 準雙向8位三態(tài)I/O口 P3(10~17) 準雙向8位三態(tài)I/O口 值得注意的是，P3口的每一個引腳都可以單獨作為第一功能的輸入輸出或第二功能。P3口第二功能如表2.2所示 表2.2 P3口第二功能 P 3.0 PXD（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） 2.2.2復位及復位電路 復位是單片機的初始化操作。其主要功能是讓單片機初始化為0000H并從0000H單元開始執(zhí)行程序。可以在單片機程序運轉(zhuǎn)出錯或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀況時，擺脫困境。復位電路原理圖如圖2.3所示。 圖2.3復位電路原理圖 2.3人體感應模塊設計 HC-SR501是利用紅外線的技術從而來實現(xiàn)自動控制的功能。當有人經(jīng)過該系統(tǒng)時，該模塊感應到人體的溫度,人體所輻射出來的紅外線被人體感應模塊吸收之后，該人體感應模塊經(jīng)過一系列的處理之后，紅外線就會轉(zhuǎn)變成電壓信號，該系統(tǒng)就會發(fā)出報警的信號。該人體模塊靈敏度高，廣泛地被應用在自動感應產(chǎn)品之中。它的發(fā)明使好多自動感應產(chǎn)品的制作變得更加的方便快捷，更加的可靠。 2.4步進電機 步進電動機是一種的數(shù)字控制電動機。它是將收到的電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移或者線性位移。即給一個脈沖信號，步進電動機就轉(zhuǎn)動一個角度。步進電機在負載范圍內(nèi)的開啟/停止,轉(zhuǎn)動頻率，只與控制核心傳輸給它的信號相關，而不受負載大小的影響。由于這特點的存在，所以作常適合于單片機控制。近30年來，數(shù)字技術、計算機技術迅速發(fā)展推動步進電動機的進步，使步進電動機的使用愈來愈廣泛。 2.5 驅(qū)動控制系統(tǒng) 在利用步進電機時必需要有由環(huán)形脈沖，功率放大等構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖2.3所示。 圖2.3驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖 脈沖信號由單片機產(chǎn)生，經(jīng)ULN2003芯片對脈沖信號進行放大，步進電動機根據(jù)脈沖電流進行相應的工作狀態(tài)。在步進電動機的控制中，基本控制如下: （1）反應式步進電動機控制換相順序 步進電動機的工作方時，按照通電換相次序嚴格執(zhí)行。我們把通電換相過程稱為脈沖分配。四相五線步進電機工作方式通電換相的正序：是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A；反序為A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A。共有八個通電狀態(tài)。其驅(qū)動方式邏輯時序如表2.4示。 表2.4邏輯時序 步進 01 02 03 04 真值表 通電 0 ON OFF ON OFF 1010 AC 1 ON OFF OFF OFF 1000 A 2 ON OFF OFF ON 1001 AD 3 OFF OFF OFF ON 0001 D 4 OFF ON OFF ON 0101 BD 5 OFF ON OFF OFF 0100 B 6 OFF ON ON OFF 0110 BC 7 OFF OFF ON OFF 0010 C 8 ON OFF ON OFF 1010 AC ULN2003芯片是高壓大電流達林頓晶體管陣列，它是使用七個硅NPN達林頓管組成成。具有電流增益高、工作電流大、帶負載能力強等特性。本設計采用該芯片將信號從微處理器中放大，構(gòu)成一個功率放大電路，以便于對步進電機驅(qū)動。其方框圖如圖2.5所示。 圖2.5ULN2003芯片框圖 2.6檢測模塊 本設計利用E18-D50NK紅外避障器和ITR-9608光電開關組成自動門的檢測系統(tǒng)。 2.6.1E18-D50NK紅外避障器 E18-D50NK是一種集發(fā)射與接收于一體的主動式光電傳感器。E18-D50NK傳感器傳感器具有抗干擾能力強、安裝方便、使用簡單等特點。并且探測距離是可以通過電位器進行調(diào)節(jié)的。廣泛應用在防盜報警、自動門、機器人避障、流水線記數(shù)等方面。 該傳感器主動發(fā)射的光線經(jīng)過調(diào)制后調(diào)制成一定波長的光線在進行發(fā)射，在工作中可以避免被自然光線和各種燈光的干擾具有較大精度。當發(fā)射的光線被擋住，接收器根據(jù)發(fā)射回來的光線進行調(diào)節(jié)輸出信號。單片機處理此信號，最終報警器報警，步進電機停止轉(zhuǎn)動，以達到放夾功能。保護了行人的安全和防止夾到異物損壞自動門。 2.6.2ITR-9608光電開關 ITR-9608光電開關為槽型光電傳感器。其工作原理是：通過檢查自身發(fā)射器發(fā)射的光線是否被另一端的接收器接收到，接收到光線表示沒有物體通過檢測器，沒有接收到光線表示有物體經(jīng)過，光電開關據(jù)此產(chǎn)生信號。對射式光電開關的特點在于：檢測的物體不限于是不是金屬物體，只要此物體不是不透明的，工作時不易受干擾，感應靈敏度高，工作所需能量小，工作壽命長。主要應用在測速、計數(shù)器、打印機等自動設備上。 在本次設計中利用此傳感器檢測門打開或關閉的位置。在自動門關閉的過程中，當自動門遮擋住JP1時，系統(tǒng)認為自動門已經(jīng)完全關閉，電動機停止關門。在門打開的過程中，當自動門不能繼續(xù)遮擋JP2時，系統(tǒng)認為自動門已經(jīng)完全打開，電動機停止轉(zhuǎn)動，等待關門指令進行再進行關門動作。門行程檢測電路如圖2.5所示。 圖2.5門行程檢測電路  第三章 課題的軟件設計 3.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 本設計利用C語言進行程序編寫，整個系統(tǒng)的程序主要由端口設置，標志位設置，延時子函數(shù)，報警子函數(shù)，順時針/逆時針轉(zhuǎn)動子函數(shù)，門行程檢測子函數(shù)，主程序等組成。程序依次正常運行帶動硬件完成設計所需要的功能。全部程序見附錄。 3.2程序流程圖設計 自動門在自動狀態(tài)下首先檢測門的狀態(tài)，根據(jù)接收到檢測器的信號判斷自動門上次停機所處的位置。在根據(jù)紅外探測器所接收到的信號，判斷是否有人，是否進入開門狀態(tài)。在開門過程中門限位檢測開關，檢測門的位置，到達預定位置，停止開門。在紅外檢測開關檢測到?jīng)]有人時進入關門程序，在關門過程中，紅外傳感器繼續(xù)檢測是否有人，有人則停止關門，進入開門程序，無人則繼續(xù)關門，同時障礙檢測器在關門過程中檢測是否有障礙無，若檢測到有障礙物，停止關門、報警，直到障礙物消失。若無障礙物繼續(xù)關門，直到右側(cè)限位開關檢測到門處于預定位置，停止關門。等待下次紅外檢測器檢測到有人在次循環(huán)。流程圖如圖3.1所示。 3.1系統(tǒng)流程圖 3.3關門/開門子函數(shù) uchar code FFW[8]={0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09};//順時針方向轉(zhuǎn)動編碼 uchar code REV[8]={0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01};//逆時針方向轉(zhuǎn)動編碼 //順時鐘轉(zhuǎn)動子函數(shù) void motor_ffw() { uchar i; for (i=0; i<8; i++) { P0=FFW[i]; delay(2); } } ///逆時針轉(zhuǎn)動子函數(shù) void motor_rev() { uchar j; for (j=0; j<8; j++) { P0=REV[j]; delay(2); } } 利用用C語言談的For循環(huán)程序，使步進電機在合適的時機進行正確的正反轉(zhuǎn)。單片機需要開門或者關門自行調(diào)動相關程序，使自動門能夠正確的工作。是設計的主要程序，如果沒有這個程序，單片機無法使電動機轉(zhuǎn)動。 3.4報警子函數(shù) void alarm1() //報警子函數(shù) { uchar i; for(i=0;i<200;i++) { alarm= ~alarm;//報警 delay(20); } alarm=1;//報警完關閉 } 此程序是蜂鳴器啟動程序，在i在小于200時，輸出高低電平脈沖。利用延時程序使脈沖的頻率進行降低，蜂鳴器發(fā)出的聲音頻率降低，延長蜂鳴器的使用壽命。 3.5自動模式子程序 //****************自動模式************************************// if(ZD==0)//如果自動模式按鍵按下 { LS=1; //手動模式指示燈滅 for(t=0;t<50;t++) //自動模式燈閃爍約5秒鐘 { LZ=~LZ; delay(200); } delay(5); zdms=0; //自動模式標志置零，進入自動模式 sdms=1; //手動模式標志置1，退出手動模式 LZ=0; //自動模式指示燈亮 } //-------------向右邊平移開門（步進機順時針轉(zhuǎn)動）-------------------------------// if((zdms==0)&&(zt3==1)&&(hw_temp==1))//同時被擋住 { motor_ffw();//調(diào)用順時針轉(zhuǎn)動子函數(shù) } if((zdms==0)&&(zt1==1)&&(hw_temp==1))//右邊被擋住 { motor_ffw();//調(diào)用順時針轉(zhuǎn)動子函數(shù) } //-------------向左平移關門（步進機逆時針轉(zhuǎn)動）-------------------------------// if((bz_temp==1)&&(zdms==0)&&(zt3==0)&&(hw_temp==0))//同時沒有被擋住 { motor_rev();//調(diào)用逆時針轉(zhuǎn)動子函數(shù) } if((bz_temp==1)&&(zdms==0)&&(zt2==0)&&(hw_temp==0))//左邊沒被擋住 { motor_rev();//調(diào)用逆時針轉(zhuǎn)動子函數(shù) } 自動模式下開門：需要同時滿足以下3個條件。 （1） zdms==0：自動模式按鈕按下。 （2） zt3==1：門行程檢測按鈕感應到門沒有打開，處于關閉或半開啟狀態(tài)。 （3） hw_temp==1：任意一個人體紅外感應器感應到人。 滿足3個條件后，調(diào)動電動機順時針轉(zhuǎn)動程序，步進電機轉(zhuǎn)動使門打開。直到門達到預定狀態(tài)，步進電機停止轉(zhuǎn)動。 自動模式下關門：需要同時滿足以下4個條件。 （1） bz_temp==1：障礙檢測器未感應到有障礙物。 （2） zdms==0：自動模式按鈕按下。 （3） zt3==0：門行程檢測按鈕感應到門處于打開狀態(tài)。 （4） hw_temp==0：所有紅外人體感應器感應不到到人體紅外。 3.6障礙物檢測程序 //************如果檢測到障礙物，馬上停止轉(zhuǎn)動，進入制動報警狀態(tài) if((bz_temp==0)&&(K2==0)&&(sdms==0)) { P0=0x00;//步進電機停止轉(zhuǎn)動 alarm1(); } if((bz_temp==0)&&(zdms==0)&&(hw_temp==0)) { P0=0x00;//步進電機停止轉(zhuǎn)動 alarm1(); } 障礙檢測程序的調(diào)用無論是自動模式還是手動模式，只要滿足關門時障礙檢測器檢測到有人，馬上停止電動機的轉(zhuǎn)動。進入報警模式，蜂鳴器響起。 3.7電路圖與PCB板的設計 在Altiun上畫出電路的原理圖，并據(jù)此繪制出PCB板的接線圖。在繪制PCB板接線圖時根據(jù)元器件的大小，本著結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理，減少跳線的原則圍進行布局排版。原理圖如圖3.2所示，PCB接線圖如圖3.3所示。 3.2原理圖 圖3.3PCB接線 第四章 系統(tǒng)的仿真與調(diào)試 4.1系統(tǒng)仿真 在首先是進行系統(tǒng)仿真。此次仿真利用Proteus軟件，，它的功能很強大，能夠仿真單片機及其外圍電路，并且能將所設計的程序?qū)氲絾纹瑱C內(nèi)。仿真的目的是排除明顯的硬件故障和軟件問題，檢測硬件軟件是否兼容，能否實現(xiàn)所預設的功能。根據(jù)之前所設計的原理圖和系統(tǒng)程序，并使用原來學過的仿真軟件繪畫仿真圖，測試整體設計。 4.2軟件的調(diào)試 在設計中所用 程序并不是直接燒錄進單片機，而是在進行過各種調(diào)試仿真后，把沒有錯誤，能夠完美實現(xiàn)設計要求的程序燒錄至單片機，使單片機能夠協(xié)調(diào)指揮各個硬件，達到設計的目標。 本次程序調(diào)試使用的是Keil uVision4編碼器進行調(diào)試，在是用Keil uVision4編碼器時，對工程成功的進行編譯后、連接以后，在“主菜單”中打開“調(diào)試”欄，點金“開始/停止調(diào)試”即可進入軟件仿真調(diào)試狀態(tài)。此過程可以檢查程序中存在的錯誤。以便于修改程序。在KeiluVision4軟件調(diào)試過程中可以進行單步調(diào)試，這一步可以使用戶清晰的看到程序執(zhí)行到哪一步，錯誤出現(xiàn)在哪里，減少檢查錯誤的時間，減少工作強度。在檢查程序的過程中，不出現(xiàn)邏輯錯誤，并不代表程序完全沒有錯誤?？梢栽O置端口和斷點，并查看標志位和個寄存器的狀態(tài)。如果出現(xiàn)邏輯錯誤，更正邏輯錯誤，直到程序上完全沒有錯誤。軟件調(diào)試結(jié)果如圖4.1所示。 圖4-1程序調(diào)試結(jié)果 4.3硬件的調(diào)試 在單片機的焊接過程中繞單片機為中心，從簡單，線路少的元器件開始進行焊接，焊接結(jié)束后再進行下一步的調(diào)試。 仔細檢查電路板是否有元器件方向反向、虛焊、漏焊、斷線等現(xiàn)象。檢查完畢后，進行通電檢查電路板是否有異常，一般是檢查是否有因線路接錯而產(chǎn)生短路而引起的電路異常發(fā)熱，發(fā)熱溫度過高有可能使電路板燒毀。如出現(xiàn)此現(xiàn)象，要立即關閉電源，用萬用表檢查電路板，排除故障后，再次對電路板進行功能調(diào)試，直到電路板達到完整運行使用的狀態(tài)。 實物檢測手動模式：按下手動模式開關，手動模式指示燈亮起，按下開門按鈕，步進電機順時針轉(zhuǎn)動帶動自動門開啟，直到左側(cè)限位開關檢測不到門，步進電機停止轉(zhuǎn)動。按下關門按鈕，步進電機逆時針轉(zhuǎn)動帶動門關閉，直到右側(cè)限位開關檢測到門。