基于单片机的自动门控制新版系统标准设计.docx

第一章 绪论1.1课题研究背景社会进步、科技前进将大家生活投入了一个急剧发展数字化二十一世纪。大家生活水平也随之逐步升高，让大家对美好生活环境追求欲望也愈来愈强烈，所以各类方便于生活单片机自动控制系统开始进入了大家生活。以单片机为关键自动门系统就是其中之一。因自动门之中使用芯片和传感器技术日渐优异，使它实用性变愈加好，功效也愈来愈多，从而让它应用范围也越来越广泛。使用自动门会给大家带来人员出入方便、节省能源、降低噪音等好处，也令大家建筑愈加现代化。1.2中国外研究现实状况和发展趋势 自动门是上个世纪中期在建筑物上得到利用。在上个世纪二十年代以后，自动门开始造美国超级市场上首次使用。当初使用是油压式自动门，这是世界上第一跨自动门，依据它使用原理，气动式自动门也开始得到发明。到1962年电气化进步，电气式自动门得以发展，因它较于油压式和气动式维护愈加方便，电气式自动门伴随城市化推进，使用它用户也随之增加。但在上世纪六十年代电气设备发展还处于低级阶段，电机转速难以控制，故此当初电气式自动门性能还是差强人意，能源利用率低下，维护成本还是相对较高。在进入计算机时代以后，计算机技术不停发展，电子控制技术开始成熟，直接控制电动机电气式自动门得到急剧发展，使其逐步成为自动门主流。在中国自动门现在伴随城市化推进浪潮在社会中得到广泛应用，现在在每个城市全部能够见到自动门身影。但在中国因其研提议步较晚，自主研发程度比较低，大部分专利全部在外国人手中。在进入新世纪以后，中国计算机发展进入快车道，追赶上国际上优异水平。利用计算机技术自动门技术在中国也在飞速发展。自动平移门是现在最常见自动门。工作方法是将两个人体红外感应器安装在门内外两侧。当人走近自动门时，任意一个人体红外感应器感应到人体红外存在，就控制步进电机打开门。当人经过门以后，再将门关闭。因为自动平移门能够在进入自动模式后能够完成自动控制，能够让建筑物层次得以提升又方便美观。所以快速在中国外建筑市场得到广泛普及。 1.3课题研究意义和目标二十一世纪是电子科技不停发展时代， 多种智能控制系统逐步进入大家生活之中。自动门控制系统因它能够出色完成疏导人流，降低人员密度，预防再次发人员踩踏惨剧，已成为商场、超市、旅店、写字楼等人流集中地首选。为了使自动门愈加好为大家服务。为了 取得一个简单电路，功效完善，维护方便和性价高等优点自动门系统，本文中，研究了一个平开式自动门控制系统。 实现了自动识她人体红外识和防挤压等功效。该系统以STC89C52作为控制关键，以步进电机、红外传感器和光电开关结合简易单片机系统，充足发挥关键控制系统性能。含有一定使用和参考价值。1.4课题关键研究内容阅读单片机和自动控制相关知识。经过去图书馆下载往年相关论文进行参考，查阅资料，浏览图书馆相关文件，使用网络参考网络上论文。在此基础上利用单片机实现自动门控制系统设计。此次设计总体结构大致分为电源模块、动力模块、报警模块、人体感应模块、门行程检测模块、障碍物检测模块共六大模块组成，经过Keil软件编写设计所需要程序并对程序进行检验分析，Altium designer进行原理图设计和PCB板布线，最终使用Proteus软件进行仿真。本控制系统基础框图图1.1所表示图1.1红外检测框图第二章 系统硬件设计为了满足生活中日益增加自动门需求，本设计是完成一个基于89C52单片机自动门控制系统，该系统包含报警电路，HC-SR501人体感应模块，复位电路，动力模块，控制方法切电路换等。当有些人经过人体感应模块时，人体感应模块会感应到人体温度，以后会将红外线信号转化为电压信号,从而该系统会自动打开门，让行人经过。当人经过后，人体感应模块感应不到人体温度，以后输出低电压信号，从而该系统会自动打关门。该系统操作简单，可靠性强，灵敏度高，检测范围广，便于安装，很适替换原始手动门，从而达成出入方便目标。2.1硬件整体设计思绪依据需要实现功效选择基础硬件：（1） 主控芯片：STC89C52；（2） 人体感应模块：HC-SR501；（3） 报警模块：蜂鸣器：（4） 动力模块：步进电机；（5） 障碍检测模块：E18-D50NK；（6） 门行程检测模块：ITR-9608光电开关系统整体硬件框图图2.1所表示图2.1系统硬件框图2.2单片机介绍单片机是微型计算机系统。即使它小，但含有一台计算机大部分部件：运算器、控制器、内存、内部和外部总线系统。相当于一块芯片成为了一台体积小、质量轻、价格廉价计算机。这为它广泛应用提供了便利条件。依据系统需求，需要控制芯片能在5V7V电压下工作，低功耗响应速度快，含有定时器，UART串口通信，外部中止，最少含有8个I/O口，能够驱动小电流设备。依据以上功效需要，综合考虑选择在市场上应用比较广泛且性价比高Atmel 企业STC89C52单片机，作为主控芯片，并选择11.0592MHz晶振外接在主控芯片上图2.2为STC89C52单片机最小系统图。图2.2 STC89C52单片机最小系统2.2.1STC89C52单片机引脚说明STC89C52单片机拥有40个引脚。表1根据引脚功效可分4个部分。表2.1单片机引脚说明单片机引脚引脚功效主电源引脚VCC（40）电源输入，接+5V电源GND（20）接地线外接晶振引脚XTAL1（19）片内振荡电路输入端XTAL2（18）片内振荡电路输出端控制引脚RST/VPP（9）复位信号输入端ALE/PROG（30）地址锁存许可信号PSEN（29）外部存放器读选通信号EA/VPP（31）程序存放器内外部选通，接低电平从外部程序存放器读指令，假如接高电平则从内部程序存放器读指令可编程输入/输出引脚P0口(3239)准双向8位三态I/O口P1口（18）准双向8位三态I/O口P2(2128)准双向8位三态I/O口P3(1017)准双向8位三态I/O口值得注意是，P3口每一个引脚全部能够单独作为第一功效输入输出或第二功效。P3口第二功效如表2.2所表示表2.2 P3口第二功效P 3.0PXD（串行输入口）P3.1TXD(串行输出口)P3.2/INT0（外部中止0）P3.3/INT1（外部中止1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入P3.6/WR（外部数据存放器写选通）P3.7/RD（外部数据存放器读选通）2.2.2复位及复位电路复位是单片机初始化操作。其关键功效是让单片机初始化为0000H并从0000H单元开始实施程序。能够在单片机程序运转犯错或操作失误使系统处于死锁情况时，摆脱困境。复位电路原理图图2.3所表示。图2.3复位电路原理图2.3人体感应模块设计HC-SR501是利用红外线技术从而来实现自动控制功效。当有些人经过该系统时，该模块感应到人体温度,人体所辐射出来红外线被人体感应模块吸收以后，该人体感应模块经过一系列处理以后，红外线就会转变成电压信号，该系统就会发出报警信号。该人体模块灵敏度高，广泛地被应用在自动感应产品之中。它发明使好多自动感应产品制作变得愈加方便快捷，愈加可靠。2.4步进电机步进电动机是一个数字控制电动机。它是将收到电脉冲信号转变成角位移或线性位移。即给一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度。步进电机在负载范围内开启/停止,转动频率，只和控制关键传输给它信号相关，而不受负载大小影响。因为这特点存在，所以作常适合于单片机控制。近30年来，数字技术、计算机技术快速发展推进步进电动机进步，使步进电动机使用愈来愈广泛。2.5 驱动控制系统在利用步进电机时必需要有由环形脉冲，功率放大等组成控制系统，其方框图图2.3所表示。图2.3驱动控制系统框图脉冲信号由单片机产生，经ULN芯片对脉冲信号进行放大，步进电动机依据脉冲电流进行对应工作状态。在步进电动机控制中，基础控制以下:（1）反应式步进电动机控制换相次序步进电动机工作方时，根据通电换相次序严格实施。我们把通电换相过程称为脉冲分配。四相五线步进电机工作方法通电换相正序：是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A；反序为A-DA-D-CD-C-BC-B-AB-A。共有八个通电状态。其驱动方法逻辑时序如表2.4示。表2.4逻辑时序步进01020304真值表通电0ONOFFONOFF1010AC1ONOFFOFFOFF1000A2ONOFFOFFON1001AD3OFFOFFOFFON0001D4OFFONOFFON0101BD5OFFONOFFOFF0100B6OFFONONOFF0110BC7OFFOFFONOFF0010C8ONOFFONOFF1010ACULN芯片是高压大电流达林顿晶体管阵列，它是使用七个硅NPN达林顿管组成成。含有电流增益高、工作电流大、带负载能力强等特征。本设计采取该芯片将信号从微处理器中放大，组成一个功率放大电路，方便于对步进电机驱动。其方框图图2.5所表示。图2.5ULN芯片框图2.6检测模块本设计利用E18-D50NK红外避障器和ITR-9608光电开关组成自动门检测系统。2.6.1E18-D50NK红外避障器E18-D50NK是一个集发射和接收于一体主动式光电传感器。E18-D50NK传感器传感器含有抗干扰能力强、安装方便、使用简单等特点。而且探测距离是能够经过电位器进行调整。广泛应用在防盗报警、自动门、机器人避障、流水线记数等方面。该传感器主动发射光线经过调制后调制成一定波长光线在进行发射，在工作中能够避免被自然光线和多种灯光干扰含有较大精度。当发射光线被挡住，接收器依据发射回来光线进行调整输出信号。单片机处理此信号，最终报警器报警，步进电机停止转动，以达成放夹功效。保护了行人安全和预防夹到异物损坏自动门。2.6.2ITR-9608光电开关ITR-9608光电开关为槽型光电传感器。其工作原理是：经过检验本身发射器发射光线是否被另一端接收器接收到，接收到光线表示没有物体经过检测器，没有接收到光线表示有物体经过，光电开关据此产生信号。对射式光电开关特点在于：检测物体不限于是不是金属物体，只要此物体不是不透明，工作时不易受干扰，感应灵敏度高，工作所需能量小，工作寿命长。关键应用在测速、计数器、打印机等自动设备上。在此次设计中利用此传感器检测门打开或关闭位置。在自动门关闭过程中，当自动门遮挡住JP1时，系统认为自动门已经完全关闭，电动机停止关门。在门打开过程中，当自动门不能继续遮挡JP2时，系统认为自动门已经完全打开，电动机停止转动，等候关门指令进行再进行关门动作。门行程检测电路图2.5所表示。图2.5门行程检测电路第三章 课题软件设计3.1系统软件结构本设计利用C语言进行程序编写，整个系统程序关键由端口设置，标志位设置，延时子函数，报警子函数，顺时针/逆时针转动子函数，门行程检测子函数，主程序等组成。程序依次正常运行带动硬件完成设计所需要功效。全部程序见附录。3.2程序步骤图设计自动门在自动状态下首先检测门状态，依据接收到检测器信号判定自动门上次停机所处位置。在依据红外探测器所接收到信号，判定是否有些人，是否进入开门状态。在开门过程中门限位检测开关，检测门位置，抵达预定位置，停止开门。在红外检测开关检测到没有些人时进入关门程序，在关门过程中，红外传感器继续检测是否有些人，有些人则停止关门，进入开门程序，无人则继续关门，同时障碍检测器在关门过程中检测是否有障碍无，若检测到有障碍物，停止关门、报警，直到障碍物消失。若无障碍物继续关门，直到右侧限位开关检测到门处于预定位置，停止关门。等候下次红外检测器检测到有些人在次循环。步骤图图3.1所表示。3.1系统步骤图3.3关门/开门子函数uchar code FFW8=0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09;/顺时针方向转动编码 uchar code REV8=0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01;/逆时针方向转动编码/顺时钟转动子函数void motor_ffw() uchar i; for (i=0; i8; i+) P0=FFWi; delay(2); /逆时针转动子函数void motor_rev() uchar j; for (j=0; j8; j+) P0=REVj; delay(2); 利用用C语言谈For循环程序，使步进电机在适宜时机进行正确正反转。单片机需要开门或关门自行调动相关程序，使自动门能够正确工作。是设计关键程序，假如没有这个程序，单片机无法使电动机转动。3.4报警子函数void alarm1() /报警子函数 uchar i; for(i=0;i200;i+) alarm= alarm;/报警 delay(20); alarm=1;/报警完关闭此程序是蜂鸣器开启程序，在i在小于200时，输出高低电平脉冲。利用延时程序使脉冲频率进行降低，蜂鸣器发出声音频率降低，延长蜂鸣器使用寿命。3.5自动模式子程序/*自动模式*/ if(ZD=0)/假如自动模式按键按下 LS=1; /手动模式指示灯灭 for(t=0;t50;t+) /自动模式灯闪烁约5秒钟 LZ=LZ; delay(200); delay(5); zdms=0; /自动模式标志置零，进入自动模式 sdms=1; /手动模式标志置1，退出手动模式 LZ=0; /自动模式指示灯亮 /-向右边平移开门（步进机顺时针转动）-/ if(zdms=0)&(zt3=1)&(hw_temp=1)/同时被挡住 motor_ffw();/调用顺时针转动子函数 if(zdms=0)&(zt1=1)&(hw_temp=1)/右边被挡住 motor_ffw();/调用顺时针转动子函数 /-向左平移关门（步进机逆时针转动）-/ if(bz_temp=1)&(zdms=0)&(zt3=0)&(hw_temp=0)/同时没有被挡住 motor_rev();/调用逆时针转动子函数 if(bz_temp=1)&(zdms=0)&(zt2=0)&(hw_temp=0)/左边没被挡住 motor_rev();/调用逆时针转动子函数 自动模式下开门：需要同时满足以下3个条件。（1） zdms=0：自动模式按钮按下。（2） zt3=1：门行程检测按钮感应到门没有打开，处于关闭或半开启状态。（3） hw_temp=1：任意一个人体红外感应器感应到人。满足3个条件后，调动电动机顺时针转动程序，步进电机转动使门打开。直到门达成预定状态，步进电机停止转动。自动模式下关门：需要同时满足以下4个条件。（1） bz_temp=1：障碍检测器未感应到有障碍物。（2） zdms=0：自动模式按钮按下。（3） zt3=0：门行程检测按钮感应到门处于打开状态。（4） hw_temp=0：全部红外人体感应器感应不到到人体红外。3.6障碍物检测程序/*假如检测到障碍物，立即停止转动，进入制动报警状态 if(bz_temp=0)&(K2=0)&(sdms=0) P0=0x00;/步进电机停止转动 alarm1(); if(bz_temp=0)&(zdms=0)&(hw_temp=0) P0=0x00;/步进电机停止转动 alarm1(); 障碍检测程序调用不管是自动模式还是手动模式，只要满足关门时障碍检测器检测到有些人，立即停止电动机转动。进入报警模式，蜂鸣器响起。3.7电路图和PCB板设计在Altiun上画出电路原理图，并据此绘制出PCB板接线图。在绘制PCB板接线图时依据元器件大小，本着结构紧凑，布局合理，降低跳线标准围进行布局排版。原理图图3.2所表示，PCB接线图图3.3所表示。3.2原理图图3.3PCB接线第四章 系统仿真和调试4.1系统仿真在首先是进行系统仿真。此次仿真利用Proteus软件，它功效很强大，能够仿真单片机及其外围电路，而且能将所设计程序导入到单片机内。仿真目标是排除显著硬件故障和软件问题，检测硬件软件是否兼容，能否实现所预设功效。依据之前所设计原理图和系统程序，并使用原来学过仿真软件绘画仿真图，测试整体设计。4.2软件调试在设计中所用 程序并不是直接烧录进单片机，而是在进行过多种调试仿真后，把没有错误，能够完美实现设计要求程序烧录至单片机，使单片机能够协调指挥各个硬件，达成设计目标。此次程序调试使用是Keil uVision4编码器进行调试，在是用Keil uVision4编码器时，对工程成功进行编译后、连接以后，在“主菜单”中打开“调试”栏，点金“开始/停止调试”即可进入软件仿真调试状态。此过程能够检验程序中存在错误。方便于修改程序。在KeiluVision4软件调试过程中能够进行单步调试，这一步能够使用户清楚看到程序实施到哪一步，错误出现在哪里，降低检验错误时间，降低工作强度。在检验程序过程中，不出现逻辑错误，并不代表程序完全没有错误。能够设置端口和断点，并查看标志位和个寄存器状态。假如出现逻辑错误，更正逻辑错误，直到程序上完全没有错误。软件调试结果图4.1所表示。图4-1程序调试结果4.3硬件调试在单片机焊接过程中绕单片机为中心，从简单，线路少元器件开始进行焊接，焊接结束后再进行下一步调试。仔细检验电路板是否有元器件方向反向、虚焊、漏焊、断线等现象。检验完成后，进行通电检验电路板是否有异常，通常是检验是否有因线路接错而产生短路而引发电路异常发烧，发烧温度过高有可能使电路板烧毁。如出现此现象，要立即关闭电源，用万用表检验电路板，排除故障后，再次对电路板进行功效调试，直到电路板达成完整运行使用状态。实物检测手动模式：按下手动模式开关，手动模式指示灯亮起，按下开门按钮，步进电机顺时针转动带动自动门开启，直到左侧限位开关检测不到门，步进电机停止转动。按下关门按钮，步进电机逆时针转动带动门关闭，直到右侧限位开关检测到门。