基于单片机的自动车库门的设计.doc

四川师范大学成都学院现代通信原理课程设计基于单片机的自动车库门的设计前言随着科学技术的发展，全国拥有汽车的人数越来越多，人们把对汽车的维护和管理看得越来越重，当然对于车库门的要求也逐步提高了，国外先进的车库门不断进驻中国市场，国内车库门行业滞后。自动车库门主要分为卷帘车库门和翻板车库门。本文主要针对卷帘车库门的自动化和控制系统作了具体说明，运用单片机和红外传感控制的方法，实现自动车库门的具体功能。考虑到车库的光线度，在车库内部安装了自动照明灯设置，当车库门启动以后灯自动亮自动熄灭，且具有自动识别的功能，为用户提供了安全方便的服务。也有利于国产自动车库门的发展。本设计运用编解码芯片PT2262/PT2272以及315MHZ的无线收发模块来实现对车辆的识别，并控制单片机自动关和车库门的自动开启以及控制车库内部灯的照明系统，单片机对键盘上面输入的数据进行动态扫描，只有密码输入正确方能使单片机控制电机将车库门打开，反之蜂鸣报警器发出报警。单片机本身是一个嵌入式系统，并且是其他嵌入式系统的核心，在各个领域运用广泛发展迅速，为了更好的掌握单片机的工作原理，在此设计中，我采用51系列单片机来完成对自动车库门的一些控制。达到学以致用的目的。并且单片机存在以下优点：体积小、性能高；结构简单，方便使用；处理速度快；低功耗且适应能力强；性价比较高。1 自动车库门1.1 自动车库门功能分析自动车库门是一种以遥控方式为系统控制的车库门，主要控制方式有手动控制、红外感应、无线遥控等。大体上分为卷帘式和滑板式车库门。卷帘式车库门安全装置附加有红外线对射和无线遥控系统，安全且防盗。滑板式车库门内置扭簧，扭力与门重力相当，门可以说是处于一个“零重量”状态，靠滑轮在内置轨道上面滑动，阻力小，耗能少，安全耐用。1.2 自动车库门的应用车库门在大型停车场的运用较广，且是停车场管理系统的核心部分，能够高效的管理车库以及疏导交通流量，使用价值高。自动车库门，大多数用在小型的私人别墅和豪华住宅，自动关闭效率高，采用专业的防盗安全技术，保障用户财产等安全。2 设计任务2.1 自动车库门的无线自动门电路（结构框图如图2.1-1所示）4*4矩阵键盘数码管显示电机和照明AT89S51单片机编码芯片PT2262315M无线发射模块315M无线接收模块解码芯片PT2272图2.1-1 车库门自动开闭系统电路结构框图2.2 基本模块 单片机的最小系统电路部分。 编码芯片PT2262和315M的无线发射模块装置。 编码芯片PT2272和315M的无线接收模块装置。 4*4行列式扫描键盘电路部分。 红外数码管显示电路部分。 蜂鸣器、继电器、照明部分。3 系统总体设计3.1 单片机3.1.1 单片机的概述以及应用单片机全称单片微型计算机（Single Chip Microcomputer），简写MCU微型控制器。它专为工业控制、测量而设计，具有集成度高、可靠性高、性价比高的三高优势，体积小、功能全的特点，主要应用于计算机外设、智能仪器仪表、家用电器、工业检测与控制、通信设备等，嵌入式工程师能够根据应用对象的需求，选择合适的单片机，进行各种系统设计以及程序设计，系统按照程序指令完成规定工作。3.1.2 MCS51单片机的内部结构单片机是在芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器、多功能接口等基本功能部件的大规模集成电路。MCS51单片机包由以下九部份构成：l 一个8位CPUl 4KB ROM程序存储器；l 一个片内振荡及时钟电路；l 128字节RAM数据存储器；l 可寻址64KB外部数据存储器和64KB内部程序存储空间的控制电路；l 两个十六位的定时/计数器；l 一个可编程全双工串行口；l 5个中断源、两个优先级嵌套中断结构；l 32条可编程的I/O线。3.1.2.1 单片机的结构特点3.1.2.1.1 单片机的CPU单片机的核心部件是CPU，主要由运算器和控制器等部件组成。CPU内部有一定数量的通用和专用寄存器，单片机在RAM数据存储器区开辟了一个工作寄存区，该区分为四组，每组八个寄存器，共计32个工作寄存区，起通用寄存器的作用。另外单片机还有21个特殊功能寄存器SFR（Special Function Register），起专用寄存器作用，用来设置片内电路的运行方式和电路运行状态的记录。特殊功能寄存器的存在使得定时/计数器、串行口、中断逻辑等能够集成在同一块芯片上。3.1.2.1.2 单片机的存储器单片机的存储器用于存放数据和程序，数据存储器和程序存储器分成两个不同的地址空间，利用不同的寻址方式和不同的地址指针进行寻址。3.1.2.1.3 单片机的输入输出接口 单片机的输入输出接口由P0-P3四个8位双向I/O口组成 。外设能够直接通过这几个口线接入，无需外加接口芯片。P0-P3的各个端口能按字节和位输入输出，总共32个接口，位控制极其方便。P0口为三态双向口，能够带8个TTL电路，P1-P3口为准双向口，能带4个TTL电路，因此在外设驱动电流大的情况下可加接驱动器。3.1.2.1.4 单片机的通信方式51系列单片机自身有全双工的异步通信接口，两机之间发送与接收能够同时进行。用户可根据不同的需求选择合理的工作方式实现双机或多机通信。3.1.3 单片机的引脚配置单片机的引脚可分为可总线扩展和不可总线扩展两种。MCS-51系列单片机AT89S52的引脚图如下图：图3.1.3-1 AT89S52的引脚图可总线扩展的单片机有44个引脚，常见的40个引脚配置及功能说明如下： Vss：接地端。 Vcc：电源端，接+5V电源。 XTAL1：接外部晶体的一个引脚，当单片机CHMOS采用外部时钟信号时，由此引脚引入时钟信号。 XTAL2：接外部晶体的一个引脚，当单片机HMOS采用外部时钟信号时，由此引脚接入外部时钟信号。 RSTVpD：复位、备用电源输入端。Vcc掉电后，由此引脚接入备用电源，低功耗时保持内部RAM数据的完整。 ALE/PORG：地址锁存允许；在8751单片机内当EPROM编程时，由该脚引入编程脉冲。 PSEN:程序存储器允许。 EA/Vpp:EA=0时，单片机只访问外部程序存储器；在8751单片机片内EPROM编程期间，由此引脚引入21V编程电压。 P0.0P0.7：P0数据/低8位地址复用总线端口。结构图如图（3.1.3-2） P1.0P1.7：P1静态通用端口。结构图如图（3.1.3-3） P2.0P2.7：P2高8位地址总线动态端口。结构图如图（3.1.3-4） P3.0P3.7：P3双功能静态端口。结构图如图（3.1.3-5）图3.1.3-2 P0口位结构图3.1.3-3 P1口位结构图3.1.3-4 P2口位结构图3.1.3-5 P3口位结构3.2 4*4行列式扫描键盘3.2.1 键盘工作原理键盘是计算机系统中必备的输入设备，其连接方式分为线性键盘和矩阵式键盘，按键少时用线性键盘，按键较多时用矩阵键盘。矩阵键盘电路原理图如图3.2.1-1所示，按键设置在行列式交点上，行列式连接到按键开关的两端。行线通过单片机输出高电平，第一次扫描时置第一条列线于低电平位置，判断有无键按下，若有则获取键值，进行相应的键值处理，若无则继续进行扫描，使第二列列线于低电平位置，其它均保持高电平不变，这样反复判断键盘中有无按键按下。键盘中哪一个键按下可由列线逐列置低电平后，检查行输入状态来判断。图3.2.1-1行列式键盘电路原理图3.2.2 键盘工作方式键盘的工作方式分为编程扫描方式、中断扫描方式、定时扫描方式三种。本设计采用编程扫描方式。键盘扫描子程序中完成以下几个功能： 判断键盘上是否有键按下； 防止键机械抖动对系统的影响； 获取所按键的键号； 按键闭合一次就进行一次键功能操作。程序框图如图3.2.2-1所示：图3.2.2-1 键盘的编程扫描方式程序框图183.3 PT2262/PT2272编码解码芯片3.3.1 PT2262/PT2272编码解码芯片工作原理及特点PT2262/PT2272是由台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位的通用编解码电路。PT2272最多可有12位三态地址端管脚，PT2262最多可有6位数码端管脚，能够用于无线遥控发射电路。有CMOS工艺制造，低功耗、外部元件少、工作电压范围宽：2.6-15V等特点。编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272收到信号后，其地址码经过两次反复比较核对后，VT脚才输出高电平，此时相应的数据脚就输出高电平，如果发送端一直持续按住按键不放，编码芯片便会连续发射。如果发射机按键没有按下时，PT2262芯片就不会接通电源，其17脚处于低电平状态，因此315MHz的高频发射电路不工作，当检测到有按键按下时，PT2262芯片便通电开始工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全受控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100的调幅。PT2262引脚图如图3.3.1-1所示，管脚说明如表3.3.3-1所示，PT2272引脚图如图3.3.1-2所示：图3.3.1-1 PT2262外形图及测试应用图表3.3.1-1 管脚说明图3.3.1-2 PT2272外形图及测试应用PT2272有不同的后缀，不同的后缀表示不同的功能，有M4/L4/M6/L6之分,M表示非锁存输出，即数据脚输出电平具有瞬时性且与发射端的发射状态相对应。表示锁存输出，一旦数据接收成功就一直保持对应电平状态，直至下次的数发生改变从而变化。后缀数字表示并行控制通道的个数。采用4路并行数据时，（TP2272-M4）表示对应地址编码为8位，（PT2272-M6）表示对应地址编码为6位。4 系统软硬件设计4.1 主要电路图4.1.1 单片机最小电路自动车库门关闭系统的设计是在单片机的最小系统基础上实现的，在本设计中单片机主要起控制输出、数据采集数据处理的作用，在单片机最小系统上面构建系统能够使电路控制变得简便，单片机最小系统电路图如4.1.1-1所示：图4.1.1-1 单片机最小系统电路4.1.2 键盘电路键盘电路是一个友好的操作界面，是一个将人与机器之间建立通信连接的平台，本设计采用的是4*4的矩阵键盘，以编程扫描为主要工作方式，以单片机P1口的低四位为输出端，定时输出行扫描高电平脉冲。一旦键盘被按下，对应的P1端的高四位列输入线就会输入相应的高电平。键盘电路原理图如图4.1.2.1所示：图4.1.2-1矩阵键盘电路4.1.3 数码管显示电路本设计采用8位的LED数码管来显示输入的数字，系统采用共阴极显示，将P0口作为输入端口，P2端口作为显示电路的位选信号，芯片74LS245作为输出驱动，确保P0口输出数据具有驱动能力。其电路图如下：图4.1.3-1 数码管显示电路4.1.4 无线发射编解码电路和接受码电路为了实现车库门的自动关闭，在汽车进入车库之前发射一个自动打开信号，当车进入车库以后再发射一个关闭信号。本系统采用编码芯片PT2262和315MHZ的发射模块构建开闭信号发射电路，由解码器芯片PT2272和315MHZ的接收模块来构成信号接收电路。当接收端收到发射来的信号后，由编解码器进行相应的信息处理，输入到单片机中进行判断。电路图如下所示：图4.1.4-1无线发射及编解码仿真电路4.1.5 蜂鸣器及继电器电路蜂鸣器和继电器的驱动条件是较大的电流，三极管具有电流放大的作用，因此在蜂鸣器与继电器组件之前加上一个三极管，就能使其正常工作。图4.1.5-1 蜂鸣器和继电器仿真电路4.1.6 系统硬件总图将上述模块电路组合在一起就构成了自动车库门系统的硬件总图。如下图所示：图4.1.6-1 自动车库门系统硬件总图4.2 系统设计流程图开始VT是否为高 车库门开，灯亮延时一顿时间，车库门停止打开车进入车库一次，红外对管计数一次是否按下了按钮红外停止计数是否再次按下了按钮红外对管是否计数次数为2车库门关闭，灯灭返回密码是否输入正确报警图4.2-1 系统流程图5 总结这是第一次做有关通信原理方面的课程设计，选定题目后，不知道从何入手。只能通过在网上收集阅读一些与本课题有关的文章，熟读一两篇后，找到了自己的入手方向。然后开始在图书馆、网络上面查阅有关自动车库门设计的一些资料，在所查阅的资料中选出与本设计相关且易懂的作为参考。本设计主要采用单片机来作为控制系统，其原因主要在于单片机使我们学过的较为熟悉的控制芯片，对于它的工作原理比较了解，当然PT2262/PT2272编解码器是在本设计中所需要的芯片，以前从未接触过，但是通过资料的查找懂得了它的工作原理，各引脚的作用以及它的特点与应用范围等。在车进入车库之前由PT2262编码器发出一个信号，在PT2272解码器接收到信号时，对其解码，然后送入给单片机处理来实现车库门的开闭。当然为了使系统设计更具人性化，也能通过对车库门旁边的手动按键来实现车库门的开闭作用。为了增加自动车库门的安全系数，在设计过程中采用键入密码来获取取车人或停车人的信息，并且数码管上面的数字均显示为“8”，以保证密码的保密措施到位。通过这次的课程设计让我懂得了如何去解决一个困难的问题，首先必须克服对于问题的恐惧心理，然后再一步一步的去寻找解决问题的办法，摸到一个头绪然后顺着思路走下去，问题就能迎刃而解。通过对本设计的研究，让我找到了学习通信这一专业的方向，探索到了一些科研方面的思路与方法。在写作论文期间，掌握了办公软件的熟练操作方法。论文严格的格式要求，使我们的心思与思维变得细腻，为以后的毕业设计课题的写作做好了铺垫。人都是在一步步的学习中得到成长与锻炼，“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”，为了以后的人生道路变得灿烂辉煌，现在的付出事值得的。感谢孙活老师的辛勤教导，你严谨的教学方式，使我对于学习的态度变得一丝不苟，您渊博的知识让我获益匪浅。参考文献：1李群芳，肖看.单片机原理接口与应用（第2版）.北京：清华大学出版社，2010.2李群芳，肖看.单片微型计算机与接口技术（第4版）.北京：电子工业出版社，2012.3陈光东，赵性初.单片微型计算机原理与接口技术. 武汉：华中科技大学出版社，1999.4胡乾斌，李光斌，李玲等. 单片微型计算机原理与应用M. 武汉：华中科技大学出版社，2005，85王永军、从玉珍 主编，数字逻辑与数字系统M.北京：电子工业出版社，1999年8月.6林立.等单片机原理及应用基于Proteus和Keil C.北京：电子工业出版社，2009.7赫芸主编，传感器原理与应用，电子工业出版社,2002.8谢子美.电子线路设计实验测试.武汉：华中科技大学出版，2006.9马忠梅，籍顺心，张凯，等.单片机的C语言应用程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2001，143164.10康华光主编，电力电子基础 （数字部分），高等教育出版社，1999.11康华光主编，电力电子基础 （模拟部分），高等教育出版社，1999.12胡伟, 季晓衡.单片机C程序设计及应用实例M.北京: 人民邮电出版社, 2003, 470-478.13余永权等著. 单片机在控制系统中的应用M. 北京: 电子工业出版社，2003.14秦世才，高运清.现代模拟集成电子学 M. 北京: 科学出版社，2000.15苏文平编. 新型电子电路应用实例精选M. 北京航空航天大学出版社，2001.3.16陈大钦. 电子技术基础实验电子电路实验设计仿真（第二版）M. 北京: 高等教育出版社，2000.