基于单片机的自动门设计完成版.docx

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基于单片机的自动门设计完成版

学院

HezeUniversity

本科生课程设计（论文）

题　　目

基于单片机的自动门设计

姓　　名

董济德学号201117010

院系

震机电工程学院

专　　业

自动化专业

指导教师

侯建华职称副教授

2014年6月19日

学院震机电工程学院

课程设计任务书及成绩评定

设计题目基于单片机的自动门设计

专业自动化学生董济德学号201117010

指导教师侯建华指导教师职称副教授

设计任务书

一、设计的主要容（技术指标）与要求

利用51单片机实现自动门控制系统设计。

具体要求如下：

1、有人来时（进门或出门）开门。

当人走到离门不远的时候时，安装在门上侧的热释红外线传感器信号检测装置检测到有人时，将启动电动机带动传动链开门。

2、无人时关门延迟，当热释收发装置没有检测到有人在离门1m的围，将延迟1秒启动电动机带动传动链关门。

3、关门中途来人，立即开门。

当启动电动机带动传动链关门时，感应探头突然检测到在离门1m的围有人，则立即停止电动机关门，启动电动机带动传动链开门

二、进度安排

6.18-6.19     查阅相关文献 

6.20-6.21     确立多个方案，选择最优方案

6.22-3-6.23    针对方案进行硬件电路设计并调试 

6.24-6.25     针对方案进行软件设计并调试 

6.26      总结报告，撰写论文

成绩评定

设计成绩：

指导老师：

（签字）年月日

基于单片机的自动门设计

自动化专业董济德

指导教师侯建华

摘要：

本设计主要应用8051作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关结合的系统。

充分发挥了单片机的性能。

其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。

关键词：

单片机；自动门；直流电机；红外传感器 ；转速测量

TheDesignofInfraredAutomaticDoorBasedonSCM

AutomationDongJiDe

TutorName:

HouJianHua

Abstract：

Itisuses8051ascoreofcontrolling,theDCmotor,infraredsensorandelectromagneticswitchcombinetogethermainlytodesignoriginally.Givefullplaytotheperformanceoftheone-chipcomputer.Itsadvantagehardwarecircuitissimple,thesoftwareiswithperfectfunction,thecontrolsystemisreliable,highercharacteristicofthesexprice,andithascertainuseandreferencevalue.

Keywords：

Microcontroller ；Auto-door  ；DCmotor  ；Infraredsensor ；Rotatespeed-measure

1绪论

1.1课题研究的可行性

现如今自动化、信息化程度越来越高，单片机的应用领域也就越来越广，成为人们生活不可或缺的一部分。

随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。

同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。

它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。

它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。

通过对“自动门单片机控制系统”的研究和设计，精心撰写了微机控制自动门系统论文。

本论文着重阐述了以单片机为主体，步进电机、传感器为核心的系统。

1.2课题研究的意义和目的

经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市，自动门已经是随处可见，在各大厦、宾馆、酒店、银行、商场、医院、写字楼等场所，自动门更是得到大围的普及使用。

自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的建筑增添了不少高贵典雅的气息。

自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中自动平移门使用得最广泛，我们通常所说的自动门、感应门就是指自动平移门。

自动平移门最常见的结构形式是自动门机械驱动装置和门外两侧红外线，当人走近自动门时，红外线感应到人的存在，给控制器一个信号，控制器通过驱动装置将门打开。

当人通过门之后，再将门关闭。

由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，提高了建筑的档次。

1.3课题的功能概述

在自动门使用上要根据安装的环境及要求，考虑选择自动门的配置。

由于公共场所（像医院、机场等）的自动平移门使用频率非常高，而自动门的使用频率和寿命是有限的。

在这种情况下，要使用自动门必须进行综合考虑。

例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。

由于采用步进电机驱动，配合T型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行中具有卓越的稳定性。

由于采用高性能的电源输入，不管电压波幅多大均可自动稳压。

此外在负载瞬间短路时还有过压及过流保护措施，有效保障自动门运转的稳定耐久和安全。

自动门在具体场合的使用设计上，还应注意做好以下配置的选用：

（1）安全辅助装置

如在高档酒店等地方可以选择安装防夹人红外感应器，防止停留在门附近的人被门所夹住。

（2）备用电源

为保证停电时自动门也能工作正常，应配置备用电源。

（3）辅助光线传感器

在需要的地方，自动门可以安装辅助光线传感器（红外对射保护装置），当门打开时，人站着不动，用手遮挡辅助光线传感器，门应该保持打开状态。

当手离开后几秒后，门应该重新关闭。

综上所述，自动门在很多领域具有不可比拟的优越性，随着国民经济的快速发展，自动门在我国已经迎来了快速发展的黄金时期。

自动门构造的技术参数

主要的技术指标：

技术指标单门双开门

门重量130kg×1扇100kg×2扇

导轨长度2000~5000mm

开门速度200~450mm/秒（可调）

闭门速度200~450mm/秒（可调）

慢行速度30~50mm/秒（可调）

开门时间开门静止后1~10秒的围（可调）

控制器高速智能电脑处理器控制

马达DC24V40W无刷步进电机

电源电压AC220V50Hz

消耗功率100W

手动开启力3.5公斤以下

安全功能开闭时遇到障碍物能立即开启,晚间转换到报警功能

使用环境-20℃～+50℃

主要构造部件

部件特性

智能控制器自动检测门的重量、宽度，使门保持在最佳运行状态

步进电机高效率、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不发热

皮带高效同步齿型带，防止打滑，保证平稳运行

吊架用于运动门扇的悬挂，安全可靠

铝槽高强度设计，承重不变型

1.4课题研究设计思路

（1）有人来时（进门或出门）开门。

当人走到离门不远的时候时，安装在门上侧的红外线传感器信号检测装置检测到有人时，将启动电动机带动传动链开门。

（2）当人离开后，自动门将延迟1秒启动电动机带动传动链关门，如图1.1：

图1-1红外门原理图

2方案论证

2.1电动机调速控制

（1）电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。

一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。

从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：

①保持输入功率不变。

通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。

②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

电机、电动机、制动电机、变频电机、调速电机、三相异步电动机、高压电机、多速电机、双速电机和防爆电机。

（2）步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

2.2单片机

　单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片仅有CPU的专用处理器发展而来。

MCS-51系列单片机有3个基本类型：

8031、8051、8751。

这里选用的是8051单片机。

2.3传感器的分类与选择

　　根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

　　传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

在这里使用的是红外传感器。

2.4系统组成

　本设计属于单片机应用系统。

它是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，是典型的嵌入式系统。

嵌入式系统一般分为四种:

工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。

嵌入式系统具有以下特点：

（1）面对控制对象。

如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。

（2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。

　　（3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。

　　（4）突出控制功能。

如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。

　　单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。

单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

3主要器件的介绍

3.1红外传感器的原理和使用

　利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。

使用红外接收头和发射管配合，利用38k频率解决灵敏度问题。

38K调制和发射电路。

使用一个定时器的快速PWM模式产生38K调制信号，通过剩余的四个施密特触发器（有2个已经用在光电编码部分）缓冲，推动8050三极管和红外发光管来发射已经调制的红外线。

选用DS18B20温度传感器设计如图3-1所示：

图3-1基于DS18B20温度传感器设计

3.2L293D芯片介绍和典型电路

L293D是一种直流电机控制器件。

该器件具有外围电路简单、易于集成、控制等特点。

本设计是在单片机SPCE061A的基础上，扩展了两片L293D构成了护士移动机器人主控电路板，同时也扩展了电源，确保L293D为电机供电。

实际测试中，L293D对电机的控制效果良好。

L293D可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压围VIH为＋2．5～46V。

输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

经过综合分析考虑，最终决定使用LM293作为本设计的驱动芯片。

其电路连接图3-3所示：

图3-3LM293电路连接图

3.3AT89C51单片机简介

单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，即将运算器，控制器，输入输出接口，部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一个芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，外形及引脚排列如图3-5所示。

图3-5AT89C51外形及引脚排列

3.3.1AT89C51主要特性：

*与MCS-51兼容

*4K字节可编程闪烁存储器

*寿命：

1000写/擦循环

*数据保留时间：

10年

*全静态工作：

0Hz-24Hz

*三级程序存储器锁定

*128*8位部RAM

*32可编程I/O线

3.3.2AT89C51管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

在实际应用中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.4稳压模块

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

LM7805模块电路图3-6如下：

图3-67805电源模块

3.5步进电机

步进电动机是纯粹的数字控制电动机：

它将电脉冲信号转变成角位移．即结一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度．因此作常适合于单片机控制。

近30年来．数字技术、计算机技术和水磁材料的迅速发展．推动厂步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广闹的前景。

3.5.1步进电动机特点:

1、步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比具有良好的跟随型。

以由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。

同时．它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭外数控系统。

2、步进电动机的动态响应快。

易于起停、正反转及变速。

3、速度可在相当宽的围平滑调节。

低速下仍能保证获很大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

4、步进电动机只能通过脉冲电源供电才能远行。

它不能直接使用交流电源和直流电源

5、步进电动机存在振荡和失步现象．必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

6、步进电动机自身的噪音和振动较大．带惯性负载的能力较差。

3.5.2步进电机驱动控制系统组成

使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如3-7所示：

图3-7驱动控制系统方框图

4系统硬件设计

4.1设计电路的电路图和原理

红外自动门控制系统的硬件组成如图4-1所示。

本系统主要由AT89C51单片机及其外围电路、红外检测电路，门行程检测电路、步进电机控制电路、故障检测电路、故障显示电路、控制方式切换电路等七部分组成。

单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电路输出信号，据此产生步进电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应的控制方式。

如门在关门过程中遇到人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开，当系统出现故障，进入故障处理程序

。

图4-1红外线自动门控制系统硬件框图

4.1.1系统硬件总体逻辑设计

感应自动门的种类很多，在此，仅以平移型感应自动门机作为设计的重点。

首先，平移式自动门机组由以下部件组成：

（1）主控制器：

它是自动门的指挥中心，通过部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。

（2）感应探测器：

负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作围时，它就给主控制器一个脉冲信号。

（3）动力马达：

提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。

　当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：

感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行。

马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，步带转动一段时间后，马达反转，自动门关闭。

4.2　设计电路原理图

图4-2电路原理图

5系统软件设计

5.1系统软件问题

它的软件设计主要包括主程序和中断处理两大部分：

主程序要完成I／O口，定时器的初始化及对中断输入的设定，然后延时使传感器进入稳定工作状态，等待定时器的中断；中断处理程序根据具体情况需要有相应的子程序。

要对程序进行多次调试，分块编程。

对各个子程序块所解决的问题要相当明确。

最后在制作完成硬件电路板后要调试出设计要求的功能。

5.2方案程序设计思路

本设计拟按以下思路展开研究：

（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。

　　①信号采集接收部分即通过红外线传感器检测人与门的距离，并将这种变化量转化成电压或电流等模拟量的变化。

　　②信号处理部分是将接收部分得到的电压或电流等变化进行必要的转换，为后一部分信号控制提供准备。

　　③信号控制部分是通过一预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。

　　④信号响应是实现控制部分的要求。

（2）对上述四个部分进行分析，得到如下一些基本的结论：

　　①信号接收部分为了能准确采集到人与门的距离应选用红外线传感器。

　　②信号处理部分应该根据实际情况选用八位的ADC0809模数转换芯片。

　　③控制部分为了实现精确控制，采用单片机较为合适。

　　④显示部分可以考虑采用LCD显示器和喇叭加LED点阵组成。

　　将上述设计思想结合设计要求总结为：

程控自动门控制系统通过红外线传感器检测移动物体与门的距离，检测结果送入ADC0809模/数芯片中进行模-数转换；再通过单片机作出自动门开关的动作控制信号，通过驱动电路驱动直流电机的正反转，再由传动电路带动自动门的开关，并通过LCD液晶屏显示欢迎信息以及客人离开时的送客信息，自动门还可以通过按键控制开关。

在开门过程中首先进行门状态检测，根据所检测到的信号判断自动门上次停机所处位置。

根据检测结果确定门此刻应运行方式，如检测出门是半开状态，门直接转入加速开门的过程。

如检测出门是全开状态，门转入延时开门过程。

如检测出门是全关状态，那么在检测到有人出人时，门会缓慢打开，之后加速运行，接着减速运行，最后电机停止运转，门由于惯性缓慢关闭。

5.3系统程序流程图

图5-1总程序流程图

5.4软件的汇编程序

ORG0000H

LJMPMAIN；主程序跳转

ORG0003H；外部中断0的入口地址为03H

LJMPEXT0；外部中断0跳转

ORG0030H

MAIN:

；主程序

SETBEA；开总中断

SETBEX0；开外部中断

SETBP3.2

HERE:

SJMPHERE；程序原地跳转，等待中断

EXT0:

；外部中断0子程序

SETBP1.0；将P1.0置高

CLRP1.2；将1.2置低，使电机正转，模拟门的开运动

CALLDELAY；延时程序，模拟门的打开时间

CLRP1.0；将P1.0置低

SETBP1.2；将P1.2置高，使电机反转，模拟门得关运动

CALLDELAY；延时程序

CLRP1.0；将P1.0置低

CLRP1.2；将P1.2置低，智能门的一次开关过程结束

RETI

MOV30H,#00H;

MOV31H,#00H;

MOV32H,#00H;

MOV63H,#00H;

自动门的开门程序

MOV34H,#00H;

MOV35H,#00H;

MOV40H,#00H;

MOV41H,#00H;

MO