基于单片机自动门控制系统的设计.docx

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基于单片机自动门控制系统的设计

毕业论文（设计）

论文题目：

基于单片机的自动门控制系统的设计

学生姓名：

付2b

学号：

所在院系：

电气信息工程学院

专业名称：

通信工程

届次：

指导教师：

基于单片机的自动门控制系统的设计

学生：

付民（指导教师：

王千春）

（淮南师范学院电气信息工程学院）

摘要：

在当今社会随着经济的快速发展，人们对生活水平的要求越来越高，在这种大趋势下，自动门的应用也越来越广泛，在很多现代建筑中都能看到它的身影，如银行，宾馆、超市等。

现在自动门在国内外的发展状况很不均衡，国外的产品性能比较优良但相对的其价格也比较昂贵，而国内的产品虽然价格比较便宜但性能比较差，容易出故障。

因此在本文中设计了一款性价比较高的自动门控制系统，它功能强大，价格适中，在市场上将会有较强的竞争力。

单片机SCM（SingleChipMicrocomputer），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。

主要包括了微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出口（1/0口）和定时器/计数器、中断系统等功能部件。

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。

而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

本课题的另一个特点是使用复杂可编程逻辑器件（CPLD）控制电机的驱动，缩短了开发时间，提高了系统的灵活性和可靠性，降低了成本。

通过单片机控制交流电机，使门自动打开，当人进门后又可以使门自动关闭。

另外，我们还设计了完善的故障监测电路来提高系统的可靠性。

关键词：

自动门控制系统；AT89C51；步进电机

DesignofMicroController-BasedAutomaticRetractableDoorControlSystem

Student:

FUMing（FacultyAdvise:

WANGQianchun）

（ElectricalandInformationEngineeringDepartmet,HuainanNormalUniversity）

Abstract:

Withthedevelopmentofeconomyandlivingstandard,automaticdoorsarebeingwidelyused.Itisabsolutelynecessarytoamodernbuildingsuchashotel,supermarket.Asthecontrollingcoreoftheautomaticdoor,theautomaticdoorcontrollerdeterminesitsperformance.Mostofautomaticdoorcontrollersthathavebeensoldinourcountryaremadebyforeignmanufactures.Theperformanceoftheseproductsishigh,buttheyareveryexpensive.Ourhome-madeautomaticdoorcontrollersarenotsoexpensive,however,theperformanceisunsatisfiedandthefaultyrateishigh.SowehavedevelopedanewkindofautomaticdoorcontrollerbasedonMC68HC11K1.Thecontrollerhasgoodcompetitiveabilitybecauseit’spowerful,reliable,convenientandlow-cost.SCM（performanceChipclustergeneratorattempts,namely,theMicrocomputerMicroController,isthemainpartinaChipareintegratedontheSingleChipMicrocomputer.Mainlyincludesmicroprocessor（CPU）,memory（ROM,RAM）,input/output（1/0mouth）andtimer/counters,interruptsystemfunctioncomponents.SCMsincethe1970s,sincetheadventofitsextremelyhighperformance-priceratio,attentionbypeopleandattention,itiswidelyusedandfastdevelopment.And51SCMisthemosttypicalandeverySCMmostrepresentativeone.

Keywords：

Automaticdoorcontrolsystem;AT89C51;Steppermotor

前言

0.1课题背景

随着社会经济的快速发展和人们生活水平的提高，现代社会中智能化建筑越来越多，作为现代建筑智能化一个重要指标的自动门的应用也越来越广泛，在宾馆、银行等现代化建筑中都能看到其身影。

目前自动门发展的现状是国外一些大公司的产品性能比较优良功能也较多

但其价格也相对偏高，如德国的BLASL，瑞士的TORMAX，日本的National

等，这些公司产品的主要特点是功能繁多，性能可靠，但普遍价格偏高且操作复

杂。

而国内的产品虽然价格比较合理但是在性能上却不能和国外的同类产品相

比，它们普遍存在着各种各样的毛病，故障率高。

鉴于以上这种情况我们设计了一款性能优良、价格适中的自动门控制系统，

要求具有多种操作模式，能够根据用户需求进行各种参数的调节且操作方便，此

外，系统需要具有很强的自我保护和故障诊断功能，使其性能稳定可靠，降低故

障率，减少运营成本

。

0.2智能自动门的论依据

自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。

自动门是指：

可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。

二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。

到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。

当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用率低很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。

例如：

各种用可识别控制的自动专用门，如：

感应自动门（红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应）、刷卡自动门等。

自动门机的基本组成大体上相同，有了以上构成，再加上开门信号，就可以配置成一套简单的自动门系统了。

自动门的系统设置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、门禁系统、安全装置、集中控制等。

必须根据建筑物的使用特点。

通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。

0.3单片机的发展及89C51系列的运用

担任本设计处理部分的是89c52单片机（89C51系列）.目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。

更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。

在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。

这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。

80C51单片机已成为单片机发展的主流。

专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51可能最终形成事实上的标准MCU芯片。

STC89C51RC系列单片机是宏晶科技出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器和6时钟/机器可选，HD版本和90C版本内部集成MAX810专用复位电路。

89C52与89C51的区别在于51的程序空间为4K字节，而52程序空间为8K字节，其余性能与结构相同。

本论文以89C51RC系列来讲述。

0.4课题研究的目的和意义

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内外两侧红外线，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。

随着电子科技的不断发展,各种智能控制系统进入人们的生活。

自动平移门控制系统成为学校、公司等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。

0.5课题的设计要求

一个自动门的设计还要包括下面三个方面：

一、智能化设计

自动门选择配置智能化控制系统，可随意设定门扇的运行速度，并可设定半开状态，调节方便。

使自动门始终保持在最佳运行状态。

并具有自动矫正功能，即使遇到大风等原因引起的运行阻力增大，仍然能够保持平稳的开关门动作。

二、安全性设计

具有自动反转安全装置，当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，并在下次接近阻力区域时以安全速度前进，避免夹人事件和机件损毁的现象发生，提高自动门运行时的安全性，延长自动门寿命。

门扇开启轻巧方便，当停电时，老人、儿童等均可开闭自如，开闭力量在3.5公斤以下，方便、安全、可靠。

三、稳定性设计

自动门采用步进电机，具有高效、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不过热等特性，大大超越传统交流伺服马达。

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。

一、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秒的范围内（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℃

0.6自动门的基本设计思路

设计的基本思想如下图：

综上，通过设计总结构图可以实现以下要求：

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,当热释收发装置没有检测到有人在离门的范围内，将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的范围内有人，则立即停止电动机关门，启动电动机带动传动链开门。

4、遇到故障和安全问题时，能紧急制动和报警，防止事故发生。

1系统总体方案

本章围绕系统的总体设计，介绍系统组成框图、主控芯片单片机的内部硬件资源及其接口技术、整个自动门系统所用到的其它IC的介绍。

1.1系统总体规划

本系统主要由单片机及电机控制电路、红外线检测电路、故障检测电路等组成。

正常工作时,单片机循环检测红外线检测电路输出信号，

据此产生直流电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应式。

如门在的控制方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。

其原理方框图如2所示：

1.2单片机介绍

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，相于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。

由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。

单片机从七十年代问世以来，在二十多年的时间里，发展异常迅速，并已广泛应用于各种领域。

单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，大大地提高了系统的运行速度，所以在网络通讯领域也得到了越来越多的应用。

其结构如图3所示：

图3单片机结构框图

本课题设计所用到的的单片机是较为常见的——AT89C51，它是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器单机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

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，AT89C51是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统性高且价廉的方案。

外形如图1所示，芯片管脚如图4所示：

图4AT89C51外形及引脚图

图4芯片管脚

1.2.1AT89C51主要特性

1、与MCS-51兼容

2、4K字节可编程闪烁存储器

3、寿命：

1000写/擦循环

4、数据保留时间：

10年

5、全静态工作：

0Hz-24Hz

6、三级程序存储器锁定

7、128*8位内部RAM

8、32可编程I/O线

9、两个16位定时器/计数器

10、5个中断源

11、可编程串行通道

12、低功耗的闲置和掉电模式

13、片内振荡器和时钟电路

1.2.2AT89C51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口是一个内部提供上拉电阻的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，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的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，其管脚被内部上拉电阻拉高，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。

这是由于内部上拉的缘故。

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，它利用内部上拉优势，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内容。

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个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，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。

P3.0—RXD：

串行输入口

P3.1—TXD：

串行输出口

P3.2—/INT0：

外部中断0

P3.3—/INT1：

外部中断1

P3.4—T0：

记时器0外部输入

P3.5—T1：

记时器1外部输入

P3.6—/WR：

外部数据存储器写选通

P3.7—/RD：

外部数据存储器读选通

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

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，每个机器周期两次有效的/PSEN信号。

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），不管是否有内部程序存储器。

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

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内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。

1.3热释电红外传感器

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。

人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。

红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。

其内部结构有如下图5所示：

1——D脚2——S脚3——G脚

图5热释电红外传感器内部结构

图5是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。

使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。

该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。

它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。

对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。

制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0．2～20μm。

为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。

这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。

1.4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阔的前景。

1.4.1步进电动机的特点

（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）速度可在相当宽的范围内平滑调节。

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。

1.4.228BYJ-48步进电机

本课题所先用的是28BYJ-48步进电机,它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