毕业设计论文基于单片机的自动伸缩门控制系统设计管理资料.docx
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毕业设计论文基于单片机的自动伸缩门控制系统设计管理资料
毕业设计（论文）报告
题目基于单片机的自动伸缩门控制系统设计
院系xxxxxxxx
专业电气自动化技术
班级xxxxxxx.
姓名xxxxxxxxxx
学号xxxxxxxxx
指导教师xxxxxxxxx.
2012年4月
基于单片机的自动伸缩门控制系统设计
摘要：
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，各种方便生活的自动控制系统开始进入人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。
本文设计了基于单片机的自动伸缩门控制系统，该系统以单片机为主体，步进电机为控制实体，实现伸缩门的自动控制。
本设计主要应用STC89C52作为控制核心，步进电机、点阵屏相结合的系统。
通过单片机程序对步进电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制；另外，同样是借助单片机程序对点阵屏进行显示控制。
该系统充分发挥了单片机的性能。
其优点是电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等，具有一定的使用和参考价值。
关键词：
STC89C52、步进电机、点阵屏、自动
Microcontroller-basedautomaticretractabledoorcontrolsystemdesign
Abstract:
Withthedevelopmentofsociety,advancesintechnologyandpeople'slivingstandardsgraduallyimproved,theautomaticcontrolsystemforavarietyofconvenientlivingintopeople'slives,themicrocontrollerasthecoreoftheautomaticdoorsystemisoneofthem.Thedesignedmicrocontroller-basedautomaticretractabledoorcontrolsystem,thesystemmicrocontrollerasthemainbody,theautomaticcontrolofthesteppermotoriscontrolledentities,toachievetheretractabledoor.
ThemainapplicationofthisdesignSTC89C52ascontrolcore,steppermotor,thecombinationofdot-matrixscreensystem.Steppermotormicrocontrollerprogramforwardandreversecontrol,therebydooropen,customscontrol;Inaddition,thesamedot-matrixscreendisplaycontrolwiththemicrocontrollerprogram.Thesystemhasfullplaytotheperformanceofthemicrocontroller.Theadvantageissimplecircuits,softwarefunctions,thecontrolsystemisreliable,highercost,useandreferencevalue.
TheKeywords:
STC89C52,steppermotor,dot-matrixscreen,automatically
前言
随着科技的不断发展，各种各样的自动门应运而生，但由于单片机技术的不断发展和完善，所以单片机控制的自动伸缩门在日常生活中，得到了广泛的应用，特别是酒店、银行、机场、写字楼等公共场合中，起到方便车辆进出，车辆管理，节省人力的作用。
但如果关门过程中操作不当，容易对人们造成挤伤，碰伤，所以自动伸缩门的稳定性还需要不断的发展和突破。
本设计要求制作完成一个基于单片机自动伸缩门控制系统。
根据分析，基本要求有：
（1）有人或者汽车靠近时门应该打开；
（2）自动伸缩门上的LED显示屏显示相对应的汉字和数字。
此外，该系统设计充分发挥了单片机的性能，具有较好的可靠性、和实用性。
第一章课题方案介绍
课题背景
自动伸缩门的介绍
电动伸缩门主要由门体、驱动器、控制系统构成。
伸缩门的门体采用优质铝合金及普通方管管材制作,采用平行四边形原理铰接,伸缩灵活行程大。
伸缩门的驱动器采用步进电机驱动,蜗杆蜗轮减速,并没有手动离合器,停电时可手动启闭,伸缩门的控制系统有控制板,按钮开关,另可根据用户需求配备无线遥控装置。
不锈钢电动伸缩门主体结构特点：
不锈钢采用国际标准不锈钢原材料，经过特殊工艺制管进行折弯焊接定型制成门体。
门体永不变型坚固耐用。
门体用大小连杆连接而成伸缩门，大连杆连接型式为古币梅花式，小连杆连接成菱型式道闸，美观大方，坚固耐用。
不锈钢伸缩门活动部位特点：
伸缩门每个活动部位环节均采用不锈钢管，轴，轴瓦，不锈钢螺母，尼龙衬垫组装，组装时每个环节点加注高级润滑油，无噪音伸自缩自如。
铝合金电动伸缩门主体结构与不锈钢相似，也是利用平行四边形的运动原理，采用标准的铝合金型材直接用模具压制成型，然后通过镀锌管以及交叉连杆连接而成。
铝合金的材料采用高强度铝合金，强密、密度和耐腐蚀性都明显提高，从而保证了伸缩门的使用寿命，另外，与传统的不锈钢电动门相比，材质更优，造型更美观。
此外，自动伸缩门的门头上，可以选配LED显示屏，LED显示屏通过单片机来控制可以滚动显示客户所想要显示的汉字和数字，或者各类厂家需要的广告内容，根据客户的需要，自动伸缩上还可以安装红外探头，起到随时报警的作用。
单片机的发展
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
早期的单片机都是8位或4位的。
其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。
此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。
基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。
我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影。
它主要是作为控制部分的核心部件。
它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序运行的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？
原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！
对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
单片机的硬件特性：
1、单片机集成度高。
单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。
2、系统结构简单，使用方便，实现模块化。
3、单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障。
4、处理功能强，速度快。
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。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
电机自动控制系统的应用和发展
电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。
无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱、空调、DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。
据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。
同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。
电动机与人的生活息息相关，密不可分。
电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。
简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。
这类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。
还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。
伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。
这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。
具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。
作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。
目前，伺服技术正朝着交流化、数字化的方向迅速发展。
随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微型计算机的性能越来越高，价格也越来越便宜。
此外电力电子技术的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。
因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机．完成备种新颖的、高性能的控制策略，是电机的各种潜在能力得到充分发挥，是电机的性能更符合使用要求，还可以制造山便于控制纳新型电机，使电机山现新的而貌。
比较简单的电机微机控制，例如在适当的时候让电机启动、制动或反转之类，只要让微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了：
在各种机床设备及生广流水线中，现在已普遍采用微机的可编程控制器。
按一定的规律控制各类电机的动作。
至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按指定的指令准确工作。
通过微机控制，电机的性能有很大的提高。
例如传统的直流电集合变流电机各有忧缺点，直流电动机的调速性能好。
但带有机械按向器，有机械磨损及换向火化等问题；交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单。
工作也比直流电动机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便而又经济的调节。
交流电动机采用正弦脉宽调制方式进行变额调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数字电路完成这任务，电器相当复杂．用微机控制就简单多了。
若要进一步调节精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。
但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数字电路根难做到，而应用微机控制。
则能方便的实现。
目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统，其中电动机都是由微机控制的。
为了提高性能．在先进的数控交流伺服系统中，已采用高速数字信号处理芯片（DigitalSignalProcessor简称DSP），指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。
复杂的电机微机控制主要用于以下两个方而：
1、发电机励磁系统的控制。
用以保证正常工作时发电机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定，达到优化控制的目的。
2、电动机调速及其位置伺服控制。
用于鼓风机或水泵的调速节能、
数控机床、微型计算机磁盘驱动器、机器人等控制系统。
在电机微机控制系统中，微机主要完成下列工作：
1、实时控制。
根据给定的要求驶控制规律，对发电机的电压，电动机的转速等物理量实现在线实时控制。
2、监控。
完成事故报警、事故处理、系统诊断及管理等。
3、数据处理完成必要的数据采集、分析处理、计算、显不、记录等。
课题研究的意义和目的
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。
自动伸缩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。
另外自动伸缩门还具有良好的机动性。
为了使自动伸缩门能够更好的为人们和各种企业单位服务,需要得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的自动伸缩门系统，本课题研究的一种基于单片机的自动伸缩门控制系统,该系统以STC89C51RC作为控制核心，步进电机、LED显示屏相结合的系统。
充分发挥了单片机的性能。
具有一定的使用和参考价值。
课题研究的要求
（1）了解各种元器件的原理及其在电路中的作用，绘制出电路原理图和硬件仿真图。
（2）熟悉所需软件的用法；通过仿真调试使得电机能够实现正反转，电机正转代表开门，电机反转代表关门，而且电机能够根据实际情况来进行加减速控制，此外，自动伸缩门的门头上的点阵LED屏能够根据不同的C语言程序来显示不同的信息。
第二章自动伸缩门系统方案
设计思想和整体框图
本设计主要应用单片机程序对步进减速电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。
当伸缩门的两侧有人要进出时，操控员按下启动按钮，将脉冲信号传给主控器单片机，主控器判断后通知电机运行，同时监控电机的转数，以便通知在非紧急情况下，电机能够匀速运行；紧急情况下，电机能够加速运行。
下图2-1是自动伸缩门系统整体框图。
图2-1自动伸缩门系统整体框图
器件的选择
本课题设计所用到的的单片机是较为常见的——STC89C51RC，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。
STC89C51RC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STC89C51RC是一种高效微控制器，STC89C51RC是它的一种精简版本。
STC89C51RC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2所示：
图1STC89C51RC图2STC89C51RC的结构图
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）。
您可以通过控制脉冲个来控制角位移量，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。
步进电机28BYJ-48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。
当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。
每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。
当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。
四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。
。
。
），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。
。
。
），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。
。
。
）。
其图片如2-2所示。
图2-228BYJ-48步进电机
此外，本课题还选择了8*8LED点阵屏，它共需要64个发光二极管组成，且每个发光二极管是放置在行线和列线的交叉点上，当对应的某一列置1电平，某一行置0电平，则相应的二极管就亮；因此要实现一根柱形的亮法，对应的一列为一根竖柱，或者对应的一行为一根横柱，因此实现柱的亮的方法如下所述：
：
对应的列置1，而行则采用扫描的方法来实现。
：
对应的行置0，而列则采用扫描的方法来实现。
其实物图如图2-3所示
图2-3点阵实物图
第三章自动伸缩门的硬件设计
控制器单元的硬件设计
控制器单元硬件图如图3-1所示
图3-1控制器硬件图
一片STC89C51单片机芯片内包含一个8位CPU、振荡器和时钟电路、至少128字节的内部数据存储器，可寻址外部程序存储器和数据存储器个64k字节，21个特殊功能寄存器，4个并行I/O接口，2个16位定时/计数器,至少5个中断源，提供两级中断优先级，可实现两级中断服务程序嵌套。
具有有位寻址功能，有较强的布尔处理能力。
各功能单元（包括IO端口和定时器/计数器等）都由特殊功能寄存器（SFR）集中管理。
STC89C51单片机在物理结构上有四个存储空间：
1、片内程序存储器
2、片外程序存储器
3、片内数据存储器
4、片外数据存储器
程序内存ROM的寻址范围：
0000H~FFFFH容量64KB。
EA=1,寻址内部ROM；EA=0,寻址外部ROM。
地址长度：
16位。
作用：
存放程序及程序运行时所需的常数。
七个具有特殊含义的单元是：
0000H——系统复位，PC指向此处；
0003H——外部中断0入口
000BH——T0溢出中断入口
0013H——外中断1入口
001BH——T1溢出中断入口
0023H——串口中断入口
002BH——T2溢出中断入口
内部数据存储器RAM物理上分为两大区：
00H~7FH即128B内RAM和SFR区。
作用：
作数据缓冲器用。
STC89C51片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H—0FFFH,单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H,所以系统将从0000H单元开始执行程序。
但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意。
其中一组特殊是0000H—0002H单元，系统复位后，PC为0000H,单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。
另一组特殊单元是0003H—002AH,这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下：
0003H—000AH外部中断0中断地址区。
000BH—0012H定时/计数器0中断地址区。
0013H—001AH外部中断1中断地址区。
001BH—0022H定时/计数器1中断地址区。
0023H—002AH串行中断地址区。
可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。
从上面可以看出，每个中断服务程序只有8个字节单元，用8个字节来存放一个中断服务程序显然是不可能的。
因此以上地址单元不能用于存放程序的其他内容，只能存放中断服务程序。
但是通常情况下，我们是在中断响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存放中断服务程序的空间去执行，这样中断响应后，CPU读到这条转移指令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。
0000H-0002H,只有三个存储单元，3个存储单元在我们的程序存放时是存放不了实际意义的程序的，通常我们在实际编写程序时是在这里安排一条ORG指令，通过ORG指令跳转到从0033H开始的用户ROM区域，再来安排我们的程序语言。
从0033开始的用户ROM区域用户可以通过ORG指令任意安排，但在应用中应注意，不要超过了实际的存储空间，不然程序就会找不到。
STC-51系列单片机中有至少有2个定时器/计数器—T/C0和T/C1，它们既可以编程为定时器使用，也可编程为计数器使用。
若是内部晶振驱动时钟，则是定时器；若是对外部输入的脉冲信号计数，则是计数器。
当T/C以定时器方式工作时，在每个机器周期计数加1，计数频率=fosc/12。
如晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，每隔1µs计数值加1。
当T/C以计数器方式工作时，计数脉冲来自外部输入管脚T0（）或T1（），当外部脉冲信号负跳变时计数值加1。
假如外部信号是周期性连续脉冲信号，则每过一个振荡周期，计数器进行一次加1计数。
因计算机识别输入信号的负跳变需两个机器周期，所以可计数外部脉冲的最高频率为fosc/24。
当晶振为12MHz时，最高计数频率为500kHz，假如外部脉冲频率高于此频率，计数将出错。
和T/C有关的特殊功能寄存器有TH0、TL0、TH1、TL1、TCON和TMOD，其中TH0和TL0为T/C0的计数寄存器，TH1和TL1为T/C1的计数寄存器。
TCON中高4位用于控制定时/计数器的启停以及产生计数溢出中断标志，其各位的定义如下表3-2所示。
表3-2定时器/计数器控制寄存器TCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
TF0
TR0
TF1
TR1
IE1
IT1
IE0
IT0
TR0、TR1：
T/C0、T/C1启动控制位，需软件控制。
1—启动计数；0—停止计数。
TF0、TF1：
T/C0、T/C1计数溢出中断请求标志位。
产生中断时，硬件置位；CPU响应中断时，硬件清零。
TCON上电复位时清零。
TMOD用于设置定时器/计数器的工作模式，其各位的定义如表3-3所示。
表3-3定时器/计数器方式控制寄存器TMOD
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
C/—T
M1
M0
GATE
C/—T
M1
M0
T/C1
T/C0
其中高4位对应于T/C1，低4位对应于T/C0。
C/—T：
计数器或定时器选择位。
0—定时器；1—计数器。
GATE：
门控信号位。
0—T/C的启停仅受TR0或TR1的控制；1—T/C的启停受到双重控制，。
M1、M0：
工作方式选择位。
定时器定时时间和计数初值之间的关系：
定时时间=（满计数值−计数初值）∙机器周期
机器周期=12/fosc
满计数值：
16位计数：
216=65536
8位计数：
28=256
电机驱动模块
步进电机驱动模块图3-4
图3-4电机驱动模块图
步进电机按绕在定子的线圈配置分类可为2相、4相、5相等；按外部引线可分为三线式
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