基于单片机的自动门控制系统设计毕业论文Word格式.docx
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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。
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自动门的发展
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，转换但因能源利用效率很低，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。
21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：
有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。
门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。
门的高级形式--自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。
1.3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，还可以制造出便于控制纳新型电机，使电机出现新的面貌。
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。
1.4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。
1.5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。
（2）查阅相关资料，了解有关自动门设计的一些必要的知识。
（3）复习在学校里所学的知识，并且联系实际，想好设计方案等等。
1.6设计的基本思路
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的范围内，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。
总体结构图如下图1：
第2章.系统硬件设计
2.1设计电路的框图和原理（原理图见附录Ⅰ）
红外自动门控制系统的硬件组成如图2-1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。
系统硬件框图如图2所示：
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，通过内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范围时，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。
（4）门扇行进轨道：
就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。
（5）门扇吊具走轮系统:
用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。
同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：
用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。
（6）下部导向系统：
是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。
（7）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，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。
马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；
门扇开启后由控制器做出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。
2.2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。
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。
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。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100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，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所示。
图3AT89C51外形及引脚图
2.2.1AT89C51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
P3.7—/RD：
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/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。
2.2.2AT89C51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位内部RAM
*32可编程I/O线
*两个16位定时器/计数器
*5个中断源
*可编程串行通道
*低功耗的闲置和掉电模式
*片内振荡器和时钟电路
2.2.3芯片擦除
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.3热释电红外传感器介绍
热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊
光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10-20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9-10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2-20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7-10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
热释红外线传感器内部结构与电路如下图4所示。
热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生微弱电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。
当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；
若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
热释电红外传感器的结构及内部电路见下图所示。
传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。
其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。
滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。
热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
图4热释电红外线传感器的结构及内部电路
热释电红外探头的优缺点：
优点：
本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。
价格低廉。
缺点：
容易受各种热源、光源干扰；
被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；
环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。
2.4BISS0001芯片介绍和典型电路
BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配，而且也能和其他多种传感器进行匹配。
它的内部是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定时控制器、锁定时间控制器和禁止电路等组成。
BISS0001采用16脚标准型塑料封装结构。
1脚（A）为触发方式控制端，当A＝1时，电路可重复触发；
当A＝0时，电路不可重复触发。
2脚（V0）为控制信号输出端，当有传感信号输人时，V0输出高电平。
3脚（RX）和4脚（CX）为输出定时控制器T，的外接元件端，定时时间为：
TX＝50×
103RXCX。
5脚（Ri）和6脚Ci）为锁定时间控制器Υi的外接元件，锁定时间Ti＝24RiCi。
7脚（VSS）为电源正端。
8脚（VRF）为参考电压及复位端，使用时一般接VDD，若按ⅤSS，可使定时器复位。
9脚（Vc）为触发禁止端，当VC＜VR时禁止触发；
当VC＞VR时，允许触发，VR＝0.2VDD.
10脚（IB）为偏置电流设置端，由外接电阻RB接ⅤSS端，RB一般取1MΩ的电阻。
11脚（VDD）为电源正、负端。
12脚（OUT2）为第二级运放的输出端
13脚（IN2-）为第二级运放的反相输人端。
14脚（IN1+）第一运放的同相输入端。
15净（IN1-）第一运放的反相输入端。
16脚（OUT1）为第一运放的输出端。
2.4.1BISS0001的内部结构及特点
下图5中，运算放大器OPl将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器01：
'
2进行第二级放大，再经由电压比较器COPl和ODP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号VS去启动延迟时间定时器，输出信号VO经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。
图5热释红外传感器处理芯片
BISS0001的特点：
*CMOS工艺，公耗低
*数模混合
*具有独立的高输入阻抗运算放大器
*内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰
*内设延迟时间定时器和封锁时间定时器
*采用16脚DIP封装
*内置参考电源
*工作电压范围宽（3V～5V）
2.4.2BISS001管脚图及管脚说明：
图6BISS001管脚图
BISS001管脚说明：
表1BISS0001管脚说明
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
可重复触发和不可重复触发选择端。
当A为“1”时，允许重复触发；
反之，不可重复触。
2
VO
O
控制信号输出端。
由VS的上跳变沿触发，使Vo输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发。
在输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时，Vo保持低电平状态。
3
RR1
--
输
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