基于单片机的自动门控制系统.doc

*基于单片机的自动门控制系统 班 级：120406 学 号：20124310 姓 名：李强 指导教师：郭昕刚 设计时间：2014年12月15-2014年12月19日基于单片机的自动门控制系统摘 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，自动门开始进入人们的日常生活，成为宾馆、超市、银行等现代建筑所必备之物，是建筑智能化水平的重要指标之一。它具有美观大方、防风、防尘、降低噪音等优点，同时方便了人们出入，也方便了管理，增强了安全。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。控制系统是自动门的心脏，也是衡量其设计制造水平的重要指标，同时自动门控制系统逐渐向大型化、复杂化和智能化的方向发展。本设计主要应用单片机8051作为控制核心，直流电机、热释电型红外传感器等相结合的系统。它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：自动门；单片机；控制；热释电红外传感器The Automatic Door Control System Based On SCMAbstractAlong with societys development, the technical progress as well as the people living standards gradual enhancement, automatic valve starts to enter peoples life. It is not only indispensable for hotels, supermarkets, banks and other modern architecture, but also become an important indicator of the level of construction of intelligent. There is beautiful, generous,windbreak, dustproof, lower noise. Meanwhile it is convenient for people to access. And it facilitate the management, enhance the safety. Its usable, he function is complete, the technological advance, causes the people to believe that this is the advance in technology achievement. It lets the humanity understand that Digital Ages development will change humanitys life, will speed up the science and technology the development. Automatic control system is the heart of the design, and the measure of the important indexes, the manufacture level. Also, it gradually toward large-scale, complicated and intelligent direction.This design mainly 8052 takes the control core using the monolithic integrated circuit, direct current system which the electrical machinery, the pyroelectric infrared sensor, the potentiometer unify. Has displayed monolithic integrated circuits performance fully. Its merit hardware circuit is simple, the software function is perfect, the control system is reliable, the performance-to-price ratio higher characteristic, has certain use and the reference value.Keyword：automatic door;SCM;control;PIRS目录1绪论.11.1 自动门发展历史.11.2 单片机的发展及89C51系列的运用.11.3 红外探测技术的发展.22系统总体方案.32.1 系统总体规划.32.2器件介绍.42.2.1 单片机.42.2.2热释电红外传感器.103 硬件设计.113.1 基本单片机系统.113.2 红外检测电路.123.2.1 放大信号电路.133.3 电动机电路.154控制系统软件设计.164.1 主程序流程图.174.2调试.174.2.1 硬件调试.174.2.2 软件调试.185总结与展望.19致谢.20参考文献.21附录I 总电路图.221绪论1.1 自动门发展历史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。1.2 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。1.3 红外探测技术的发展红外探测技术在军事技术、工业控制、安全保卫、家用电器以及人们的日常生活等诸多领域中都有着非常广泛的应用,而一些教学实验的测控系统也在教学中发挥了很大的作用。红外探测技术利用红外光波(又称红外线)作为载波来传送测量信号或者控制指令,例如红外遥控电视开关、红外报警器、自动玻璃门等。之所以采用红外光波作为测控光源,是由于红外发射器件与红外接收器件的发光与受光峰值波长一般为0.88m0.94m,落在近红外波段内,而且二者的光谱恰好重和能够很好地匹配,可获得较高的传输效率及较高的可靠性。红外测控系统一般包括发射、接收以及处理部分。在本设计中，红外线探测器中的热电元件检测人体的存在或移动，并把热电元件的输出信号转换成电压信号。然后，对电压信号进行波形分析。于是，只有当通过波形分析检测到由人体产生的波形时，才输出检测信号。例如，在两个不同的频率范围内放大电压信号，且将被放大的信号用于鉴别由人体引起的信号。2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。2.1 系统总体规划本系统主要由单片机及其外围电路、红外检测电路、直流电机控制电路等组成。正常工作时,单片机循环检测红外检测电路输出信号，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2-1所示。 图2-1 原理方框图2.2器件介绍 2.2.1 单片机单片机处理模块部分选用的芯片为89C52RC，属于89C51RC系列。选用STC单片机的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动。使产品更小，更轻,功耗更低用STC提供的专用工具可很容易的将2进制代码、16进制代码下载进STC相关的单片机。 图2-2 89C52RC引脚图如图2-2为89C52RC的引脚图；各引脚功能如表2-1。表2-1 89C52RC引脚功能管脚管脚编号说明LQFP44PDIP40PLCC44P0.0 P0.737-3039-324336P0:P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使用。当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，上电复位后处于开漏模式。P0口内部无上拉电阻，所以作I/O口必须外接10K-4.7K的上拉电阻。当P0作为地址/数据复用总线使用时，是低8位地址线A0A7，数据线的D0D7，此时无需外接上拉电阻。P 1.0/T2401 2P 1.0标准I/O口 PORT 0T2定时器/计数器2的外部输入P1. 1/T2EX4123P . 标准I/O口 PORT 1T2EX定时器/计数器2捕捉/重装方式的触发控制P 1.24234标准I/O口 PORT 2P 1.34345标准I/O口 PORT 3P 1.44456标准I/O口 PORT 4P 1.5 167标准I/O口 PORT 5P 1.6278标准I/O口 PORT 6P 1.7389标准I/O口 PORT 7P2.0 P2.7 18-2521 -2824-3Port2: P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8位地址总线使用(A8 A 5)。当P2口作为输入/输出口时，P2是一个8位准双向口。P3.0/RxD5 10 11P3.0标准I/O口 PORT30RxD串口1数据接收端P3.1 /TxD7 11 3P3.1 标准I/O口 PORT31TxD串口1数据发送端P3.2/INT08 12 14P3.2标准I/O口 PORT32INT0外部中断0,下降沿中断或低电平中断P3.3/INT 9 13 15P3.3标准I/O口 PORT33INT 外部中断1,下降沿中断或低电平中断续表2-1 89C52RC引脚功能引脚功能P3.4/T0 1014 16P3.4标准I/O口 PORT34T0定时器/计数器0的外部输入P3.5/T 11 15 17P3.5标准I/O口 PORT35T1 定时器/计数器1的外部输入P3.6/WR 12 16 18P3.6标准I/O口 PORT36WR#外部数据存储器写脉冲P3.7/RD131719P3.7标准I/O口 PORT37RD#外部数据存储器读脉冲P4.0 1723P4.0标准I/O口 PORT40P4.1 2834P4.1 标准I/O口 PORT41P4.2/INT3#391 P4.2标准I/O口 PORT42INT3#外部中断3，下降沿中断或低电平中断P4.3/INT2#6 12P4.3标准I/O口 PORT43INT3#外部中断2，下降沿中断或低电平中断P4.4/PSEN#262932P4.4标准I/O口 PORT44PSEN#外部程序存储器选通信号输出引脚P4.5/ALE273033P4.5标准I/O口 PORT45ALE地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚P4.6/EA#2931 35P4.6标准I/O口 PORT46EA#内外存储器选引脚RST49 10RST复位脚XTAL1 15 1921 内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输入端。XTAL2 14 1820内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。VCC384044电源正极Gnd 162022电源负极，接地1 时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图2-3(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图2-3（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。(a)内部方式时钟电路 (b)外部方式时钟电路图2-3时钟电路2 复位及复位电路A 复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2-2所示。表2-2 一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXX000000BSBUF不定IE0X000000BPCON0XXX0000BTMOD00HB 复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图2-4所示图2-4复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2-5（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图2-5（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。其电路如图2-5（c）所示： (a)上电复位 (b)按键电平复位 (c)按键脉冲复位图2-5复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统的复位电路采用图2-5（b）上电复位方式。2.2.2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104，故引入的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。1D脚 2S脚 3G脚图2-6热释电红外传感器内部结构图2-6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0220m。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。3硬件设计3.1 基本单片机系统这是自动门系统的控制核心， 一般情况下以单片机片内的基本硬件资源为主,，有必要时再扩展部分外部器件.。在本设计中需要完成的控制比较简单，以单片机片内的基本硬件资源完全可以实现， 因此不需扩展。其单片机电路图如图3-1。 图3-1 单片机电路图3.2 红外检测电路红外检测电路主要由热释电红外传感器和检测放大电路组成, 核心元件是热释电红外传感器, 它能以非接触形式检测人体辐射出的红外线能量变化,并将此变化转化为电压信号输出。不需要红外线和电磁波发射源以及各种主动接触开关由于敏感元件的输出电压极微弱且其阻抗很高, 故在传感器内部设有场效应管及偏置厚膜电阻, 从而构成信号放大及阻抗变换电路, 一般热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低, 检测距离仅2m 左右。当有人靠近自动门时,被热释电红外传感器接收下来, 并将其转换成信号, 经检测放大电路内部放大等处理后输出给单片机。其热电释红外检测电路如图3-2所示。图3-2热电释红外检测电路3.2.1 放大信号电路LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图3-3所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-3（1）所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。lm324引脚图见图3-3（2）。 当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时(即开环状态),理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大(实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100dB，既10万倍)。此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平（V+），就是低电平（V-或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。图3-4中使用两个运放组成一个电压上下限比较器，电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当Ui >U1时，运放A1输出高电平；当Ui <U2时，运放A2输出高电平。运放A1、A2只要有一个输出高电平，晶体管BG1就会导通，发光二极管LED就会点亮。若选择U1>U2，则当输入电压Ui越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2 > U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。此电路与各类传感器配合使用，稍加变通，便可用于各种物理量的双限检测、短路、断路报警等。3.3 电动机电路所选用的电动机为普通的直流电机，在单片机的控制下，可接一个电机驱动芯片或者通过其他的一些原件可使电机转动。本文为了设计简单，采用其他方式代替了电路驱动芯片。电动机电路图如图3-5所示。图3-5 电动机电路图4控制系统软件设计本系统的软件设计面向硬件，选用C语言编程。最主要部分是单片机控制电机转动(包括正转反转)和时间的延迟。4.1 主程序流程图图4-1主程序流程图4.2调试4.2.1 硬件调试首先，在Protel中画出电路的原理图，并绘制出PCB板接线图。接着根据PCB板接线图实物的制作。在制作的过程中，事先根据元件的大小排版布局，以单片机为中心，从简单.线路少的元件开始着手,围绕单片机把所有元件焊接完毕.最后，焊接完毕之后需要检查调试。首先通电观察电路板是否有异常，一般观察的是有无因接错产生短路而使电路冒烟，发热过高而使电路发烫甚至烧毁电路。 如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电重新检测。在第一步检测完毕无异常后，再输入信号，用万用表进行数据的检测。再与原始数据的对比,通过比较检查出出现错误的部分，再进行修改调试，直到未发现漏洞。通过调试，确保硬件接线合理安全，电路完整能够达到运行的标准。4.2.2 软件调试首先，并不是把编号的程序直接烧进单片机，而先用Keil C51编译器进行调试。在使用Keil C51编译器时,对工程成功地进行编译（汇编）、连接以后，在主菜单中打开“调试”栏，点击“开始/停止调试模式”，即可进入软件模拟仿真调试状态，Keil C51内建了一个仿真CPU用来模拟执行程序，该仿真CPU功能非常强大，可以在没有硬件和仿真器的情况下进行程序的调试，但是在时序上，软件模拟仿真是达不到硬件的时序的。进入调试状态后，“调试”栏菜单项中原来不能用的命令现在已经可以使用了。调试程序看是否能仿真，如果运行正常再将在Keil C51编译器中调试好的程序烧写至单片机。在接上电源时，观察整体电路是否按照预计设计的运作，电机是否正转，电机是否反转等。可根据电路的运行情况推测出程序出错的部分，修改程序后再经过Keil C51编译器调试后烧到单片机，反复检测直到能工作完全正常。5总结与展望本次课程设计经历了1个星期，我从中学到了许多。从最开始收集资料，购买元器件，中间的电路板的焊接，程序的设计，到最后的调试。这些都使我学到了好多，成长了好多。通过查找各种资料，将大学所学到的东西结合在一起，运用所学的知识将知识变为实际，在调试过程培养了我的坚持能力，打磨了我的性格。这次经历不仅仅扩充了我的知识面，培养了动手能力，还教会了我怎样做好一件事的方法。课程设计的过程中让我更系统的复习了大学所学的知识，培养了耐心和毅力。虽然在这中间走过许多歪路，遇到很多失败，但是坚持下来收获的是胜利的微笑。本次设计为单片机的自动门控制系统,主要应用单片机8052作为控制核心，直流电机、热释电型红外传感器等相结合的系统。这个系统软硬件设计简单，易于开发，加之价格低廉，安全可靠，操作方便，应而应用前景广阔，适合于对电子设计制作感兴趣的学者动手试一试。致谢在本次课程设计中，碰到了许多问题，幸亏有老师的悉心指导，同学的帮助，最终能够完成本次课程设计，给本次设计过程画上一个完美的句号。我非常感谢我的指导老师对我的监督指导，感谢老师的鼓励和引导，我会铭记老师的教诲。通过本次课程设计让我明白实践是检验真理的唯一途径，只有通过实践的检验，才能检验平时所讲的理论的正确与否，只懂得理论知识却没经过实践，是不可能完全掌握其精华所在的。通过这次课程设计让我明白了动手的重要性，在动手的过程中掌握理论这样才能记得更牢，理解更透彻。感谢学校提供这个动手学习的机会！参考文献1 马争、汪亚南. 微计算机与单片机原理及应用M. 高等教育出版社，20092 林立、张俊亮、曹旭东、刘得军.单片机原理及应用M.电子工业出版社，20093 肖俊峰、郑小琴.一种红外线自动门单片机控制系统J.门窗,2008(10).4 吴英才、林华清.热释电红外传感器在防盗系统中的应用J.传感器技术,2002(7):121-124.5 于洋、葛斌、苏晓鹭.基于单片机技术的自动门智能控制系统J.计算机系统应用,2008(4): 15-18.附录I 总电路图