单片机自动门控制系统(18页).doc

-单片机自动门控制系统-第 13 页摘 要21世纪是一个电气产品迅速发展的时代，随之而来的，人们的生活水平也越来越高，去商场、超市等公共场所购物或参与其他活动已渐渐成为人们生活的一部分。因此，自动开关门也就随之进入了人们的日常生活，成为上述公共建筑的必备设施。自动开关门的核心便是单片机的控制系统，而单片机也是衡量其科技水平的标杆，也标志着自动化控制系统正在向一个越来越智能的方向发展。论文的控制技术核心，是基于89C51单片机、直流电机、热释电红外传感器等元器件相结合而组成的控制系统。它使得89C51单片机的性能能够最大化的发挥出来，并且因其同时具备了硬件电路简单、控制功能强大、系统安全且稳定、性价比相对较高等优点，使其具有了一定的研究价值和实用价值。关键词：自动开关门，单片机，热释电红外传感器，自动控制目 录第一章 绪论11.1 探究课题可行性11.2 国内自动开关门的发展现状11.3 课题的意义与目的1第二章 自动开关门控制系统设计方案32.1 基本功能的需求与分析32.2 基本设计思路32.3 设计思想和整体框图32.4 设计电路的框图和原理4第三章 主要元器件的介绍63.1 什么是单片机63.1.1 AT89C51主要特性73.1.2 芯片擦除83.2 红外检测电路83.2.1 热释电红外传感器83.2.2 热释电效应的介绍93.3 直流电机103.3.1 直流电机的特点113.3.2 驱动控制系统的组成113.3.3 斩波驱动123.4 检测模块13第四章 自动开关门的软件设计154.1 整体程序流程图164.2 直流电机驱动模块164.2.1 PWM驱动系统164.2.2 继电器174.3 整体电路图18第五章 Altium Designer软件的系统设计195.1 软件的介绍195.2 Altium Designer的电路图绘制19致谢24参考文献25第一章 绪论1.1 探究课题可行性21世纪是一个自动化、信息化、数字化技术越来越高的时代，所以，单片机的应用领域也越来越广，与人们的生活密切相关。随着时代的发展、科学的进步和人们生活质量的日益提高，各种方便且实用的自动控制系统进入了人们的生活，其中以单片机为核心的自动开关门控制系统就在行列之中。这也标志着自动控制系统成为科技化时代不可或缺的一部分。它的实用性强，功能众多，技术高端先进。更让人们懂得，数字时代的发展会改变人类的生活质量，推动科学技术的发展。论文着重讲解了以单片机为主体、传感器为核心的自动开关门控制系统。1.2 国内自动开关门的发展现状自动开关门的大批量专业化生产开始于150年之前，随着科学技术的发展自动开关门也在日臻完善。门的高级形式自动门起源于欧美发达国家，并迅速的发展至今，目前已形成种类全、功能完善、做工精密的自动门大家族。上世纪90年代以来，自动化控制技术发展较快，技术也较为成熟，并且取得了巨大的成就。自动开关门是由单片机控制系统组成。在现实生活中可以极大的节约资源、减少噪声、防风、防尘，同时也能让出入口显得高档且简洁，所以生活中应用极其广泛。在国外发达城市里的酒店、宾馆、大厦、银行、商场等随处可见，但是在国内，自动开关门的研发还处于初级阶段。在自动开关门控制系统的设计中，节能环保、安全稳定和人性化是需要考虑的重要因素。1.3 课题的意义与目的随着科学技术的飞速发展，各式各样的自动化控制系统步入人们的生活。自动开关门控制系也就成为了商场、大厦等人流较为密集的地方疏通人流、控制出入口的首要选择。自动开关门能够实现出入授权的的自动化控制等功能。为了使自动开关门能够更好的被使用，选择一种电路简单，功能较为完善，性价比高，控制系统稳定的自动开关门控制系统，论文研究以89C51为控制核心，热释电红外传感器，磁开关，步进电动机相结合的系统。使其充分发挥单片机的性能，具备一定的参考与使用价值。第二章 自动开关门控制系统设计方案2.1 基本功能的需求与分析分析日常生活中经常接触到的自动开关门，设计的自动开关门控制系统应具有以下功能：1. 具有手动控制和自动控制两种模式，以便于使用和维护。当热释电红外传感器检测有人时发出信号，通过电动机的正转与反转控制门的开与关。2. 在关门时如出现夹人等非正常情况时，控制系统应能根据关门时的异常负载或其它异常情况，启动应急措施停止自动开关门的关门进程，转入开门过程。2.2 基本设计思路1、 检测出有人靠近时开门。当人们走到自动开关门附近时，热释电红外传感器可检测出人的存在并发出开门信号，起动电动机开始正转，打开自动门。2、 自动开关门打开后，自动启动延时器，延时数秒后，热释电红外传感器如检测到周围没有人，将起动电动机反转，控制自动门关门；如果热释电红外传感器检测到周围有人，将再次启动延时器进行延时，直到周围无人。3、 如果在关门的过程中热释电红外传感器检测到有人的靠近，则会发出信号，控制系统会立即停止关门，并控制电动机正转使自动开关门打开。人体信号光学系统（菲涅尔透镜）热释电红外传感器信号处理自动开关门控制电路图2.1 设计总结构图4、 在关门时如出现夹人等非正常情况时，控制系统应能根据关门时的异常负载或其它异常情况，启动应急措施停止自动开关门的关门进程，转入开门过程。总体思路大致如下图2.1所示：2.3 设计思想和整体框图论文将电动机的正转模拟为开门，反转模拟为关门，通过单片机从而实现门的打开与闭合。门应该自带感应器，能够快速感应出进入或者出去的人。当人们经过热释电。位置给定单片机PWM功率接口电动机负载传感器接口电流反馈信号正/负位置反馈脉冲绝对零位脉冲图2.2 自动门框图2.4 设计电路的框图和原理下图2.3便是系统设计的硬件组成图。由89C51型单片机、红外信号检测电路、直流电动机正反转控制电路、自动门开关行程检测电路、开关过程故障检测与故障显示电路、自动控制与手动控制方式转换电路等数个控制部分共同组成了一个完整的自动开关门控制系统。单片机会往复循环的进行红外检测电路所发出的脉冲信号，并会根据实际情况对直流电动机进行控制，从而实现门的开关。当按下手动控制的按键时，自动开关门则会进入手动控制的状态，由按钮控制门的开关，热释电红外传感器会暂时的停止运作。如果突发意外情况，比如在关门的过程中遇到人因为抢时间进入导致被夹时，门会立即停止关闭而转成开门状态，极大程度上的保证的人员的安全。当系统发生故障的时候，则会进入故障处理的状态，由专业人员对门进行维修与维护，增加的门的安全性与使用寿命。图2.3表示自动门控制系统框图。图2.3 自动门控制系统框图第三章 主要元器件的介绍3.1 什么是单片机何为单片机？物如其名，就是一种把计算机的部分主要功能都集中在一张微型芯片上的单芯片微机。其核心部件寄存器、运算器、控制器、多种I/O接口及其它部件都被集成在了一个芯片上，集成度非常之高，且结构精密，功能强大，能够执行绝大部分电器所需要的操作。因此把单片机理解成一个不含外设的计算机都不为过，也就是相当于一个只包含主机，没有其他譬如键盘显示器等外部设备的微型计算机。图3.1是单片机的结构框图。图3.1 单片机结构框图重量较轻、占地空间较小、资源消耗少、能耗较低、功能多而强、性价比高、价格低廉，这是单片机从出现至发展至今一直屹立于中国乃至世界工业中之林的原因，而同时，由于计算数据绝大多数都是在单片机内置的芯片的内部路径之中传输，所以运算速度较快，抗干扰能力较强，信息遗失以及泄露概率很低。1971年，第一块单片机出现以来，这几十年的时间内，成长非常快速，如今已经在各个领域有了长足的发展与进步，并且进化出了相应的不同的可以满足其地位需要的型号。单片机内部自带通信接口，还可以与其所在的电子产品的主机共同运作，这样一来，不仅大幅度提高了单片机的运行速度，而且也对缓解其电子产品的主芯片的工作压力起到了显著地功效。因此，在以网络通讯为主的各个领域都有了更多的使用以及更加长远的发展，同时也对其暂时无法替代的位置起到了巩固作用。89C51单片机是由世界知名企业ATMEL制造的一款产品，一般作为系统的控制器使用于各种电气产品中，因其运算能力强大、编程起来较为灵活、兼容性强（与MCS-51工业标准与管之间互相兼容），能够实现多种产品所需要的算法，同时还具备了能耗低、占用体积小、价格实惠性价比高等特性。它在现实生活中运用非常广泛，各个领域或多或少都有其身影，而这款产品也因为这些优点与实用性，被人们熟知。与管脚排列。图3.2 AT89C51、89C2051外形及管脚3.1.1 AT89C51主要特性1、与工业标准MCS-51相互兼容，应用范围更为广泛2、自带一个4K字节的闪烁存储器3、寿命较长，能够实现1000余次的擦写循环4、可以长时间保存数据，一般在10年左右5、采取全部静态的工作方式，频率为0-24H6、能耗较低，大概只有8051单片机的五分之一3.1.2 芯片擦除简单来说就是把程序删掉，然后重新写新程序。89C51单片机支持可选两种软件的掉电模式，设有稳态逻辑，可在低到零频率的条件下实现静态逻辑。CPU在闲置模式时不会运作，但定时器、计数器、RAM等照常工作。在掉电的情况下，会禁用其他所有芯片的功能，并冻结其振荡器，仅仅保留RAM中的内容，在下一个硬件复位的时候，恢复其正常状态。3.2 红外检测电路红外检测电路核心是热释电红外传感器，还包含检测放大电路，因为它不需要接触就能检测出红外能量变化，所以说只要人经过探头，传感器就能察觉到，然后转化成电信号，驱动电动机进行开关门的操作，无需红外线、电磁波源或是其它的接触式开关，因为敏感元件阻抗较高，电压非常弱，所以一般在传感器内部设置内膜电阻，这样便可以放大信号，现在市场能买到的热释电红外传感器不容易接收灵敏信号，检测的距离大概有2米。有人靠近时，热释电红外传感器会将其转换成电信号，然后将电信号放大处理后传送给单片机，驱动电机开门。 热释电红外传感器热释电红外传感器是专门探测人体辐射的一种感应器件，因其价格低廉，使用方便，所以在现实生活中经常被用作报警装置或者一些自动化设备，比如银行里的报警装置、商场里的节能水龙头或者吹风机等很多产品。因其检测人体辐射的红外线时，并不需要与人体的接触便能将信息转化成电信号从而执行一系列的操作，同时还能区别对象是是生物还是其它物体，所以到现在为止，一直被人们所认可，并且广泛的使用在自动化、节能、测控等很多领域。是它的内部结构是实物。图3.4 热释电红外线传感器的结构及内部电路 图3.5 实物图3.2.2 热释电效应的介绍热释电效应：通俗的来说，就是物体受外界温度变化的影响，从而导致自身的状态发生改变，这就是热释电效应。它是一种自然效应，原理同压电效应有些相似。这种现象能用公式表示：其中，Ps表示物体强度的变化量；P是热释系数；T表示温度的变化。近十年以来，热释电效应大多被用作探测方面，广泛的应用于温度、光谱等的测量，军事方面的报警以及勘测等。随着我国科技蒸蒸日上的发展，生产力的日益提高，我国制造的一些红外摄像管（基于TGSAS晶体）已经往国外出口，慢慢的走向世界。因其响应范围较广，分辨率小，对温度的灵敏度较高，性价比高，所以在生活中的应用越来越广泛。因其的检测不需要接触被测对象，所以在救援方面也有重要的意义。曾经发生地震时，救援人员用此方法能够即使的发现被困人员并展开营救，对生命过程有重要意义。原理图如3.6所示。图3.6 热释电效应的形成原理3.3 直流电机直流电机能够实现电能与机械能之间的转换，本文中作为带动自动门开关的传动装置，将电能转化成机械能实现电动机的正反转从而控制门的状态。近几十年来，机械、电气、数字技术的发展极其迅速，电动机的存在为它们的发展奠定了基础，而相关产业的进步也为电动机的发展开拓了越来越广阔的前景。图3.7为实物图。图3.7 直流电机实物3.3.1 直流电机的特点优点：1、 结构较为紧凑，占地面积较小，质量轻，移动方便。2、 节省能源，性能优越，运行动静比较小且稳定。3、 可以实现调速，并且调速范围广而平滑，过载能力强。4、 速比分级精度高，转速型谱宽，其范围i可以达到228800。5、 适用性强，能在多种场合使用，即使环境稍微恶劣，依旧不影响正常工作。缺点：1、 制造成本稍高。2、 维护略微困难。综上所述，虽然直流电动机存在成本稍高，维护困难的缺点，但是整体分析来看，显然利大于弊，因此选择直流电机。3.3.2 驱动控制系统的组成单片机控制直流电动机的话，一般需要是其驱动控制系统。信号分配脉冲信号负载直流电机功率放大图3.8 驱动控制系统方框图直流电动机的结构由转子和定子组成。电动机运行时，旋转的部分成为转子，静止的部分叫做定子。直流电动机内部自带一个环状的磁铁，其工作原理与线圈在电磁场中受力转动的原理类似。由于磁场的存在，线圈在磁场中受安培力的影响将产生转动，当线圈与磁感线平行时，由于换向器存在使得线圈继续按一个方向转动。图3.9为原理图。图3.9 直流电动机工作原理电动机根据信号工作。控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下:控制电路模型如3.10图所示。图3.10 控制电路模型3.3.3 斩波驱动斩波驱动电路是当今常见的一种驱动方式。其基本思想是：将直流电固定成一个不变值。图3.11是斩波恒流驱动电路的原理图，图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同。图3.11 斩波恒流驱动电路原理图3.4 检测模块目前，生活中的检测装置包罗万象，各种功能各类领域的都有，发展也是如日中天，毕竟现在是一个自动化的时代，所有的设备与仪器都在往越来越智能化的道路上发展着。比较常见是在声音、光线、气体等方面，其中红外传感器的应用比较广泛，采用热释红外传感器的检测电路对是否有人需要进出进行检测，在商业、农业、军事、医疗等各方面都有涉及。它分为：发射器和接收器，发射器会不间断的发出红外线，被接收器接收，如果有人或物经过时，会挡住红外线导致接收器接收不到，这时便会执行某些特定的操作。本设计方案在门上装两个探测器，导向管会套住发射管接收管，确保只发出一束光，且没有其它光干扰。当光线被人阻挡时输出高电平。两接收器的输出端一个接“或”门，一个接“非”门到INT0引脚。这时，不管是进还是出门，INTO端口都会接收低电平信号，单片机可以接收到是否有人，然后调用程序，执行正确开关门的操作。在极限位置会装有限位开关。其作用为：如果磁铁移动到它旁边，开关就会因吸引力使其进行关闭操作，输出高电平，反之低电平。当自动P0.6三个引脚，单片机判断三个引脚的信号对应哪个限位开关，分析执行开门、关门与变速表示限位开关的安装。检测模块第四章 自动开关门的软件设计图4.1 整体程序流程图开始系统初始化启动红外探测器有人吗吗?快速开门有人吗到半处限位开关吗?慢速开门有人吗到开门限位开关吗电机停止延时有人吗吗?快速关门有人吗?有障碍吗到半处限位开关吗慢速关门有人吗有障碍吗?到关门限位开关吗电机停止延时返回NK1NK4K2K3NNK5YYYYYNNNYNNYK5YYK2K3K4K1YNYN4.1 整体程序流程图根据自动开关门的设计思路以及功能需求，大概画出整体的流程图如图4.1所示。4.2 直流电机驱动模块直流电动机是最早出现的电机，也是最早能实现调速的电机。长期以来直流电机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的现行调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电机的挑战，但到目前为止仍是大多数调速控制电动机的最优先选择。4.2.1 PWM驱动系统PWM，指脉冲宽度调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，使方波在频率固定情况下，方波宽度越大其平均电流越大，方波宽度越小其输出平均电流越小，通过电流的大小从而改变电机的转速。图4.2为PWM系统原理图。图4.2 PWM系统原理图4.2.2 继电器由于直流电机需要正反转，来驱动门的开关。所以需要两个继电器来控制正反转的功能。简单来说，继电器是以小电流来控制大电路的器件，能够很好的保护电路，同时对电路的保护和转换也有着重要的作用。下图4.3为继电器实物图。图4.3 继电器4.3 整体电路图图4.4 整体电路图第五章 Altium Designer软件的系统设计一个完整系统的设计，一般都包括电路图的设计、绘图软件上的仿真、硬件的组装、软件设计与硬件调试等阶段。本次设计中，采用的软件为Altium Designer。5.1 软件的介绍Altium Designer软件诞生于澳大利亚的Altium公司，能够在windows系统上运行。该软件完美的把电路的设计、绘制、仿真，PCB图的生成、布线，设计输出等功能结合于一体，并且能够在windows操作系统上运行，为使用者提供了极大的便利。所以目前许多企业对电子产品的设计，学校里的教学工作都会使用这款软件。本设计主要是原理图的设计。本设计步骤如下：1、 在Altium Designer中绘制电路原理图。2、 在Altium Designer中加载程序，观察仿真结果。5.2 Altium Designer的电路图绘制1、 所示。图5.1 界面2、 所示。图5.2 新建工程3、 新建设计图，步骤如图5.3所示。图5.3 新建设计图4、 点击菜单栏中的放置，选择器件与图库，便可以开始画图。如图所示。图5.4 画图步骤5、 以下是完成后的电路图。如图5.5所示。图5.5 完成图最后，附上一张模拟自动开关门的实物图展示，如图5.6所示。图5.6 模拟实物图结束语本次自动开关门的设计基于单片机89C51，工作原理大概为：由热释电红外传感器判断是否有人需要进出并发出信号，由单片机控制电机的进行门的开关。通过软件硬件之间相辅相成的设计，大体实现了系统的控制设计，实现了门的开关。检测模块是本设计的优点，通过检测是否有人在门的旁边徘徊，单片机能够控制电动机的停止与反转，避免了夹人现象的出现，极大程度的保障了人员的安全性。整个系统结构较为简单、实用性强、运行稳定、价格实惠，具备一些实用价值。本次毕业设计，我遇到了很多问题，开始时，不知道该怎么选则命题，选定命题之后又感觉到不知从哪里下手，没有一个整体的框架和思路，有寸步难行的感觉。后来通过书籍与网上查询，对单片机有了一定的了解与认知，同时也掌握了一些元器件型号的选择与使用，对其电路的原理有了一定的了解。这次毕业设计，我是以前所未有的认真态度面去对待的，静心且专注的态度也超越了平时上课时的态度。经过这一段时间的努力，终于完成了这次设计。最初完成的时候，尚有很多不足的地方，比如排版较乱、内容不充实之类的。经过更正，有所改善，但系统的设计似乎仍有不足之处，希望继续得到老师的指点与帮助。总结整个设计过程，个人认为，想要真正的干好一件事情，并非想象中的那么容易，一定要端正自己的态度，抱着去学习知识的态度去做，脚踏实地，切忌不可心浮气躁的去敷衍它。我也会把这次的经验带到以后的生活与工作中去。态度决定结果。参考文献1 翁丽靖，张熙均新型自动门系统控制器J电子工程师，20073 刘志刚，丁朋林，郝长海自动门控制系统J电子测量技术，20054 郑小芹，李钟慎采用单片机控制的红外自动门M制造业自动化，20085 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)8