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-毕业设计（论文）-基于单片机的红外自动感应门设计-第 20 页TAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY 毕业设计题目：基于单片机的红外自动感应门设计姓 名： _ _ _学 号： 专业班级：_ 自动化132602 _指导教师：_ _日 期：_2017年6月1日_ 晋城校区目录摘要.IAbstract.II第一章 绪论.1 1.1 课题研究的必要性.1 1.2自动化的产生和发展.1 1.3 课题设计要求.1 1.4课题设计的目的和意义.2 1.5课题的设计思路.2第二章 系统的主要器件的介绍.3 2.1单片机.3 2.2 时钟电路.6 2.3 复位电路.7 2.4程序下载.8 2.5 PL2303串口烧录程序步骤.8 2.6红外传感器的原理和应用.11 2.7步进电机简介.13 2.8斩波驱动.14 2.9系统总体硬件结构.15第三章 系统的软件设计.18 3.1系统软件设计的要求.18 3.2系统软件设计的流程.18 3.3系统安装及调试.18 3.4门行程检测及故障检测.19 3.5 程序框图.23总结与展望.25致谢.26参考文献.27附录.28摘要人们对安全感的追求，对舒适，现代化科技的应用的习惯，对生活品质的不断增长的要求，让自动门在现代社会中扮演越来越重要的角色。自动门的设计，就显得很有必要。自动门在人走近时自动打开，人进入或者离开时自动关闭，而且应该运行稳定，有延时等待功能，需要有故障检测和处理程序，以保障进出人员的安全。这次设计的相关题目就是以单片机为核心的红外自动感应门控制系统。关键词：热释电红外传感器，单片机，BIS001芯片，AT89C51，自动门控制AbstractBecause of the development of science and technology, automatic technology has been gradually applied in huamanity's daily life. And out of the security and convenience requirements, automatic door becames the high-tech product under this request. Because SCM has great advantages including low price, perfect operability and splendid stability, the automatic door control system is designed with T89C51 single chip microcomputer.This system uses pyroelectric infrared sensor to detect the human bodys infrared energy change, and this change is converted into an electrical signal input to the MCU,which generates a controllable signal to control the speed and direction of motor, in order to control the performance of automatical door. The automatic door should open automatically when a person approaches and shut down automatically with one entering or leaveing, and should be stable. With a delay function, it needs fault detection and handling procedures, to ensure the safety of the staff. This topic mainly points at how to make the infrared inspection and the micro-single-chip automatical gate controlling system .Key words: pyroelectric infrared sensor, microcontroller, bis001 chip, at89c51, automatic-door control第一章 绪论1.1课题研究的必要性 人们对安全感的追求，对舒适，现代化科技的应用的习惯，对生活品质的不断增长的要求，让自动门在现代社会中扮演越来越重要的角色。自动门的设计，就显得很有必要。 单片机具有体积小，结构简单，重量轻，运行稳定，价格低廉等优点，因此在类社会中越来越得到了青睐。这次设计就是主要利用单片机来设计一个和大家在人生活中见到的具有相似功能的自动控制门系统。本次设计的核心控制单元是单片机,步进电机和传感器构成了核心元件。 1.2自动门的产生和发展 自动门理论上可理解为是一种高级的无人操纵的门,是一种发展和完善了的门控系统。自动门就是当人靠近门时自动打开，当人离开时自动关闭，而且整个过程都是无人操作便可实现的一种自动化技术。 自动门开始在建筑上投入使用,要追溯到20世纪初叶,到了后期,美国的超级市场被打开,自动门开始正式投入应用。1930年,美国著名工程师Stanli首先推出世界上的第一种自动门(这一事实被登载在了Time of NewYork)。然后到了1962年,电气设备初步出现在市场上,同时由于城市的建设和发展,自动化技术也在不断由于生产力的增长和需求也在增长。当时,要控制建筑物供给电源的电机转速很困难,只能用空气压力、石油压力来控制和转换,但是能源的使用效率很低。然而通过科学家和工程师们的努力，数字控制的自动化水平和技术不断地日益增进，在科技浪潮中涌现出的自动门受到越来越多的好评。期间发展了很多门类，比如:各种识别控制的自动门,如刷卡自动门、感应自动门等。1.3课题设计要求 (1) 查阅和课题相关的资料与书籍,熟悉回顾相关的知识。 (2) 复习所学的基本知识,了解和自动门有关的知识和资料。 (3) 理论联系实际,构思好设计方案,设计好应采取的步骤等。1.4课题设计的目的和意义 自动门有很多种,有弧形门、旋转门、平移门、折叠门、上拉门以及下落门和消防隔离门等很多种形式,我们这里所指的是平移门。一般的都是单片机和红外传感器和其他电路组合成整个系统的硬件，当红外探测器检测到人员的接近时，随即产生一个反馈信号给主控制单元,接着主控制器产生一个控制信号给步进电机,电机驱动机开门的机械装置开门。当人通过门后,再关门。由于自动门可放风防尘、隔离噪音、运行高效稳定,而且只消耗很少的电力便可以实现无人操作自动控制门的运行,因此,在很多公司和企业大门都选择自动门。1.5课题的设计思路(1) 当人靠近门的行为被红外传感器探测到时(人离门不远于1米），控制步进电机开门；(2) 当红外检测装置发现离门一米的范围内没有人时,则等待1秒后再驱动步进电机关门；(3) 如果在关门过程中突然有人靠近(在离门1m范围内),则立即无条件强制停止关门,并驱动步进电机朝反方向开门。人体信号红外传感器 单片机 自动门 总体结构框图如下图1-1所示。 图1-1 总体结构框图第二章 系统的主要器件的介绍2.1单片机 单片机是一种微型简易计算机，是包含了运算器、控制器、I/O口寄存器或存储器等主要元件的一个小芯片，这样的芯片可被用于对运算速度和容量要求不高但对体积要求苛刻的工业设备中。其中常见的如MCS-51系列，其内结构如图2-1所示。 图2-1 MCS单片机内结构 （1) 微处理器(CPU)； （2）数据存储器(RAM)； （3）程序存储器(ROM/EPROM)； （4）4个并行I/O口(P0、P1、P2、P3口)； （5）1个串行口； （6）2个16位定时器/计数器； (7) 中断系统； (8) 特殊功能寄存器(SFR)。 其引脚如图2-2所示。 图2-2 MCS-51单片机的引脚图 单片机有40个管脚，其中I/O口有4组，每组8位，总共32个。其他的是特殊功能管脚，如图1-3单片机管脚图。 （31管脚），一般接高电平（内部已上拉到VCC），因为它是访问外部程序存储器控制端，而且是低电平有效，此系统所用程序很小，单片机自带8K Flash程序存储区足够用，让单片机只访问内部存储器就够了。 ALE/（30管脚）和地址锁存（29管脚）：而且它们都可以用来扩展外部程序存储器，前者能锁存地址信号，后者能决定是否允许程序进行存储。 XTAL1/XTAL2（18，19管脚），这两个引脚分别接晶振的两端，和内部反相放大器一起构成为CPU提供内部时钟的功能。 P0口，如图2-3所示，P0口较其他I/O口特殊，是OD门。如果P0口用作输出口，需要外接上拉电阻才能驱动负载。它输出低电平时没问题，但无法输出高电平，因为它是一个漏极开漏电路，无法作为电压输出。必须外接上拉电阻才能输出高电平。 图2-3 P0漏极电路 T0/P3.4（14管脚）计数器T0脉冲信号输入端。 T1/P3.5（15管脚）计数器T1脉冲信号输入端。 /P3.2（12管脚），外部中断0输入端。 /P3.3（13管脚），外部中断1输入端。 RXD/P3.0（10管脚），全双工串行通信接收端，reserve。 TXD/P3.1（11管脚），全双工串行通信发送端，transmission。 单片机有4个8位双向I/O口，P0、P1、P2、P3。即可作为输入口也能作为输出口。每个I/O口既能进行字节操作，也可按位寻址。在这里我着重简绍一下I/O端口的驱动能力。输出端口的高低电平可以通过程序来决定，但是电流大小就取决于所连的负载阻抗大小了。当引脚输出低电平时，当引脚向负载输入电流时，负载端是高电平，流入负载的电流叫做拉电流（和接上拉电阻相似）。类似上拉电阻）；当引脚向负载输出电流时，负载端是低电平，此时的负载称为拉电流负载（类似下拉电阻的情况）。 通常驱动能力用可以带动的TTL型负载的个数来计算，TTL型负载输入基极的电流很小（10uA-100uA）。但是单片机P1-P3端口每一个口输出电流都不小于400uA，所以可以带动4个TTL型负载。P0端口是漏极开路输出，驱动能力稍微大一点，可驱动8个TTL型负载。2.2时钟电路 晶体振荡器是适应薄片上镀上金属后封装起来的一种能提供脉冲的东东。晶振具有压电效应，就是在俩侧施加压力，会在两个电极处产生电动势。交变电压加在它两面，晶体就以固定的频率进行机械振荡，振荡的频率与典雅的变化快慢成正比例关系。此单片机用的是12M晶振，其实此单片机晶振适用范围很广，从0M-90M都能稳定运行。晶振产生的叫振荡时钟，经过分频电路2分频，形成状态周期。即一个机器周期在时间上是振荡周期的两倍，也就是CPU执行一个指令的时间。6个状态周期分别用S1、S2S6来表示，12个振荡周期亦可以表示为S1P1、S1P2、S2P1、S2P2S6P2。所以1个机器周期等于12个振荡周期，根据产生振荡信号的不同硬件电路，分为内部振荡和外部振荡。本次设计采用内部振荡来产生脉冲，如下图2-4所示。 图2-4晶振时钟电路但是为什么晶振两端要使用微调电容（起振电容）呢?因为要想使它的振荡的频率保证在标准频率的误差值左右，必须在晶振两端接和它相匹配的匹配电容。其实直接把晶振接在CPU相应的端口，CPU也能正常工作。但是会有运行不稳定，而且CPU的时钟频率也不精确保证。而且在电路中会产生谐波，谐波是电力运行中会产生干扰的波动，所以通常在晶振的外端接两个陶瓷做的电容并连起来并把它门一起接地来减少谐波的干扰，从而增强时钟频率的稳定性。 外部振荡方式：一般是一个系统使用多个CPU时，为了使各个CPU或其他硬件电路的时钟信号同步，只使用一个振荡器，经过放大后分别接到各个CPU的时钟信号输入端，（XTAL1或者XTAL2，视不同单片机而定）。2.3 复位电路复位电路要求：系统加电一瞬间，系统初始化（复位），当电源稳定后，系统正常运行。有效点评持续一段时间，初始化方有效。众所周知，电路中用于延时的元器件也就是状态不能突变的元器件有电容和电感，考虑到电感成本较高，单位体积存储能量不高，我们采用电容放电的方式实现复位电路。当上电一瞬间，电源给电容充电，RST有高电平，复位；当充好电后，R1两端电压又变成零。手动按钮在一按，电容放电，又会进行一次复位。当程序运行出错或由于不当的操作需要重新启动系统时手动复位电路起作用。当按下按钮时，RST端和VCC直接接通，给高电平，同时在极短的时间内完成放电，此时放开按钮，接下来的过程就和上电复位是一个道理了。放开按钮，电容隔直通交，通过下拉电阻R1拉到低电平，CPU正常工作。如下图2-5所示。 图2-5两种复位电路2.4程序下载 此单片机支持串口下载程序，自带全双工串行通信接口，只需要三根线（或4根线）就可以随时给单片机下载程序。 本设计采用的是MCS-51芯片，USB转TTL串口。早期的9针串口只在台式PC中还有它的身影，近几年随着技术的不断创新，笔记本电脑早已抛弃体积庞大，使用频率不高的9针串口了。Pl2303可以实现USB数据流到TTL串口转换发送到单片机，也可以实现单片机的TTL串口信号到USB数据标准的双向转换，可在操作系统上模拟成传统COM端，波特率高达6Mb/s，并引出了3.3v和5v电源接口，可以给外设直接提供电源；512字节可调的双向字节缓存。2.5 PL2303串口烧录程序步骤 （1）驱动安装 Pl2303使用时需要用户手动安装驱动程序，一般卖家会给客户提供相应的驱动程序的。需要注意的是，win7系统兼容性比较强悍，正常安装完驱动就可以用了。但是我的win10系统，兼容性不太好，需要下载专用的win10驱动程序。下载完后，打开电脑设备管理器，如果通用串行总线那里有黄色感叹号，还需要手动更新一下驱动程序，选择一个版本较低的驱动一般就可以用了。 （2）硬件连线 驱动安装完后，需将编程器与单片机连接，编程器的RXD接单片机的TXD，编程器的TXD接单片机的RXD，也就是交叉连接。另接上GND和VCC即可，如果单片机有电源供应，可以不接GND。具体连线如图2-6和2-7所示。图 2-6 MCS-51模块接线图 图 2-7程序下载接线图 （3）PC程序设置 a. 打开STC烧录软件，选择MCU类型； b. 打开程序文件，找到keil软件汇编生成的hex文件； c. 选择COM端口（在设备管理器 通用串行总线找到pl2303）波特率一般默认即可； d. 点击下载，右侧窗口提示连接单片机时，接上VCC线，系统即可自动下载程序。 串口、COM口是说硬件接口，TTL RS-232 RS-485是说不同的电平标准。TTL电平也是在通常单片机的标准里，正5伏是电位1，零伏即接地代表电位零。RS-232和RS-485+12v是逻辑0，-12v是逻辑1。如果把RS-232直接接到单片机管脚，会烧坏单片机。RS-232一般存在于老式台式机后面，通过max232可以实现和单片机的异步串行通信。如果一个模块上面有电解电容，不出意外就是RS-232转TTL，因为TTL的5v电平要想转换为12v就得经过倍压，升压，负压电路，而这些电路需要大容量电容来配合实现，很难做进芯片内部。如果一个板子上的接口是直接从芯片引出的，那多半就是TTL电平。笔记本电脑只有USB口，需要通过USB转TTL电平的相应芯片来实行通信，也就是前面所说的MCS-51。2.6红外传感器的电路和原理 红外传感器能在不直接接触被测物体的情况下，将探测到的红外线能量经过电路的处理转换成电压或者电流信号输出。主要材料是一种特殊的热敏探测元器件。热敏元件基于热电效应的物理原理，可检测到外界温度的变化。具体是因为在宇宙中任何东西都在所以都在不断地向外界发射红外线，而红外线是一种波长较长电磁波，无法被肉眼看到，只能被特殊的仪器检测到，而电磁波本身就有能量。当红外线被热敏元件吸收后，热敏元件的温度会升高，与初始温度有个detT的差值，该差值由于热电效应的物理机理（物体由于温度的升高而使得内部的极化分子极化严重，一些电子获得能量离开原来的原子核跳跃到其他邻近的原子内部，或者成为自由电子，而且还产生了很多空穴，可看成是正离子，很多空穴和电子分布不均，由此物体两端电压不同），在热敏元件两端会形成一个detU的电压差。该电压差被放大后便经过模数转换电路处理传给单片机控制单元。但是物体的温度如果长时间保持不变，则热敏元件新的初始温度与检测到的不再有差值detT,两端也就没有电压差值detU,所以热敏元件要检测的物体要移动或者变温，才能保证检测温度的有效性和一定的灵敏度。为了抑制元件自身因温度变化而产生的干扰，一般会在制造工艺中把两个特性相同的热电元件反方向串联，以实现干扰自身的抵消。它的电路图如下图2-8所示，它的实物图如图2-10所示。 图2-8热释电红外线传感器电路图该透镜基于特殊的光学原理,在热敏元件前形成了交替的高灵敏区和盲区,有点像光栅的结构,这样就提高了元器件的探测敏感度。而且应该在门的完全开始和关闭位置设置反射式红外传感器，不断发出红外线，用来判断门此刻所在的位置。当门处于关闭状态时，该位置的红外线被反射回来，被探头接受到后，系统通过对应引脚的电位高低来判断门的开闭情况。 工作原理：D2是白色发光二极管，D3是光敏三极管，当门关上，D3接地，比较器输出高电平给单片机；当门完全打开，OUT输出的是低电平。图中R1可调，可调整探测的距离。如果不接R1，R3是200欧姆。R6起到调整输出电压以保证输出有效的电平的作用。它的电路图如下图2-9所示。 图2-9反射红外传感器的内部结构图 图2-10 热释电红外传感器的实物图2.7步进电机简介 步进电机是一种数字式电动机，即用电位0和1来间接控制。步进电机的一个输入电脉冲对应一个固定的角位移。磁铁转子跟着定子绕组产生的磁场的旋转而旋转，像地球同步卫星一样保持同步。改变绕组的电流方向,电机就会朝反方向旋转。脉冲的频率和个数决定了它的转速和角位移幅度。其有如下特点：（1）步进电机控制精度高，一个角位移对应一个固定的电脉冲，很适合微机控制。 （2）步进电机外表允许的最高温度低，一般不会出现烧毁绕组和电机电路等其他器件的情况。 （3）步进电机的动态响应精确快速，改变转速和方向以及制动和急停都很容易实现。 （4）步进电机容易失步和堵转，噪音大。 （5）步进电机输出负载转矩大，可直接驱动负载，而且平滑调速能力强。 （6）步进电机的能量来源只能是电脉冲，所以需要对一般的电源进行处理，比如直流分时。2.8斩波驱动 步进电机要运行稳定，要使得定子的电流在尽量保持不变，可选择斩波恒流驱动电路来驱动电机。它是一种现在使用最广泛、性能最佳的驱动方法。不管控制脉冲的频率和幅值如何，导通相绕组里的电流始终是一个样子。三相中的一相驱动电路如下图。二极管VT1和VT2一起控制相绕组的通断，电阻R连接在VT2发射极和地之间，这个电阻上两端的电压与相绕组上的电流成正比。当控制脉冲ui为高电平时，由于比较器负极接地，所以与门两端输输入高电平，VT1和VT2两个开关管均导通，形成VT1-L-VD1和VT2-VD2-R两个回路。由于绕组电感对电流的阻碍作用，R上的电压缓慢上升，当大于给定电压ua的值时，比较器输出低电平，使与门也输出低电平，VT1截断，只剩下VT2-VD2-R回路有电流，由于直流电源Vcc无法向电感供电，绕组电流i不断衰减，电阻R两端的电压不断减小。当电阻R两端的电压小于给定电压ua时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，VT1重新导通，于是VT1-L-VD1回路又有了电流。这两个过程不断循环，相绕组的电流i就稳定在维持在ua左右基本不变。其内部电路图如下图2-11所示。 图2-11斩波驱动电路 驱动过程：单片机产生控制脉冲后，经过分频，再经功率放大的电路，便得到足够强的可以驱动步进电机的一定频率的电脉冲，从而控制门的开闭。其结构框图如下图2-12所示。脉冲信号 信号分配功率放大步进电机负载 图2-12驱动控制系统2.9系统总体硬件结构 红外自动门电路包括步进电机、斩波驱动电路、红外检测电路和门行程检测电路等几部分组成。单片机不断检测红外检测电路和门行程检测的输出信号，当有信号时，CPU控制驱动步进电机拖动负载运行。系统将门完全打开时，延时1秒，然后关门；如果关门过程中检测到有障碍物，立即无条件地使门朝反方向打开。在系统运行过程中，只要检测到系统出现故障，立即报警显示故障，并立即无条件转入系统故障处理程序。系统工作的示意图如图2-12所示，总体电路图如图2-13所示。单片机 主控系统 门行程检测平移门吊滑轮系统故障报警 热红外检测故障检测 步进电机 图2-12系统工作示意图 图2-13 控制系统总电路图第三章 系统的软件设计 3.1系统软件的结构 自动门的程序包括关门、开门子程序、主程序、T0和T1内部中断服务程序、外部中断0服务程序，其中在程序一开始开启中断和系统的初始化。在关门时和系统已就绪时，如何实现人是否靠近的检测？我们可以利用外部中断0来定义中断位flag为1，这样是否有人靠近就决定了中断位是1还是0。3.2系统软件设计的流程 在一开始开门前判断门现在所处的位置，再根据检测电路所回馈回来的电信号决定门目前该干什么。红外门经历慢速、加速、减速开门、延时等待，慢速、加速、减速关门最后停止等这几个过程。如果检测出门是半开状态，则直接进入加速开门过程；如果检测出门是全开状态，则直接进入延时开门过程；如果门是关闭的，则当有人员靠近或者离开时，门会缓慢打开，然后加速，然后减速运行，然后延时，接着电机反转直到停下来。当然，门自然惯性地关闭。 当关门过程中系统探测到有人接近时，电机会一家伙反向转动，请门在相反的方向上打开。门关时是：当门全部打开后，暂停几秒钟，之后经过慢速、加速、减速关闭直到停止等几个过程。这样做避免了人员受伤，同时还有因此可能导致的可能瘫痪和障故。3.3系统安装及调试 在自动门安装运行的过程中应注意以下几个方面： (1) 保障大门滑行时不倾斜； (2) 大门的结构，大门的重量和滑轮的直径必须符合力学要求和相关技术安全规定； (3) 确保门滑行时平稳准确，不发生不当摩擦； (4）查看地面是否稳固，各零件是否安装到位，导轨安装是否正确，螺丝是否拧紧。3.4门行程检测及故障检测 门运行时行程开关检测电路通过检测门运行的位置和开闭来向CPU发出信号，据此产生不同的控制信号来控制电机的运转，进而控制门运行的快慢。通过把门行程开关安装在门行程检测电路的特定位置，以确保门能更安全高效地稳定运行。总共有四个开关，分别在准备开关门、加速、匀速、减速时动作，即们运行到了指定位置，据此CPU通过反馈信号来改变电机的运行速度。 系统还安装有故障检测、显示和报警电路，电机温度传感器检测电机温度，单片机电压保护电路检测系统电压的稳定，还有门运行障碍检测和报警电路实时监控。一有故障发生，相应传感器便发信号给CPU，产生控制信号立即使系统停止运行，并把故障类型显示在系统外部的显示屏上以方便技术人员进行相关的检修工作。3.5程序框图 系统的主程序框图，开门子程序框图和关门子程序框图分别如下图3-1、3-2和3-3所示。延时2秒，电机反转，门关门状态初始化开外部中断0外部中断是否触发外部中断0，电机正转，门开 原地跳转，等待下一次中断 否 是 否 图3-1主程序框图到了第三个限位开关了吗 否有人来，让电机正转到了第零个限位开关了吗到了第一个限位开关了吗电机加速电机匀速到了第二个限位开关了吗电机减速电机停止 否 是 是 图3-2开门子程序框图 否 是 否 是 电机减速 电机匀速关门后，电机反转 电机加速无条件开门有人来吗到了第二个限位开关了吗有人来吗到了第一个限位开关了吗有人来吗到了第零个限位开关了吗 电机停止 是 是 否 否 是 是 否 图3-3 关门子程序框图 是3.6 仿真与调试结果当把电路都连接好以后，先逐步运行程序，当程序运行到第二个延时函数时，当按钮按下时，发现电机反转；当门完全关闭，只要有开门信号（有人），就进入了开门过程；否则原地等待。如果一开始把门设置为半开状态，立即进入开门状态，符合期望的结果。连续运行程序步骤的结果也是相同的。即按下关门按钮后，再按有人，电机正转120度，在关门时再按有人，电机反转一定角度。系统仿真原理、开门和关门的仿真结果分别如图3-4、3-5和3-6所示。 图3-4 系统仿真示意图