家用车库门电气控制系统设计

陕西理工学院毕业设计家用车库门电气控制系统的设计黄美琪（陕西理工学院（物电学院）电子信息科学与技术专业 2012 级 陕西 汉中 723000）指导教师：宋卫星摘要家用车库门主要分为遥控车库门、感应车库门、电动车库门、手动车库门几种，其中遥控、感应、电动车库门都可统称为自动车库门。车库门自动升降装置，其特征在于有设置车库内与车库外的主控制器。本文基于 AT89C51 单片机设计了一款家用车库卷帘门控制器，采用单片机控制直流管状电动机，达到开、关车库卷帘门及暂停的效果，实现了车库门的便捷安全的管理。关键词 家用车库门 控制器 C51 单片机 直流电动机 Household garage door design of electronicl control systermAuthor:Huang MeiqiGrade12,Class03,Major Electronic information science and technology，Institute of physical electrical Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shaanxi）Tutor: Song WeixingAbstract : Household garage door is mainly divided into remote control garage doors, induction of garage doors, garage door several manually, including remote control, induction, manual can be referred to as automatic garage door. And garage door automatic lifting device, its characteristic is to have set the garage with main controller outside the garage. Garage door controller is mainly introduced in this paper, based on AT89C51 is designed as a household garage doors controller, based on the single chip microcomputer control dc tubular motor, garage doors open and close and the effect of the suspension, garage door convenient safe management is realized.Key words : Household garage door Controller C51 microcontrollers DC motor目录陕西理工学院毕业设计引言 .11 车库门控制器设计要求及意义 .11.1 车库门设计意义 .11.2 设计要求 .21.3 总体设计方案 .22 车库门电气控制系统的平面图 .23 车库门状态信号采集 .34 车库门执行装置的选用 .34.1 选择电动机 .34.2 直流电动机 .34.2.1 直流电动机的工作原理 .34.2.2 直流电动机的机械特性 .44.3 直流电动机控制系统 .45 车库卷帘门控制系统软硬件设计 .55.1 车库门控制软件设计 .55.2 车库门控制硬件设计 .65.2.1 单片机的选择 .65.2.2 C51 单片机介绍 .65.3 各部分电路介绍 .85.3.1 时钟电路 .85.3.2 复位电路 .85.3.3 电机驱动电路 .9陕西理工学院毕业设计5.3.4 限位开关电路 .95.3.5 按钮开关电路 .105.4 整体电路图 .106 车门控制器模拟仿真 .116.1 proteus 软件介绍 .116.2 车库门软件调试 .127 安装调试 .138 实物展示 .139 结束语 .14致谢 .14参考文献 .15附录 .16附录 1 车库控制器电路及其原理图 .16附录 2 车库控制器仿真图 .17附录 3 程序 .18附录 4 元器件清单 .20陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 20 页引言随着人们经济收入的增高，随之而来的生活水平的提高，人们为了方便出行，便会购买一辆适合自己出行的代步工具，汽车更是很多人都首选。在汽车快速增长的同时，“停车难”出现，且问题越来越严重。停车泊位的现状及发展速度远远跟不上客观发展的需求。在中国，发展快速的各个城市，停车难问题随着城市经济的快速发展和汽车数量的激增接踵而至。最新资料显示，全国 36 个大中城市的停车位的满足率不足 20%。国内车辆数激增，而其中私家车就占了将近 70%的比例。因此要解决停车难的问题，家用车库是一个很好地选择，对应的车库门问题也就应运而生，使得对于好的车库门的需求也在直线上升。家用车库门主要有电动、手动、遥控、感应几种，其中感应、遥控、电动都可称为自动车库门。自动车库门与手动车库门最主要的区别是，自动车库门的系统中有电动机，而手动类车库门仅仅使用手动 4。早期的自动化控制系统是依靠继电-接触器来实现的，其特点是：价格低廉、结构简单、抗干扰的能力强，可以实现集中的控制和远距离的控制。但是，如果使用远距离的接线，通用性和灵活性差；如果采用触电的开关工作，触点易损坏、工作频率低、成本高、可靠性差，由于长期的使用，再加上元器件的不断老化，控制的精度自然也就会达不到刚开始的标准。单片机出现后，我们将控制这些电路系统变成智能化系统。我们只需要在单片机的外围接一简单的接口电路，核心部分只是由人为控制，写入程序来完成 9。这样做下来，产品的体积变小，成本也降低了，即使长期使用，也不用担心精度达不到要求。据资料统计，我们国家的单片机年容量已达 13 亿片，且每年以大约 16%的速度增长。相对于世界市场，我国的单片机占有率还不到 1%。本设计主要阐述了对车库卷帘门的控制系统的具体说明，在控制系统的设计中运用了单片机对电动机控制、红外传感等多种控制方法，实现了自动门的各种功能。针对家用型车库自动卷帘门的自动开关控制而论，这个车库自动门控制系统主要由 51 单片机、传感器、电动机构成。在这次设计中，对于主控制器我采用了 AT89C51 单片机，来控制车库卷帘门上升或者下降。按下up按钮，单片机系统接收到上升的信号，控制电机开始正转，到达上限位位置，传感器监测到卷帘门上升至顶部，输出信号给单片机，单片机传达库门需要停止的信号，电动机停止转动；车库自动卷帘门若要下降，按下按钮down按钮，单片机系统接收到下降的信号，控制电机反转，传感器监测到卷帘门到达上限位的位置，传达信号给单片机，电机停止转动；卷帘门上升或者下降的过程中，如需立即停止，按下stop按钮，单片机发出信号控制电机立即制动，卷帘门停止。1 车库门控制器设计要求及意义1.1 车库门设计意义现在，大部分新型小区都有车库 ,而大部分的车库基本都配有车库防盗门。在我国，车库门是于上个世纪的七十年代末出现的，当时的生产水平和技术水平有限，车库门主要是木板做成的，开启方式也主要是平开和上翻门为主。上翻门两侧挂有较重的铁质配件，而且只能手动，给人留下比较笨重的印象。在那个年代，上翻的平板车库门属较好的车库门，它给人的一个比较好的印象是这种门不占地面空间，总比平开的好了很多。八十年代初，中西方文化交流渐渐多了起来，在当时的工业产品展览会上，就有瑞典生产的车库门，而且是上滑道车库门。那时，有超前意识的某些企业开始研制车库门。在科学技术不断发展的同时，车库门也在不断地更新换代，人们对于好的车库门的需求也在不断增加。国外先进的车库门不断地占领中国市场，单片机对电动机控制和红外传感、霍尔传感器等多种控制方法，实现了自动门的各种功能，并且有利于自动车库门的国产化，大大降低了生产的成本。由于技术方面的原因，家用车库防盗门的技术含量低，基本上仍在使用机械的防盗锁，使用起来并不方便。因此 ,研制具有安全可靠、使用方便的车库门逻辑控制系统是很有必要的。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 20 页1.2 设计要求1）本设计要求设计并制作一个基于单片机的车库门控制电路，所有的控制按钮均为按钮式开关；当按下上升的按钮时卷帘电机正转，卷帘门升起，到达最高位置处电机停转，卷帘门停止上升；当按下下降按钮时卷帘电机反转，卷闸门下降，到达最低位置时电机停转，卷闸门下降停止。无论卷闸门在哪种状态，只要按下停止按钮，卷闸门都将处于静止状态。2）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择，并画出总体电路原理图，阐述基本原理。3）安装调试，最终完成一份设计报告、原理图、所用元器件清单、电路实体套。1.3 总体设计方案本设计是基于 51 单片机对于信号的高敏感度和可控制性，利用基于 AT89C51 单片机来控制直流管状电动机转动的控制系统。本系统由单片机及其他外围所需电路，信号检测、驱动电路、系统软件等部分构成，系统总体结构图如图 1.1 所示。轻触开关A T 8 9 C 5 1单片机驱动电路 电动机传送信号 传送信号传送信号反馈信号本设计的设计过程由信号采集、信号分析、信号处理三个部分组成。1）信号采集由按钮开关完成；2）信号分析由 51 单片机内置的 A/D 及单片机完成；3）信号执行由驱动电路和电动机来完成。2 车库门电气控制系统的平面图车到达车库卷帘门前，手动按下 up 按钮，电机间接接收到来自 51 单片机的控制信号，电动机正转，车库卷帘门随之打开( 上升) ，卷帘门顺利到达上限位并碰上限位轻触开关，电动机停止正转；停车完毕之后，按 down 按钮，电机间接收到来自 51 单片机的控制信号，电动机反转，卷帘门顺利打开( 下降) 至下限位开关，碰到下限位轻触开关后，电机停止反转。若中间出任何问题，可按暂停 stop 键暂停，电机立刻停止转动；若要电机启动，根据需要直接按 up 或 down 按钮都可以，具体的的效果示意图如图 2.1 所示。图 2.1 车库门电气控制系统平面示意图 图 1.1 系统总体框图 陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 20 页3 车库门状态信号采集为了实现监控并采集车库卷帘门状态的目的，本设计是在车库卷帘门的上端和下端各自加一个轻触开关。在正常状态下，轻触开关处于断开状态。在按下up按钮之后，车库卷帘门上升至顶部，碰到顶部的轻触开关，使轻触开关导通，这一信号即被传送给单片机，单片机经过信号处理，将控制电动机停止的信号传送给驱动电路，以此来达到控制车库卷帘门到达上限位位置并停止的目的；同样，在按下down按钮后，车库卷帘门下降至底部，底部轻触开关被碰触后导通，将信号传送给单片机，单片机经过信号处理，将控制电动机停止的信号传送给驱动电路，以此达到了控制车库卷帘门到达下限位位置并停止的目的 7。4 车库门执行装置的选用4.1 选择电动机交流电动机(AC Motor)可以在易燃、高温的环境下进行工作,需要不定期地清理碳刷的污物。交流电动机中的电刷，和换向器相配合，来实现电机电流的换向。交流电动机在速度控制方面比较困难，因为控制其电压只会影响电动机的扭力。直流电动机(DC Motor)的优势是在速度控制方面比较容易操作,只需要控制电压大小，就可以控制电动机的转速,但是有一点就是，直流电动机不宜在高温、易燃等环境下操作,而且直流电动机中只需要用碳刷来作为电流变换器的部件,所以必须定期清理由于碳刷摩擦所产生的污物，使电动机保持正常运转。在直流电动机中，电刷担负着对电枢绕组中感应的交变电动势，进行换向（整流）的任务 11。在车库门的实际应用中，两种电动机进行比较，由于门的移动距离小，电动机在启动时，需要较大的转矩；而在快关上门或者开门时，需要将运动速度降下来，所以速度控制需要把握的很好，则选择直流电动机作为本设计的执行装置是最好的选择。直流电动机控制卷帘门可分为两种：管状类和外挂链条类，为了方便起见，本设计选择了管状直流电动机。由于实际电压一般为交流 220V，为了能够带动起车库卷帘门，在实际应用中，需要选择大功率的直流电动机。在本设计中，考虑到答辩演示的实际需求，将会用 12V 的直流电动机来代替大功率的直流电动机来进行操作。4.2 直流电动机4.2.1 直流电动机的工作原理电动机按类型分，可分为直流有刷电动机和直流无刷电动机。图 4.1 直流电动机工作原理图陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 20 页假设直流电动机的转子不使用原动机来拖动，而在转子的电刷 A、B 两端接在电压为 U 的直流电源上，如图 4.1 所示，从图上的显示可以看出，电刷 A 处于正电位的，B 对应负电位的，在 N 极范围之内的导体 ab 中的电流是从 a 点方向流向 b 点方向,在 S 极范围内的导体 cd 中的电流是从 c 点方向流向 d 点方向。我们都知道,载流导体在磁场中受到了电磁力的作用，那么 ab 和 cd 两导体都会受到电磁力 F 的作用 10。依据磁场方向和导体中的电流的方向，运用电动机左手定则判定得悉，ab 边受力的方向是向左，而 cd 边是向右。因为磁场是平均的，导体中流过的又是同向的电流，则 ab 边和 cd 边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针标的方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，然而因为惯性作用，线圈持续转动。线圈转过半圈之后，尽管 ab 与 cd 地位调换了，ab 边转到 S 极范围内，cd 边转到 N 极范围内，但是因为换向片和电刷的作用，转到 N 极下的 cd 边中电流标的目的也变了，是从 d 流向 c，在 S 极下的 ab 边中电流则是从 b 点方向流向 a 点方向 10。因而,电磁力 F 的方向仍旧不变，线圈依然受力按逆时针方向转动。可见,分别处在 N、S 极范围内的导体中的电流方向总是稳定的，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不断地旋转，经过齿轮或皮带等机构的传动，就能够带动车库卷帘门做直线运动，从而能够实现车库门的开启与闭合。4.2.2 直流电动机的机械特性n0n1n2n3nu0u1u2u3TT 0如图 4.2 所示，是改变电枢回路电压的调速特性。改变电枢供电电压可得到人为机械特性，从机械特性可以看出，在一定负载转矩下，加上不同的电压的话,就可以得到有差别的转速，即理想空载的转速 n0 随电压 U 升降而发生对应的升降变更。有差别的电枢电压的机械特性曲线彼此平行，说明硬度不随电压的变换而变换，电动机带负载的能力恒定。只需要有规律地调整直流电动机两端的电压，就可以完成电动机的无极调速。4.3 直流电动机控制系统直流电动机具有容易控制转动速度，启动、制动性能良好，在一定的宽度范围内可以平滑地调速等特点。而常用的直流电动机控制转速的措施有两种，即历次控制法与电枢电压控制法 10。随着电力电动机技术的提高，呈现出了许多新的电枢电压控制方法，其中 PWM(脉宽调制) 是经常用的一种调速方法。其基本调速原理是用改变电动机电枢（定子）电压的接通和断开的时间比（占空比）来控制马达的速度。由于本设计的重点是车库卷帘门的电气控制系统，则直流电动机的具体工作原理就不赘述。如图 4.3 所示，在脉宽调速的系统中，是电枢电压的占空比与平均电压的关系图，当电动机通电时，其速度增加；电动机断电时，其速度减低。只需要依照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电动机的速度达到并保持一个不动摇的稳定值。 假设电动机始终保持接通，电动机的转速最大为 Vmax，设占空比为 D=t1/T，则电动机的平均速度为Vd=Vmax 图 4.2 直流电动机的机械特性曲线陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 20 页(4.1)在式中，V d 电动机的平均速度Vmax 电动机全通时的速度D=t1/T占空比 脉冲信号t 1t 1T由公式(4.1)可知，若改变占空比的数值，就可得到不同的电动机的平均速度数值，进而达到调速的目的。5 车库卷帘门控制系统软硬件设计5.1 车库门控制软件设计U p电机正转上升s t o p ？碰到上限位开关电机制动U p / d o w n车进库 人出D o w n电机反转下降s t o p ？碰到下限位开关电机制动U p / d o w nD o w nD o w nU pU pY e sN oN oY e s这次设计系统软件由信号采集、数据通信 8、电动机等几个部分组成。程序设计总体思路 12：图 5.1 车库门控制软件设计流程图t1 t2T图 4.3 电枢电压占空比与平均电压关系图最大值 Vmax平均值 Vd0脉冲信号陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 20 页1）对 51 单片机各个部分进行初始化，使单片机能够正常工作；2）通过复位键对现场控制信号进行设定，设置按钮开关的初始状态；3）通过按钮开关对车库卷帘门的状态进行检测，传输信号给 51 单片机，51 单片机进行实时数据的处理，并将处理结果进行反馈；4）51 单片机输出信号给驱动电路模块，进而使得电动机正转或者反转，实现车库门上升或者下降的目的；5）卷帘门上升或者下降的过程中，如需要车库卷帘门暂停，按stop按钮，单片机收到信号并进行处理；6）暂停之后，可以按 up 按钮或者 down 按钮，51 单片机接收到信号，使电动机启动。5.2 车库门控制硬件设计5.2.1 单片机的选择单片机(Microcontrollers)是一种集成电路芯片，它是采取超大规模集成电路技术，把中央处理器 CPU(具备数据处理能力的控制核心) 、只读存储器 ROM、随机存储器 RAM、中断系统和多种I/O 口、计数器/定时器等功能( 可能还包含脉宽调制电路、显示驱动电路、A/D 转换器等电路、模拟多路转换器)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域具有广泛的使用 9。从上世纪 80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到了现在的 300M 的高速单片机。单片机由运算器、存储器、控制器、输入输出设备构成，具备功耗低、体积小、控制性能强、微型化、扩展灵敏和应用方便等优势，普遍应用于仪器仪表中，联结有差异类型的传感器，可完成诸如功率、频率、电压、电流、湿度、厚度、角度、温度、流量、硬度、元素、速度、长度、压力等物理量的测量。采纳单片机控制使得仪器仪表微型化、数字化、智能化，且性能比起采用电子或数字电路愈加强大 13。根据本设计的设计要求及前期的资料查询，C51 单片机操作简单、编程容易，可选择 AT89C51作为主控制计算机。 5.2.2 C51 单片机介绍AT89C51 单片机是一种带 4K 字节闪动、可编程又可擦除的只读存储器(FPEROM)的低电压,高性能 CMOS 8 位微处理器。这种元器件采纳 ATMEL 高密度的非易失存储器制造技术制作，与工业的 M 规范 CS-51 指令集和输出管脚相兼容。多功能的 8 位 CPU 和闪烁存储器被组合在一个单个的芯片里，ATMEL 的 AT89C51 单片机是一种高效的微控制器，为很多嵌入式的控制系统提供了一种图 5.2 AT89C51 单片机引脚陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 20 页灵活性高且价格低廉的计划和方案 6。1）主要特性(1) 与 MCS-51 兼容(2) 4K 字节可编程的闪烁存储器 (3) 寿命： 1000 写/ 擦循环(4) 数据保留时间：10 年(5) 全静态工作：0Hz-24Hz(6) 三级程序存储器锁定(7) 128*8 位内部