毕业论文地铁自动门设计

毕 业 论 文 正 文第1页 哈尔滨职业技术学院印制 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，各种 方便生活的自动控制系统开始进入人们的生活，以单片机为核心的自动 门系统就是其中之一。本文设计了基于单片机的地铁自动门，该系统以 单片机为主体，直流电机、转速测量为核心，实现地铁门的自动控制。 本设计主要应用 8051 作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开 关相结合的系统。通过单片机程序对直流伺服电机的正转、反转进行控 制，从而对门进行开、关的控制； 直流电机采用 H 桥驱动。充分发挥了 单片机的性能。其优点是电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性 价比较高等，具有一定的使用和参考价值。 关键词：8051；地铁自动门；直流电机；红外传感器；转速测量 毕 业 论 文 正 文第1页 哈尔滨职业技术学院印制 目录 绪论.1 一、自动门系统方案.2 （一）设计思想和整体框图2 （二）器件选型2 二、自动门系统的硬件设计.7 （一）系统硬件整体逻辑设计7 （二）控制器单元的硬件设计7 （三）直流电机驱动模块17 三、软件设计.25 （一）整体程序流程图及功能模块设计25 （二）PWM 信号发生及转速测量模块程序设计.25 结论.32 参考文献.34 致谢.35 毕 业 论 文 正 文第1页 哈尔滨职业技术学院印制 绪论 现代社会是一个快速发展的信息化社会， 随着科学技术的不断进步， 人们不断去追求舒适，方便的生活环境。于是相应的电子产品产生，智 能型自动门同样出现在人们的生活中。随着自动门的技术、性能日趋成 熟、完善，它被广泛应用在政府机关、银行、医院、商业、工业等不同 行业，改善了人们的生产生活条件。自动门不但能给我们带来人员出入 方便、节约空调能源、防风、防尘、防噪音等好处，更令我们的建筑物 增添了不少高贵典雅的气息。 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。按启闭形式分：可分为推 拉门、平开门、折叠门和旋转门；按门体的材料分：不锈钢门有安全玻 璃、不锈钢饰面、建筑铝合金型材、彩色涂层钢板、木材等。 自动门的系统配置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相 连的外围辅助控制装置，如开门信号源、门禁系统、安全装置、集中控 制等。必须根据建筑物的使用特点。通过人员的组成，楼宇自控的系统 要求等合理配备辅助控制装置。 毕 业 论 文 正 文第2页 哈尔滨职业技术学院印制 一、自动门系统方案 （一）设计思想和整体框图 本设计主要应用单片机程序对直流伺服电机的正转、 反转进行控制， 从而对门进行开、关的控制。在门的两侧各有一个感应器，分别感应从 里面出去和从外面进来的人。感应探测器探测到有人靠近时，将脉冲信 号传给主控器单片机，主控器判断后通知电机运行，同时监控电机的转 数，以便通知电机在一定时候加力和进入慢行运行。直流电动机采用 H 桥驱动。检测人进出的传感器采用红外传感器。下图 1-1 是自动门系统 整体框图。 单片机 位置 给定 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 （二）器件选型 单片机 AT89C51 各个引脚的作用 VCC/GND：供电电源。 P0 口：可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储 器。在 FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当 FIASH 进行校验时，P0 毕 业 论 文 正 文第3页 哈尔滨职业技术学院印制 输出原码，此时 P0 外部必须被拉高。 P1 口：标准输入输出 I/O，P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用 作输入。在 FLASH 编程和校验时，P1 口作为第八位地址接收。 P2 口：既可用于标准输入输出 I/O，也可用于外部程序存储器或数 据存储器访问时的高八位地址。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：既可以作标准输入输出 I/O，也可作为 AT89C51 的一些特殊 功能口， 管脚 备选功能 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（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） 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 电平时间。 毕 业 论 文 正 文第4页 哈尔滨职业技术学院印制 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。 /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，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。 8051 单片机最早由 Intel 公司推出，其后，多家公司购买了 8051 的内核，使得以 8051 为内核的 MCU 系列单片机在世界上产量最大,应用 毕 业 论 文 正 文第5页 哈尔滨职业技术学院印制 也最广泛，有人推测 8051 可能最终形成事实上的标准 MCU 芯片。凌阳单 片机系列芯片中相同的片内硬件功能模块具有相同的资源特点；不同型 号的芯片只是对片内资源进行删减。其最大的特点就是超强抗干扰. 广 泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、计算机外围等领 域。其主要优势在语音方面。8051 作为系统的控制器，单片机算术运算 功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且 具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉，在各个领域应用广泛。而 且我们也比较熟悉这款芯片，因此采用 8051 构成系统控制部分。 直流电机采用 H 桥驱动：单片机的一个引脚分别产生两种占空比不 同的 PWM（脉冲宽度调制）波形作为驱动信号，实现不同的转速和制动； 另外由一个引脚产生转向控制信号，在门的中间及其两边设置磁开关， 作为中断信号产生源，来判断电机是否应该转换速度或停止；有无人进 出采用红外线来探测，有人时则产生中断，执行开门动作；转速测量采 用在电机的转轴上设置一个带有相差 180 度且位于同一半径上的两小孔 的圆盘，用红外线照射转动的圆孔，光透过小孔被光敏三极管接收，从 而产生脉冲经整形电路后送到单片机内部定时计数测出频率。 在感应器的选择方面是很灵活的，在高档酒店、写字向中央处理器 提出申请楼，可以选择高灵敏度的感应器；在人行道边上的银行、商店 等经常有人路过的地方，可以选择特定区域有效的感应器；在医院手术 室门前可以采用压力感应器；而车库的门可以采用固定光照感应器。而 现在被广泛应用的感应器主要有微波感应器和红外感应器。 微波感应器， 又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走 速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门 毕 业 论 文 正 文第6页 哈尔滨职业技术学院印制 而静止不动，雷达便不再反应，自动门就会关闭，有可能出现夹人现象。 红外感应器，对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感 应器的扫描范围内，它都会反应。红外感应器的反应速度比微波感应器 慢。本系统首先要求的是安全，所以选用红外线传感器。 毕 业 论 文 正 文第7页 哈尔滨职业技术学院印制 二、自动门系统的硬件设计 （一）系统硬件整体逻辑设计 数字控制伺服系统由计算机控制器、PWM 功率驱动接口、传感器接 口和电机本体四部分组成。计算机的作用是：完成位置信号的设置，根 据传感器接口给出的绝对零位脉冲和电流反馈控制，产生 PWM 脉宽调制 信号，最后由 PWM 功率开关接口对电动机进行最终的功率驱动。在这个 系统中，由于反馈控制是通过软件实现的，故可以根据负载的性质改变 系统的参数，求得最佳匹配。信号滤波也可以通过软件实现，更有可能 通过计算机补偿技术使传感器精度得以补偿提高。 计算机控制在可靠性、 小型化、联网群控制等方面的优点都是经典模拟伺服系统无法比拟的。 （二）控制器单元的硬件设计 控制器单元硬件电路图如图 2-0 所示 毕 业 论 文 正 文第8页 哈尔滨职业技术学院印制 图 2-0控制器最小系统 一片 MCS-51 单片机芯片内包含一个 8 位 CPU、振荡器和时钟电路、 至少 128 字节的内部数据存储器，可寻址外部程序存储器和数据存储器 个 64k 字节，21 个特殊功能寄存器，4 个并行 I/O 接口，2 个 16 位定时 /计数器,至少 5 个中断源，提供两级中断优先级，可实现两级中断服务 程序嵌套。 具有有位寻址功能， 有较强的布尔处理能力。 各功能单元 （包 括 IO 端口和定时器/计数器等）都由特殊功能寄存器（SFR）集中管理。 MCS-51 单片机在物理结构上有四个存储空间： 1.片内程序存储器 2.片外程序存储器 3.片内数据存储器 4.片外数据存储器 程序内存 ROM 的寻址范围：0000H FFFFH 容量 64KB。EA = 1,寻址 毕 业 论 文 正 文第9页 哈尔滨职业技术学院印制 内部 ROM；EA = 0,寻址外部 ROM。地址长度：16 位。作用：存放程序及 程序运行时所需的常数。 七个具有特殊含义的单元是： 0000H系统复位，PC 指向此处； 0003H外部中断 0 入口 000BH T0 溢出中断入口 0013H外中断 1 入口 001BH T1 溢出中断入口 0023H串口中断入口 002BH T2 溢出中断入口 内部数据存储器 RAM 物理上分为两大区：00H 7FH 即 128B 内 RAM 和 SFR 区。作用：作数据缓冲器用。 一个微处理器能够聪明地执行某种任务，除了它们强大的硬件外， 还需要它们运行的软件，其实微处理器并不聪明，它们只是完全按照人 们预先编写的程序而执行之。那么设计人员编写的程序就存放在微处理 器的程序存储器中，俗称只读程序存储器(ROM)。程序相当于给微处理器 处理问题的一系列命令。其实程序和数据一样，都是由机器码组成的代 码串。只是程序代码则存放于程序存储器中。 MCS-51 具有 64kB 程序存储器寻址空间，它是用于存放用户程序。 数据和表格等信息。对于内部无 ROM 的 8031 单片机，它的程序存储器必 须外接，空间地址为 64kB,此时单片机的端必须接地。强制 CPU 从外部 程序存储器读取程序。对于内部有 ROM 的 8051 等单片机，正常运行时， 毕 业 论 文 正 文第10页 哈尔滨职业技术学院印制 则需接高电平，使 CPU 先从内部的程序存储中读取程序，当 PC 值超过内 部 ROM 的容量时，才会转向外部的程序存储器读取程序。 8051 片内有 4kB 的程序存储单元，其地址为 0000H0FFFH,单片机 启动复位后，程序计数器的内容为 0000H,所以系统将从 0000H 单元开始 执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意。 其中一组特殊是 0000H0002H 单元，系统复位后，PC 为 0000H,单 片机从 0000H 单元开始执行程序，如果程序不是从 0000H 单元开始，则 应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让 CPU 直接去执行用户指 定的程序。 另一组特殊单元是 0003H002AH,这 40 个单元各有用途，它们被均 匀地分为五段，它们的定义如下： 0003H000AH 外部中断 0 中断地址区。 000BH0012H 定时/计数器 0 中断地址区。 0013H001AH 外部中断 1 中断地址区。 001BH0022H 定时/计数器 1 中断地址区。 0023H002AH 串行中断地址区。 可见以上的 40 个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元， 中 断响应后，按中断的类型，自动转到各自的中断区去执行程序。从上面 可以看出，每个中断服务程序只有 8 个字节单元，用 8 个字节来存放一 个中断服务程序显然是不可能的。因此以上地址单元不能用于存放程序 的其他内容，只能存放中断服务程序。但是通常情况下，我们是在中断 响应的地址区安放一条无条件转移指令，指向程序存储器的其它真正存 毕 业 论 文 正 文第11页 哈尔滨职业技术学院印制 放中断服务程序的空间去执行，这样中断响应后，CPU 读到这条转移指 令，便转向其他地方去继续执行中断服务程序。 0000H-0002H,只有三个存储单元，3 个存储单元在我们的程序存放 时是存放不了实际意义的程序的，通常我们在实际编写程序时是在这里 安排一条 ORG 指令， 通过 ORG 指令跳转到从 0033H 开始的用户 ROM 区域， 再来安排我们的程序语言。从 0033 开始的用户 ROM 区域用户可以通过 ORG 指令任意安排，但在应用中应注意，不要超过了实际的存储空间， 不然程序就会找不到。 数据存储器 数据存储器也称为随机存取数据存储器。数据存储器分为内部数据 存储和外部数据存储。 片内数据存储器为 8 位地址，所以最大可寻址的范围为 256 个单元 地址，对片外数据存储器采用间接寻址方式，R0、R1 和 DPTR 都可以做 为间接寻址寄存器，R0、R1 是 8 位的寄存器，即 R0、R1 的寻址范围最 大为 256 个单元，而 DPTR 是 16 位地址指针，寻址范围就可达到 64KB。 也就是说在寻址片外数据存储器时， 寻址范围超过了 256B,就不能用 R0、 R1 做为间接寻址寄存器，而必须用 DPTR 寄存器做为间接寻址寄存器。 8051 单片机片内 RAM 共有 256 个单元(00H-FFH),这 256 个单元共分 为两部分。 其一是地址从 00H7FH 单元(共 128 个字节)为用户数据 RAM。 从 80HFFH 地址单元(也是 128 个字节)为特殊寄存器(SFR)单元。 MCS-51 系列单片机有四个双向的 8 位并行口 P0P3，每个口各有一 个 8 位的口锁存器，复位后它们的初态全为 1。 毕 业 论 文 正 文第12页 哈尔滨职业技术学院印制 P1 口为准双向口，P1 口的每一位都能独立地定义为输出线或输入 线。作为输入线的位，口锁存器的相应位必须为 1 状态。 P3 口是一个双功能口，作为第一功能使用时，其功能和 P1 口相同。 作为第二功能使用时，其口锁存器状态必须为 1。P3 口的每一位可独立 地定义为第一功能的输入输出和第二功能的输入输入。 P2 口也是准双向口，并且是双功能口，它既可作为第一功能的输入 输出口使用，也可作为第二功能的系统扩展地址总线口，输出高 8 位地 址 AB8AB15。 P0 口也是双功能口，既可可作为第一功能的输入输出口使用，也可 作为第二功能的系统扩展地址/数据总线口，分时输出低 8 位地址 AB0AB7 和收发数据信息 D0D7。P1.P2.P3 都能驱动 3 个 TTL 门，且不 需要外加电阻就能直接驱动 MOS 电路。P0 作为 I/O 时需外接上拉电阻才 能驱动 MOS 电路。 如果MCS-51本身的I/O口数量和种类或存储器容量不能满足用户需 求时，可扩展 I/O 接口或外数据存储器，外部数据存储器和外部扩展接 口统一编址，CPU 对它们的操作指令也相同。在外部 64k 的数据空间（存 储类型 XDTA）内，可以各划出一个区域作为扩展 I/O 地址空间和外部数 据存储器地址空间。 MCS-51 系列单片机至少有 5 个中断请求源，提供 2 个中断优先级， 可实现 2 级中断服务程序嵌套。每个中断源可程控为高优先级中断或低 优先级中断。和中断系统相关的特殊功能寄存器有中断优先级控制寄存 器 IP，中断使能控制寄存器 IE，以及定时/计数器控制寄存器 TCON、串 毕 业 论 文 正 文第13页 哈尔滨职业技术学院印制 行通信口控制寄存器 SCON 的相关位。 MCS-51 系列单片机的 5 个中断请求源中，有通过 P3.2.P3.3 输入的 二个外部中断源 _ INT0和 _ INT1，片内两个定时器/计数器 (T/C0、T/C1) 的 溢出中断请求源 TF0 和 TF1，还有一个片内串行通信口发送或接收中断 请求源 TI 或 RI。这些中断请求源分别由特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 的相应位所锁存。 1.定时器/计数器（T/C）控制寄存器 TCON TCON 的高 4 位控制定时/计数器，低 4 位控制外部中断。其格式如 表 2-1 所示。 表 2-1定时器/计数器控制寄存器 TCON D7D6D5D4D3D2D1D0 TF 1 TR 1 TF 0 TR0IE 1 IT 1 IE 0 IT 0 定时/计数器控制外部中断控制 IT0、IT1：外部中断 0、1 触发方式选择位，由软件设置。置 1 为下 降沿触发 (即当外部中断请求源信号有从 1 电平到 0 电平的变化时，外 部中断请求标志 IE0 或 IE1 才会置 1 )，设置 0 为低电平触发 (即只要 外部中断请求源信号为 0 时，外部中断请求标志 IE0 或 IE1 就置 1 )。 IE0、IE1：外部中断 0、1 请求标志位。产生中断请求时，硬件置位， CPU 响应中断后，硬件清零。 TF0、TF1：T/C0、T/C1 计数溢出中断请求标志位。产生中断时，硬 件置位，CPU 响应中断后，硬件清零。 毕 业 论 文 正 文第14页 哈尔滨职业技术学院印制 TR0、TR1：T/C0、T/C1 启动标志位。其操作方法将在定时器/计数 器章节中介绍。 2.串行通信控制寄存器 SCON SCON 中与串行通信中断有关的位是 SCON.1 和 SCON.0。 格式如表 2-2 所示。 各中断源的硬件优先级以及中断服务程序入口地址如表 7 所示。 表 2-2中断服务程序入口地址表 编号中断源入口地址硬 件 优 先 级 0外部中断 00003H最高 1T/C0 中断000BH高 2外部中断 10013H中 3T/C1 中断001BH低 4串 行 通 信 口中断 0023H最低 通常在中断入口安排一条相应的无条件跳转指令，以当 CPU 响应中 断后，可从中断入口跳转到用户设计的相应中断处理程序入口。 与中断系统相关的特殊功能寄存器有以下几个： 1.TCON：涉及的位标志 IE0、TF0、IE1.TF1 2.IE：设及的位标志 EX0、ET0、EX1.ET1.ES 3.IP：涉及的位标志 PX0、PT0、PX1.PT1.PS 毕 业 论 文 正 文第15页 哈尔滨职业技术学院印制 4.SCON：涉及的位标志 RI、TI 定时器/计数器是单片机的一个重要功能部件，可用来实现定时、计 数、频率测量、脉冲宽度测量、产生信号、信号检测等。 MCS-51 系列单片机中有至少有 2 个定时器/计数器T/C0 和 T/C1， 它们既可以编程为定时器使用，也可编程为计数器使用。若是内部晶振 驱动时钟，则是定时器；若是对外部输入的脉冲信号计数，则是计数器。 当 T/C 以定时器方式工作时， 在每个机器周期计数加 1， 计数频率 = fosc / 12。如晶振频率为 12MHz 时，计数频率为 1MHz，每隔 1s 计数 值加 1。 当 T/C 以计数器方式工作时， 计数脉冲来自外部输入管脚 T0 (P3.4) 或 T1 (P3.5) ，当外部脉冲信号负跳变时计数值加 1。假如外部信号是 周期性连续脉冲信号，则每过一个振荡周期，计数器进行一次加 1 计数。 因计算机识别输入信号的负跳变需两个机器周期，所以可计数外部脉冲 的最高频率为 fosc / 24。当晶振为 12MHz 时，最高计数频率为 500kHz， 假如外部脉冲频率高于此频率，计数将出错。 和 T/C 有关的特殊功能寄存器有 TH0、TL0、TH1.TL1.TCON 和 TMOD， 其中 TH0 和 TL0 为 T/C0 的计数寄存器，TH1 和 TL1 为 T/C1 的计数寄存 器。 TCON 中高 4 位用于控制定时/计数器的启停以及产生计数溢出中断 标志，其各位的定义如下表 3-3 所示。 表 2-3定时器/计数器控制寄存器 TCON D7D6D5D4D3D2D1D0 毕 业 论 文 正 文第16页 哈尔滨职业技术学院印制 TF 0 TR 0 TF 1 TR 1 IE 1 IT 1 IE 0 IT 0 TR0、TR1：T/C0、T/C1 启动控制位，需软件控制。1启动计数； 0停止计数。TF0、TF1：T/C0、T/C1 计数溢出中断请求标志位。产生 中断时，硬件置位；CPU 响应中断时，硬件清零。 TCON 上电复位时清零。TMOD 用于设置定时器/计数器的工作模式， 其各位的定义如表 2-4 所示。 表 2-4定时器/计数器方式控制寄存器 TMOD D7D6D5D4D3D2D1D0 GA TE C/ T M1M0GA TE C/ T M1M0 T/C1T/C0 其中高 4 位对应于 T/C1，低 4 位对应于 T/C0。 C/ T：计数器或定时器选择位。0定时器；1计数器。 GATE：门控信号位。0T/C 的启停仅受 TR0 或 TR1 的控制；1T/C 的启停受到双重控制，即 TR0 和 P3.2 或 TR1 和 P3.3 同时为 1 才能启动 T/C0 或 TC1。 M1.M0：工作方式选择位。 定时器定时时间和计数初值之间的关系： 定时时间 = (满计数值 计数初值) 机器周期 机器周期 = 12 / fosc 毕 业 论 文 正 文第17页 哈尔滨职业技术学院印制 满计数值：16 位计数：2 16 =65536 8 位计数： 2 8 =256 定时/计数器编程操作步骤： 1.确定工作模式：编程 TMOD 2.计算定时器计数初值，并装载到 THx 和 TLx 中，或 THx 和 TLx 清 零 3.在中断方式工作时，开 CPU 中断和源中断：编程 IE。必要时设置 中断优先级：编程 IP 4.启动 T/C：置位 TCON 中的 TR0、TR1 （三）直流电机驱动模块 微处理器取代模拟电路作为电动机控制器有如下特点： 1.使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂。 采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件实。 2.可以实现较复杂的控制 微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、有大容量 的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。 3.灵活性和适应性 因为控制器的控制方式是由软件完成的， 如果必须要修改控制规律， 一般不必改动硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可 以不断尝试选择最优参数，非常方便。 毕 业 论 文 正 文第18页 哈尔滨职业技术学院印制 4.无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论 被控制量的大小如何，都可以保证足够的控制精度。 5.可提供人机界面，多机联网工作 因此现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。本设就是由单 片机控制产生 PWM 信号，通过 H 桥驱动直流电机。 电机的驱动方法可以分为：可关断晶闸管的门极驱动、功率晶 体管的驱动、和功率场效应管的驱动等。此次设计我采用的方法是 由功率场效应管来组成驱动电路。 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。 近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。 随着计算机以及新型电力电子功率器件的不断出现，使采用全控型的开 关功率元件进行脉宽调制(pulse width modulation 简称 PWM)控制方式已 成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流 电动机控制数字化提供了契机。 众所周知，直流电机转速 n 的表达式为： n=（U-IR)K（2-1） (2-1)中，U-电枢端电压；I-电枢电流：R-电枢电路总电阻；- 每极磁通量；K-电动机结构参数。现在，大多数应用场合都是用电枢控 毕 业 论 文 正 文第19页 哈尔滨职业技术学院印制 制法。下面介绍在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实 现调速。 绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导 体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM 来控制电动机电枢电 压，实现调速。 当开关管导通时，电机两端响电压 Us。PWM 信号的周 期为 T，其中高电平时间_为 tl，低电平时间为 t2。当开关管截止时电机 电 枢两端的电压为 0。t2 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管动作 重复前面的过程。这样，直流电动机电枢绕组两端的电压平均值 U0 为： U0=(tlUs+0）/（t1+t2）=t1Us/T= a Us (2-2) 式中，a 为占空比，a=tlT。 占空比 a 表示了在一个周期 T 里，开关管道通的时间与周期的 比值。a 的变化范同为 0a1。由（2-2）可知，当电源电压 Us 不变的 情况下， 电枢的端电压的平均值 U0 取决于占空比 a 的大小， 改变 a 值就 可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是 PWM 调速的 原理。 在 PWM 调速时，占空比 a 是一个重要参数。以下三种方法都 可以改变占空比的值： 1.定宽调频法： 这种方法是保持 tl 不变， 只改变 t2， 这样使周期 T(或 频率)也随之改变 2.调宽调频法： 这种方法是保持 t2 不变， 只改变 tl， 这样使周期 T(或 频率)也随之改变 毕 业 论 文 正 文第20页 哈尔滨职业技术学院印制 3.定频调宽法：这种方法是使周期 T(或频率)保持不变，而同时改变 t1 和 t2 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频 率与系统的固有频率接近时将会引于控制脉冲的频率，且考虑到程序设 计的方便性问题，仍是用的第二种方法。目前，在直流电机的控制中， 主要使用定频调宽法。 PWM 控制信号的产生方法有四种： 分立电子元件组成的 PWM 信号发生器： 这种方法是用分立的逻辑 电子元件组成 PWM 信号电路。他是最早期的方式。现在已被淘汰了。 软件模拟法：利用单片机的一个 I/O 引脚，通过软件不断地输出高 低电平来实现 PWM 波输出。这种方法要占用 CPU 大量的时间，使单片 机无法进行其他的工作，因此现在用得也较少了。但是由于本设计的自 动门系统在输出 PWM 信号时也就不需要作其他什么动作了，况且考虑 到实验室的仿真器没有专用的 PWM 口，因而采用了这种方法。 专用 PWM 集成电路：从 PWM 控制投术出现之日起，就有芯片制 造商生产专用的 PWM 集成电路芯片，这些芯片除了有 PWM 信号发生 功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动 机中，使用专用 PWM 集成电路可以减轻单片机负担，工作更可靠。 单片机的PWM口： 新一代的单片机增加了许多功能， 其中包括PWM 功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出 PWM 脉冲波，只有 在改变占空比时 CPU 才进行干涉。 直流电动机的 PWM 驱动又分为可逆与不可逆、双极性与单极性之 毕 业 论 文 正 文第21页 哈尔滨职业技术学院印制 分。本设计采用了单极性驱动可逆 PWM 系统，下面作一下详细介绍。 单极性驱动方式是指住一个 PWM 周期内，电动机的电枢制成收单 极性的电压。单极性驱动也有 T 型和 H 型之分，以 H 型最多。H 型又可 以分为多种控制方式，此设计采用受限单极性驱动方式和受限倍频单极 性驱动方式。 首先单极性驱动可逆 PWM 驱动系统的驱动电路如下图 3-2 所示。 图 2-2受限单极可逆 PWM 驱动系统 电机止转时，开关管 Ql 受 PWM 控制信号的控制，开关管 Q2 施加 高电半使其常开； 开关管 Q3.Q4 施加低电平， 使它们全都截止。 如图 2-2 的状态。 在要求电动机反转时， 开关管 Q1 受 PWM 控制信号的控制， 开关管 V2 施加高电平使其常开；开关管 Q1.Q2 施加低电平，使它们全都截止。 当要求电动机正转时，在每个 PWM 周期的 0-tl 区间，Ql 导通电动 机工作在电动状态。在每个 PWM 周期的 tl-t2 区间，Q1 截止，电流在自 毕 业 论 文 正 文第22页 哈尔滨职业技术学院印制 感电动势的作用下， 经 Q2 和 D4 型重新流回路， 如图 2-1 的虚线 2 所示， 电动机继续工作在电动状态。 电动机正转时的电流波形如图 2-3(a)所示。 占空比比仍可按式 2-1 计 算。 当电动机制动时，PWM 信号的占空比减小，使电枢两端的平均电 压小于反电动势。在反电动势的作用下，电流产生制动转矩，但是由于 V2 处十截止状态，使耗能制动电流通路受到限制，所谓“受限”因此而 得名。 当电动机工作在轻载时，在每个 PWM 周期的 tl-t2 区间，当续流电 流衰减到零后，由于 V2 的截止使反电动势不能建立反向电流，电枢电 流出现断流现象，如图 2-3（b)所示。 图 2-3受限单极可逆 PWM 电流波形 首先单极性驱动方式在轻载时会出现断流现象，这是这种方式不利 毕 业 论 文 正 文第23页 哈尔滨职业技术学院印制 的一面，可以通过提高开关频率或改进电路设计来克服；但是由于能够 避免开关管直通，可以大大提高系统的可靠性，所以得以普遍使用。 单片机实现受限单极性控制具体方法如下： 下图 2-4 是用单片机控制受限单极性可逆 PWM 驱动系统的原理 图。图中单片机将 PWM 定向到 P0.0 引脚，另外通过 P1.0 引脚发出转向 控制信号，规定其中高电平代表正转，低电平代表反转。从单片机输出 的PWM信号和转向信号先经过2个与门和l个非门在各个开关管的栅极 相连。 当单片机要求正转时，单片机 Pl.0 输出高电平信号，该信号分成 3 路：第 1 路接与门 Yl 的输入端，使与门 Yl 的输出由 PWM 决定，所以 开关管 vl 栅极受 PWM 控制。第 2 路直接与开关管 Q2 栅极相连，使 Q2 导通。第 3 路经非门 Fl 连接到与门 Y2 的输入端，使与门 Y2 输出为 0， 这样使开关管 Q4 截止。从非门 Fl 输出的另一路与开关管 Q3 的栅极相 连，其低电平信号也使 Q3 截止. 同样电动机要求反转，单片机 P1.0 输出低电平信号，经过两个与门 和一个非门组成逻辑电路后，使开关管 Q4 受 PWM 信号的控制，Q3 导 通，Q1.Q2 截止。 毕 业 论 文 正 文第24页 哈尔滨职业技术学院印制 图 2-4单片机控制受限单极性可逆 PWM 系统原理图 毕 业 论 文 正 文第25页 哈尔滨职业技术学院印制 三、软件设计 （一）整体程序流程图及功能模块设计 本设计程序以汇编语言编写，因为汇编语言易于读写、易于调试和 修改，同时汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占 用内存空间少，运行速度快。 本程序的设计主要由 PWM 信号发生程序、转速测量模块程序和检 测开关本软件主要采用查询的方法来实现.虽然中断的方法要比查询具 有实时性并节约时间，但是基于本系统的要求，因为如果采用有人进入 INT0 中断服务程序的话， 服服务程序很不容易判断自动门究竟出于哪一 部分，要用哪种速度开门。查询如果设置的合适也是完全可以的。 程序组成。整体程序流程图如下页图 3-1 所示。 （二）PWM 信号发生及转速测量模块程序设计 PWM 信号就是脉冲宽度信号， 一定时间的高电平和一定时间的低电 平的循环即可形成 PWM 信号。于是本程序采用将 P0.0 清 0 和置 l 的方 法来实现。首先在程序开始初始化的时候将 P0.0 清 0，调用 PWM 信号 产生程序时，先将 P0.0 置 1，然后经定时程序延时一段时间后再将 P0.0 清 0。然后判断有没有中断要执行，如到达限位开关或是有人进出时。 如果以上情况都没发生就继续调用这一个方波的发生程序。直至有中断 打断时，执行清 0 P0.0 或调用另一个方波发生程序实施变速。 毕 业 论 文 正 文第26页 哈尔滨职业技术学院印制 开始 系统初始化 启动红外探测器 有人吗? 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 2 秒 有人吗? 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 2 秒 返回 N K1 N K4 K2 K3 N N K5 Y Y Y Y Y N N N Y N N Y K5 Y Y K2 K3 K4 K1 Y N Y N 毕 业 论 文 正 文第27页 哈尔滨职业技术学院印制 图 3-1 整体程序流程图 变速是根据程序的顺序执行顺序而判断门所处的位置来实现的。此 程序严格按照自动门开关一次的顺序来编写的，考虑了各阶段可能遇到 的所有问题，因此根据程序执行的控制器可判断自动门是该快速还是慢 速。 P1.0 清零 P0.0 置 1 延时 0.2S P0.0 清零 延时 0.1S 有人吗？ 快速开门 门已完全打开？ Y Y N 停止开门 N 开始 毕 业 论 文 正 文第28页 哈尔滨职业技术学院印制 图 3-2 快速开门流程图 具体程序如下： KSLOW:CLRP1.0 定时 0.1 s 的程序如下： DEL:MOVR7，#200 DEL1: MOVR6，#250 DEL2: DJNZR6，DEL2 DJNZR7，DEL1 RET 其中 R6.R7 是两个 8 位的寄存器，分别装有两次的循环初值， 250 和 200 执行内循环时，执行时间为 250*2us=5000us=0.5ms。外层循 环执行时间为 200*0.5ms=100ms=0.1s。 在基本延时程序的基础上，通过调用它可以实现多种定时。 MOVR0，#14H LOOPl：CALLDEL DJNZR0，LOOPI 就实现了 20*0.1s=2s 的定时。 本程序采用定时和技术结合的方法来实现。 其中定时没有采用定时器 计数器。因为前边已经有了基本延时程序，为了使程序更简便 并且有 更高的利用 率，因 T10:MOVTMOD,#50H;T1 为方式 1 计数器 MOVTL1，#0 毕 业 论 文 正 文第29页 哈尔滨职业技术学院印制 MOVTH1，#0 MOVR0,#10;测试一秒内的转速 SETBTR1 LOOP2:LCALL DEL DJNZR0，LOOP2 CLRTR1 MOVA,TL1 CJNEA，#0,JIXU1 JIXU1:JBP0.6,GSLOW AJMPGFAST 当调用关门程序的过程中才有必要测速， 其他部分不需要设置此程 序。在调用关门 PWM 信号的过程中，调用测速程序。计数器采用的 Tl 计数。首先将计数器 Tl 启动并设置初值为 0，然后开始定时，定时 l 秒 后，将计数器所计数值传给寄存器 A，在将此计数值与电机正常状态下 最低转速的二倍相比较(因为圆盘上设有两个孔，因此是最低转速的二 倍)。如果计数值小于最小值的二倍则代表有障碍物，从而转到开门程序 执行。 其中 TMOD 是定时器计数器的工作方式寄存器。 它用于选择定时 器计数器的工作模式和工作方式，它的字节地址为 89H，不能 进行位 寻址。其格式如下图 3-1 所示 毕 业 论 文 正 文第30页 哈尔滨职业技术学院印制 图 3-1 TMOD 格式 当 GATE 位为 0 时，仅由运行控制位 TRX(x=0，1)=1 来启动定时 器计数器运行。 M1.M0 为工作方式选择位。本程序中将其设置为 01，表示定时器 计数器工作在方式 l，为 l6 位定时器计数器。 C/T=1 时为计数器模式，计数器对外部输入引脚 TO(P34 脚)或 Tl(P3