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- I - 自动门控制装置伺服系统软件设计自动门控制装置伺服系统软件设计自动门控制装置伺服系统软件设计自动门控制装置伺服系统软件设计 摘要摘要摘要摘要 近年来，自动门己广泛应用于银行、酒店大型商场等场合。在国外，自动 门的发展已相对成熟，在国内从事自动门行业的单位不在少数，但大多都是作 为国外自动门代理商身份亮相，国内在自动门的自主研发上还处于初级阶段。 直流伺服系统在许多系统的应用日益广泛，而目前国内外的水平也有一 定差距。由于永磁直流电机伺服系统的高精度、响应迅速以及大范围的速度伺 服与位置伺服控制，因此永磁直流电机控制系统的研究已成为直流伺服系统研 究的重点之一。作为自动门控制装置伺服系统的一部分,软件设计是在硬件的基 础上构建出系统的主要流程图.本文主要围绕自动门伺服系统的软件设计展开研 究，并附带介绍了硬件方面的问题。全文主要分为三个部分，主要内容如下： 1、简要描述了直流电机的数学模型，分析了电机的机械特性，并在此基础 上大概介绍了 PWM 控制原理。 2、为了更详细的在系统的硬件设计上，使用 AT89C52 单片机处理芯片， 并辅以的专用直流伺服控制芯片 HIP4080AIP 组成直流伺服系统并详细介绍该系 统的硬件设计，包括控制电源部分、检测电路、驱动电路，能耗和保护电路部 分。 3、详细介绍了自动门的功能以及实现这些功能的软件设计。包括单片机内 部资源分配，数据的规格化处理；给出程序流程图和部分详细的子程序。 关键词关键词关键词关键词永磁直流电机；AT89C52；PWM 控制系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 - II - AutomaticAutomaticAutomaticAutomatic doordoordoordoor controlcontrolcontrolcontrol unitunitunitunit servoservoservoservo systemsystemsystemsystem softwaresoftwaresoftwaresoftware designdesigndesigndesign AbstractAbstractAbstractAbstract In recent years, automatic doors have been widely applied in banks, hotels and other major shopping malls occasions. At abroad the development of automatic doors have been relatively mature, the domestic industry in the automatic doors of a few units, but most are automatic doors as a foreign agent identity Appearance, automatic doors in the domestic independent research and development is still at an early stage Along with the unceasing development of modernized industry，the servo system is widespread in many systemsapplication day by day .The higher performance of the servo system is required .Permanent Magnet DC motor Servo system can achieve the performances of high accuracy, fast response, large-scale speed and position servo control , therefore the research on Permanent Magnet DC motor Servo system turn into the most important one in the study of DC motor servo system Therefore permanent magnet DC motor control system of DC servo system has become one of the focuses of research. As the automatic door control device servo system as part of the software design is in hardware to build on the basis of the main flow chart. The paper will research the Software Design of Servo System, including three parts: 1. Describe the maths model and control theory of Permanent Magnet DC motor, then it introduce the methods of timing and control system of PWM (pules width modulation). 2. In this part ,it first describe the application otential and the basic component of the auto-door control system, and describe the hard ware designs it introduces the basic function and features of AT89C52 and HIP4080AIP , and the harewares , including control department; driving circuit; power-costing Circuit and protection part . It also design digital feed-back circuit. 3. This paper describes realization software of the servo system detaily. Including: the design of the regulator , the control , the control strategy and the realization ; implement of roter initialization position to AT89C52 , and so on. In the whole 哈尔滨理工大学学士学位论文 - III - process of software designing , the control ofpower is the key and difficulties. KeywordsKeywordsKeywordsKeywordsPermanent Magnet DC motor ;AT89C52 ;PWM control system 哈尔滨理工大学学士学位论文 - IV - 目录目录目录目录 摘要 Abstract. 第 1 章 绪论1 1.1 自动门控制系统概述.1 1.2 课题研究的目的和意义.1 1.3 课题研究的内容.2 第 2 章 直流电动机控制系统3 2.1 直流伺服电动机控制基础.3 2.1.1 直流电动机的机械特性方程3 2.1.2 直流电动机的调速方法4 2.2 直流伺服电机的脉冲调宽调速系统.4 2.2.1 PWM 调速系统介绍.4 2.2.2 H 型双极模式 PWM 系统5 2.2.3 型单极模式 PWM 系统.5 2.3 速度反馈单闭环直流电动机控制系统.6 2.4 本章小结.7 第 3 章 伺服系统硬件设计介绍8 3.1 硬件设计总体架构.8 3.2 控制电路设计.9 3.2.1 单片机的发展趋势9 3.2.2AT89C52 单片机概述.10 3.3 存储器接口方法.11 3.4 单片机外围电路.12 3.5 驱动电路设计.15 3.6 控制电源设计.16 3.7 保护与制动电路.17 3.8 光电隔离电路.20 3.9 速度反馈电路.20 3.10 本章小结.21 第 4 章 伺服系统软件设计22 4.1 编程思想总结和展望.22 4.2 门宽自学习功能.23 4.3 EEPROM 的读写.24 4.4 门的运动过程.25 4.5 电机的控制过程.26 4.6 电机保护程序.27 哈尔滨理工大学学士学位论文 - V - 4.7 软件调试.27 4.8 本章小结.28 结论29 致谢31 参考文献32 附录33 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 自动门控制系统概述自动门控制系统概述自动门控制系统概述自动门控制系统概述 用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。又称随动系统。在很多 情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加 速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入 的位移（或转角） 。伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中， 后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制 导等伺服技术是跟踪与定位控制技术，是机电一体化技术的重要组成部分，它 广泛地应用于数控机床、工业机器人等自动化装备中。随着现代工业生产规模 的不断扩大，各个行业对电伺服系统的需求日益增大，并对其性能提出了更高 的要求。因此研究、制造高性能、高可靠性的伺服驱动系统是工业先进国家竞 相努力的目标，有着十分重要的现实意义。伺服系统的发展与伺服电动机的发 展紧密相联。直流伺服电动机有永磁式和电磁式两种结构式。随着磁性材料的 发展，利用稀土材料（铝镍钻、铷铁硼合金）制作的永磁式电动机其性能超过 了电磁式伺服电动机。 随着单片机技术的发展和提高，用单片机控制的自动门也迅速发展。它是 许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备的。自动门不仅仅可以美化出入 口环境，还具有节能（空调） 、防尘、隔噪音等功能。自动门工程在整个建筑投 资中的比例虽然很小，但在建筑的日常使用和管理中却占有很重要的地位，是 建筑智能化水平的重要指标。因此，自动门在国内外有很大的市场需求。世界 上制造自动门的公司很多，国内常见的产品有德国的 BLASL、瑞士的 TORMAX、意大利的PA、荷兰的 BOONEDAM、日本的 NA 等等。欧美国家 的产品功能繁多，性能可靠，其中以德国的产品性能最好，但这些产品价格偏 高，操作复杂。 鉴于以上情况，我们决定研制直流电机自动门控制系统。系统要求既要功 能全面，能满足中国用户的要求，又要使用户操作方便，更改设置方便，并且 运行可靠，具有完整的自保护系统和故障诊断功能。我主要负责自动门控制中 的软件部分，文章主要阐述了软件控制中的编程思想和流程。 1.21.21.21.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 直流伺服控制技术广泛应用在军工、精密机床和机器人等工业部门。脉宽 调制方式的直流调速系统可以使调速范围达到万倍以上，并具有优良的性能。 随着电力电子技术、集成电路和计算机及微电子技术的日益发展，国际上已经 进入一个全新一代技术产品的时代。近年来，我国在电气自动化领域的研究己 取得可喜的进展，可是距离国外技术先进的国家还有一段距离。而且，随着各 个领域的飞速发展，对伺服系统的要求也日益严格，不同的应用环境对伺服系 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - 统的性能要求也不尽相同，对伺服系统又提出了许多特殊的要求：高速、高精 度、高可靠性和较强的抗干扰能力1。 本课题的主要研究任务是针对自动门伺服驱动控制器，设计出一种基于单 片机控制策略的直流伺服驱动系统。要解决的关键问题包括：驱动系统的实 现，调节器的设计等，从而实现对永磁直流电机的控制。 1.3 课题研究的内容课题研究的内容课题研究的内容课题研究的内容 本文分四个章节系统地阐述了所从事的课题研究工作，各章内容安排如 下： （l）第一章绪论主要阐述了直流伺服系统的概况、发展趋势和国内研究状 况以及本课题要研究的目的和需要解决的问题。 (2) 第二章简要描述了永磁直流电机的数学模型、机械特性以及调速方 法、PWM 控制系统，闭环控制的稳态特性和动态特性。 (3) 第三章是关于系统硬件的设计，概括的论述了直流伺服控制系统的设 计和制作。包括硬件设计总体架构、单片机控制电路、驱动电路、控制电源以 及保护等各单元的设计。 (4) 第四章详细介绍了系统软件设计的原理及实现，包括单片机初始化， 控制信号程序，中断服务程序，并给出相应程序流程图，从而实现对永磁直流 电机进行控制。 在文章最后总结了本文所做的工作，并对下一步工作进行了展望。 作为直流伺服系统发展的一种重要趋势，永磁直流电动机伺服系统的研究 愈益受到人们的重视。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 直流电动机控制系统直流电动机控制系统直流电动机控制系统直流电动机控制系统 2.12.12.12.1 直流伺服电动机控制基础直流伺服电动机控制基础直流伺服电动机控制基础直流伺服电动机控制基础 2.1.12.1.12.1.12.1.1 直流电动机的机械特性方程直流电动机的机械特性方程直流电动机的机械特性方程直流电动机的机械特性方程 直流伺服电动机是系统的关键部件之一。直流伺服电动机有永磁式和电磁 式两种结构型式。随着磁性材料的发展，利用稀土材料制作的永磁式直流伺服 电动机其性能超过了电磁式伺服电动机，目前已经被广泛的使用于机床电力进 给驱动、工业机器人、计算机外围设备以及高精度伺服系统中。 他励直流电动机的控制基础是建立在直流电动机的机械特性之上的。机械 特性就是在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻都为常数时，电动机产生的电 磁转矩和转速之间的函数关系。机械特性是电动机运行机械性能的具体表现， 反映系统的静态和动态运行性能。可用转速特性方程式代替机械特性方程式。 负 载 S M 励 磁 磁 通 量 iaLa Ra uaeg TMTB TL JM nM M 图 2-1 永磁直流伺服电动机驱动装置的等效结构圈 在直流电动机的电枢绕组加上直流电压，电枢绕组中就有电流流过，则电 动机的转子就产生电磁转矩，电磁转矩的大小为： iKTaTM = (2-1) 式中, TM一电动机转矩，单位为 Nm； KT一转矩系数，单位为 Nm/A； ia一电枢电流，单位为 A。 当电机旋转后，转子导体在磁场中切割磁力线，产生感应电动势，电动势的 大小为： n keeg =(2-2) 式中 eg一反电动势，单位为 V； Ke一电动势系数，单位为 Vmin/r n 一转子旋转速度，单位为 r/min。 由图 2 一 1 可知，直流电动机的电压平衡方程式为： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - iReuaa ga = (2-3) 式中 ua一电枢电压（V） Ra一电枢回路总电阻（） 由电压平衡方程和感应电动势公式，就可得到直流电动机的转速特性方程 式为： K iR K u e aa e a n= (2-4) 2.1.22.1.22.1.22.1.2 直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法 有些机械装置要求工作转速可以变化，例如刨床进刀刨削时，运行速度要 慢；退刀时速度要快。又如电车进站时，速度要慢；正常行驶时速度要快，等 等，这就要求电动机能够调速。所谓调速就是自动的或人为地改变和控制电动 机的转速，以满足工作机械变速的要求。 对于调速的基本要求包括三个方面： l）调速范围，通常以最大转速对最小转速的比值来表示，称为调 速比； 2）调速的平滑性，如果在调速范围内，能在任意转速下稳定运行，称为无 级调速，否则称为有机调速； 3）经济性，包括设备投资和运行费用的高低，调速方法是否简单，运行是 否可靠。从图 2-1 及公式（2-4）可知，直流电动机的调速方法有三种2： （l）改变电枢电压调速。保持磁通不变，改变电动机的电枢电压。该 调速方法可以实现额定转速以下大范围平滑调速，是目前直流调速系统采用的 主要调速方案。 （2）弱磁调速。保持电枢电压不变，改变励磁磁通。弱磁调速对普通电 动机的调速范围很小，不能超过 2 倍，一般只在额定转速以上调速时才采用此 方案，而且往往与调压调速方法配合使用。 （3）改变串接于电枢回路中的附加电阻。对于普通系统的电动机，可在电 枢回路串电阻调速，理想空载转速不变，特性曲线斜率增加，电枢电阻越大， 特性越软，因此不能实现平滑调速，而且调速过程中能量损耗特别大。 2.22.22.22.2 直流伺服电机的脉冲调宽调速系统直流伺服电机的脉冲调宽调速系统直流伺服电机的脉冲调宽调速系统直流伺服电机的脉冲调宽调速系统 2.2.12.2.12.2.12.2.1 PWMPWMPWMPWM 调速系统介绍调速系统介绍调速系统介绍调速系统介绍 调节电枢电压调速是直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法。为了获 得可调的直流电压，利用电力电子元件的可控性，利用脉宽调制技术，将整流 后的恒压直流电源，转换成幅值不变、频率不变，但是脉冲宽度（持续时间） 可调的高频矩形波，给伺服电机的电枢回路供电，实现直流电动机电枢电压平 滑调速，构成直流脉宽调速系统。通过改变脉冲宽度的方法来改变电枢回路的 平均电压，达到电机调速的目的3。 PWM 调速系统的特点： 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - （l）开关频率高：其频率可至 2KHZ，比机械部件固有频率高很多，可以 避开机械部分的共振点，不至于引起共振。 （2）纹波系数低：即电流的有效值与平均值之比低，一般为 1.005 一 1.01，几乎接近 1。电枢回路的电抗，就足以将脉冲滤平，接近于纯直流。这 样，以电流有效值计算的电机的发热量很小。 （3）频带较宽：即系统能够响应的频率范围较宽，因此，系统的动态特性 好，有良好的线性，尤其是接近于零点时线性度好。 （4）可在高峰值电流下工作：晶体管可以承受比较大的峰值电流，但必须 限制在额定电流的两倍以内，这样可以保护永磁电机不至于退磁，延长电机电 刷的寿命，减少电机发热。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 H H H H 型双极模式型双极模式型双极模式型双极模式 PWMPWMPWMPWM 系统系统系统系统 H 型双极模式 PWM 的功率转换电路如图 2-2 所示。 它由四个大功率晶体管和四个续流二极管组成。四个大功率管分为两组， v1 和 v4 一组，v2 和 v3 一组。同一组中的两个晶体同时导通，同时关断，两组 晶体管之间是交替地轮流导通和截止的。亦即基极驱动信号 Ub1= Ub4， Ub2=Ub3=Ub1。由于允许电流方向，所以双极模式工作时电枢电流始终是连续 的4。 H 型双极模式 PWM 功率转换电路只需要单一电源供电，晶体管的耐压相对 要求较低，缺点是电枢电压悬浮，不便于引出反馈。高压伺服电动机普遍采用 H 型电路。 图 2-2H 型双极模式 PWM 功率转换电路 2.2.32.2.32.2.32.2.3 型单极模式型单极模式型单极模式型单极模式 PWMPWMPWMPWM 系统系统系统系统 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 图 2-3 H 型单极模式 PWM 功率转换电路 图 2-4 H 型单极性驱动器波形 单极性驱动方式是指在一个 PWM 周期内，电动机电枢只承受单极性的电 压，图 2-3 是单极性可逆 PWM 驱动系统，Ub1-Ub4 是四个晶体管的控制电 压。从图 2-4 中可以看出开关管 V1、V4 并不时时导通，时间 t 从零到 t1，Ub1 与 Ub4 同为高电平，VI、V4 导通，此时，Ub2，Ub3 为低电平，V2、V3 截 至。从 t1 到 t2，Ub1 与 Ub3 同为高电平，但此时 V3 不能直接导通，电枢电压 通过 VD3 和 V1 续流，从而使 V3 承受反向的集电极一发射极电压。从 t2 到 t3，Ub1 与 Ub4 同为高电平，V1 还导通，V4 又导通，电枢电压为正；从 t3 到 t4，Ub2 与 Ub4 同为高电平，但 V2 不能导通，电枢反电动势使 VD2 导通，电 流流经 V4 和 VD2，电流下降。一个周期内，电流两次上升，两次下降。在每 一个周期内有四个脉冲。 2.32.32.32.3 速度反馈单闭环直流电动机控制系统速度反馈单闭环直流电动机控制系统速度反馈单闭环直流电动机控制系统速度反馈单闭环直流电动机控制系统 电动机开环运行时，静差率和调速范围很难满足生产机械和控制系统的要 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 12 - 求，为了扩大调速范围，必须减小静态转速降落。按反馈控制原理组成转速闭 环系统就是减小或消除静态转速降落的有效途径。转速闭环反馈是调速系统的 基本反馈形式。 根据反馈控制理论，采用负反馈控制可以有效地改善系统的控制性能。在 电机的闭环控制中，调节器一般采用 PI 调节器。常规的模拟 PI 控制系统原理 框图见图 2-5。该系统由模拟 PI 调节器和被控对象组成5。图中，r(t)是给定 值，y(t)实系统的实际输出值，给定值与实际输出值构成控制偏差 e(t) e(t)=r(t)-y(t)(2-5) e(t)作为 PI 调节器的输入，u(t)作为 Pl 调节器的输出和被控对象的输入。所 以模拟 PI 控制器的控制规律为： u T 0 1 0 1 e(t)dt 1 e(t)+= k k k kp p p p u(t)u(t)u(t)u(t) (2-6) 式中，为比例系数，为积分常数。 比 例比 例 积 分积 分被 控 对 象被 控 对 象 y y y y( ( ( (t t t t) ) ) ) + + + + - - - - r r r r( ( ( (t t t t) ) ) )e e e e( ( ( (t t t t) ) ) ) + + + + + + + + U U U U( ( ( (t t t t) ) ) ) 图 2-5 PI 控制系统原理图 比例调节的作用是对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即 产生控制作用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例 系数，比例系数越大，控制越强，但过大会导致系统振荡，破坏系统的稳定 性。积分调节的作用是消除静态误差。但它也会降低系统的响应速度，增加系 统的超调量。 2.42.42.42.4 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章从永磁直流电动机的数学模型入手，系统地论述了永磁直流电动机机 械特性，介绍了直流电机调速的方法，在此基础上，重点介绍了 PWM 调速系 统原理和闭环控制的性能和组成，为控制系统的设计打下基础。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 13 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 伺服系统硬件设计介绍伺服系统硬件设计介绍伺服系统硬件设计介绍伺服系统硬件设计介绍 单片机又称为微控制器，或称为嵌入式微控制器。单片机依靠其高的可靠 性能和极高的性价比，在自动门控制系统中得到广泛的应用。下面详细介绍自 动门控制装置的硬件设计。 3.13.13.13.1 硬件设计总体架构硬件设计总体架构硬件设计总体架构硬件设计总体架构 自动门控制系统的功能，开关按键按下，自动门打开；开门传感器检测到 开门信号，自动门打开：防夹传感器检测到信号，自动门打开。根据自动门的 工作过程，可以得出自动门的状态。 无物体靠近门时，如果门处于开启状态，延时适当的时间以后以最佳速度 曲线关闭门；如果门处于关闭状态，维持此状态。有物体靠近门时，控制器根 据门的位置状态，获取相应的作用信号，决定门的动作： 1.门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度曲线打开门。 2.门处于半开状态，控制器应根据门当前所在的位置，以适当的速度驱动执 行电机开门。 3.门处于开启状态，控制器使门保持开启状态。 正常开门关门过程中，我们把电机运动都分成四个阶段：加速、高速匀 速、减速、低速保持。电机首先从 0 初速度加速，直至最高速度 V，维持一段 距离，就开始减速，最后以超低速运动到终点，以尽量减少门对门框或对另一 扇门的撞击。67相应的开门速度曲线如图 3-1 所示。 图 3-1 自动门的开关门速度曲线 开门时：OA 为低电压起动段，AB 为低速运行段，BC 为升压加速开门 段，CD 为快速开门段，DE 为降压减速段，EF 为低速运行段，FG 为关电停车 段。 关门时：GF 为低电压起动段，FE 为低速运行段，ED 为升压加速关门段， DC 为快速关门段，CB 为降压减速段，BA 为低速运行段，AO 为关电停车段。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 14 - 控制系统主要由单片机控制电路及其外围器件、电源部分、驱动电路部分 组成。系统框图如图 3-2。 开关按键：检测开门信号电路。 红外信号：检测红外信号电路。 控制器部分：主要是单片机 驱动电路：扩大驱动功率以驱动 270W 的直流电机。 反馈电路：光电编码器，形成闭环控制电路。 开 关 按 键开 关 按 键 红 外 信 号红 外 信 号 控 制 器控 制 器 反 馈 电 路反 馈 电 路 驱 动 电 路驱 动 电 路电 机电 机 电 源电 源电 源电 源负 载负 载 图 3-2 系统原理框图 3.23.23.23.2 控制电路设计控制电路设计控制电路设计控制电路设计 3.2.13.2.13.2.13.2.1 单片机的发展趋势单片机的发展趋势单片机的发展趋势单片机的发展趋势 自单片机诞生至今，单片机技术己经走过了 20 多年的发展历程。纵观 20 多年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术 及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微 处理器更具个性的发展趋势。 目前，单片机内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上都有了 很大的技术进步，表现出如下几大趋势： 1:可靠性及应用水平越来越高和互联网连接已是一种明显的走向。 2:所集成的部件越来越多。NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语 音、图象等部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集 成电路，而不在于其功能了，如果从功能上它可以讲是万用机。原因是其内部 己集成上各种应用电路。 3:电压功耗越来越低。允许使用的电源电压范围也越来越宽。 4:低噪声，速度快，最高达 100MHz，可靠性高。为提高单片机抗干扰能 力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。 5:模拟电路结合越来越多。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 15 - 单片机应用的意义不仅限于它的广阔的范围以及带来的经济效益，更重要 的意义在于，单片机的应用从根本上改变了传统的控制系统的设计思想和设计 方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已用单片 机通过软件的方法实现了，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机应用的 推广和普及，微机控制技术必将不断发展，日益完善。更加充实8。 3.2.23.2.23.2.23.2.2 AT89C52AT89C52AT89C52AT89C52 单片机概述单片机概述单片机概述单片机概述 ATMEL 公司是美国 20 世纪 80 年代中期成立并发展起来的半导体公司。该 公司的技术优势在于推出 Flash 存储器技术和高质量、高可靠性的生产技术，它 率先将独特的 Flash 存储技术注入于单片机产品中。其推出的 AT89 系列单片 机，在世界电子技术行业中引起了极大的反响，在国内也受到广大用户欢迎 9。 AT89C52 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能。cmos8 位单片机， 片内含 8k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 256k byte 随机 存取数据存储器（RAM） 。器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术 生产，与标准 MCS-51 的指令系统及 8052 产品引脚兼容，32 个可编程 I/O 口 线、3 个 16 位定时/计数器、三级加密程序存储器、低功耗空闲和掉电模式、片 内置通用 8 位中央处理器（cpu）和 Flash 存储单元10。 引脚功能说明： Vcc：电源电压 GND：地 P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复 用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对 端口 P0 写“1”时，可作为高阻抗输入端用。 在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在 FLASH 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时要求外接上拉电 阻。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级 可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部 的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。做输入口使用时，因为内 部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 P2 口：P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级 可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上 拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。做输入口使用时，因为内部存 在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器时，P2 口输出锁存器的内容。 Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 16 - RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电 平将使单片机复位。 PSEN：程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号， 当 AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器时，将跳过两次 PSEN信号。 ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存 允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡 频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要 注意的是，每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 对 Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲。 （PROG） EA/Vpp：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H 一 FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。须注意的是，如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 如 EA 端为高电平（接 Vcc端） ，CPU 则执行内部存储器中的指令。Flash 存 储器编程时，该引脚加上编程允许电源 Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器的/内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器输出端11。 3.33.33.33.3 存储器接口方法存储器接口方法存储器接口方法存储器接口方法 门机控制系统需要将门宽参数长期可靠保存，即使重新加电工作，也能保 证系统正常运行。早期普遍采用的是电池维持 RAM 供电以实现整机掉电后的 数据保存。但这样做会由于电池本身的原因。如电池的使用寿命相对较短及某 些恶劣环境高湿高温等）导致电池失效，而引起数据丢失的情况出现。同时 电池体积相对较大，会严重限制某些电子产品的微型化设计。目前非易失性的 数据保存方法多采用 EEPROM。但 EEPROM 也有其弱点，一是擦次数有限 （多为 10 万次） ，二是定入速率慢，这样就限制了其在许多需要频繁更新数据 且需高速传输数据场合中的应用。 要满足上述参数设置和保存的要求，系统参数应保存于电可擦除存储器 EEPROM 中，EEPROM 采用 Xicor 公司的 X24C44 存储器。X2C44 是 Xicor 公 司开发的一种设计思想独特的非易失性存储器。这种器件将 RAM 和 EEPROM 制作在同一块芯片上。RAM 存储阵列的各个 bit 与 EEPROM 存储阵列的各个 bit 一一对应，通过软件指令或外部输入能够使数据在两个存储阵列之间相互传 送。其中的 RAM 存储阵列正常工作时能实现数据与外部芯片的随机存取功 能，X24C44 是一个 8 脚 EEPROM 芯片，内部共有 32 字节存储空间，其内容通 过三线串行接 CI 读写，写入的内容可保存十年，且可重写十万次以上。由于 X24C44 读写接口仅用三个引脚：时钟、数据输入和数据输出，存储空间足以满 足本系统参数的容量要求，因而使用相当方便。单片机与 EEPROM 的硬件接线 如图 3-3 所示。其中，引脚 1 为 CS，是 X24C44 芯片的片选信号，为高电平有 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 17 - 效；引脚 2 为 CK，是芯片的时钟同步信号；引脚 3 为 D1，是向芯片输入数据 的信号线；D0 是芯片输出数据的信号线。其操作过程可分为读出和写入的操作 过程：首先，在时钟信号的同步下，单片机按串行位向芯片的 Dl 信号线发送操 作命令和地址；然后，X24C44 芯片按相应的命令进行处理，将数据输出到 D0 信号线，在时钟信号的同步下，单片机可按位读入数据。 图 3-3 单片机与 EEPROM 的接口电路 3.43.43.43.4 单片机外围电路单片机外围电路单片机外围电路单片机外围电路 1.时钟电路。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本 身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯 一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。而时序所研究的是指令执行中各 信号之间的相互时间关系。 在 AT89 系列单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引 脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。可以利用单片机内部的振荡器产生时钟，只 要在 XTAL1 和 XTAL2 两个引脚跨接晶体振荡器和电容，就构成了一个完整的 振荡信号发生器。 2.复位电路。AT89C52 单片机在启动时需要复位，使 CPU 及系统各部件处 于确定的初始状态，并从初始状态开始工作，因此要求系统的复位电路必须能 够准确、可靠地工作。复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种方式，在 本设计中采用具有上电自动复位和按键复位两种功能的复位电路，电路图如图 3-4 所示：AT89C52 单片机的复位信号是从 RST 引脚输入到芯片内部的施密特 触发器中。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果 RST 引脚上有 一个高电平并且维持 2 个机器周期（24 个振荡周期） ，则 CPU 就可以响应并将 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 18 - 系统复位。因此要想保证单片机能够可靠的复位，在应用系统的电路设计中， 就要使 RST 引脚保持 10ns 以上的高电平，使 AT89C52 能循环到复位状态。当 单片机复位后，也就是 RST 从高电平变成低电平后，AT89C52 单片机就从 0000H 地址开始执行程序12。 图 3-4 复位电路 复位以后 AT89C52 单片机的复位状态见表 3-1。 表 3-1 单片机复位状态表 专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态 PC000HTMOD00H ACC00HTCON00H B00HTH000H PSW00HTL000H SP07HTH100H DPTR000HTL100H P0-P3FFHSCON00H IPXXX0 000BSBUFXXXX XXXXB IE0XX0 00OBPCON0XXX 000B 复位以后，P0 口P3 口输出为高电平，且使这些准双向口皆处于输入状 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 19 - 态；串行口 SBUF 内为不定值，堆栈指针 SP 的值为 07H，同时将程序计数器 PC 和其它特殊功能寄存器清 0。但是，复位并不影响单片机内部的 RAM 状 态。 3.红外感应电路。根据传感器应用场合不同，感应的距离范围不同，可从 几毫米到几米。对于自动门开关传感器，反射距离设定在几十厘米左右，因此 探测的传感器选用 FS-359F 反射红外传感器，048W 型封装。该封装形状规则， 便于安装。红外传感器的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏 管接收调制的红外信号。在使用约 40mA 的发射电流，没有强烈日光干扰探测 距离能达 20cm，基本满足探测距离要求。红外传感器的电路有多种形式，在这 里为了安装调试方便，我们采用了如图 3-5 的电路形式： 图 3-5 红外传感器连接图 图中红外传感器 1 作为开门信号检测器件，当检测到有物体时，给单片机 开门信号；红外传感器 2 作为在关门过程中，检测是否有物体靠近。如果有信 号，停止关门过程，重新打开。 4.开关按键电路。门开关按键选用一般的按键开关，实现三个功能。 A.优先开门按键：当触点 1 闭合时，优先开门信号有效。此信号有效时， 即使关门信号有效也将控制门打开；若正在关门，则反开门至最大并保持在该 位置。 B.快关门按键：当触点 2 闭合时，快关门信号有效。此信号有效时，除优 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 20 - 先开门信号有效外，不管其它信号是否有效，都将控制门机以最快速度关门。 D.慢关门按键：当触点 3 闭合时，慢关门信号有效。此信号有效时，将不 受光电检测结果影响，控制门机慢速关闭。电路接线图见图 3-6。 图 3-6 开关按钮检测电路 3.53.53.53.5 驱动电路设计驱动电路设计驱动电路设计驱动电路设计 一:大功率开关管: 常用的大功率可控开关管主要有大功率双极型晶体管（GTR） 、大功率电力 效应管（MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。 功率 MOSFET 器件是一种单极性的电压控制器件，不但有自关断能力，而 且有驱动功率小、工作速度高、无二次击穿问题、安全区域宽等优点。 根据载流子的性质可以将功率管 MOSFET 器件分为两类，一类是 N 沟道类 型；另一种是 P 沟道类型。为了提高功率 MOSFET 器件的耐压和电流容量，采 用垂直导电的结构制作功率 MOSFET 器件，称为 VMOSFET：VMOSFET 的结 构使得器件实现了下述三项突破： 1、垂直安装漏极，实现了垂直导电。这样不仅使硅片的面积得到充分的利 用，基本实现了垂直传导漏源电流，而且有效降低了导通电阻，为获得较大的 电流容量提供了前提保证。 2、设置高电阻率的 N 型漂移区以帮助提高器件的耐压性能，而且降低了结 电容，并且使沟道长度稳定。 3、采用两次扩散技术代替光刻工艺实现高精度短沟道的制造，根据目前的 水平，获得 1-2m 的沟道长度是可行的。短沟道能够降低栅极下端二氧化硅层 的栅沟本征电容和沟道电阻，从而提高器件的工作频率和开关速度，并使输出 特性具有良好的线性。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 21 - 本设计采用的功率 MOSFET 开关管为 IR 公司出品的 IRF 530，该款器件的 耐压为 100V，电流容量为 17A，具有工作频率高、驱动容易的特点。 二.驱动芯片介绍: 现在的电机驱动电路往往要求体积小、重量轻、效率高、易操作，通常在 苛刻的环境条件下，尤其在军工产品中，设计者非常希望尽可能地减少器件数 量。HIP4080A 以其自身的高集成度和完善功能成为组成电机驱动控制系统的理 想选择方案。HIP4080A 是高频 H 桥驱动控制电路家族 H4080A 中的一员，大 部分设计都采用它的全桥布局技术，在绕线电机、步进电机、功放、电源逆变 器驱动等领域有广泛的应用，电机驱动和功放能够有效利用 H4080A 内置比较 器，HIP4080A 是目前许多电机驱动方式中一种较先进驱动模式。 三.驱动电路设计 设计性能良好的驱动电路，可以使 MOSFET 工作在比较理想的开关状态、 缩短开关时间、减小开关功耗、提高功率转换电路的运行效率。MOSFET 栅极 驱动方式主要有变压器驱动法、直接驱动法和光祸隔离驱动法。变压器驱动法 有利于驱动信号的隔离、驱动功率损耗很小，但限制了使用频率，不利于 PWM 信号的传输。直接驱动法适用于小容量的不加保护的 MOSFET 的场合。光祸隔 离驱动法对光祸的要求较高，要求光祸速度快，绝缘耐压高于电源电压，共模 抑制比大。 3.63.63.63.6 控制电源设计控制电源设计控制电源设计控制电源设计 电源模块的稳定可靠性是整个系统正常工作的重要保证，它的不稳定直接 影响整个系统的无法正常工作甚至烧毁整个系统。本设计所需要的直流电源是 小功率电源，将频率 50HZ、电压 220V 的三相交流电转换成幅值稳定的直流电 压。单相直流电经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路转换成稳定的直 流电源电压。设计中所要用到的电源有： 单片机、7404、7408、FS-359F，X24C44 等芯片供电电压 5V；光电耦合器 中的光敏三极管集电极上拉电阻的给定电压 5V；HIP4080AIP 的供电电压 12V；直流电机的电枢供电电压 42V。因此，电源设计的任务就是得到两个 +5V，一个 12V 和一个+42V 电压。 输入电压为 220V/5OHZ，考虑安全因素，在整流滤波之前添加一个开关和 保险丝。由于市电电压经常不稳定，这对整个系统带来不可靠因素，为此，在 电源两端并接磁片电容和阻频电容，这个可以减少电压波动的影响。然后在整 个电路中串接一个遏流圈，不仅可以做低通滤波器，可以滤除输入电压中的高 频部分，而且还可以起限制电流的作用，当电流过高时，遏流圈会烧毁。然后 再串接一个热敏电阻，它的作用是，当电流增大时，电阻的阻值迅速增大，以 限制电流的增大，然后再并接一个压敏电阻，它对后面的电路起着分流的作 用，当电压增大时，它的电阻反而减少，从而分去的电流增大，使工作电流减 少。如图 3-7。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 22 - 图 3-7 电源部分电路图 整流电路采用不可控整流桥整流，电路完全由不可控二极管组成，其直流 整流输出电压和交流电源电压值的比是固定不变的；稳压电路采用集成化的三 端稳压管 7812 和 7805 芯片稳压，分别稳压输出+12V 和+5V 的稳定电压；7812 和 7805 的输入端所加的电容，其作用是抵消输入线较长时的电感效应，以防止 电路产生自激振荡，其容量较小，一般小于 1F，这里取 0.1F；