第六届电子设计大赛---自动门控制系统.doc

合肥学院第六届电子设计大赛设计题目： 自动门控制系统 系 别： 电子信息与电气工程系 年级专业： 08级电气信息类 小组成员： 冯立志 0805070014 侯青俊 0805070139 闫超众 0805070146 2010年 3月21日电子设计目录1 引言- 2 -2方案设计- 2 -2.1 设计思路- 2 -22 方案的论证与比较- 2 -3 系统设计- 5 -3.1 总体设计- 5 -3.2系统硬件电路设计- 6 -3.3 系统软件设计- 7 -4 系统测试- 7 -4.1 硬件测试- 7 -4.2 软件测试- 8 -5总结- 8 -参考文献：- 9 -附录- 9 -摘要：本自动门控制系统是以人体检测和单片机控制为核心模块，辅以门位置检测模块、电机及驱动模块。基于人体向外发射红外线等特点，利用传感器的检测和单片机自动控制技术，实现门的自动开关和防夹人等功能。关键词：单片机，直流电机，传感器，热释电型红外传感器1 引言随着科技的不断进步，社会的快速发展。人类生活水平日益提高，在现代生活中越来越多的电子产品应用于我们的日常生活中。其中，作为酒店、银行、机场、写字楼等公共场合的进出设备，自动门的使用给人们带来了极大方便。本设计便是完成一个自动门控制系统。根据分析，基本要求有：（1）1m以内有物接近时应开启；（2）物体1m以外应关闭（3）确保无夹人事故发生；（4）关闭缝隙1mm，关闭过程中无碰撞。发挥部分有：（1）开启和关闭过程中无抖动；（2）根据人流量的多少，自动调节门开幅度；（3）感应无盲区等其它功能。自动门即不需要人的操作门会根据情况自动开启和关闭。故自动门控制系统的关键在于对门开启和关闭条件的检测和对电机的控制。2方案设计2.1 设计思路由以上分析，设计的关键是1m范围内人体的检测。若能选择合适的检测装置，即能实现有人在1m内开门，1m外关门。本系统包括控制器、人体检测模块、门位置检测、电机及驱动模块等模块。系统框图如下图一所示。 由人体检测模块检测到人体信号后给控制器即单片机，单片机发送信号给电机驱动控制电机正转开门，延时后单片机再给电机驱动一个关门信号，则电机反转关门，当关门时有人来或有夹人时则重新打开门。22 方案的论证与比较一、开门人体检测模块方案一：热释电型红外传感器。热释电红外传感器主要用来检测红外线的增量,对于与背景温度高出几度的温差,将会作出迅速的响应。因此，可以用来开门人体的检测，当门前有人体移动时，传感器的输出端就会立即输出一个高电平,让执行器件作出开门反应。若有人常时间站在门口不动则不与开门。若采用被动式二元或四元感应探头加配圆形菲涅尔镜片，不仅增加了感应的灵敏度把感应距离从2m到10m，还加大了感应的视角，近似一个圆锥体。在自动门上方倾斜放置即可形成近似半径一米的半圆柱感应区域。通过这种传感器不仅实现当有人在1m内移动时开门，1m外关门，而且达到感应基本无盲区、系统功耗低等要求。方案二：CMOS摄像头。将三台CMOS数码相机合适地安放在摄影装置上, 三台相机同时对坐标已知的标志点进行摄影,综合利用摄影装置与标志点形成的角度观测量与所在区域的高程库信息,解算出摄影装置的高精度坐标。 这种校差摄影定位差值在1 cm左右。CMOS校差摄影定摄影测量具有机动性好、时效性高、目的性强等优点。但它需要软件辅助比对色差，算法也比较复杂，CMOS影像传感器首要解决的问题就是降低噪声的产生。方案三： ASDX-DO压力传感器。将压力传感器置于门前一定位置，事先设置好一个体重值范围，当压力传感器受压而达到特定值时会正的压力值，让执行器件作出开门反应。适用于空气和干燥气体等无腐蚀、非离子的工作流体。但是盲区大，误差大，寿命底。综合低功耗，控制简单，测量精度等条件选择方案一较为合适。二、防夹人及人流量检测模块红外对管传感器由一对红外发光二极管构成，一个为发射管，一个为接收管。当两管之间没有障碍物时，由发射管发送的红外线可以到达接收管，使接收管的PN节导通，在比较器的一端产生电平变化，经过比较器后输出相应电平。利用此原理可以来探测两管之间有没有障碍物。本设计中，将对管传感器装于两扇门上，可用于检测门中间是否有人；将两对红外对管分别置于两扇门上向外，通过人体反射使接收管检测到信号，可用于检测人流量多少。三、门位置检测模块方案一：将对管传感器装于两扇门上，可用于检测门中间是否有人。在门的两侧边缘各装两对红外对管传感器，调节红外对管检测的距离即可轻松实现门位置的检测，同时检测距离的可调性降低了系统对机械部分的要求。 方案二：限位开关。限位开关即一个开关，通过外围电路给出高低电平信号，可判断门的位置，是否完全关闭或开启。限位开关不仅外围电路很简单，而且能使门立即停下来。基于以上分析，为了减少外围电路，并能更加方便位置的检测，我们采用了方案二。四、主控制模块方案一：采用AT89S52作为中央处理器。该MCU最大的特点就是性价比非常高，而且很适合做控制。是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器，具有256 字节RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。方案二：采用C8051F005作为中央处理器。C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，两个 12 位DAC，两个比较器：16 个可编程滞回电压值且可用于产生中断或复位，2304 字节数据存储器，32K 字节闪速存储器可以在系统编程扇区大小为512 字节，32 个I/O 口线所有口线均容许5V 电压。对于该系统，主要是用于控制，内部不需要数模转换，而且两款单片机的许多功能类似，AT89S52即可满足设计要求，所以我们采用方案一。五、电动机模块 电动机是整个系统的动力装置，在自动门控制系统中占有非常重要的地位。由于自动门广泛应用于各种公共场合，需要对其进行人性化的设计，合理控制自动门的开合、速度及大小,并且，要做到开启和关闭过程中无抖动，这就要求电动机具有较高的性能。为此，我们研究了以下几种方案：方案一：交流异步电动机它具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。但其变频调速性能较差，不适合调速控制，虽然现在已有解决此问题的方案，但其较为复杂，对其技术了解不够清楚。方案二：步进电动机 步进电动机的驱动电源由变频脉冲信号源、脉冲分配器及脉冲放大器组成，由此驱动电源向电机绕组提供脉冲电流。具有良好的控制性能，在正确的使用下，不受电压波动、负载变化及温度气压等因素的影响。其角位移仅与输入脉冲严格成比例。步进电动机响应快，易于起停，正反转及变速。但其只能通过脉冲电源供电才能进行，且存在振荡和失步现象，自身的噪声和振动也较大，带惯性能力较差。步进电动机具有良好的控制性能，在正确的使用下，不受电压波动、负载变化及温度气压等因素的影响。其角位移仅与输入脉冲严格成比例。步进电动机响应快，易于起停，正反转及变速。但其只能通过脉冲电源供电才能进行，且存在振荡和失步现象，自身的噪声和振动也较大，带惯性能力较差。方案三：直流电动机直流电动机是一种直流电源的电能转换为机械能的电磁装置，且有优良的调速特性以及宽调速范围，最低与最高转速之比一般可做到1：200，调节特性平滑、控制方便。启动性能好、过载性能强，可承受频繁冲击、制动和反转。允许冲击电流可达额定电流的35倍。同功率、同转速的直流电动机与异步电动机相比，具有体积小、效率高等优点。综上几种方案的比较分析即要符合要求又要成本低，我们选择了方案三。六、电动机驱动模块方案一：三级管驱动。三级管驱动中对三级管要求较高，电动机的工作电流一般都比较大，若采用一般三极管很容易烧掉，另外，损耗大，驱动较复杂，加大了电路板的体积，而且稳定性不高。方案二：L298集成芯片驱动。L298是一款单片集成的高电压、高电流、双路全桥式电机驱动，设计用于连接标准TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电器、线圈、DC和步进电机）。L298提供两个使能输入端，可以在不依赖于输入信号的情况下，使能或禁用L298器件。L298实际上是一个4通道逻辑驱动电路，及将逻辑控制电平进行功率放大，变为可以用于功率驱动的电压。VCC接逻辑控制的电源。VS为电机驱动电源。IN1IN4输入引脚为标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关，即实现电机的正反转。ENA，ENB引脚则为使能控制端，用来输入PWM信号实现电机调速。1，15脚是输出电流反馈引脚，通常在使用中这两个引脚直接接地。为了使做出来的电路体积小，系统稳定等要求，我们采用方案二。输入控制端电机OUT1相应状态IN1IN200停停01反转关门10正转开门L298 控制电机状态3 系统设计3.1 总体设计自动门的整体设置是将两块门板设置在同一导轨上（可沿导轨移动移动），而与导轨连接的另一个是电机驱动装置，驱动装置通过皮带提供动力来带动门板在导轨内滑动。自动门系统的驱动装置是一组电机组件，主控制器单片机是自动门的指挥中心，通过内部指令程序，发出相应指令，指挥电机工作。对于探测与接受外部信号则由感应探测器（热释电人体红外传感器模块）完成，若在其工作范围里探测到运动生命体存在，它会向单片机发出信号，便由单片机发出相应的指令，电机提供开门与关门的主动力并执行开关门动作。自动门门扇完成一次对开与对关过程的工作流程为：热释电红外人体传感器将探测信号传至主控制器，主控制器单片机判断后实行电流控制作用。电机得到一定运行电流后做正向运行，将动力经传动机构使自动门扇开启；自动伸缩门扇开启后由控制器做出判断，控制电机作反向运动，关闭自动门扇。驱动模块直流电机电源自动门3.2系统硬件电路设计一、人体检测电路人体检测电路可由双元型热释红外传感器P2288-02来实现。它只感应7-14M 波长的活动人体红外辐射线，不会受环境温度及可见光的影响。同时在传感器上加配菲涅尔透镜（菲涅耳透镜的工作原理是将移动物体或人体发射的红外线进入透镜，产生一个交替的“盲区”和“高灵敏度区”，这样就产生光脉冲。）增强了传感器的检测能力。由于热释电红外传感头输出的信号幅度很小（mV级）、频率很低（约0.1-8Hz），导致对放大处理电路要求高：在达到很高的灵敏度准确的鉴别生物体和非生物体的运动的同时使误报率最低，还要能做到体积小、耗电微、外围元件小。因此，我们采用BIS0001作为人体红外信号的处理芯片。BISS0001的特点是有很高的放大倍数，而且还能抑制负载切换过程中产生的各种干扰等（电路图见附录图三）。二、红外对管防夹人及人流量检测电路防夹人电路设置是在门的两侧分别设置一个发射管和一个接收管，通过电压比较器LM324（当门中间无人时输出低电平 ，当中间有人时输出高电平，据此可检测有没有夹人情况出现）完成防夹人电路。人流检测电路设置是当两对向外的红外对管在有人时输出低电平，无人时输出高电平，据此可根据人流量多少控制开门幅度。红外对管夹人检测电路详见附录图四。三、门位置检测电路门位置检测电路核心设置是限位开关（限位开关本质即为一个开关，所以可用附录图一电路）。通过限位开关的打开和关闭，实现高低电平的变化，然后将信号传输给控制器，再有控制器进行命令控制。四、电机及驱动电路本系统采用的是L298恒压恒流型桥式驱动芯片（L298芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机 具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的，相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298芯片是具有15个引出脚的多瓦数直插式封装的集成芯片）。当单片机接受到外界信号经处理后，再传递给驱动电路，最后由驱动电路控制电机进行工作，L298可以驱动46V，2A的电机，其引脚5、7、10、12接输入控制电平来控制电机的正反转，引脚6、11接使能端来控制电机停转。具体电路图见附录图五。同时考虑为保证关闭缝隙1mm，关闭过程中无碰撞。故要有设置稳定电机的转动，确保门关闭时不碰撞。六、单片机及整体电路单片机采用AT89S52,用P2.7口接热释电信号采集处理电路，用P2.6-2.3口接红外对管夹人、按键开门及门位置信号检测电路，用P2.2-P2.0口接电动机模块用P1.0和P1.1口接人流量检测电路。通过单片机对各接口高低电平的控制即可轻松实现了开关门的自动化。整体电路图见附录图六。考虑到热释电红外人体感应模块与单片机模块之间相互影响，出现异常（单片机端口的高低电平不随热释电人体红外传感器输出高低电平的变化而变化）。所以我们在两模块间接入用LM324组成的电压跟随器，阻断干扰。3.3 系统软件设计根据题目设置：（1）1m以内有物接近时应开启；（2）物体1m以外应关闭。（3）确保无夹人事故发生；（4）关闭缝隙1mm，关闭过程中无碰撞。故自动门控制系统软件设计基本程序为开门程序和关门程序。即当门前1米有人或按开门按钮时，热释电红外人体传感器检测到信号后传给单片机，单片机收到信号后执行开门程序并由人流量检测模块控制开门幅度。当两个对管都未检测到信号时停开门，此时如果继续有人来则继续开门。如无人在感应区内移动，则执行关门程序，当突然有夹人信号，则门立即全部打开，防止夹人事故的发生。如果没有人在门中间或在门口移动，则重新执行关门程序，最后两扇门完全关闭。由于热释电红外传感器在检测到有人移动开门后，会自动延时3-4秒，因此，在软件上不必再设置延时程序。具体流程图见附录图图七所示。4 系统测试4.1 硬件测试由于大赛时间的限制，我们在完成理论设计后暂时没有时间完成作品的实际制作即无法知晓作品的实际效果。故我们在此提供我们进行硬件测试的基本思路和设想。我们采用由点到面的方法，也就是首先逐一对硬件模块设备进行验证测试，如果确认无误，再利用它去验证别的设备，最后将整体组合后进行整体测试与调整。4.2 软件测试本过程我们拟定采用逐步加大测试难度的方法进行软件系统测试。在初始门关闭情况下我们依次进行如下测试：测试状态测试结果预期实现要求1米内有一人移动待测一米内有人开门且门无抖动进来一人待测根据人流量的多少，自动调节门开幅度再进来三人待测进人后一米内无人一段时间待测一米内无人关闭突然有人来待测门自开有人在门扇之间待测确保无夹人事故发生人进入门中待测人又突然移到门中间待测人离开一米区域待测关闭缝隙1mm，关闭过程中无碰撞5总结这次比赛中，我们充分发挥团队协作精神，积极工作并最终完成了作品的报告设计，通关过这次比赛使我们加深了对电子设计的热爱，并从中受益颇多。本作品以AT89S52单片机为核心控制部分，利用热释电及红外对管检测技术，根据人流量自动控制门的开合和幅度，经过测试系统运行良好。在这里，感谢合肥学院电子设计大赛组委会及协办单位给我们这次锻炼的机会，使我们能对所学理论知识实际应用，加深对本专业的了解。参考文献：1 高吉祥 数字系统与自动控制系统设计 电子工业出版社 2007.62 王晓明 电动机的单片机控制 北京航空航天大学出版社 2002.53 来清民 传感器与单片机接口及实例 北京航空航天大学出版社 2008.14 刘华东 电子CAD技术-protel电路设计 清华大学出版社 2007.65 赵文博 刘文涛 单片机语言51程序设计 人民邮电出版社 2005.106 谢自美 电子线路设计 华中科大出版社 2009.77 康华光 电子技术基础-模拟部分 高等教育出版社 2009.78 康华光 电子技术基础数字部分 高等教育出版社 2010.1附录附录1：系统电路图 图二 电压跟随器 图一 门位置检测电路图三 热释电红外人体检测电路图四 红外对管夹人检测电路图五 电机及驱动电路图六 整体电路附录2：程序流程图 图七附录3：源程序#includesbit dj_1=P20;/电机1sbit dj_2=P21;/电机2sbit dj_en=P22;/电机使能端sbit menqk=P23;/高电平全开 门全开sbit menqg=P24;/高电平全关 门全闭sbit anjkm=P25;/低电平按下 按键开门sbit hongwjr=P26;/红外夹人检测sbit resd=P27;/热释电sbit renl1=P10