自动门控制系统2.doc

自动们控制系统 董晓雅自动门控制系统董晓雅 10港控12班摘 要在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经是随处可见。自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，当人走近自动门时，感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。本设计基于AT89C52单片机、人体热释电传感器、ULN2003、步进电机设计了一种自动门控制系统，详细介绍了系统的整体工作原理、分析了系统的硬件及软件设计，并且基于仿真软件PROTEUS制作了仿真，仿真结果显示，系统整体工作良好。关键词： 自动门 单片机 PROTEUS22一、概述1.1课题背景随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活。所以，自动门进入人们的日常生活，成为宾馆、超市、银行等现代建筑所必备之物，是建筑智能化水平的重要指标之一。它具有美观大方、防风、防尘、降低噪音等优点，同时方便了人们出入，也方便了管理，增强了安全性。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。数字时代的发展将加快科学技术的发展。控制系统是自动门的心脏，也是衡量其设计制造水平的重要指标。目前单片机的应用渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置、飞机上各种仪表的控制、计算机的网络通讯与数据传输、工业自动化过程的实时控制和数据处理、广泛使用的各种智能IC卡、民用豪华轿车的安全保障系统、录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制、以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。1.2自动门系统现状自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。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。 自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。例如：各种用可识别控制的自动专用门，如：感应自动门(红外感应，微波感应，触摸感应，脚踏感应)、刷卡自动门等等。1.3本设计所做的主要工作本课题拟采用软硬件相结合组成实际控制系统。利用相关知识对自动门的工作原理和失效机理进行理论分析。在此基础上，完成对控制系统的设计。在硬件电路设计上，要实现系统各个功能模块的正确设计及连接。在软件编程方面，采用AT89C52单片机完成主控程序编写，实现对自动门的有效地监控。本课题主要分为以下几个具体实现步骤： 1. 整理要运用的知识： (1) 掌握单片机的基本工作原理及指令系统；(2) 掌握MCS-52单片机应用系统开发方法；(3) 熟练应用protel软件2. 查阅设计中需要的资料(1)电机的控制机理。(2) 人体热释电原理。(3) 采用AT89C52单片机编程，实现控制思想。3. 将各个单元融合到一起，对其可兼容性进行观测，每一部的融入对整个系统进行调试，从而达到一个总体的效果。同时对电路板、原理图进行绘制。二、功能需求分析2.1自动门发展的现状2009年受国际金融危机影响，众多行业的发展出现了不同程度的下滑，中国自动门行业却保持了较快的增长速度。从目前市场情况看，自动门产品还主要应用于经济发展的东部及东南沿海地区。自动门产品的应用正在不断的向内陆发达城市扩张，随着各省会城市的建设，以及外商投资向内地的转移，自动门的使用正在向内陆延伸。中国市场很大，这是中国自动门业取得发展的潜力所在。单中国住宅用门，每年大概就有2700亿元的市场容量，再加上工业用门，商业用门等。而今市场对自动旋转门的要求愈来愈高，分析人士认为，门业生产商不能仅满足传统意义上要求，除满足隔离、屏蔽、安全、开启等功能要求外，还要满足循环经济的要求，满足低碳经济的要求。自动门要实现可持续发展，环保非常关键和重要。有资料显示，门窗作为建筑维护的重要组成部分，其能耗占整个建筑物的30以上，因此，建筑物节能，门窗节能是不可能忽视的一个重要环节。2.2本设计实现的功能（1）根据该设计要实现的基本功能，设计大致应该分为信号采集，信号处理，信号控制和信号响应四个部分。 信号采集接收部分即通过热释电传感器采集。 信号处理部分是将热释电传感器采集到的信号进行必要的转换，为后一部分信号控制提供准备。信号控制部分是通过一预定控制方式等实现对设计要求的准确操作。 信号响应是实现控制部分的要求。三、 硬件设计3.1系统总体设计本设计要完成的功能是设计一个基于单片机的自动门控制系统。当热释电传感器检测到有人时，此时单片机驱动电动机转动。如果检测不到人了，停止电动机转动，如果再次检测到有人。再次启动电动机转动。此时根据以上要求，系统由单片机小系统，感应电路、控制电路组成，系统整体框图如图3-1所示。 单 片 机晶振电路复位电路控制电路感应电路图3-1 系统整体框图由PROTEL设计的电路原理图如图3-2所示89C52ULN2003图3-2 系统整体原理图 整机工作原理如下：Y1、C2、C3组成了晶振电路、电容C1、按键、电阻R5组成了复位电路、ULN2003做步进电机的驱动电路。U2是电动机；U4是USB供电口，给整个系统供电，U4和单片机的VCC连（引脚40）；P1是热释电传感器；P2是12V供电，给单片机供电， P2和单片机的VSS连（引脚20）。当热释电传感器检测到有人时，单片机如果检测到门是关着的旋转门就开始旋转。如果检测不到人了，就停止电机转动。如果再次检测到人，就再次启动电机转动。3.2子电路设计3.2.1单片机小系统图3-3 AT89C52引脚图AT89C52单片机特性如图2-3所述。该型号单片机与MCS-51产品完全兼容，具有8k字节的可重复擦写Flash闪速存储器，高达1000次的擦写周期，全静态操作：0HZ24MHZ，2568字节内部RAM，32个可编程I/O口线，3个16位定时/计数器，8个中断源，可编程串行UART通道，低功耗空闲和掉电模式 。单片机的主要特性AT89C52具有的标准功能如下：8k字节Flash闪速存储器，256bitde 内部数据随机存储器，32个I/O口线，3个具有16位的定时器/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器则会停止工作，并且同时禁止其他部件的工作，需要等到下一个硬件复位才能继续工作。AT89C52单片机的引脚功能P0：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即同时具有地址/数据总线功能的复用口。P1：P1口是8位双向输入/输出口，内部具有上拉电阻。P1口可以驱动4个TTL逻辑门电路。与 AT89C5l不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表2-1。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。表3-1：P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2（定时/计数器2外部计数脉冲输入），时钟输出P1.1T2EX（定时/计数2捕获/重装裁触发和方向控制）P2：P2口是8位双向输入/输出口，内部具有上拉电阻，P2可以可驱动4个TTL逻辑门电路。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，高8 位的地址数据会通过P2口送出。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口输出的内容是P2锁存器里存储的信息。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3：P3口是8位双向输入/输出口，内部具有上拉电阻，P2可以可驱动4个TTL逻辑门电路。P3不但可以作为一般的I/0口线外，还具备相对更重要的第二功能，如表2-2所示。表3-2：P3口第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0外部输入）P3.5T1（定时/计数器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）此外，对Flash快速存储器进行编程，校验程序等的一些具备控制功能的信号，也是由P3口进行接收。RST：复位信号输入。振荡器开始工作，只要RST端口引脚出现高电平，并持续两个周期以上，单片机将会复位。ALE/PROG：当需要访问外部RAM或者ROM时，锁存地址的低8位字节是通过ALE输出脉冲来操作的。在对Flash存储器进行编程的时候，该引脚也还兼具输入编程脉冲(PROG)的作用。如有需要对ALE进行操作进行阻止，可通过对SFR寄存器区中的8EH单元的D0位置位。该位被置后，再次需要激活ALE操作，只能通过一条MOVX和MOVX指令才能实现操作。此外，在单片机执行外部程序时，由于该引脚会被微弱拉高，影响稳定性，因此应设置ALE禁止位无效。PSEN：外部程序存储器的读选通信号通过程序储存允许（PSEN）输出，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，PSEN在一个机器周期内两次有效，输出的脉冲数量两个。在脉冲信号有效期间，需要对外部数据存储器进行访问，这时候会跳过这两次PSEN的脉冲信号。EA/VPP 允许外部访问。欲使CPU只能对外部程序存储器（地址为0000HFFFFH）进行访问，EA端口的电平必须维持在低位（接地）。不过：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则执行内部程序存储器中的指令。XTAL1：振荡器反相放大器的输入端及内部时钟发生器。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。单片机要想工作，必须要在XTAL1和XTAL2端口连接晶振电路，单片机工作速度也是由晶振电路决定的。典型的晶振电路如图3-4所示 图3-4 晶振电路在晶振电路中，电路中电容C3和C4对振荡频率有微调作用，通常的取值范围3010pF；石英晶体选择6MHz或12MHz都可以。其结果只是机器周期时间不同，影响记数器的记数初值和运算速度。图3-5 微分型复位电路本次设计采用微分型复位电路，电路图如图3-5所示。工作原理：以高电平为例，电源上电时，VCC可以当作是阶跃信号，复位端电压是下拉电阻R1在CPU复位端引起的电压值，一般为0.3V以下。但在实际应用中，VCC不可能为理想的阶跃信号。其主要原因有两点：（1）稳压电源的输出开关特性；（2）我们通常在设计电路时，为保证电源电压稳定性，往往在电源的输入端并联一个大电容，从而导致了VCC不可能为阶跃信号特征。从而影响了的复位电压的复位特性。电源、接地：单片机AT89C52所选用的是+5V的电源，接地直接接GND。由PORTEL设计的电路最小系统如图3-6所示：图3-6 单片机最小系统3.2.2人体热释电传感器在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。 (1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。 (2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。 (3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。 (4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。(5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距(感应距离)，从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 被动式热释电红外探头的优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。人体热释电传感器如图3-7所示： 图3-7 人体热释电传感器 人体热释电传感器与单片机连接图如图3-8所示89C52图3-8 人体热释电传感器与单片机连接图人体热释电传感器给出的是脉冲信号，2脚为信号端，输出信号的，连接单片机的P3.2引脚。3.2.3电机驱动电路 步进电机是一种将电脉冲转化为角度位移的执行机构。当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动角度。在大型仪器仪表系统中,经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。ULN2000高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控大功率器件,由于这类器件功能强、应用范围语广。在上述系列产品中,ULN2000系列能够同时驱动7组高压大电流负 载, ULN2003与单片机连接图如图3-9所示89C52ULN2003 图3-9 单片机与ULN2003连接图 四、 软件设计硬件部分只能提供一个平台，并且是最基本的功能平台。由于本系统是基于AT89C52单片机设计，单片机作为本系统的绝对核心的部件，负责驱动相关电路芯片工作，完成对人的检测、电机的驱动等功能。如果期望系统按照预想的需要进行工作，必须对单片机写入程序，程序便是软件设计。因此，除了完整的硬件电路，设计一个高效，符合罗技的程序，才能使得系统稳定的工作，体现系统的良好性能。4.1程流程图对于自动门来说，程序主要有一下流程：系统上电后，先做初始化，初始化完成后，系统检测人体热释电传感器，人体热释电传感器为开关量信号，如果检测到有人，人体热释电传感器输出高电平，随后单片机驱动开门，当检测到没人后，单片机控制关门，系统整体流程图如图3-1所示。开 始初始化是否有人YYN开门是否有人N关门图4-1 系统流程图 检测热释电传感器是否有人 继续转动 停止转动 延时否是图4-2循环程序流程图五、系统的仿真与测试在设计完成后，必须进行系统的硬件及软件调试，修改设计中的错误。调试应针对所设计的系统的自身特点。5.1 软件调试软件调试并非用实际调试，而是在仿真软件上进行模拟调试。软件开发环境： KEIL UV4编译软件。利用该软件可以对程序进行编译，改错和调试，该软件的模拟调试器支持单片机C语言源代码调试，其汇编程序支持宏汇编及模块化编程，使用方便。PROTEUS软件如图5-1所示Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。 其功能特点如下: Proteus软件具有其它工具软件（例：multisim）的功 5.2 系统测试及结果测试步骤1、通电；2、按下按键（代表热释电检测到有人）3、观察开门情况 4、松开按键（代表没人） 5、再次观察情况测试结果如下列图所示：图5-2 仿真图图 5-3 检测到有人 电机转动图5-4 无人了关门总结本次毕业设计的自动门系统，以AT89C52单片机为核心，是较常用和较典型的控制系统。AT89C52作为本设计的核心，本次主要应用了其在实时监测控制方面的功能。设计的成品能完成既定的主要功能，并且运行良好。这次毕业设计，不仅锻炼了我对常用芯片、软硬件设计方面的实用能力，同时也加深了对单片机等理论知识的了解。在电路的设计过程中，首先需要考虑的便是什么样的器件，什么样的参数才能达到使用要求并完成功能。并且要考虑到后期的可扩展性。初次设计实际系统的设计，自身深知还有相当多的不完善地方，但整个设计的过程中所学到的，受益匪浅。由于时间比较急，本次设计中还存在许多不足，比如，没有考虑在开关门过程中突然断电怎么办，我们可以在系统加入一个存储芯片，实时记录系统的转动角度，掉电后从重新上电从存储芯片中读出转动的角度，从而保证系统正常运行本设计作为一个小型系统，电路设计简单，使用的元器件比较少，并且功耗也比较低。随着科学技术的发展，该系统还应向网络化和智能化发展，可以说其前景非常广阔。本设计是在王凤华老师的指导下完成的，衷心感谢王凤华老师在毕业设计写作期间给予的精心指导。王凤华老师充分运用相关学科的知识分析和了解，从他那里我不仅学到了许多专业知识技能，而且从王凤华老师的身上学到了为人师表、严谨工作的优良作风，虽然王凤华老师工作繁忙，但在整个设计的写作过程中给予了我认真的指导和答疑。在此，我真诚地说一声：王凤华老师，您辛苦了，谢谢您!同时，我也十分感谢同学和其他老师的关心、支持和帮助他们对我的工作提出了许多宝贵的意见，解决了诸多问题，在此，一并向他们表示感谢!参 考 文 献1 张红润，孙悦等著.单片机原理及应用M.清华大学出版社.20082 吴国经主编.单片机应用技术M.中国电力出版社.20043沈红卫著.基于单片机的智能系统设计与实现M.电子工业出版社.20054 冯建华等著.单片机应用系统设计与产品开发M.人民邮电出版社.20045 马忠梅，籍顺心，张凯等编著.单片机的C语言程序设计（第三版）M.北京航空航天大学出版社.20036 徐薇莉， 曹柱中控制理论与设计M.上海交大出版社，2003：74-827先锋工作室单片机程序设计实例M.清华大学出版社，2003：104-1108徐薇莉， 曹柱中控制理论与设计M.上海交大出版社，2003：74-82附录：org 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