基于单片机的自动门控制系统完整

毕业设计报告毕业设计报告 题 目 院 系 信息与控制学院 专 业 班级学号 学生姓名 指导教师 成 绩 2014 年 月 日 I 目 录 1 方案设计方案设计 1 1 1 设计任务要求 1 1 2 硬件方案设计 1 1 3 软件方案的设计 1 1 4 主要设计的实现原理 1 2 硬件设计硬件设计 1 2 1 单片机的简介 1 2 2 硬件器件选择 1 2 2 1 单片机选型 1 2 2 2 按键部分 1 2 2 3 人体检测传感器 1 2 2 4 光电检测传感器 1 2 3 单片机最小系统 1 2 4 按键部分电路图 1 2 5 光电检测部分 1 2 6 人体热释电传感器 1 2 7 电机驱动电路 1 3 软件部分设计软件部分设计 1 3 1 总程序设计 1 3 2 按键程序流程图 1 3 3 定时器 0 中断 1 3 4 门控判断程序 1 参考文献参考文献 1 附录附录 A 系统原理图系统原理图 1 附录附录 B 程序代码程序代码 1 附录附录 C 实物图片实物图片 1 1 1 方案设计 1 1 设计任务要求 对于自动门控制系统 需要实现的功能如下所示 1 自动检测功能 能够自动检测门的附近是否有人 如果有人则开启该门 在 没有人体信号时 延时数秒后自动关闭 2 安全保护功能 关门时 检测门导轨上是否有人 如果有则停止关门 并迅 速打开门 防止人被挤住 3 电机调速功能 能够通过单片机控制电机的速度 开门关门时需要有个加速 与减速的过程 4 按键输入功能 能够通过按键来控制门自动还是手动运行 在特殊情况下需 要手动来操作该门 5 门开关限位功能 在开门与关门的时候能够检测到门的限位开关 来检测是 否到门的关门与开门的限位 1 2 硬件方案设计 本设计选用 STC89C52 单片机作为本设计的微控制芯片 按键部分采用独立式按 键 人体检测部分 使用红外热释电传感器对外部人体信号进行检测 光电检测传感器 使用 TCRT5000 光电传感器进行检测 硬件部分框图如图 1 1 所示 单 片 机 按键输入 电机驱动 晶振电路 安全检测 人体检测 复位电路 限位开关检测 图 1 1 硬件部分框图 自动门控制系统的硬件组成如图 1 1 所示 本系统主要由 STC89C52RC 单片机及 2 其外围电路 红外检测电路 门行程检测电路 直流电机控制电路 安全检测电路等 部分组成 单片机与晶振复位电路构成最小系统电路 作为主控电路 来协调外部其 他各部分硬件电路 各个电路的功能如下 1 晶振电路 给单片机提供时钟系统 让单片机能够有运行的节拍与动力 晶振与单片机内部 的电路一同构成了一个波形发生电路 输出与晶振频率相同的时钟 该时钟用作单片 机的运行 2 复位电路 复位电路为单片机提供一个足够的开机运行的复位脉冲 能够让单片机在上电时 有足够的时间复位 3 按键输入部分 按键输入部分用来作为人机交互界面部分 能够控制门的手动开关 切换自动模 式与手动模式 4 电机驱动部分 电机驱动部分 用来驱动直流电机 单片机输出控制信号 来进行对电机的调速 5 安全检测 安全检测部分用来检测是否有人被夹 能够提供使用者的安全 6 人体检测 人体检测用来检测是否有人接进门附近 检测到信号后单片机开始驱动外部电路 开门 7 限位开关 限位开关主要用来检测开关门的行程位置 1 3 软件方案的设计 C 语言是一种计算机程序设计语言 它既具有高级语言的特点 又具有汇编语言的 特点 随着微型计算机的日益普及 出现了许多 C 语言版本 由于没有统一的标准 使 得这些 C 语言之间出现了一些不一致的地方 为了改变这种情况 美国国家标准研究所 ANSI 为 C 语言制定了一套 ANSI 标准 成为现行的 C 语言标 C 语言是世界上最流行 使用最广泛的高级程序设计语言之一 在操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合 用 C 语言明显优于 3 其它高级语言 以前有许多大型应用软件都是用 C 语言编写的 由于面向对象编程技 术的出现 大型软件转由 C JAVA C 再配合 C 语言开发 C 语言在面对大型的软件 开发时 会显得有些吃力 C 语言绘图能力强 具有可移植性 并具备很强的数据处理能力 因此适于编写系 统软件 三维 二维图形和动画 它是数值计算的高级语言 对于编译软件则使用 Keil C51 软件 Keil C51 软件为目前相当流行的 51 系列单片 机开发软件 它是一个基于 32 位 Windows 环境的应用程序 支持 C 语言和汇编语言 编程 Keil 是目前最好的 51 单片机开发应用软件 它是一款通俗易懂易于上手的单片 机程序开发软件 与其他的单片机软件有很好的兼容性 我们在日常的学习中都是使 用这个软件 所以在本次设计中我使用 Keil C51 软件进行程序的编译 1 4 主要设计的实现原理 本次设计是红外线自动门控制系统 使用红外线传感器作为感应器 检测到人体 辐射的红外线能量变化 将其转化为电信号 传给单片机 单片机通过驱动 H 桥电路 来驱动直流电机 来使门开关 在关门的时候使用光电传感器进行检测 是否有人在 门轨道上 如果有则停止关门 防止有人被夹 通过单片机控制交流电机 使门自动 打开 当人进门后又可以使门自动关闭 本课题主要实现红外线检测和基于 STC89C51 的单片机控制系统 4 2 硬件设计 2 1 单片机的简介 单片机是把一个计算机系统集成到一块芯片上 它是采用大规模集成电路技术把 中央处理器 CPU 随机存储器 RAM 只读存储器 ROM 各种 I O 口和中断系统 定 时器等功能集成到一个芯片上构成的一个简小而完善的微型计算计系统 单片机已成 为电子设计中使用最多最广泛的元件 它的体积小 低电压 低功耗 可靠性高 处 理功能强 控制功能强 环境适应能力强 使用方便等优点 主要在仪器仪表 家用 电器和玩具 医用设备 计算机通信技术 智能测量设备 航空航天等领域被广泛应 用 大概可分如下几个方面 在智能仪器仪表中 单片机的优点使它广泛应用于各种仪器仪表中 单片机通 过不同类型的传感器 可以测量温度 频率 速度 长度 音量 光亮 电压 功率 等物理量 利用单片机控制使得仪器仪表准确率更高 灵敏度更高 测量速度更快 在家用电器和玩具中 随着国内国外的快速发展 现在的家用电器各式各样 其中少不了单片机控制 例如电视 空调 洗衣机 微波炉 电饭锅等 现在孩子手 中的玩具更少不了单片机控制 例如音乐盒 遥控车等等其它智能玩具 这使我们的 生活不仅方便而且更加有趣 在计算机通信中 单片机能够在计算机网络和通信设备之间提供方便的条件 现如今的通信设备也在一步一步实现单片机智能控制 例如手机 对讲机 楼宇门呼 叫对讲系统 列车和飞机无线通信 在汽车电子产品中 单片机也实现了它的价值 例如汽车的集中显示系统 动 力 速度 压力监测控制系统 自动驾驶系统 导航系统 安全保护系统等 单片机在办公自动化设备 商业营销设备等其他领域中中也有着广泛的应用 它 使我们的生活变得更加方便快捷 更加丰富多彩 生活工具也越来越智能化 如今我 们的生活离不开单片机 它是我们生活中不可缺少的一部分 2 2 硬件器件选择 2 2 1 单片机选型 方案一 传统 51 单片机 AT89C51 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器的低电压 高性能 CMOS8 位微处理器 5 该处理器单指令周期为 1us 在 12M 晶振下 工作频率 0 24MHz 并且该芯片支持仿 真 是经典 51 单片机课程中的芯片 抗干扰能力强 但是随着科技速度的发展 该芯 片慢慢被后继的芯片所替代 因为该芯片价格比较高 而且仿真器的成本较高 所以 本设计不适于使用该芯片 方案二 使用 430 单片机 TI 生产的 430 系列单片机为超低功耗单片机 被广泛应用于各类低功耗的产品中 该系列单片机的优点为 功耗非常低 而且具有丰富的外设 能够直接进行 ADC 采集 高端芯片还可以进行 DAC 输出 并且外围电路简单 I O 口具有可控的输入与输出的 方式 由于本设计不考虑功耗 所以此单片机不做考虑使用 方案三 使用 STC 系列单片机 STC 系列单片机由宏晶公司生产 其以低廉的价格与丰富的内部资源 深受广大 使用者的喜爱 他内核与 AT89S51 的功能完全相同 我们采用 STC89C52 单片机为主 控芯片 这样更能体现我们此次设计的性价比 综上所述 本设计使用方案三选用 STC89C52 单片机作为本设计的微控制芯片 2 2 2 按键部分 方案一 行列扫描按键 行列式按键适用于按键应用数目比较多的设计 例如手机 电子称等需要输入数 据较多的设备 行列式按键的优点是节省 I O 口资源 使用 8 个 I O 口就可以实现 16 个按键 分为行扫描口与列扫描口 该方案编程比较复杂 而且必须对 I O 口进行实 时的扫描 方案二 使用独立按键 由于本设计使用的按键功能较少 只需要清零 计数压力值设置 需要 4 个按键 所以本设计使用独立按键 作为按键的输入部分 独立按键硬件电路设计简单 并且 编程方便简单 而且速度快 不需要对 I O 口做频繁的操作 综上所述 本设计使用按键较少 使用方案二作为本设计的按键部分 2 2 3 人体检测传感器 人体检测部分 使用红外热释电传感器对外部人体信号进行检测 本设计使用人 体热释电传感器模块 HC SR501 对人体信号进行检测 当检测到人体信号时 模块返 回一个高电平信号 当人体信号消失时 模块返回一个低电平信号 模块输入 5V 直流 6 电压信号 单片机的 I O 口与模块返回的信号直连 2 2 4 光电检测传感器 光电检测传感器 用来检测关门时是否有东西在门轨道上 如果有检测到该信号 则打开门 延时一定时间没有人体信号时在关闭 本设计使用 TCRT5000 光电传感器 进行检测 2 3 单片机最小系统 单片机最小系统 或者称为最小应用系统 是指用最少的元件组成的单片机可以 工作的系统 对本次设计使用单片机来说 最小系统一般应该包括 单片机 晶振电 路 复位电路 3 复位电路 由电容串联电阻构成 由图并结合 电容电压不能突变 的性质 可以 知道 当系统一上电 RST 脚将会出现高电平 并且这个高电平持续的时间由电路的 RC 值来决定 典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位 所以 适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位 一般教科书推荐 C 取 10u R 取 8 2K 当然也有其他取法的 原则就是要让 RC 组合可以在 RST 脚上产生不少于 2 个机 周期的高电平至于如何具体定量计算 可以参考电路分析相关书籍 晶振电路 典型的晶振值取 11 0592MHz 因为可以准确地得到 9600 波特率和 19200 波特率 用于有串口通讯的场合 12MHz 1 复位电路的用途 单片机复位电路就好比电脑的重启部分 当电脑在使用中出现死机 按下重启按 钮电脑内部的程序从头开始执行 单片机也一样 当单片机系统在运行中 受到环境 干扰出现程序跑飞的时候 按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行 单片机复位 电路如图 2 1 所示 7 C322pf C422pf Y 1 12MHZ C5 10uf RA 10k 5V RST X TA L1 X TA L2 图 2 1 89C51 最小系统图 2 复位电路的工作原理 在单片机系统中 系统上电启动的时候复位一次 当按键按下的时候系统再次复 位 如果释放后再按下 系统还会复位 所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系 统中控制其复位 在电路图中 电容的大小是 10uF 电阻的大小是 10k 所以根据公式 可以算出 电容充电到电源电压的 0 7 倍 单片机的电源是 5V 所以充电到 0 7 倍即为 3 5V 需 要的时间是 10K 10UF 0 1S 也就是说在电脑启动的 0 1S 内 电容两端的电压时在 0 3 5V 增加 这个时候 10K 电阻两端的电压为从 5 1 5V 减少 串联电路各处电压之和为总电压 所以在 0 1S 内 RST 引脚所接收到的电压是 5V 1 5V 在 5V 正常工作的 51 单片机中小于 1 5V 的电压 信号为低电平信号 而大于 1 5V 的电压信号为高电平信号 所以在开机 0 1S 内 单片 机系统自动复位 RST 引脚接收到的高电平信号时间为 0 1S 左右 在单片机启动 0 1S 后 电容 C 两端的电压持续充电为 5V 这时候 10K 电阻两端 的电压接近于 0V RST 处于低电平所以系统正常工作 当按键按下的时候 开关导通 这个时候电容两端形成了一个回路 电容被短路 所以在按键按下的这个过程中 电 容开始释放之前充的电量 随着时间的推移 电容的电压在 0 1S 内 从 5V 释放到变 为了 1 5V 甚至更小 根据串联电路电压为各处之和 这个时候 10K 电阻两端的电压为 3 5V 甚至更大 所以 RST 引脚又接收到高电平 单片机系统自动复位 2 4 按键部分电路图 按键电路主要分为两种 一种为扫描式按键 所谓扫描式按键就是对按键进行定 8 期的逐个或者逐行的扫描 然后通过判断扫描处的高低电平 判断按键是否按下 这 种按键被广泛应用在移动设备与电气设备中 另外一种按键的检测方式为 AD 检测 每个按键串一个电阻 组成一个电阻串联的网络 每个按键按下 对 AD 检测口所分 的的电压就不相同 通过检测 AD 值的变化来达到按键检测的目的 该方式的优点是 使用的 I O 口少 在单片机外围 I O 资源不充足时比较适宜使用 但是该方法容易受到 干扰 并且按键的个数受到 ADC 检测的精度约束 对于本设计由于使用的按键较少 并且单片机的 I O 口资源比较丰富 所以使用独立式按键作为本设计按键的输入部分 其按键电路图如图 2 2 所示 如图 2 2 所示 本设计使用四个独立按键 每个独立按键占用单片机的一个 I O 口 单片机在检测时 先将 K1 K4 的 I O 口的状态全都置为高电平 然后不断的检测这四 个 I O 口的状态 通过 if 语句判断是否有 I O 口为低电平 如果为低电平证明有按键按 下 然后单片机需要做消除抖动的程序 因为有些时候从单片机的线上会进入一些干 扰 这些干扰会使单片机误认为是按键动作 所以根据机械弹性的反弹接触曲线 做 20ms 的延时是最理想的 延时后再次检测按键 如果按键还是为低电平 则证明有按 键按下 如果不是低电平则此按键信号为干扰信号 跳出程序 如果有按下则 while 1 等待按键释放 这样就完成了整个独立按键功能的判断 S1 S2 S3 S4 K1 K2 K3 K4 图 2 2 按键电路图 2 5 光电检测部分 光电检测部分电路图如图 2 3 所示 光电检测模块 接口如图所示 输入电压为 5V 直流信号输入 3 4 引脚为地 2 引脚为输出 模块中输出使用的是 LM358 运放 做的比较器输出 输出具有一定的驱动能力 所以不需要加上拉电阻 使用简单方便 当有信号挡道传感器前面时 INT1 引脚返回高电平信号 否则返回低电平信号 INT1 9 引脚接到单片机的 P3 5 上 5V INT1 1 2 3 4 JP6 光光光光 图 2 3 光电检测电路图 2 6 人体热释电传感器 人体热释电传感器模块使用 HC SR501 该模块的参数如下 1 全自动感应 人进入其感应范围则输出高电平 人离开感应范围则自动延时关 闭高电平 输出低电平 2 光敏控制 可选择 出厂时未设 可设置光敏控制 白天或光线强时不感应 3 温度补偿 可选择 出厂时未设 在夏天当环境温度升高至 30 32 探测距 离稍变短 温度补偿可作一定的性能补偿 4 两种触发方式 可跳线选择 a 不可重复触发方式 即感应输出高电平后 延时时间段一结束 输出将自动从高 电平变成低电平 b 可重复触发方式 即感应输出高电平后 在延时时间段内 如果有人体在其感 应范围活动 其输出将一直保持高电平 直到人离开后才延时将高电平变为低电平 感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段 并且以最后一次 活动的时间为延时时间的起始点 5 具有感应封锁时间 默认设置 2 5S 封锁时间 感应模块在每一次感应输出后 高电平变成低电平 可以紧跟着设置一个封锁时间段 在此时间段内感应器不接受 任何感应信号 此功能可以实现 感应输出时间 和 封锁时间 两者的间隔工作 可应用于间隔探测产品 同时此功能可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰 此 时间可设置在零点几秒 几十秒钟 6 工作电压范围宽 默认工作电压 DC4 5V 20V 10 7 微功耗 静态电流19 定时累计清 0 累计值 3 Timer1 Com 0 switch Work Mode case 0 TR0 1 Work Mode 1 开始加速 break 23 case 1 Pwm Val if Pwm Val 19 Work Mode 2 break case 2 匀速运行 直到检测到门限位信号 if SINGEL FLAGE SINGEL FLAGE 0 Work Mode 3 break case 3 减速关门 if Pwm Val 0 Pwm Val else Work Mode 4 break case 4 Work Mode 0 if DOOR STAT 2 DOOR STAT 0 TR1 0 break default break 函数名称 void Int Timer0 void interrupt 1 函数功能 定时器 1 中断函数 100HZ PW