基于单片机的自动门控制系统设计

1 第一章 绪论 1 1 课题研究的背景 社会的进步 科技的前进将人们的生活投入了一个急剧发展的数字化的 21 世纪 人们生活水平也随之逐渐升高 让人们对美好生活环境追求的欲望也愈 来愈强烈 因而各类方便于生活的单片机自动控制系统开始进入了人们的生活 以单片机为核心的自动门系统就是其中之一 因自动门之中使用的芯片和传感 器技术的日渐先进 使它的实用性变的更好 功能也愈来愈多 从而让它的应 用范围也越来越广泛 使用自动门会给人们带来人员出入方便 节约能源 减 少噪音等好处 也令人们的建筑更加的现代化 1 2 国内外研究现状和发展趋势 自动门是上个世纪中期在建筑物上得到利用 在上个世纪二十年代之后 自动门开始造美国的超级市场上初次使用 当时使用的是油压式自动门 这是 世界上第一跨自动门 根据它的使用原理 气动式自动门也开始得到发明 到 1962 年电气化的进步 电气式自动门得以发展 因它较于油压式和气动式维护 更加方便 电气式自动门随着城市化的推进 使用它的用户也随之增加 但在 上世纪六十年代电气设备的发展还处于低级阶段 电机转速难以控制 故此当 时的电气式自动门的性能还是差强人意 能源利用率低下 维护的成本还是相 对较高 在进入计算机时代之后 计算机技术的不断发展 电子控制技术开始 成熟 直接控制电动机的电气式自动门得到急剧的发展 使其逐步成为自动门 的主流 在中国自动门现在随着城市化推进的浪潮在社会中得到广泛的应用 现在 在每个城市都可以见到自动门的身影 但在国内因其研发起步较晚 自主研发 的程度比较低 大部分的专利都在外国人的手中 在进入新世纪之后 国内的 计算机发展进入快车道 追赶上国际上的先进水平 利用计算机技术的自动门 技术在国内也在飞速发展 自动平移门是现在最常见的自动门 工作的方式是将两个人体红外感应器 安装在门内外两侧 当人走近自动门时 任意一个人体红外感应器感应到人体 2 红外的存在 就控制步进电机打开门 当人通过门之后 再将门关闭 因为自 动平移门可以在进入自动模式后能够完成自动控制 可以让建筑物层次得以提 升又方便美观 因此迅速在国内外建筑市场得到广泛的普及 1 3 课题研究意义和目的 21 世纪是电子科技不断发展的时代 各种智能控制系统逐渐的进入人们的 生活之中 自动门控制系统因它能够出色的完成疏导人流 降低人员密度 防 止再次发人员踩踏的惨剧 已成为商场 超市 旅店 写字楼等人流集中地的 首选 为了使自动门更好的为人们服务 为了 获得一种简单电路 功能完善 维 护方便和性价高等优点的自动门系统 本文中 研究了一种平开式的自动门控 制系统 实现了自动识别人体红外识和防挤压等功能 该系统以 STC89C52 作 为控制核心 以步进电机 红外传感器和光电开关结合的简易单片机系统 充 分发挥核心控制系统的性能 具有一定的使用和参考价值 1 4 课题主要研究内容 阅读单片机以及自动控制相关知识 通过去图书馆下载往年有关的论文进 行参考 查阅资料 浏览图书馆相关文献 使用网络参考网络上的论文 在此 基础上利用单片机实现自动门控制系统的设计 本次设计总体结构大致分为电 源模块 动力模块 报警模块 人体感应模块 门行程检测模块 障碍物检测 模块共六大模块组成 通过 Keil 软件编写设计所需要的程序并对程序进行检查 分析 Altium designer 进行原理图设计和 PCB 板的布线 最后使用 Proteus 软 件进行仿真 本控制系统基本框图如图 1 1 所示 人体 信号 人体红外 感应器 信号 处理 自动门控 制电路 图 1 1 红外检测框图 3 第二章 系统硬件设计 为了满足生活中日益增长的自动门需求 本设计是完成一种基于 89C52 单 片机的自动门控制系统 该系统包括报警电路 HC SR501 人体感应模块 复 位电路 动力模块 控制方式切电路换等 当有人经过人体感应模块时 人体 感应模块会感应到人体的温度 之后会将红外线信号转化为电压信号 从而该系 统会自动打开门 让行人通过 当人通过后 人体感应模块感应不到人体的温 度 之后输出低电压信号 从而该系统会自动打关门 该系统操作简单 可靠 性强 灵敏度高 检测范围广 便于安装 非常适代替原始的手动门 从而达 到出入方便的目的 2 1 硬件整体设计思路 根据需要实现的功能选取基本硬件 1 主控芯片 STC89C52 2 人体感应模块 HC SR501 3 报警模块 蜂鸣器 4 动力模块 步进电机 5 障碍检测模块 E18 D50NK 6 门行程检测模块 ITR 9608 光电开关 系统整体硬件框图如图 2 1 所示 单片机外围电路 控制方式切换电路 红外检测电路 STC89C52 单片机 电机控制电路 门行程检测电路 障碍检测电路 图 2 1 系统硬件框图 4 2 2 单片机介绍 单片机是微型计算机系统 虽然它小 但具备一台计算机的大部分部件 运算器 控制器 内存 内部和外部总线系统 相当于一块芯片成为了一台体 积小 质量轻 价格便宜的计算机 这为它的广泛应用提供了便利的条件 根据系统需求 需要控制芯片能在 5V 7V 电压下工作 低功耗响应速度快 具备定时器 UART 串口通信 外部中断 至少具备 8 个 I O 口 能够驱动小 电流设备 根据以上功能需要 综合考虑选取在市场上应用比较广泛且性价比 高的 Atmel 公司的 STC89C52 单片机 作为主控芯片 并选取 11 0592MHz 的 晶振外接在主控芯片上图 2 2 为 STC89C52 单片机的最小系统图 图 2 2 STC89C52 单片机最小系统 5 2 2 1STC89C52 单片机引脚说明 STC89C52 单片机拥有 40 个引脚 表 1 按照引脚功能可分 4 个部分 表 2 1 单片机引脚说明 单片机引脚引脚功能 VCC 40 电源输入 接 5V 电源主电源引 脚GND 20 接地线 XTAL1 19 片内振荡电路的输入端外接晶振 引脚XTAL2 18 片内振荡电路的输出端 RST VPP 9 复位信号输入端 ALE PROG 30 地址锁存允许信号 PSEN 29 外部存储器读选通信号 控制引脚 EA VPP 31 程序存储器的内外部选通 接低电平从外部程序 存储器读指令 如果接高电平则从内部程序存储 器读指令 P0 口 32 39 准双向 8 位三态 I O 口 P1 口 1 8 准双向 8 位三态 I O 口 P2 21 28 准双向 8 位三态 I O 口 可编程输 入 输出引 脚 P3 10 17 准双向 8 位三态 I O 口 值得注意的是 P3 口的每一个引脚都可以单独作为第一功能的输入输出或 第二功能 P3 口第二功能如表 2 2 所示 表 2 2 P3 口第二功能 P 3 0 PXD 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 6 2 2 2 复位及复位电路 复位是单片机的初始化操作 其主要功能是让单片机初始化为 0000H 并从 0000H 单元开始执行程序 可以在单片机程序运转出错或操作失误使系统处于 死锁状况时 摆脱困境 复位电路原理图如图 2 3 所示 10uF C3 RESET1 R8 10K VCC RST 图 2 3 复位电路原理图 2 3 人体感应模块设计 HC SR501 是利用红外线的技术从而来实现自动控制的功能 当有人经过 该系统时 该模块感应到人体的温度 人体所辐射出来的红外线被人体感应模块 吸收之后 该人体感应模块经过一系列的处理之后 红外线就会转变成电压信 号 该系统就会发出报警的信号 该人体模块灵敏度高 广泛地被应用在自动 感应产品之中 它的发明使好多自动感应产品的制作变得更加的方便快捷 更 加的可靠 2 4 步进电机 步进电动机是一种的数字控制电动机 它是将收到的电脉冲信号转变成角 位移或者线性位移 即给一个脉冲信号 步进电动机就转动一个角度 步进电 机在负载范围内的开启 停止 转动频率 只与控制核心传输给它的信号相关 而 不受负载大小的影响 由于这特点的存在 所以作常适合于单片机控制 近 30 年来 数字技术 计算机技术迅速发展推动步进电动机的进步 使步进电动机 的使用愈来愈广泛 7 2 5 驱动控制系统 在利用步进电机时必需要有由环形脉冲 功率放大等构成的控制系统 其 方框图如图 2 3 所示 脉冲 信号 信号 分配 步进 电机 功率 放大 负载 图 2 3 驱动控制系统框图 脉冲信号由单片机产生 经 ULN2003 芯片对脉冲信号进行放大 步进电动 机根据脉冲电流进行相应的工作状态 在步进电动机的控制中 基本控制如下 1 反应式步进电动机控制换相顺序 步进电动机的工作方时 按照通电换相次序严格执行 我们把通电换相过 程称为脉冲分配 四相五线步进电机工作方式通电换相的正序 是 A AB B BC C CD D DA A 反序为 A DA D CD C BC B AB A 共有八个通电状态 其驱动方式逻辑时序如表 2 4 示 表 2 4 逻辑时序 步进 01020304 真值表通电 0ONOFFONOFF1010AC 1ONOFFOFFOFF1000A 2ONOFFOFFON1001AD 3OFFOFFOFFON0001D 4OFFONOFFON0101BD 5OFFONOFFOFF0100B 6OFFONONOFF0110BC 7OFFOFFONOFF0010C 8ONOFFONOFF1010AC ULN2003 芯片是高压大电流达林顿晶体管阵列 它是使用七个硅 NPN 达 林顿管组成成 具有电流增益高 工作电流大 带负载能力强等特性 本设计 采用该芯片将信号从微处理器中放大 构成一个功率放大电路 以便于对步进 电机驱动 其方框图如图 2 5 所示 8 图 2 5ULN2003 芯片框图 2 6 检测模块 本设计利用 E18 D50NK 红外避障器和 ITR 9608 光电开关组成自动门的检 测系统 2 6 1E18 D50NK 红外避障器 E18 D50NK 是一种集发射与接收于一体的主动式光电传感器 E18 D50NK 传感器传感器具有抗干扰能力强 安装方便 使用简单等特点 并且探测距离 是可以通过电位器进行调节的 广泛应用在防盗报警 自动门 机器人避障 流水线记数等方面 该传感器主动发射的光线经过调制后调制成一定波长的光线在进行发射 在工作中可以避免被自然光线和各种灯光的干扰具有较大精度 当发射的光线 被挡住 接收器根据发射回来的光线进行调节输出信号 单片机处理此信号 最终报警器报警 步进电机停止转动 以达到放夹功能 保护了行人的安全和 防止夹到异物损坏自动门 2 6 2ITR 9608 光电开关 ITR 9608 光电开关为槽型光电传感器 其工作原理是 通过检查自身发射 器发射的光线是否被另一端的接收器接收到 接收到光线表示没有物体通过检 测器 没有接收到光线表示有物体经过 光电开关据此产生信号 对射式光电 开关的特点在于 检测的物体不限于是不是金属物体 只要此物体不是不透明 的 工作时不易受干扰 感应灵敏度高 工作所需能量小 工作寿命长 主要 应用在测速 计数器 打印机等自动设备上 在本次设计中利用此传感器检测门打开或关闭的位置 在自动门关闭的过 程中 当自动门遮挡住 JP1 时 系统认为自动门已经完全关闭 电动机停止关 门 在门打开的过程中 当自动门不能继续遮挡 JP2 时 系统认为自动门已经 9 完全打开 电动机停止转动 等待关门指令进行再进行关门动作 门行程检测 电路如图 2 5 所示 图 2 5 门行程检测电路 10 第三章 课题的软件设计 3 1 系统软件结构 本设计利用 C 语言进行程序编写 整个系统的程序主要由端口设置 标志 位设置 延时子函数 报警子函数 顺时针 逆时针转动子函数 门行程检测子 函数 主程序等组成 程序依次正常运行带动硬件完成设计所需要的功能 全 部程序见附录 3 2 程序流程图设计 自动门在自动状态下首先检测门的状态 根据接收到检测器的信号判断自 动门上次停机所处的位置 在根据红外探测器所接收到的信号 判断是否有人 是否进入开门状态 在开门过程中门限位检测开关 检测门的位置 到达预定 位置 停止开门 在红外检测开关检测到没有人时进入关门程序 在关门过程 中 红外传感器继续检测是否有人 有人则停止关门 进入开门程序 无人则 继续关门 同时障碍检测器在关门过程中检测是否有障碍无 若检测到有障碍 物 停止关门 报警 直到障碍物消失 若无障碍物继续关门 直到右侧限位 开关检测到门处于预定位置 停止关门 等待下次红外检测器检测到有人在次 循环 流程图如图 3 1 所示 11 开始 结束 系统初始化 开门 停止开门 关门 报警 停止开门 关门 停止开门 是否有人 左限位开关 右限位开关 是否有人 是否有障碍物 N Y N N N N Y Y Y Y 3 1 系统流程图 12 3 3 关门 开门子函数 uchar code FFW 8 0 x01 0 x03 0 x02 0 x06 0 x04 0 x0c 0 x08 0 x09 顺时针方 向转动编码 uchar code REV 8 0 x09 0 x08 0 x0c 0 x04 0 x06 0 x02 0 x03 0 x01 逆时针方 向转动编码 顺时钟转动子函数 void motor ffw uchar i for i 0 i 8 i P0 FFW i delay 2 逆时针转动子函数 void motor rev uchar j for j 0 j 8 j P0 REV j delay 2 利用用 C 语言谈的 For 循环程序 使步进电机在合适的时机进行正确的正 反转 单片机需要开门或者关门自行调动相关程序 使自动门能够正确的工作 是设计的主要程序 如果没有这个程序 单片机无法使电动机转动 3 4 报警子函数 void alarm1 报警子函数 uchar i 13 for i 0 i 200 i alarm alarm 报警 delay 20 alarm 1 报警完关闭 此程序是蜂鸣器启动程序 在 i 在小于 200 时 输出高低电平脉冲 利用 延时程序使脉冲的频率进行降低 蜂鸣器发出的声音频率降低 延长蜂鸣器的 使用寿命 3 5 自动模式子程序 自动模式 if ZD 0 如果自动模式按键按下 LS 1 手动模式指示灯灭 for t 0 t 50 t 自动模式灯闪烁约 5 秒钟 LZ LZ delay 200 delay 5 zdms 0 自动模式标志置零 进入自动模式 sdms 1 手动模式标志置 1 退出手动模式 LZ 0 自动模式指示灯亮 向右边平移开门 步进机顺时针转动 if zdms 0 调用顺时针转动子函数 if zdms 0 调用顺时针转动子函数 向左平移关门 步进机逆时针转动 if bz temp 1 调用逆时针转动子函数 if bz temp 1 调用逆时针转动子函数 自动模式下开门 需要同时满足以下 3 个条件 1 zdms 0 自动模式按钮按下 2 zt3 1 门行程检测按钮感应到门没有打开 处于关闭或半开启状 态 3 hw temp 1 任意一个人体红外感应器感应到人 满足 3 个条件后 调动电动机顺时针转动程序 步进电机转动使门打开 直到门达到预定状态 步进电机停止转动 自动模式下关门 需要同时满足以下 4 个条件 1 bz temp 1 障碍检测器未感应到有障碍物 15 2 zdms 0 自动模式按钮按下 3 zt3 0 门行程检测按钮感应到门处于打开状态 4 hw temp 0 所有红外人体感应器感应不到到人体红外 3 6 障碍物检测程序 如果检测到障碍物 马上停止转动 进入制动报警状态 if bz temp 0 步进电机停止转动 alarm1 if bz temp 0 步进电机停止转动 alarm1 障碍检测程序的调用无论是自动模式还是手动模式 只要满足关门时障碍 检测器检测到有人 马上停止电动机的转动 进入报警模式 蜂鸣器响起 3 7 电路图与 PCB 板的设计 在 Altiun 上画出电路的原理图 并据此绘制出 PCB 板的接线图 在绘制 PCB 板接线图时根据元器件的大小 本着结构紧凑 布局合理 减少跳线的原 则围进行布局排版 原理图如图 3 2 所示 PCB 接线图如图 3 3 所示 16 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 VCC 40 GND 20 P3 0 10 P3 1 11 ALE P 30 PSEN 29 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P3 3 13 P3 2 12 P3 5 T1 15 P3 4 T0 14 EA VPP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P3 7 RD 17 P3 6 WR 16 AT89S51 STC89C52 2 11 0592M C1 30p C2 30p VCC VCC 10uF C3 RESET1 R8 10K VCC RST P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 P1 4 P1 5 P1 6 P1 7 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P3 3 P3 2 P3 5 P3 4 P3 7 P3 6 P3 0 P3 1 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 VCC K2 P1 3 D3 R10200 P1 0 D2 R9200 P1 1 116 215 314 413 512 611 710 89 ULN1 VCC P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 1 2 3 4 5 J4 CON5 M1 M2 M3 M4 M1 M2 M3 M4 VCC 3 SW PB P1 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PR1 10K P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 VCC K4K5 P1 5 P1 2 D7 VCC R12 200 K6 1 1 2 2 J8 于于于于于于于于于于于于于于 VCC P2 7 P2 6 GND 14 23 JP1 HEADER 2X2 R6 10K R3 1K VCC 14 23 JP2 HEADER 2X2 R7 10K R4 1K VCC VCC P2 7 P2 6 GND P2 6 P2 7 1 2 3 J5 CON3 1 2 3 J6 CON3 VCC GND GND VCC P2 1 P2 0 R11200 D4 P2 2 1 2 3 4 J1 CON4 1 2 3 4 J3 CON4 1 2 3 J7 CON3 GND VCC P3 0 LS1 SPEAKER VCC R1 RES2 P2 3 E 1 C 3 B 2 Q1 PNP 3 2 原理图 17 图 3 3PCB 接线 18 第四章 系统的仿真与调试 4 1 系统仿真 在首先是进行系统仿真 此次仿真利用 Pro