自动门控系统设计

自动门控系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u自动门控系统设计 1摘要 11.绪论 21.1课题研究的背景 21.2国内外研究现状及发展趋势 21.3本课题研究的意义与目的 22.系统总体方案设计与选择 32.1设计基本思路 32.2具体模块的设计与选择 32.3最终选择的硬件一览 43.硬件系统设计 53.1系统原理和框图 53.2单片机介绍 53.3HC-SR501模块 63.4步进电机 73.5

BISS0001芯片介绍 错误!未定义书签。4.软件系统设计 84.1程序设计思路 84.2系统运行流程图 9总结 10致谢 11摘要：该系统以AT89C51单片机为中心，利用人体红外传感器作为传感器，检测人体辐射红外能量的变化，将其转换为电信信号，触发单片机的中断。然后，这个整体单元通过uln2003一步一步地控制引擎。在发动机的正向和反向旋转分别指示自动门的开启和关闭。开关状态由15个led灯连续模拟。Abstract：ThesystemusesAT89C51microprocessorasthecenterandhumaninfraredsensorasthesensortodetectthechangeof"infraredenergy"radiatedbyhumanbodyandconvertitintotelecommunicationsignal,whichtriggerstheinterruptionofmicroprocessor.TheoverallunitthengraduallycontrolstheenginebyusingtheULN2003.Theopeningandclosingindicationoftheautomaticdoorisprovidedseparatelyforthefrontandbackrotationoftheengine.Theswitchstatusiscontinuouslysimulatedby15LEDlights.绪论1.1课题研究的背景随着科技水平的不断提高，现代化的进程发展迅速，人们的生活水平也随之提高，各种各样方便于生活的基于单片机设计的智能化器具进入了人们的视线。自动门就是其中之一，自动门给人们带来的各种各样的好处，首先可以最直接的感受到的就是方便了人们的进出，让人们的日常生活越来越便捷化。我的本次毕业设计主要介绍及设计的是用单片机作为控制器,传感器及步进电机为核心元件的自动门控系统。1.2国内外研究现状及发展趋势自动门是20世纪20年代之后，被首次使用在美国的大型市场。当时使用的还是油压式的自动门，这也是有记录的世界上第一个自动门，到了1962年电气化得到了发展，所以电气式的自动门也随之发展了起来，但在当时电器设备的发展还处于低级阶段，电机的转速不是很好把控，能量转化率也很低，维修的资金很大。到现在进入计算机时代后，计算机技术发展迅猛，电子控制技术也随之成熟，1802年8月德标公司成功设计并开发出世界第一台感应自动门，并且为自动门能顺畅，平静，安全运行，多样化地设计的创新理念努力设计，生产出了高品质和值得依赖的产品，并且有完整的解决方案提供，但价格十分昂贵。当前我国自动门控系统生产规模基本不大，且自主研发能力也不够高，大量的核心技术都掌握在国外的厂商手中，这就导致了新产品开发能力和质量稳定性方面还无法和进口产品竞争。而且国内这方面的标准几乎没有，所以要制定和规范一个标准才能够体现这个产品的严密性和完整性。最近几年出现了许多生产相关零部件的厂商，这就导致了自动门的生产门槛变低、竞争也逐渐激烈。当前国内厂商的产品也基本具有了比较完善的功能，不过生产工艺还有点粗糙，质量有好的也有差的，整体的档次不够高，大部分集中于中低端市场。发展趋势：我国综合科技实力的不断的提升，这些核心技术也越来越被我们所掌握，所以自动门也是向着越来越便捷，越来越质量高发展。1.3本课题研究的意义与目的门一直都是一个建筑的入口，要想进入这个建筑，就必须要通过门，是建筑物安全的保障，对于私人场所来说，门的安全性和防护性是至关重要的，所以防盗门这类的门在私人场所应用十分的广泛，而对于公共场所来说，如商场，酒店，银行这些等，如果使用防盗门这种显然是不方便也没有必要的，如果不装门就显得不得体，过去这些公共场所的大门都是有一个服务员在那里专门开门，需要发工资，成本十分的高，也不方便，随着科技的发展，自动门也就应运而生，不需要人工劳动力，成本也就降低了，而且这种自动开关门非常的适合这些公共场所，对自动门的需求量也比较大，不过这些自动门的质量都是参差不齐，有的自动门反应不够迅速，开关门的响应时间都很长，让那些顾客多花费这点时间显然是不愿意的，有的自动门对人的检测不够达标，在有人进入时也执行了关门的指令，这就出现了门夹人的现象；所以设计出一个各方面都很优秀且性价比高的自动门系统是十分有必要的。我在本次设计中就是选用单片机、红外模块和门结合起来的现代化产物——自动门控系统。

2.系统总体方案设计与选择2.1设计基本思路对于自动门控系统的设计这是我们平时课堂中没有学习过的，所以我们需要阅读及查阅单片机和自动控制相关的方面的书本和资料。通过对知网的往年论文的查阅，百度，学校图书馆的相关书籍的翻阅，我大致确定了如下的设计思路，总体结构大致分为电源模块，报警模块，人体感应模块，处理器模块。使用Keil软件来对设计所需要的程序进行编写，proteus软件来设计的总的电路图。2.2具体模块的设计与选择微处理器模块

方案一：采用可编程逻辑器件CPLD。CPLD能够实现各式各样繁琐的逻辑功能、高速度、规模大、密度高、功耗低、IO资源丰富，适合作为大规模控制系统的控制核心。但自动门控系统不需要复杂的逻辑功能，对实时数据的计算速度的要求也不是太高，最主要的还是成本方面的原因，选用CPLD成本太高了。方案二：采用可编程逻辑控制器PLC。PLC在各个方面相当于CPLD的升级版，且所能够实现的功能更多，响应速度也更快，但是其成本也是过高，不适合于简单的自动门控系统。

方案二：采用51系列单片机。单片机对系统的要求不高，编写程序也相对容易，需要用到的I/O口的数量也不算多，使用这一系列的单片机来设计操作完全能够实现，不需要再扩增，充分的利用了单片机资源。另外，经典的51系列单片机的处理速度也能够满足系统要求，当然，最主要的还是价格还算便宜，综合起来对比CPLD器，51单片机性价比更高。

综合上述两种方案，我的自动门控系统选择方案二，具体的51单片机选用AT89C51作为系统的微控制器。AT89C51单片机有着一个完整的计算器所需要的基础组成部分，而且指令系统功能齐全，执行速度快。

2、人体检测模块

方案一：微波感应器，又称微波雷达，它是在多普勒原理的基础上设计的传感器，能对物体的移动进行反应，因此反馈速度比较快，适合用人员流动量大的场所使用，同时温度、噪音这些外在因素对它的探测影响也不大。它的缺点是当有人站在自动门中一动不动时，雷达就不会有反应，这时如果控制系统发出关门信号，那么自动门就会关闭，出现夹人现象。

方案二：人体红外传感器，它的探测很灵敏，可以对处于其探测范围内存在的所有物体进行反应，所以无论其中的物体是否移动，只要处在感应器的探测范围之内，它都会有反应，这样就能阻止自动门关闭，避免了夹人现象，不过它的反应速度相比较微波传感器而言，还是要慢了一点，但这点时间影响不是很大。

综上所述，出于最重要安全方面的考虑，为了防止自动门出现夹人的情况，我们选用红外传感器来进行自动门的设计与使用。3、驱动电机方案一：采用普通直流电机。由于该电机在轻负载时，负载电流小，导致串联电阻上电压下降，所以转速不能够很好的调节，平时的转速较快，当其运用自动门上时，电机的快速转动会容易导致失去控制甚至出现夹人的情况，所以不在选择中。

方案二：利用直流减速电机。与直流电机相比,可以有效地控制电机的速度,所以尽管电机可以控制电动机的速度在一定范围内,但由于电机没有行程开关,与此同时,如果电力负荷能力不稳定,很难让马达通过相同的距离时所花费的时间相同,它将无法实现准确的打开和关闭门的目的,所以不在我的选择范围之内。方案三：选择使用步进电机。步进电机有很多优点。有较宽的转速范围可以调节选择；精度高且运动重复性高；最重要的是相比其他驱动器，步进电机的价格便宜一些。综合考虑，选择第三种方案步进电机来进行自动门的设计最好。电动机驱动模块

方案一：采用继电器对电机的开门和关门进行管理控制。这个方案比较简单易操作，但由此所带来的问题就是反应速度不够快，机械结构受损的可能性大并且所能够使用的年限不会长。

方案二:利用电阻分压原理，利用数字电位器调节电机的分压，从而达到调速的目的。缺点是不能由大电流驱动，降低了工作效率，不易实现。方案三:使用ULN2003驱动芯片。ULN2003是由7个硅NPN复合晶体管组成的高压大电流复合晶体管阵列。它非常适合驱动本设计中使用的四相步进电机。因此选用第三种方案。故障检测模块

方案一：采用霍尔电流传感器。这是基于霍尔效应原理的器件，使用该电流穿传感器来测量流经步进电机的电流，再将测量到的电流值转换成相应的电压，通过A/D转换，输送到单片机中。这种方案测量范围广、响应速度快、测量精度高、可靠性高，但是相对于简单的自动门系统来说，价格太高了，性价比不够，而且步进电机的电流范围也比较小，不需要用到这么精密的仪器。方案二：采用电阻采样的方式。电阻采样主要是基于欧姆定律来实现的，在电机电源输入端串联一个1Ω的电阻，这个电阻阻值很小，对于电路的影响相当于没有，等效于一个电压检测器，此时它分担的电压在输送到设计的电压比较器，在反向输入端与预先设定好的电压值进行比较，当这个电压超过了预先设定的值时，就说明电流过大，比较器则输出一个边沿跳变，使电机的触发指令停止，中断自动门当前的动作。

综合分析，方案二简单可靠，比较适合应用在本系统设计中。2.3最终选择的硬件一览控制芯片：AT89C51人体感应模块：热释红外传感器；驱动电机：步进电机；动力模块：ULN2003芯片；障碍检测模块：电压比较器与电阻3.硬件系统设计3.1系统原理和框图该系统主要由单片机AT89C51及其外围电路、人体红外检测电路、步进电机控制电路、故障检测电路和开关状态显示电路组成。当有人处于处于红外传感器的监测范围内之时，红外检测电路将所检测到的有人的信息转化为电信号，然后该电信号进入AT89C51芯片中，芯片开始向步进电机控制电路发送开始开门的指令，步进电机快速运作将门打开，打开状态持续3秒左右，之后芯片开始向步进电机控制电路发送关门的指令，步进电机缓慢的将门关闭，若关闭的过程中，红外传感器依旧检测到有人在探测范围内，则重新执行之前的开门指令，不断循环，直至探测范围内没有人时，才将门彻底关闭。同时这些电路运行的过程让那个中，开关状态显示电路也随之运作，当执行的是开门指令时，LED灯从正中间的开始亮起，然后左右两边的灯也不断的点亮，当执行的是关门指令时，LED灯从左右两边开始不断向中间熄灭。故障检测电路则是最终的安全保障，当电路中其他电路某个元件出现故障时，可能会导致整个系统无法正常运行，这时门的关闭万一受到影响，无法正确检测有人与否，门直接开始夹人，很容易造成安全事故的发生，而我们的故障检测电路就是避免这种情况，可以及时的检测整个电路的电压变化，如果出现了变化，则直接终止触发，自动门立即停止运作，等待维修人员来进行电路的检查与维修。系统硬件框图如下：3.2单片机介绍单片机也是微型计算机一种，单片机又称单片控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括起来讲就是一块芯片构成了一个计算机。所以它的构成是微处理器CPU、只读存储器ROM、随机存取存储器、基本输入/输出（I/O）接口电路、定时器/计数器和中断系统等部，并把它们制作在一块大规模集成电路芯片上，就构成一个完整的单片微型计算机。这就是单片机。单片机的集成度非常高，这就给它带来了许多优点：（1）正如它的名字微型，所以它的体积较小，重量也比较轻，同时元件都很简单，耗电少，售价比较低廉，适合于产品化。（2）控制性高。因为CPU可以直接对I/O端口进行指令操作，而且这种指令操作能力十分的优秀，相比于其他的计算机都是不差的。（3）可靠性高。由于CPU、存储器及I/O口集成在同一芯片内,各部件间的连接非常紧密，数据在传送时受到干扰的影响较小，所以不易受环境条件的影响，这就是单片机可靠性非常高的原因。具体的单片机选择我采用的是AT89C51芯片。AT89C51芯片是ATMEL公司所制作的芯片。下面简单的对AT89C51芯片进行介绍。简单的引脚介绍：VCC：供电电压。GND：接地。P3.0—RXD：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。P3.7—/RD：外部数据存储器。特性说明：它可以与MCS-51控制器兼容，可以进行1000次的程序编写与擦除，非常适合我这种单片机入门者。AT89C51芯片相当于是我设计的自动门控系统中的大脑，由它连接其它器件，并发出各种指令指挥其它器件进行工作。3.3热释红外传感器介绍自然界中的物体都有温度，有温度物体的物体向外发出波长，热释电红外传感器主要是利用了人体所发出的特定波长的红外线，这个长度大约在9到10纳米之间，从而达到可以检测人的目的。它的构造有一个探头，探头中有一个具有热释电效应的半导体，检测到红外线波长后，会输出一个很微弱的电压变化，之后再通过芯片的滤波和放大，就会在引脚输出相应的电平变化。在很多的像是商场的自动感应门，以及楼道的自动感应灯，里面都会用到类型的模块。其次探头前面还有还会有一个滤镜，可以起到一定的聚光作用，进而提高检测的准确度。热释红外传感器就相当于人类的眼睛，可以看到有没有人在它的探测范围内，当它检测到有人时，将这一信号转化为电信号传入大脑芯片中，让大脑去进行下一步的动作。3.4

BISS0001芯片介绍BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。BISS0001芯片的特点：采用新一代CMOS工艺，功耗很低；内部存在双向鉴幅器，能够对外部和内部的一些干扰进行有效的抑制；调节范围宽。本次设计中的故障检测还有定时都是靠它来实现的，同时它与热释红外器相组合，这样可以有效的进行外部中断，能够快速启动步进电机来开关门。在两脚输出控制脉冲之后，电子开关被连接起来，数字编码电路和无线电发射电路开始在电源的帮助下工作。电源变压器是5w/15v，电源电池不是在12v下维护的，以防停电。S1是一种锁紧电源开关，可根据需要安装在适当的位置，以连接工作电源，并可在不需要的情况下停用。SCR使用单向可控硅1a。Hfc9301是一种柔性壳体声电路，称为“TIC”。电路基本上是在主机和工作站之间以统一的方式设置的。发射和接收电路安装好后，将发射机的C10固定在适当的位置，调整接收机的C1，使接收机能够接收发射机发出的信号。在“多对单”或“单对多”报警系统的情况下，应设置主机“1”(可能是发送方或接收方)，然后根据中央单元进行调整。BISS0001应用线路图如下：3.5步进电机步进电机是一种将电\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"脉冲信号转换成相应\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"角位移或\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"线位移的电动机。每输入一个\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"脉冲信号，\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"转子就转动一个角度或前进一步，其输出的\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"角位移或\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"线位移与输入的脉冲数成正比，\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"转速与\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"脉冲频率成正比。因此，步进电动机又称\t"/item/%E6%AD%A5%E8%BF%9B%E7%94%B5%E6%9C%BA/_blank"脉冲电动机。我在本次设计中所使用的步进电机电气性能如下所示：*额定电压：12VDC(另有电压：5V、6V、24V)*相数：4*减速比：1/64(另有减速比：1/16、1/32)*步距角：5.625°/64*驱动方式：4相8拍*直流电阻：200Ω±7%(25℃)*空载牵入频率：≥600Hz*空载牵出频率：≥1000Hz*牵入转矩：≥34.3mN.m(120Hz)*自定位转矩：≥34.3mN.m*绝缘电阻：＞10MΩ(500V)*绝缘介电强度：600VAC/1mA/1S*绝缘等级：A*温升：＜50K(120Hz)*噪音：＜40dB(120Hz)步进电机相当与人类的手脚，当受到了芯片大脑所发出的指令时，执行动作将门进行开关。3.6ULN2003驱动芯片介绍因为步进电机是一种用于控制方面的电机，步进电机不能够直接与直流或交流电源进行运转工作，一定要用一个专门的驱动电源与它连接，从而让它进行工作。所以ULN2003也是非常重要的。Uln2003是一个大型的电流驱动网络，主要用于单片机、智能仪表和PLC。在控制电路中，如uln2003数字芯片输出卡。继电器可以直接控制，以此类推。输入5vtl级别，输出500mA/50V。Uln2003是一个高电压的大电流达灵顿系列，由七个硅管NPN达灵顿。这个电路的特点是每一对的达灵顿l’uln2003串联连接的是基本的阻力签发这可以直接相连的TTL和CMOS电路,电压的功能可以直接打交道的sv和以前需要一个缓冲的数据标准的逻辑。Uln2003是一个高压的达灵顿晶体管的网络,很高的电压,电流增益很高、运行温度承受能力高、范围宽、承载能力强适合各种类型的系统需要高速的功率。3.7门的简单选择对于公共场所，一般可以使用透明的玻璃门，当然如果有特别的要求，可以自行选择铁门之类的，不过要注意一点，因为步进电机的驱动功率不是特别大，不能够带动太重的物体，所以门还是不要选择太重的，尽量轻，以免影响步进电机的正常运作。

软件系统设计4.1程序设计思路（1）程序描述知识要点如下:方案中使用的外部中断处理器、定时器的时间设定、步进电机的驱动方式和角度计算、LED灯的熄灭与点亮。其中外部中断的实现非常重要，只有AT89C51的I/O口来接收红外传感器发出的信号的话，大概率会让自动门的反应变得有点缓慢，导致出现夹人的可能。同时一步一步地计算发动机运行距离也很重要。精确计算所需的发动机在开放或关闭大门,使其正好经过360°,从而确保正确关闭大门。（2）程序设计思路一旦人体红外模块在检测区域检测到一个人，就会触发中断，外部中断0会触发，自动门会自动打开。大约三秒钟后，中断程序退出，中断程序进入关闭程序，自动门自动关闭。具体的程序分析：延时程序：void

Delay_1s(uint_y)

//延时1s

{

uint

a;

for(a=0;a<200*y;a++)

//200为1s

{

TH1=(65536-50000)/256;

TL1=(65536-50000)%256;

TR1=1;

while(!TF1);

TF1=0;

}LED灯开关显示：当电路中是低电平时，LED灯亮，当电路中是高电平时，LED灯熄灭。步进电机程序编写：当电路中是高电平时，步进电机开始正转，当电路中是低电平时，步进电机开始反转。步进电机驱动顺序编码表第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步A相11000001B相01110000C相00011100D相00000111P0编码0x080x0c0x040x060x020x030x010x094.2系统运行流程图

5、总结

这次设计的我所选择的课题是“基于单片机的自控门控系统设计”，保持着认真负责的学习态度，我在网上查阅了许许多多的资料，并结合自己平时所学的专业知识，思考了许久，才制定好了大致的设计方案和实践思路，之后再程序中经过不断的调试修改将我的设计想法成功实现真的带给了我巨大的成就感。经过这次自动门控系统的设计，我发现了我所学的东西不过是冰山一角，且所学的知识也不够牢固，在设计和选择方案的时候，很难确定好自己到底该从哪方面下手。同时在毕业设计的过程中我要查阅的专业知识、资料、硬件性质有很多，这些让我深刻感受到自己知识方面的还有许多的不足和缺陷。不过总的来说，通过这次的长时间努力钻研，让我在毕业设计中学到了许多，保持和纠正了自己的学习态度，给我带来了很大的收获。程序的编写方面，主要的知识还是从当初蓝牙模块小车的课程设计当中学来的，那次课程设计是我第一次接触到KEIL这个软件，我学会了如何使用，如何编写，为我的毕业设计打下了基础。本次设计设计中我又重新巩固了一遍，并且更加的熟练吗

其次这次长时间段的毕业设计，让我明白了不管做任何事情都要有着耐心的态度，不能够急于求成，搞研究做学问要谨小慎微，所谓失之毫厘，差之千里，一定不能有“差不多”的想法，碰到了问题就要想办法使用正确的方式去解决，做事情时一定要保持着耐心和毅力，只有坚持下去才能够找到解决问题的思路。希望以后自己在工作中也能够保持着这种拼搏进取，坚毅的态度，谦虚接受别人的意见，工作不顺利先从自己的身上寻找原因，及时的纠正自己的错误，这样在工作上做起事情来就可以达到事倍功半的效果。致谢大学四年生活即将结束了，很想念同学一起坐在教室学习，一起在寝室嬉闹的生活，因为这次的疫情让我们的大四有那么一点的不一样，大家都呆在家里几个月了，相处的时间就少了，有了那么一丝小小的遗憾，但好在学校的防疫措施很