【《基于单片机的自动门控制装置设计》5700字】

V基于单片机的自动门控制装置设计1引言在20世纪30年代，出现了自动门，当时的军事仓库、工厂是自动门的主要使用场所，以便于是防弹、防火，同时也让出入变得便利[1]。到了20世纪50年代后，为了让服务水平和档次变得更高，酒店、银行等场所都开始采纳自动门，让自动门得到进一步的发展。到了1960年，自动门出现电气式，在城市的发展下，自动门技术蓬勃生长。在电气控制技术的日趋完善下，自动门逐渐独立化，在行业中开始拥有自己的定位。目前来说，在中华人民共和国，自动平移门是使用最多的。自动门的发展方向将会是：安全性：可以加入人脸识别、指纹识别增加安全性。优化结构：优化自动门的机械结构，让维护工作能够更方便去执行。高质量：采用符合标准的高质量材料，减小自动门非人为损坏的可能。1.1研究意义及背景1.1.1理论意义单片机是一块集成了CPU，内存，接口等的硅片，它就像一个微型计算机，具有完整的系统[2]。单片机具有很多优点，成本低，功耗小，方便携带等，为许多想要学习电子信息相关知识的人提供了很多选择[3]。目前单片机在很多领域都有着广泛的应用，例如通信行业，医疗行业等都能见到单片机的身影。可见，单片机与我们的生活息息相关。自单片机诞生以来，就一直随着电子工艺的进步而不断更新换代。随着人们在工业升级的不断探索中，逐渐将电子技术和单片机应用在工业生产中，极大的提高了生产效率，促进了市场经济的发展，而获得的这些巨大收益，又为电子工艺的探索升级提供了经济来源。现如今，国家也越来越重视电子技术的发展，我相信在将来会有更先进的单片机来改变我们的生活。1.1.2工程背景在这个现代家居社会和当今人们的日常生活中,自动门既可以有效地大大节约了室内空调的使用能源,又可以有效降低了室内噪音,隔离室外的尘土,同时让出入口变得更加高端大气,因而该门在家庭起居中它的应用极为广泛。随着近年来由于我国工业社会和国民经济的不断进步与社会飞速发展,自动门控制技术在现代人们及其日常生活工作中的发展应用也愈加广泛。1.2本文的主要研究内容和任务1.2.1主控制器的选择设计的要求是开关门要快速平稳且稳定运行，因此根据这些需求，选择数字控制是最好的选择。所以在设计时，有很多种控制芯片提供选择，例如PLC、DSP、微控制器等。下面我对PLC和单片机在功能使用上进行了对比。作为智能产品的PLC,板级CPU是不适合作为一个选择项的，因为其成本过高；而MPU也不太合适，因为MPU的组成需要几个集成电路。例如Z80微处理器，在一块电路板上集成多个电路，这中设计方案的的缺陷是体积太大，与现在企业的要求相差甚远，所以，单片机应该是与PLC最搭配的核心处理器。下面是在工程中对于单片机和PLC的选用，主要研究结果如下：（1）PLC方案适合用于单项工程或者基本上没有重复数的工程，因为这类工程对成功率要求较高，而PLC方案刚好能满足这点，且PLC方案的可靠性也是不错的，但在成本方面就有些差强人意了，相对单片机来说成本较高。（2）单片机方案适合用于批量生产的工程，因为这类工程需要做重复动作居多，对机器的稳定性要求较高，而且需要机器有较高的兼容性以便于调整机器生产不同类产品，而单片机刚好满足这些需求，且成本低，对外围设备的控制也更加简单。所以，在综合考量设计要求以及成本方面之后，本次设计决定CPU采用STC89C51单片机。1.2.2本文的主要工作如今自动门已经广泛应用于多个行业，但国内自动门与国外的自动门仍有差距，国外的自动门运行稳定，但是成本较高；国内的自动门成本较低，但质量参差不齐。为了能够满足大多数应用情况下都能够采用自动门，就需要设计出一款简单安全效率高的自动门控制装置。而且要控制成本不要太高。在这次设计中采用单片机、红外模块来设计一款自动门控制装置。2系统总体方案设计2.1设计的基本设计思路1、由按键设置自动门装置为自动模式还是手动模式。2、在手动模式下，由按键控制门的开关。3、自动模式下，在范围内传感器感应到人体时会发送信号给单片机来控制电机正转一圈实现开门动作，完成开门动作后若是传感器没有在范围内感应到人体自动门系统则会自动延时5秒后关门，在关上门的过程中传感器感应到人体时门会打开以避免夹伤人。4、LED指示灯功能：使用LED灯来显示门的状态，分别是自动模式、手动模式、手动模式下的开门和关门。2.2本课题的设计与要求根据需求注意一下以下问题:一、智能化设计自动门应设置手动模式和自动模式。在手动模式下可以通过手动按键来控制门的开合；在自动模式下则根据传感器反馈的信号，通过单片机来控制门的开合。调节设置也应该设计的更加方便，以便于时刻保持自动门的最佳操作。二、稳定性设计因为自动门是用电机带动机械结构来完成的，所以电机是最为关键的执行单元。使用一个工作稳定的电机非常重要。由于步进电机能够固定角度进行旋转，可以更方便的控制门的开合而且也可以减少开关门的干扰，所以选择步进电机。自动门使用步进电机，相对交流伺服电机，步进电机的优点有很多，例如省电、扭矩较高、噪音比较低、发热量低等。三、安全性设计采用高品质的设备，同时要保证电机能够正常运行，能够随时保持较好状态，正反转切换的反应时间要尽可能短，确保安全，延长使用寿命。四、红外感应模块使用的注意事项1.模块在接入电源通电后会进入初始化状态，持续一分钟左右。在该状态下模块会间隔向外发送信号0-3次。结束该状态后进入待机状态。2.尽量减少周围环境对模块的干扰，例如干扰光源的照射会让模块产生干扰信号。3.模块能够探测范围10-20米内人体的运动。人体刚进入探测范围时，由于自身与环境存在一个温差，探测器则会发送信号给外部；人体进入探测范围后不动，温差会消失，此时传感器不发送信号。4.使用时要按照模块的参数来调试，具体参数可看附录1。2.3系统组成部分框图以及元器件清单本次设计采用STC89C51作为主控制器，具体的系统组成部分框图如图2.1所示。图2.1系统组成部分框图这次设计使用了一些元器件，主要元器件清单如表2.1所示。表2.1元器件清单表元件名称型号单片机STC89C51驱动芯片ULN2003步进电机28BYJ-48红外热释电感应模块HC-SR501电阻2K,10K电容10uF，20pF发光二极管LED3硬件设计这次设计电路原理图如图3.1所示。主要包括了主控器STC89C51，红外热释电模块，步进电机，二极管和按键等。引脚使用说明查看附录2。下面将详细说明该电路图。图3.1系统组成部分框图3.1单片机的最小系统单片机的最小系统由单片机STC89C51、复位电路、时钟电路和电源电路组成，具体电路图如图3.2所示。下面逐一介绍单片机最小系统的各个部分。图3.2单片机的最小系统3.1.1单片机STC89C51单片机STC89C51是一款功能强大的微控制器。具有功耗低的优点。控制器自身包含了一个可编程Flash存储器，内存大小为4K,可以反复擦写1000次[4]。芯片内集成了8位CPU，采用51内核，兼容性强[4]。内置3个16位定时器，8个中断源，一个通用异步通信口等。单片机具体引脚功能可以查看附录3，引脚图如图3.3所示。-图3.3STC89C51引脚图3.1.2复位电路单片机复位电路的作用是产生复位信号，让单片机能够从起始状态开始工作，完成单片机的启动过程。这次设计的复位电路采用上电复位电路，有两种复位方式：上电复位和按键复位。单片机9脚是复位信号的输入端，为高电平有效，需要持续高电平24个振荡周期以上才能实现复位[5]。上电复位就是单片机上电时，单片机开始给电容充电，电容两端电压开始升高，电阻两端的电压开始降低，而电阻又与点单片机9脚并联，所以单片机9脚的电平也降低，但是在下降过程中，其电压值始终没有低过低电平，所以单片机9脚在电平降低的过程中是满足高电平状态的，而且在这个过程中时间也满足了24个振荡周期以上，所以可以实现上电复位。当电容充电完毕后，电容相当于断路。此时单片机9脚为低电平，单片机可以正常工作。按键复位就是当按键按下去时，电容被短路，此时电容开始放电，在放电的过程中，单片机9脚电平拉高，当满足复位所需要的时间后，单片机复位。松开按键，电容开始充电，又回到了上电复位中。复位电路如图3.4所示。图3.4复位电路3.1.3时钟电路单片机的时钟电路的作用是向单片机提供一个正弦波信号为基准，决定单片机的执行速度。一般有两种连接方式：内部时钟和外部时钟。内部时钟方式就是在单片机的18，19脚之间连接一个晶振和两个电容，以此来构成振荡电路。外部时钟方式就是将单片机的19脚接地，18脚连接一个外部时钟即可。这里采用的是内部时钟。时钟电路图如图3.5所示。图3.5复位电路一般来说，电容是选择30pF，但从数据手册查阅可知电容可以选择10-30pF之间的电容，所以这里选择了20pF的电容。3.1.4电源电路单片机电源电路的作用是为单片机供电，一般来说是5V。电源电路如下图3.6所示。图3.6复位电路在电源电路中，采用的开始是自锁开关，这种开关有六个触点。1，2和5，6是常开触点，2，3和4，5是常闭触点，当开关按下时，常开触点导通，常闭触点断开，开关弹起时则相反。在使用时，选择一组使用即可。自锁开关的硬件图如图3.7所示。图3.7自锁开关3.2人体感应电路人体感应电路由HC-SR501模块，电阻和发光二极管组成，当模块识别到运动人体时，会发送高电平，此时LED灯点亮。人体感应电路图如图3.8所示。图3.8人体感应电路图3.2.1HC-SR501模块HC-SR501模块是通过识别人体发出的10um左右的特定波长的红外线来工作的。探测到特点波长的红外线后，通过特殊的滤光片将红外线增强后聚集在由热释电元件构成的红外感应源上。这种特殊的红外感应源在接收到红外线时温度发生了变化，此时感应源会失去电荷平衡，向外释放电荷。所以模块识别到特定波长的红外线后会输出高电平。模块图如图3.9所示。图3.9HC-SR501模块3.2.2HC-SR501模块特点1.在传感器的检测范围内，若是出现了人，传感器会发送高电平，当人离开检测范围后，会发送低电平。2.可以用跳线选择以下工作模式：A.不可重复触发方式：在传感器在范围内接收到红外信号后发送高电平后，进入延时状态，在该状态内不检测红外信号，结束该状态后发送低电平。B.可重复触发方式：在传感器在范围内接收到红外信号后发送高电平后，若在延时期间内在传感器的检测范围里出现了人，则会继续保持发送高电平，当人离开检测范围后，才结束延时状态发送低电平。3.传感器可以设置感应封锁时间，在设置的时间内传感器不接受红外信号。4.该传感器可以发送高电平信号，因此与各类电路的对接十分方便。3.3步进电机驱动电路步进电机驱动电路由单片机，步进电机和ULN2003芯片组成。单片机通过设置好的步进电机的磁励顺序，按照设置的顺序将发送的电流通过ULN2003芯片驱动后来控制步进电机的正反转。步进电机的驱动电路图如图3.10所示。图3.10步进电机驱动电路图3.3.1ULN2003芯片ULN2003芯片内部由7个达林顿管组成，是一个反向电路器，输入高电平会输出高电平，输入高电平会输出低电平。因为单片机输出的电流远远不够驱动电机转动，而该芯片可以放大电流，因此需要通过该芯片来驱动步进电机。此外，因为电机作为一个感性负载，所以在停止通电时会产生一个反向电流，而该芯片在输出口接了个二极管，因此还有保护电路的作用。芯片图如图3.11所示。图3.11ULN2003芯片3.3.2步进电机特点1.步进电机转动角度和输入的脉冲数成比例；步进电机转动速度和输入的脉冲频率成比例。2.电机能够轻易做到变速、急停和正反转等动作，具有较快的动态响应速度。3.改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。4.寿命长，主要取决于轴承的寿命。5.零部件加工精度和装配精度要求高，并且零部件加工精度和装配精度直接影响到电机的振动和噪声的水平。3.4LED灯电路LED灯电路由4个LED灯以及电阻组成。当对应的P2口发送低电平时LED灯会亮电阻的作用是保护LED灯，防止电流过大烧坏LED灯。LED灯电路图如图3.12所示。图3.12LED灯电路图3.5按键电路按键电路由三个按键组成，当按键按下时，对应连接的P3口会处于低电平状态，再通过单片机来控制其他硬件来完成相应动作，以此来实现通过按键来控制自动门的目的。为了提高按键识别准确度，这次设计采用了软件消抖，通过程序设定来消抖以此提高按键识别准别度，减少误触。按键电路图如图3.13所示。图3.13按键电路图4软件部分4.1程序设计思路需要实现的功能：按键选择自动门的模式，在手动模式下，可以用按键控制门的开关；自动模式下，红外传感器在识别到人后自动开门，探测范围内无人后延时5秒关门，在关门过程中有人出现则重新开门。使用LED灯显示门当前的状态。这次设计采用定时器中断来实现延时，使用定时器0方式1进行操作，将初值设定为3CB0，转为十进制则是15536，而电路选择的晶振为12M，所以通过下面公式求得定时时间为50ms[6]。t=(4-1)其中，fose为晶振频率，T设置好定时时间后，定义一个50ms变量ms和一个秒变量sec。再设置一个中断函数，在此函数中，首先赋值3CB0，使得定时时间为50ms，接着让50ms变量加1，再判断50ms参数ms是否大于19，如果不是，则继续上述操作，如果是，则将50ms变量ms清0。50ms变量ms清0时，如果秒变量sec不为0，则秒变量sec减1。当ms叠加20次时，刚好是1s定时，所以1个sec变量就是1s定时，所以可以通