【基于单片机及红外线传感器的自动门控制系统设计13000字（论文）】

不断增多，自动门逐渐出现在大众视野。如何研发一个本论文主要阐述一个基于单片机及红外线传感器的自动门控制系统的研究课题设Sincethebeginningofthenewcentury,withtherapidpeople'sdailyneedsanhavegraduallyappearedinthepublic'sfieldofvision.Howtodevelopasafetopicsofautomationdesign.systemismainlycomposedofasingle-chisignalistransmittedtodevelopmenttrendsathomeandabroad,comparesthevariousmodulesofthesystemacctothedesigncontentandreqHardwareandsoftwa 11.1课题背景及研究的目的和意义 1 1 2 2 32系统总方案设计及论证 4 42.2系统控制核心的对比选择 42.3电机的对比选择 52.4红外传感器的选择 62.5烟雾传感器的选择 72.6总体方案论证 8 8 93.1单片机单元 93.1.1单片机介绍 93.1.2STC89C52单片机 93.1.3单片机引脚方案 3.2热释电红外感应模块 3.2.1HC-SR501人体红外感应器介绍 3.2.2红外模块调整方案 3.3步进电机单元 3.3.1步进电机特点 3.3.2驱动控制系统 3.4.1MQ-2烟雾传感器特点 3.4.2烟雾传感器原理 4.2.1系统运行流程图 4.2.2各部分程序流程设计(见附录) 25.3整机调试与分析 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。自上个世纪末，生活中各个领域都逐渐进入了数字化时代，我们无时无刻不在体会着科技给我们生活带来的变化。门在我们生活在随处可见，门的发展与人类文明的发展有着紧密联系，在这个生活各方面都趋于自动化的时代，传统意义上的门需要跟随时代的变化，于是延伸出了自动门，自动门也因此成为自动控制领域主要研究的课题之一，各种各样的自动门也逐渐出现在生活中各个场所，自动门给人们生活提供了方便，是门历史上的工业改革产物。单片机作为一块集成芯片，发展20多年以来就一直以成本低、体积小等优点被广泛运用于自动化领域的研发，它能完成计算机完成的基本逻辑关系运算，被称为微型计算机，在工业上被量产用于生产机械设备，生活上也随处可见与单片机结合的产物，如计算机、红绿灯、自动门等。电机作为当前最主要的动力装置，应用范围基本覆盖了人们的日常生活中，无论是交通运输、工业、农业、商业，还是日常电器，基本上任何机械设备都是采用电机作为能量转换装置。随着自动化领域的发展，继电器等一系列电子元器件的产生，电机慢慢地可以通过数字控制，PLC和单片机的产生更是加快了电机自动控制的发展。自动门控制系统就是通过单片机控制电机的系统。自动门在我们生活中应用广泛，银行、酒店、写字楼等场所四处可见，这些场所都与我们的生活息息相关，所以自动门的实用性、智能性、安全性各方面都需要不断提升完善，自动门不仅方便了出入，而且一定程度上提高了建筑物的高档性，节约了空调用电，还起到了防风防尘的效果。日新月异的现代化生活中，各个场所对于设计自动门的要求越来越高，根据场所的不同需求设计功能也呈现出多样性，可以细分为自动平移门、自动螺母式旋转门、自动折叠式平开门、自动平启式开门等。由于目前的自动车门控制系统尚未完全成熟，一些自动门并没有满足人们的需要求，使用时间久也可能导致系统不稳定，容易造成安全事故，安全系数不够高。所以研究一个安全实用又高效的自动门控制系统意义重大。1.2自动门控制系统国内外研究现状及发展趋势在国外，大部分发达国家自动化技术研究较早，处于世界领先水平，自动门控制系统作为自动控制领域研究课题之一，理所当然技术已经相当成熟。根据资料记载，早在1802年国外已经开发出了世界上第一台自动门控制系统，而当时我国还处于清王朝封建腐朽的统治下，经过不断的完善与发展国外至今为止依然技术领先，在技术成熟的国外现如今的发展趋势也是着重工艺上的提升。在国内，很多自动化项目技术上也只是参照国外的经验，自动门控制系统的研发亦是如此，我国在这方面自主研发能力较低，因此做出来的产品大多有国外产品的影子，所以其质量、安全、系统、工艺等方面根本无法与技术成熟的国外相比。由于核心技术并不成熟，所以我国生产自动门的厂家并不多，市场上国内生产的大多数自动门控制系统基本功能都可以实现，但它的局限性就是无法突破自身质量上的问题，客户对此也是半信半疑的态度，最终可能也是选择买进口产品。综合国内现状，我们的发展趋势也明朗起来，首先向国外行业领先者看齐，不断完善和提升芯片技术，创造一个能与之相媲美的稳定系统，其次就是从新时代客户需要出发，生产出安全且有质量保证、系统稳定、功能多种多样、更加人性化的自动门控制系统。1.3本课题设计的主要内容与要求对于任何一个课题的设计，我们要透过其要求，从脑海中想象如何实现基本功能，搜集相关资料进行可行性分析，然后制定方案选用材料进行设计。基于单片机红外线感应自动门控制系统的设计，即是把单片机作为系统的核心控制单元，用人体感应模块感应是否有人出入，最后通过电机带动门进行单片机中设定的开门关门行程，达到自动控制的效果。以上只是课题设计要实现的基本要求，切合生活实际，自动门根据安装场所的不同，还需要考虑安全、智能程度、人性化等方面的设计。自动门设计在实现基本功能的同时，一般还考虑以下几个问题：单片机是主要控制自动门的核心单元，我们要考虑到单片机控制电机运转的时候如何不受其他因素的影响正常运转，在出现异常的时候能有警示并可以及时关闭系统，避免出现安全事故。同时应考虑如有火灾事故发生，利用烟雾传感器保持门处于一直开着2.智能人性化设计自动门在运行的时候，我们要安装运行指示灯，让人们能直观地看到门的运行状态，并且设计手动控制功能，在停电的时候有备用电源，能控制其基本功能。3.根据需求设计不同场合根据需求的不同可加上符合新时代变化的功能，如一些私人场所可增加指纹、人脸、语音识别功能，大型场所可安装备用控制电源。本次设计基于自身能力不足、资源有限，根据收集的相关知识和课题要求将采用单片机作为控制核心，两个红外线传感器作为门前门后感应人们的出入，烟雾传感器作为安全系统模块，若干个LED指示灯、电阻、电容，蜂鸣器作为警报指示，若干个独立按键作为控制手动自动和总系统开关按钮，大致上可以实现以上功能。1.4课题设计内容安排在充分了解本研究课题设计的要求、背景及目标后，根据所需要了解的自动门知识，制定一个大致的方案，然后通过收集整理相应文献资料，选用系统模块中所要用到的各种1.5本章小结自动门控制系统技术是我国在自动门控制技术领域中所研究的重点课题之一，基未来在我国必将是大有可为的，朝着这个方向，跟随本论文一起了解自动门控制系统。 1.通过所学的c语言及单片机知识，根据生活实际编写程序，控制门的开关行程，没有人进出的时候处于关闭状态，当红外线传感器检测到人体信号时进或出，控制中心会处理信号，控制电机转动从而门自动打开。2.当门自动打开后，五秒之内没有检测到人体信号门将自动关闭，门关闭过程设定两秒，这两秒内如再次检测到人体信号，门将停止关闭然后再次打开。3.门在开关过程中有LDE指示灯提示，系统异常也会有警报提示，同时设计手自动按钮，异常时可切换手动模式进行检测等操作。本人拟采用热释电红外传感器感应人体信号，利用菲涅尔透镜一定程度上增大感应范围，单片机作为信号分析处理系统，从而控制电路控制电机运转，达到门自动开关的效果。总体设计结构如下图所示：电路处理2.2系统控制核心的对比选择在自动控制系统领域研究中，电机是大多数也是最主要的动力单元，电机自动控制系统的应用十分广泛，自动门控制系统也是利用电机作为动力单元。如何选用符合自动门稳定精确运行的控制核心，在现代化科技中我们会选择数字化芯片进行控制。根据我所学知识和搜集相关资料，我能力范围内会选用的是单片机或者PLC作为自动门的系统控制核心。因此我分析了PLC和单片机系统：PLC,即一种可以进行自动化编程的逻辑控制器，是一种带有微处理器的功能，并且用于对微处理器进行自动化和控制的数字计算机控制器，据我所了解的有西门子、三菱、台达等PLC。在一些工业自动化项目上，基本都有PLC的存在，但其体积大小接近于一台电脑主机，并且成本较高，所以PLC比较适合大型且单项工程系统。单片机就是一种集成电路芯片，相当于一个小型计算机，单片机发展迅速，被广泛应用与智能设备和工业生产自动化中，具有体积较小、成本低、效益高、兼容性高、系统稳定的优点，并且对外接模块更易于控制，只需要改进完善程序即可。根据所学知识和相关资料，下面直观地对比了它们的实物图： 通过以上对比和分析，结合我们的所学知识，本次的设计将采用一台单片机作为系统由一台单片机内部加上外围电路构成，相对来说开发成本较高。单片机还具有运算速度快、指令明确执行快的优点，引脚功能和使用都非常适合自动控制系统的开发。电机是自动门控制系统的动力执行单元，本人拟设计的自动门是最普遍的平移式自动门，门开启或关闭时的行程都是直线式运动，因此我们可以选择的电机很多，但是自动门我们主要还是考虑其安全性、高效性和稳定性。本文主要对比了无刷直流电机和步进电机：无刷直流减速电机由一种无级有刷减速电动机的控制主体和电机驱动器两个大部分共同组成，它的减速换向控制方式主要指的是通过电机利用一种半导体上的开关控制元件驱动来控制实现的，它同时它还具有一种类似于其他传统直流减速电机的一些重要优点，它指的是一种可以在低速或者更小的大功率地况下运行，可以通过节约小的减速电调速且其中的无级调速幅度区间宽，可靠性也比较高、稳定性良好、适应能力强、维修与维护保养简便等诸多重要优点。优点全面的无刷直流电机一直以来都被广泛应用于各种品名160G-1806左名图2.3-1无刷直流减速电机及其参数步进电机主要是将电脉冲的信号改换为角位移或直接在线性上的位置进行控制的度，并且他的步距角只和输入的脉冲频率有关，和周围环境因素以及电网的电压无关，是十分稳定的，在我检测和处理设备故障时，步进电机能使用很长时间不会出现问题，↵↵八拍图2.3-2四相反应式步进电机及其工作时序波形图微波温度传感器主要由人体微波光学振荡器和人体微波检测天线两个大部分部件组成，它们都指的是一种能够可以直接有效利用人体微波的光学特性对人体物理温度变化现象进行精确检测的微波感应器，它们反应速度快，检测人体信号运用了多普勒原理，工作时不受环境因素的影响，在不同温湿度下也可以正常工作。拟采用类型的实物图片如下：《微波传感器》《接线端子》用来接线的接线口红外传感器具有灵敏度高，可靠性强，成本低、可以在超低电压下工作的优点，因此被普遍应用于各类自动感应电器设备，是一种全自动感应器。本次设计查找了热释电红外传感器的相关资料，它的实物和内部结构电路如图：它是基于热释电效应工作的传感器，采用了BISSO001芯片进行信号处理并传递给单片机，可以与51单片机轻松结合工作，自身也没有辐射，在探测元件上安装菲涅尔透镜可以增加人体感应强度。综合比较下本次设计拟采用热释电红外传感器，它可以完美地胜任自动门控制系统的感应模块，并且成本问题优于微波传感器，便于操作控制。2.5烟雾传感器的选择给本次设计系统安装烟雾传感模块完全处于安全考虑，日常生活中在一些人流量大安装有自动门的大型场所，如果发生火灾时自动门出现故障导致开不了门，后果不堪设想。因此本设计在成本允许情况下选用了一种价格低廉实用性强的烟雾传感器：MQ-2可燃气体检测感应器。实物图如下：第8页共36页图2.5-1烟雾传感器这款烟雾传感器体积小，做工精细，工作电压非常单片机控制系统，内部有自身的原理结构，灵敏度可调，功能强大，非常符合用作本设计的安全模块。2.6总体方案论证根据以上单片机、电机、红外传感器的对比选择可知本次设计的总体方案为：自动门控制系统核心控制器为成本低且安全稳定的单片机，采用热释电红外感应器作为人体感应模块，通过感应器上的芯片转换并处理信号后递送给步进电机，步进电机收到信号后正转或反转一定的角度，从而完成门的自动开关。系统的其它外围设备电路也连接单片机，通过单片机控制完成，比如烟雾传感器、整个系统模块分工明确又互相结合，操作方便利于管理。一个简单的控制系统最基本都会有输入输出信号以及控制执行单元组成，对于一个控制系统的研究，首先要透过其要求想象出系统各部分由什么组成，又是通过什么结合在一起。这是本次课题设计总结出来的设计思路，后续更要搜集相关知识，进行各个组成单元的可行性分析以及各个元器件的原理和作用。本章节较系统地分析了控制器、执行机构和变送器的选择，通过所学知识和请教老师，明白了自动门控制系统适合什么元件，也由此选择了一个相对比较优的设计方案。第9页共36页经过前面系统主要模块的材料对比选用，结合所学知识、自身知识能力以及成本等方面的考虑，本次设计是一种平移式自动门，硬件需要的元器件清单如下图所示：表3-1元器件清单1元件名称元件型号标号数量电容3发光二极管6步进电机步进电机接□1人体感应模块热释电红外感应2电源输入电源接口1电阻2k(6个)、10k(1个)7按键、电源开关6单片机1电机驱动芯片1烟雾传感器1晶振1IC座16脚40脚各一2此外本次设计还用到一块万能板和若干导线、插针，拟将这些元器件用电烙铁焊接在万能板上。在选材后我们要了解这些硬件的知识点滴，了解各个模块的作用和整个系统的运作方式，电路原理等。3.1.1单片机介绍大学之前本人对于单片机完全是陌生的，在逐渐接触到专业知识才慢慢了解单片机是什么,从计算机专业角度上称之为单片微型计算机，在我学习了模拟电子技术后把它看成一块集成芯片，这块集成芯片的功能十分强大，我们使用单片机的时候都可以通过C语言编程或汇编语言编程控制芯片上各引脚在不同时间输出不同的电平，从而实现使用者想要的功能。我们知道计算机最基本的结构是CPU上的运算器和控制器，输入输出端口以及存储器，单片机就是单单具备了这些计算机最基本的组成结构，从而一直被人们学习并广泛应用于各个领域。它的优点也是显而易见一一体积小，使用方便，功耗低、运算速度快、抗干扰能力强等。单片机的发展十分迅速，在这个科技高度发展的数字化时代，作为理工科大学生，理解掌握单片机的知识是我们工科入门的基础之一。3.1.2STC89C52单片机单片机是本次设计系统中核心控制单元，就好比人的大脑中枢，对于这次自动门控制系统的设计我采用了STC89C52单片机，可以在低电压下工作一般为5V,运算执行一共有40个引脚，功能十分强大，可以与MCS-51兼容，数据保存时间可达10年等特复位电路WR)P3.6P2.4晶振电路P0.1~P0.7□分别接入8个发光二极管作为指示信号。3.2热释电红外感应模块3.2.1HC-SR501人体红外感应器介绍一个出门感应，经过资料收集和系统可行性分析，本次设计我购买了两个HC-SR501人体红外感应器。看了关于hc-sr501人体红外感应器的一些相关文献资料，我基本明白了它的具体工作原理和一些参数的含义，它主要指的是由一种带有高热电阻力系数的金属复合材料直接制作而成的大概2mm平方的红外探测传感器元件安装在红外探测器上，接收到信号经过场效应管放大后输出，下图是它的主要电气参数：3-2红外感应器电气参数工作电压范围静态电流电平输出高3.3V/低0V延时时间5S(默认)可制作范围零点几秒-几十分钟封锁时间2.5S(默认)可制作范围零点几秒-几十秒电路板外形尺寸感应角度<100度锥角感应距离7米以内工作温度-15-+70度感应透镜尺寸直径：23mm(默认)由此可见HC-SR501人体红外感应器实用性很强，各方面都非常符合应用于自动门控制系统。我购买的这款人体红外传感器用的是BISSO001芯片，这款电路芯片其实是一款完全可以轻松地直接处理红外人体传感器和信号的数字集成电路芯片，封装内部结构为符合国际标准的16脚，能优异地与热释热放电红外人体传感器相互进行匹配，它的内部主要结构是由于数字运算功率放大器、电压比较器、与控制门电路、状态监测控制器、定时自动监测电路控制器、锁定器和时间监测控制器及自动停止和放电控制道路等多个构件所综合组成。一般传感器自身的探测范围都不足以满足系统的要求，从自动门控制系统出发考虑，感应更灵敏、范围更大的传感器自然优先选择。因此在探测器前方安装了一个新型菲涅尔光学透镜，该光学透镜主体是由透明的双层塑料金属材质焊接制成，将光学透镜上、下两个主要组成部分各别分为若干个不同等份，制成一种独立的一个具有特定宽度光学信号传感器系统的光学透镜，它和光学放大器的电路互相配套，可将通过检测仪得到的光学信号的长宽度分别放大70分贝以上，这样就可以能够准确地将被检测到并得到10-20米宽度范围内的向所有人的方向移动。3.2.2红外模块调整方案从电子器件厂家买回来的是HC-SR501人体红外感应器，出厂是的一些参数设置并不符合自动门控制系统的要求，先通过下面的实物图看一看：图3.2.2-1红外传感器实物1.电源负极2.OUT信号输出3.电源正极4.L不可重复触发端口，H重复触发端口5.CDS光敏电阻6.RT温度补偿电阻通过以上这些图片，比较直观地看到了红外模块的结构。出厂时直接通电测试知道灵敏度并不高，所以调节灵敏度电位器，将感应距离调大；触发端口的连接方式为不可触发式，结合自动门在感应到一次人体信号后，延时和正在关门时间内再次感应到人体信号需要再次开门的功能，将触发端□改为符合要求的可重复触发式：即在芯片输出高电平后，在探测范围内持续探测到人体信号输出保持为高电平，当人离开后延时关门，高电平变为低电平。为了确保系统安全稳定，将延时时间设定为两秒，确保了单片机能准确地接受红外传感器传送的信号。3.3.1步进电机特点步进电机基于最基本的电磁铁原理，动作原理是依靠气隙磁导的变化产生电磁转矩。本人在实习工作中是接触过步进电机，它在通电后都会进行机械调零，接着是每接收到一个脉冲信号后就会转动一定的角度。步进电机的工作状态十分稳定，电路稳定的情况下基本不会受外部环境的影响。主要有以下特点：1.响应快，控制急停、正反转和变速操作简单；2.它的角位移与输入信号基本无误差或误差很小；3.变速很平滑，可不用减速器直接驱动负载；4.只能通过脉冲电源供电；5.稳定可靠，价格低。3.3.2驱动控制系统从电机学专业角度上理解，该电机采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。其驱动方框图如下：原理图上的驱动电路如下：第14页共36页P1VCC9步进电机接口158643图3.3.2-4步进电机原理图3.4安全模块MQ2烟雾传感器图3.4.2-1烟雾传感器原理mq-2的4脚会作为一个带有输出端并跟随吸入烟雾的质量浓度发生变化的三相直比较器的输入门槛值和输出输入电压。当它的烟雾输入浓度继续较高时时当输出的输入电压远远需要超过了它的门槛电压输出的输入电压时，比较器将自动输出一个小的低电继续下降时时传感器的门槛输出输入电压远远需要低于它的门槛输出电压，比较器的电源翻转后就会输出一个高电平(vcc),led就光灯会自动熄灭。调节元件rp,可以通过手动调节一个比较器的工作门槛和驱动电压，从而有效地通过调节一个报警信号输出的驱动灵敏度。r1串联嵌入一个加热传感器的螺丝加热保护回路，可以有效地做到保护已经加热的螺丝在冷上不通电时不会因此受到任何冲击。3.5电路设计框图及原理红外自动门控制系统主要由STC89C52单片机及其外围电路、红外检测电路，门行程检测电路、步进电机控制电路、故障检测电路、故障显示电路、控制方式切换电路等七部分组成。单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电路输出信号，据此产生步进电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应的控制方式。如门在关门过程中遇到人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开，当系统出现故障，进入故障处理程序。系统设计的电路框图如下：故障检测由此框图和前面单片机最小系统我由此可以直接增加外围电路：红外传感模块和驱动电路等，从而连接成自动门控制系统的原理图，如下：由此原理流程图我们可以直观清晰地了解到整个系统运行原理，我们把最小系统单片机看成是系统运行中心，它本身就是整个自动门控制系统大脑，负责监视和检测每一个人体感应模块中是否存在有人进入然后再接受到信号处理并向其发出指令，主要是指挥步进电机、led指示灯等的工作。人体传感器模块在被检测到信号时，输出一个高电平并把这个信号传递给stc89c52单片机，步进电机则是负责向控制开关行程提供主动力。各个模块分工明确，联合起来就形成了我要设计的自动门控制系统，其中他的具体运作过3.本章小结本章主要对自动门控制系统所需的硬件进行介绍分析，通过各部分电路图的绘制，片机受到干扰出现程序故障时，复位可以让程序重新执行，连接的是单片机RST引脚；晶振电路的振荡频率越大单片机处理速度越快，一般采用11.0592MHz。热释电红外传动门控制系统首选的电机类型，其跟随脉冲信号每次运行一定的角度，既安全又稳定。关资料学习后在KeiluVision5中进行程序编程。这是一款兼容单片机C语言软件开发系知识以及参考别人的编程经验后，我觉得这主要首先确定使用两个TO、T1中断服务程序实现自动门的手自动控制并且有指示，定义若干个LED显示自动门不同的开机系统初始化↵空闲状态开机红外↵开门(8步)↵红外↵等待状态↵红外↵红外↵关门1步红外↵反向开门步画出了系统运行流程图，基本上可以比较直观地看到这其中错综复杂的逻辑关系，然后就可以看着流程图进行程序的编写。主程序如下：{TMOD=0x21;//定时器0配置TH0=0x3c;//定时50ms赋初值TL1=0;/定时器1计时赋0ETO=1;//定时器0中断ET1=1;//定时器0中断TR0=1;//定时器0启动定时TR1=1;//定时器1启动定时EX0=1;/1外部0中断4.2.2各部分程序流程设计(见附录)我觉得程序部分就是对系统硬件进行一系列“参数”的设定。本自动门控制系统中，正常情况下人体感应器感应到人时，门是正常速度打开，5秒之内没有再次感应到人会正常速度关闭，门的关闭行程是3秒，在这3秒内如果再次检测到人体门会加速打开。这样我们可以把们的运行状态分为以下几种：运行状态、等待状态、空闲状态、延迟