电子与信息工程毕业论文基于单片机的自动门控制设计与实现.docx

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电子与信息工程毕业论文基于单片机的自动门控制设计与实现

本科毕业论文

论文题目：

基于单片机的自动门控制设计与实现

作者：

专业：

电子与信息工程

指导教师：

职称：

2012年4月20日

基于单片机红外线自动门控制设计

专业班级：

电气自动化

（1）班学生姓名：

李征胜

指导教师：

陈彦涛职称：

讲师

摘要：

单片机SCM（SingleChipMicrocomputer），即MicroController，是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。

主要包括了微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出口（1/0口）和定时器/计数器、中断系统等功能部件。

单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。

而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。

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。

交流电机作为门驱动装置。

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AT89C51的单片机控制系统。

关键词：

单片机STC89C52

BasedonSCMinfraredautomaticcontroldesign

Abstract：

Single-chipMicrocomputer）SCM（performanceChipclustergeneratorattempts,namely,theMicrocomputerMicroController,isthemainpartinaChipareintegratedontheSingleChipMicrocomputer.Mainlyincludesmicroprocessor（CPU）,memory（ROM,RAM）,input/output（1/0mouth）andtimer/counters,interruptsystemfunctioncomponents.SCMsincethe1970s,sincetheadventofitsextremelyhighperformance-priceratio,attentionbypeopleandattention,itiswidelyusedandfastdevelopment.And51SCMisthemosttypicalandeverySCMmostrepresentativeone.

Thisdesignisinfraredautomaticcontrolsystem,usinginfraredsensorsassensordetectshumanradiationinfraredenergychange,transformedintoelectricalsignals,tomicrocontroller.Acmotorasadoordrivedevice.Throughthesingle-chipmicrocomputercontrolacmotor,makingthedoorautomaticallyopen,whenpeoplecanmakethedooragainafterthedoorshutdownautomatically.ThissubjectmainlyrealizesinfrareddetectionandbasedonAT89C51single-chipcontrolsystem.

Keywords：

SCMSTC89C52

第一章绪论

1.1课题研究的必要性

近年来随着社会的进步，人类的发展,计算机在社会领域的渗透,单片机以其体积小、重量轻、价格便宜等特点广泛应用到国民经济建设及人们工作和生活各方面,并成为科学技术现代化的重要工具。

由于单片机所拥有的诸多特点，人们将其溶入于生活。

在我们所处的生活环境中，充斥着各种各样与单片机相结合而诞生的产物，如交通灯、声控灯、感应自动门等。

我在这次毕业设计中所选择的，就是单片机与门结合的产物，自动门系统。

通过对“红外线自动门控制系统”的研究和设计，我精心撰写了红外线控制自动门系统论文。

本论文着重阐述了以单片机为主体，步进电机、传感器为核心的系统。

1.2智能自动门的理论依据

自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。

自动门是指：

可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。

二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。

到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。

当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用率低很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。

例如：

各种用可识别控制的自动专用门，如：

感应自动门（红外感应,微波感应,触摸感应,脚踏感应）、刷卡自动门等。

自动门机的基本组成大体上相同，有了以上构成，再加上开门信号，就可以配置成一套简单的自动门系统了。

自动门的系统设置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、门禁系统、安全装置、集中控制等。

必须根据建筑物的使用特点。

通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。

自动门主要有:

旋转自动门、弧形自动门、平滑自动门、平开自动门、折叠自动门、重叠自动门、医用自动门、卷闸自动门、车库自动门、特种自动门。

1.3课题的设计要求

一个自动门的设计还要包括下面三个方面：

一、智能化设计

自动门选择配置智能化控制系统，可随意设定门扇的运行速度，并可设定半开状态，调节方便。

使自动门始终保持在最佳运行状态。

并具有自动矫正功能，即使遇到大风等原因引起的运行阻力增大，仍然能够保持平稳的开关门动作。

二、安全性设计

具有自动反转安全装置，当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，并在下次接近阻力区域时以安全速度前进，避免夹人事件和机件损毁的现象发生，提高自动门运行时的安全性，延长自动门寿命。

门扇开启轻巧方便，当停电时，老人、儿童等均可开闭自如，开闭力量在3.5公斤以下，方便、安全、可靠。

三、稳定性设计

自动门采用步进电机，具有高效、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不过热等特性，大大超越传统交流伺服马达。

由于采用步进电机驱动，配合T型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行中具有卓越的稳定性。

由于采用高性能的电源输入，不管电压波幅多大均可自动稳压。

此外在负载瞬间短路时还有过压及过流保护措施，有效保障自动门运转的稳定耐久和安全。

自动门在具体场合的使用设计上，还应注意做好以下配置的选用：

1、安全辅助装置

如在高档酒店等地方可以选择安装防夹人红外感应器，防止停留在门附近的人被门所夹住。

2、备用电源

为保证停电时自动门也能工作正常，应配置备用电源。

3、辅助光线传感器

在需要的地方，自动门可以安装辅助光线传感器（红外对射保护装置），当门打开时，人站着不动，用手遮挡辅助光线传感器，门应该保持打开状态。

当手离开后几秒后，门应该重新关闭。

综上所述，自动门在很多领域具有不可比拟的优越性，随着国民经济的快速发展，自动门在我国已经迎来了快速发展的黄金时期。

自动门构造的技术参数

一、主要的技术指标：

技术指标单门双开门

门重量130kg×1扇100kg×2扇

导轨长度2000~5000mm

开门速度200~450mm/秒（可调）

闭门速度200~450mm/秒（可调）

慢行速度30~50mm/秒（可调）

开门时间开门静止后1~10秒的范围内（可调）

控制器高速智能电脑处理器控制

马达DC24V40W无刷步进电机

电源电压AC220V50Hz

消耗功率100W

手动开启力3.5公斤以下

安全功能开闭时遇到障碍物能立即开启,晚间转换到报警功能

使用环境-20℃～+50℃

二、主要构造部件

部件特性

智能控制器：

自动检测门的重量、宽度，使门保持在最佳运行状态。

步进电机：

高效率、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不发热。

皮带：

高效同步齿型带，防止打滑，保证平稳运行。

吊架：

用于运动门扇的悬挂，安全可靠。

1.4课题研究设计思路

1、有人来时（进门或出门）开门。

当人走到离门不远的时候时，安装在门上侧的红外线传感器信号检测装置检测到有人时，将启动电动机带动传动链开门。

2、当人离开后，自动门将延迟1秒启动电动机带动传动链关门。

图1-1红外门原理图

第二章方案论证

2.1电动机调速控制

1电动机的调速方法很多，能适应不同生产机械速度变化的要求。

一般电动机调速时其输出功率会随转速而变化。

从能量消耗的角度看，调速大致可分两种：

　　①保持输入功率不变。

通过改变调速装置的能量消耗，调节输出功率以调节电动机的转速。

　　②控制电动机输入功率以调节电动机的转速。

电机、电动机、制动电机、变频电机、调速电机、三相异步电动机、高压电机、多速电机、双速电机和防爆电机。

2步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。

通俗一点讲：

当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

2.2单片机

　单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投入市场的产品就有50多个系列，数百个品种。

尽管单片机的品种很多，但是在我国使用的最多的是INTER公司的MCS-51系列单片机，直到现在MCS-51系列单片机仍不失为主流系列。

在最近的若干年仍是工业检测控制的主角。

MCS-51系列单片机有3个基本类型：

8031、8051、8751。

这里选用的是8751单片机。

8031内部包括一个8位CPU，128个字节RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I/O口，1个全双功串行口，2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需要外扩EPROM芯片。

8051在8031基础上，片内又集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。

ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。

所以8051适合用于应用在程序已定的产品中。

2.3传感器的分类

　可以用不同的观点对传感器进行分类：

它们的转换原理（传感器工作的基本物理或化学效应）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

　　根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类：

　　传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。

被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

　　化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

2.4系统组成

　本设计属于单片机应用系统。

它是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，是典型的嵌入式系统。

通常将满足海量高速数值计算的计算机称为通用计算机系统；而把面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

嵌入式系统一般分为四种:

工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。

嵌入式系统具有以下特点：

（1）面对控制对象。

如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。

（2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。

　　（3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。

　　（4）突出控制功能。

如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。

　　单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。

单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

第三章主要器件的介绍

3.1红外传感器的原理和使用

　利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。

使用红外接收头和发射管配合，利用38k频率解决灵敏度问题。

38K调制和发射电路。

使用一个定时器的快速PWM模式产生38K调制信号，通过剩余的四个施密特触发器（有2个已经用在光电编码部分）缓冲，推动8050三极管和红外发光管来发射已经调制的红外线。

图3.1红外线感应器电路图

为使用方便，我们改用成品。

图3.2红外线感应模块

3.2L293D芯片介绍和典型电路

L293D是一种直流电机控制器件。

该器件具有外围电路简单、易于集成、控制等特点。

本设计是在单片机SPCE061A的基础上，扩展了两片L293D构成了护士移动机器人主控电路板，同时也扩展了电源，确保L293D为电机供电。

实际测试中，L293D对电机的控制效果良好。

L293D可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。

输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。

5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

经过综合分析考虑，最终决定使用LM298作为本设计的驱动芯片。

其电路连接图如下：

图3.3LM298电路连接图

3.3AT89C51单片机简介

单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，即将运算器，控制器，输入输出接口，部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一个芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。

其结构如图3-3所示：

图3.4单片机结构框图

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，外形及引脚排列如图3-4所示。

图3.5AT89C51外形及引脚排列

3.3.1AT89C51主要特性：

*与MCS-51兼容

*4K字节可编程闪烁存储器

*寿命：

1000写/擦循环

*数据保留时间：

10年

*全静态工作：

0Hz-24Hz

*三级程序存储器锁定

*128*8位内部RAM

*32可编程I/O线

3.3.2AT89C51管脚说明：

VCC：

供电电压。

GND：

接地。

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。

当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

在实际应用中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时

ALE/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：

当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

3.4稳压模块

电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。

顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。

它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。

　　用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。

该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。

　　因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。

电路图如下：

图3.67805电源模块

3.5步进电机

步进电动机是纯粹的数字控制电动机：

它将电脉冲信号转变成角位移．即结一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度．因此作常适合于单片机控制。

近30年来．数字技术、计算机技术和水磁材料的迅速发展．推动厂步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广闹的前景。

3.5.1步进电动机有如下特点:

1、步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比具有良好的跟随型。

以由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。

同时．它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭外数控系统。

2、步进电动机的动态响应快。

易于起停、正反转及变速。

3、速度可在相当宽的范围内平滑调节。

低速下仍能保证获很大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。

4、步进电动机只能通过脉冲电源供电才能远行。

它不能直接使用交流电源和直流电源

5、步进电动机存在振荡和失步现象．必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。

6、步进电动机自身的噪音和振动较大．带惯性负载的能力较差。

3.5.2驱动控制系统组成

使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如3-7所示：

图3.7驱动控制系统方框图

第四章系统硬件设计

4.1设计电路的电框图和原理

红外自动门控制系统的硬件组成如图1所示。

本系统主要由AT89C51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。

图4.1红外线自动门控制系统硬件框图

4.1.1系统硬件总体逻辑设计

感应自动门的种类很多，在此，仅以平移型感应自动门机作为设计的重点。

首先，平移式自动门机组由以下部件组成：

（1）主控制器：

它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。

（2）感应探测器：

负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。

（3）动力马达：

提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。

当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：

感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行。

马达得到一定运行电流后做正向