單片機(jī)自動(dòng)門控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u158831系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 140131.1設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路 1270021.2本課題的設(shè)計(jì)與要求 232424一、智能化設(shè)計(jì) 227473二、穩(wěn)定性設(shè)計(jì) 29451三、安全性設(shè)計(jì) 211467四、紅外感應(yīng)模塊使用的注意事項(xiàng) 273791.3系統(tǒng)組成部分框圖以及元器件清單 312042硬件設(shè)計(jì) 3308012.1單片機(jī)的最小系統(tǒng) 4251342.1.1單片機(jī)STC89C51 4171972.1.2復(fù)位電路 5159662.1.3時(shí)鐘電路 6175192.1.4電源電路 753142.2人體感應(yīng)電路 8245532.1.1HC-SR501模塊 8243232.1.2HC-SR501模塊特點(diǎn) 9166972.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 9144572.2.1ULN2003芯片 109612.2.2步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 10119712.4LED燈電路 11264612.5按鍵電路 111系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思路1、由按鍵設(shè)置自動(dòng)門裝置為自動(dòng)模式還是手動(dòng)模式。2、在手動(dòng)模式下，由按鍵控制門的開關(guān)。3、自動(dòng)模式下，在范圍內(nèi)傳感器感應(yīng)到人體時(shí)會(huì)發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)一圈實(shí)現(xiàn)開門動(dòng)作，完成開門動(dòng)作后若是傳感器沒有在范圍內(nèi)感應(yīng)到人體自動(dòng)門系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)延時(shí)5秒后關(guān)門，在關(guān)上門的過程中傳感器感應(yīng)到人體時(shí)門會(huì)打開以避免夾傷人。4、LED指示燈功能：使用LED燈來顯示門的狀態(tài)，分別是自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、手動(dòng)模式下的開門和關(guān)門。1.2本課題的設(shè)計(jì)與要求根據(jù)需求注意一下以下問題:一、智能化設(shè)計(jì)自動(dòng)門應(yīng)設(shè)置手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。在手動(dòng)模式下可以通過手動(dòng)按鍵來控制門的開合；在自動(dòng)模式下則根據(jù)傳感器反饋的信號(hào)，通過單片機(jī)來控制門的開合。調(diào)節(jié)設(shè)置也應(yīng)該設(shè)計(jì)的更加方便，以便于時(shí)刻保持自動(dòng)門的最佳操作。二、穩(wěn)定性設(shè)計(jì)因?yàn)樽詣?dòng)門是用電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)來完成的，所以電機(jī)是最為關(guān)鍵的執(zhí)行單元。使用一個(gè)工作穩(wěn)定的電機(jī)非常重要。由于步進(jìn)電機(jī)能夠固定角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，可以更方便的控制門的開合而且也可以減少開關(guān)門的干擾，所以選擇步進(jìn)電機(jī)。自動(dòng)門使用步進(jìn)電機(jī)，相對(duì)交流伺服電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有很多，例如省電、扭矩較高、噪音比較低、發(fā)熱量低等。三、安全性設(shè)計(jì)采用高品質(zhì)的設(shè)備，同時(shí)要保證電機(jī)能夠正常運(yùn)行，能夠隨時(shí)保持較好狀態(tài)，正反轉(zhuǎn)切換的反應(yīng)時(shí)間要盡可能短，確保安全，延長使用壽命。四、紅外感應(yīng)模塊使用的注意事項(xiàng)1.模塊在接入電源通電后會(huì)進(jìn)入初始化狀態(tài)，持續(xù)一分鐘左右。在該狀態(tài)下模塊會(huì)間隔向外發(fā)送信號(hào)0-3次。結(jié)束該狀態(tài)后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。1.盡量減少周圍環(huán)境對(duì)模塊的干擾，例如干擾光源的照射會(huì)讓模塊產(chǎn)生干擾信號(hào)。2.模塊能夠探測(cè)范圍10-20米內(nèi)人體的運(yùn)動(dòng)。人體剛進(jìn)入探測(cè)范圍時(shí)，由于自身與環(huán)境存在一個(gè)溫差，探測(cè)器則會(huì)發(fā)送信號(hào)給外部；人體進(jìn)入探測(cè)范圍后不動(dòng)，溫差會(huì)消失，此時(shí)傳感器不發(fā)送信號(hào)。4.使用時(shí)要按照模塊的參數(shù)來調(diào)試，具體參數(shù)可看附錄1。1.3系統(tǒng)組成部分框圖以及元器件清單本次設(shè)計(jì)采用STC89C51作為主控制器，具體的系統(tǒng)組成部分框圖如圖1.1所示。圖1.1系統(tǒng)組成部分框圖這次設(shè)計(jì)使用了一些元器件，主要元器件清單如表1.1所示。表1.1元器件清單表元件名稱型號(hào)單片機(jī)STC89C51驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48紅外熱釋電感應(yīng)模塊HC-SR501電阻2K,10K電容10uF，20pF發(fā)光二極管LED2硬件設(shè)計(jì)這次設(shè)計(jì)電路原理圖如圖2.1所示。主要包括了主控器STC89C51，紅外熱釋電模塊，步進(jìn)電機(jī)，二極管和按鍵等。引腳使用說明查看附錄2。下面將詳細(xì)說明該電路圖。圖2.1系統(tǒng)組成部分框圖2.1單片機(jī)的最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)由單片機(jī)STC89C51、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和電源電路組成，具體電路圖如圖2.2所示。下面逐一介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的各個(gè)部分。圖2.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)2.1.1單片機(jī)STC89C51單片機(jī)STC89C51是一款功能強(qiáng)大的微控制器。具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)?？刂破髯陨戆艘粋€(gè)可編程Flash存儲(chǔ)器，內(nèi)存大小為4K,可以反復(fù)擦寫1000次[4]。芯片內(nèi)集成了8位CPU，采用51內(nèi)核，兼容性強(qiáng)[4]。內(nèi)置3個(gè)16位定時(shí)器，8個(gè)中斷源，一個(gè)通用異步通信口等。單片機(jī)具體引腳功能可以查看附錄3，引腳圖如圖2.3所示。-圖2.3STC89C51引腳圖2.1.2復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路的作用是產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，讓單片機(jī)能夠從起始狀態(tài)開始工作，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。這次設(shè)計(jì)的復(fù)位電路采用上電復(fù)位電路，有兩種復(fù)位方式：上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。單片機(jī)9腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，為高電平有效，需要持續(xù)高電平24個(gè)振蕩周期以上才能實(shí)現(xiàn)復(fù)位[5]。上電復(fù)位就是單片機(jī)上電時(shí)，單片機(jī)開始給電容充電，電容兩端電壓開始升高，電阻兩端的電壓開始降低，而電阻又與點(diǎn)單片機(jī)9腳并聯(lián)，所以單片機(jī)9腳的電平也降低，但是在下降過程中，其電壓值始終沒有低過低電平，所以單片機(jī)9腳在電平降低的過程中是滿足高電平狀態(tài)的，而且在這個(gè)過程中時(shí)間也滿足了24個(gè)振蕩周期以上，所以可以實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)電容充電完畢后，電容相當(dāng)于斷路。此時(shí)單片機(jī)9腳為低電平，單片機(jī)可以正常工作。按鍵復(fù)位就是當(dāng)按鍵按下去時(shí)，電容被短路，此時(shí)電容開始放電，在放電的過程中，單片機(jī)9腳電平拉高，當(dāng)滿足復(fù)位所需要的時(shí)間后，單片機(jī)復(fù)位。松開按鍵，電容開始充電，又回到了上電復(fù)位中。復(fù)位電路如圖2.4所示。圖2.4復(fù)位電路2.1.3時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘電路的作用是向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。一般有兩種連接方式：內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘。內(nèi)部時(shí)鐘方式就是在單片機(jī)的18，19腳之間連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容，以此來構(gòu)成振蕩電路。外部時(shí)鐘方式就是將單片機(jī)的19腳接地，18腳連接一個(gè)外部時(shí)鐘即可。這里采用的是內(nèi)部時(shí)鐘。時(shí)鐘電路圖如圖2.5所示。圖2.5復(fù)位電路一般來說，電容是選擇30pF，但從數(shù)據(jù)手冊(cè)查閱可知電容可以選擇10-30pF之間的電容，所以這里選擇了20pF的電容。2.1.4電源電路單片機(jī)電源電路的作用是為單片機(jī)供電，一般來說是5V。電源電路如下圖2.6所示。圖2.6復(fù)位電路在電源電路中，采用的開始是自鎖開關(guān)，這種開關(guān)有六個(gè)觸點(diǎn)。1，2和5，6是常開觸點(diǎn)，2，3和4，5是常閉觸點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，常開觸點(diǎn)導(dǎo)通，常閉觸點(diǎn)斷開，開關(guān)彈起時(shí)則相反。在使用時(shí)，選擇一組使用即可。自鎖開關(guān)的硬件圖如圖2.7所示。圖2.7自鎖開關(guān)2.2人體感應(yīng)電路人體感應(yīng)電路由HC-SR501模塊，電阻和發(fā)光二極管組成，當(dāng)模塊識(shí)別到運(yùn)動(dòng)人體時(shí)，會(huì)發(fā)送高電平，此時(shí)LED燈點(diǎn)亮。人體感應(yīng)電路圖如圖2.8所示。圖2.8人體感應(yīng)電路圖2.1.1HC-SR501模塊HC-SR501模塊是通過識(shí)別人體發(fā)出的10um左右的特定波長的紅外線來工作的。探測(cè)到特點(diǎn)波長的紅外線后，通過特殊的濾光片將紅外線增強(qiáng)后聚集在由熱釋電元件構(gòu)成的紅外感應(yīng)源上。這種特殊的紅外感應(yīng)源在接收到紅外線時(shí)溫度發(fā)生了變化，此時(shí)感應(yīng)源會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷。所以模塊識(shí)別到特定波長的紅外線后會(huì)輸出高電平。模塊圖如圖2.9所示。圖2.9HC-SR501模塊2.1.2HC-SR501模塊特點(diǎn)1.在傳感器的檢測(cè)范圍內(nèi)，若是出現(xiàn)了人，傳感器會(huì)發(fā)送高電平，當(dāng)人離開檢測(cè)范圍后，會(huì)發(fā)送低電平。1.可以用跳線選擇以下工作模式：A.不可重復(fù)觸發(fā)方式：在傳感器在范圍內(nèi)接收到紅外信號(hào)后發(fā)送高電平后，進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)，在該狀態(tài)內(nèi)不檢測(cè)紅外信號(hào)，結(jié)束該狀態(tài)后發(fā)送低電平。B.可重復(fù)觸發(fā)方式：在傳感器在范圍內(nèi)接收到紅外信號(hào)后發(fā)送高電平后，若在延時(shí)期間內(nèi)在傳感器的檢測(cè)范圍里出現(xiàn)了人，則會(huì)繼續(xù)保持發(fā)送高電平，當(dāng)人離開檢測(cè)范圍后，才結(jié)束延時(shí)狀態(tài)發(fā)送低電平。2.傳感器可以設(shè)置感應(yīng)封鎖時(shí)間，在設(shè)置的時(shí)間內(nèi)傳感器不接受紅外信號(hào)。4.該傳感器可以發(fā)送高電平信號(hào)，因此與各類電路的對(duì)接十分方便。2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和ULN2003芯片組成。單片機(jī)通過設(shè)置好的步進(jìn)電機(jī)的磁勵(lì)順序，按照設(shè)置的順序?qū)l(fā)送的電流通過ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)后來控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2.10所示。圖2.10步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖2.2.1ULN2003芯片ULN2003芯片內(nèi)部由7個(gè)達(dá)林頓管組成，是一個(gè)反向電路器，輸入高電平會(huì)輸出高電平，輸入高電平會(huì)輸出低電平。因?yàn)閱纹瑱C(jī)輸出的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，而該芯片可以放大電流，因此需要通過該芯片來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。此外，因?yàn)殡姍C(jī)作為一個(gè)感性負(fù)載，所以在停止通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電流，而該芯片在輸出口接了個(gè)二極管，因此還有保護(hù)電路的作用。芯片圖如圖2.11所示。圖2.11ULN2003芯片2.2.2步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn)1.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和輸入的脈沖數(shù)成比例；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和輸入的脈沖頻率成比例。1.電機(jī)能夠輕易做到變速、急停和正反轉(zhuǎn)等動(dòng)作，具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。2.改變脈沖的順序，可以方便的改變轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。4.壽命長，主要取決于軸承的壽命。5.零部件加工精度和裝配精度要求高，并且零部件加工精度和裝配精度直接影響到電機(jī)的振動(dòng)和噪聲的水平。2.4LED燈電路LED燈電路由4個(gè)LED燈以及電阻組成。當(dāng)對(duì)應(yīng)的P2口發(fā)送低電平時(shí)LED燈會(huì)亮電阻的作用是保