基于單片機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u104481硬件設(shè)計(jì) 1260871.1單片機(jī)的最小系統(tǒng) 2185881.1.1單片機(jī)STC89C51 229451.1.2復(fù)位電路 358801.1.3時(shí)鐘電路 4308661.1.4電源電路 516521.2人體感應(yīng)電路 6186051.1.1HC-SR501模塊 6293311.1.2HC-SR501模塊特點(diǎn) 7180751.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 7110141.1.1ULN2003芯片 869561.1.2步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 8301341.4LED燈電路 970621.5按鍵電路 997692軟件部分 10316912.1程序設(shè)計(jì)思路 1074302.2程序流程圖 111硬件設(shè)計(jì)這次設(shè)計(jì)電路原理圖如圖1.1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(shuō)明查看附錄2。下面將詳細(xì)說(shuō)明該電路圖。圖1.1系統(tǒng)組成部分框圖1.1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1.2所示。下面逐一介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的各個(gè)部分。圖1.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)1.1.1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1.3所示。-圖1.3STC89C51引腳圖1.1.2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(guò)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(guò)程中，其電壓值始終沒有低過(guò)低電平，所以單片機(jī)9腳在電平降低的過(guò)程中是滿足高電平狀態(tài)的，而且在這個(gè)過(guò)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(guò)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1.4所示。圖1.4復(fù)位電路1.1.3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(lái)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1.5所示。圖1.5復(fù)位電路一般來(lái)說(shuō)，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。1.1.4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(lái)說(shuō)是5V。電源電路如下圖1.6所示。圖1.6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1.7所示。圖1.7自鎖開關(guān)1.2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1.8所示。圖1.8人體感應(yīng)電路圖1.1.1HC-SR501模塊HC-SR501模塊是通過(guò)識(shí)別人體發(fā)出的10um左右的特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)工作的。探測(cè)到特點(diǎn)波長(zhǎng)的紅外線后，通過(guò)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(zhǎng)的紅外線后會(huì)輸出高電平。模塊圖如圖1.9所示。圖1.9HC-SR501模塊1.1.2HC-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。1.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。1.3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(guò)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(guò)ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)后來(lái)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1.10所示。圖1.10步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖1.1.1ULN2003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(guò)該芯片來(lái)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1.11所示。圖1.11ULN2003芯片1.1.2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。1.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(zhǎng)，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。1.4LED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)亮電阻的作用是保護(hù)LED燈，防止電流過(guò)大燒壞LED燈。LED燈電路圖如圖1.12所示。圖1.12LED燈電路圖1.5按鍵電路按鍵電路由三個(gè)按鍵組成，當(dāng)按鍵按下時(shí)，對(duì)應(yīng)連接的P3口會(huì)處于低電平狀態(tài)，再通過(guò)單片機(jī)來(lái)控制其他硬件來(lái)完成相應(yīng)動(dòng)作，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)通過(guò)按鍵來(lái)控制自動(dòng)門的目的。為了提高按鍵識(shí)別準(zhǔn)確度，這次設(shè)計(jì)采用了軟件消抖，通過(guò)程序設(shè)定來(lái)消抖以此提高按鍵識(shí)別準(zhǔn)別度，減少誤觸。按鍵電路圖如圖1.13所示。圖1.13按鍵電路圖2軟件部分2.1程序設(shè)計(jì)思路需要實(shí)現(xiàn)的功能：按鍵選擇自動(dòng)門的模式，在手動(dòng)模式下，可以用按鍵控制門的開關(guān)；自動(dòng)模式下，紅外傳感器在識(shí)別到人后自動(dòng)開門，探測(cè)范圍內(nèi)無(wú)人后延時(shí)5秒關(guān)門，在關(guān)門過(guò)程中有人出現(xiàn)則重新開門。使用LED燈顯示門當(dāng)前的狀態(tài)。這次設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)，使用定時(shí)器0方式1進(jìn)行操作，將初值設(shè)定為3CB0，轉(zhuǎn)為十進(jìn)制則是15536，而電路選擇的晶振為12M，所以通過(guò)下面公式求得定時(shí)時(shí)間為50ms[6]。t=(4-1)其中，fose為晶振頻率，T設(shè)置好定時(shí)時(shí)間后，定義一個(gè)50ms變量ms和一個(gè)秒變量sec。再設(shè)置一個(gè)中斷函數(shù)，在此函數(shù)中，首先賦值3CB0，使得定時(shí)時(shí)間為50ms，接著讓50ms變量加1，再判斷50ms參數(shù)ms是否大于19，如果不是，則繼續(xù)上述操作，如果是，則將50ms變量ms清0。50ms變量ms清0時(shí)，如果秒變量sec不為0，則秒變量sec減1。當(dāng)ms疊加20次時(shí)，剛好是1s定時(shí)，所以1個(gè)sec變量就是1s定時(shí)，所以可以通過(guò)設(shè)置sec的值來(lái)控制延時(shí)時(shí)間。詳細(xì)程序如下圖2.1所示。圖2.1延時(shí)程序2.2程序流程圖程序開始