V基于單片機(jī)的自動(dòng)門控制裝置設(shè)計(jì)1引言在20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了自動(dòng)門，當(dāng)時(shí)的軍事倉(cāng)庫(kù)、工廠是自動(dòng)門的主要使用場(chǎng)所，以便于是防彈、防火，同時(shí)也讓出入變得便利[1]。到了20世紀(jì)50年代后，為了讓服務(wù)水平和檔次變得更高，酒店、銀行等場(chǎng)所都開始采納自動(dòng)門，讓自動(dòng)門得到進(jìn)一步的發(fā)展。到了1960年，自動(dòng)門出現(xiàn)電氣式，在城市的發(fā)展下，自動(dòng)門技術(shù)蓬勃生長(zhǎng)。在電氣控制技術(shù)的日趨完善下，自動(dòng)門逐漸獨(dú)立化，在行業(yè)中開始擁有自己的定位。目前來(lái)說(shuō)，在中華人民共和國(guó)，自動(dòng)平移門是使用最多的。自動(dòng)門的發(fā)展方向?qū)?huì)是：安全性：可以加入人臉識(shí)別、指紋識(shí)別增加安全性。優(yōu)化結(jié)構(gòu)：優(yōu)化自動(dòng)門的機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓維護(hù)工作能夠更方便去執(zhí)行。高質(zhì)量：采用符合標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量材料，減小自動(dòng)門非人為損壞的可能。1.1研究意義及背景1.1.1理論意義單片機(jī)是一塊集成了CPU，內(nèi)存，接口等的硅片，它就像一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，具有完整的系統(tǒng)[2]。單片機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，成本低，功耗小，方便攜帶等，為許多想要學(xué)習(xí)電子信息相關(guān)知識(shí)的人提供了很多選擇[3]。目前單片機(jī)在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，例如通信行業(yè)，醫(yī)療行業(yè)等都能見(jiàn)到單片機(jī)的身影?？梢?jiàn)，單片機(jī)與我們的生活息息相關(guān)。自單片機(jī)誕生以來(lái)，就一直隨著電子工藝的進(jìn)步而不斷更新?lián)Q代。隨著人們?cè)诠I(yè)升級(jí)的不斷探索中，逐漸將電子技術(shù)和單片機(jī)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中，極大的提高了生產(chǎn)效率，促進(jìn)了市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而獲得的這些巨大收益，又為電子工藝的探索升級(jí)提供了經(jīng)濟(jì)來(lái)源?，F(xiàn)如今，國(guó)家也越來(lái)越重視電子技術(shù)的發(fā)展，我相信在將來(lái)會(huì)有更先進(jìn)的單片機(jī)來(lái)改變我們的生活。1.1.2工程背景在這個(gè)現(xiàn)代家居社會(huì)和當(dāng)今人們的日常生活中,自動(dòng)門既可以有效地大大節(jié)約了室內(nèi)空調(diào)的使用能源,又可以有效降低了室內(nèi)噪音,隔離室外的塵土,同時(shí)讓出入口變得更加高端大氣,因而該門在家庭起居中它的應(yīng)用極為廣泛。隨著近年來(lái)由于我國(guó)工業(yè)社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷進(jìn)步與社會(huì)飛速發(fā)展,自動(dòng)門控制技術(shù)在現(xiàn)代人們及其日常生活工作中的發(fā)展應(yīng)用也愈加廣泛。1.2本文的主要研究?jī)?nèi)容和任務(wù)1.2.1主控制器的選擇設(shè)計(jì)的要求是開關(guān)門要快速平穩(wěn)且穩(wěn)定運(yùn)行，因此根據(jù)這些需求，選擇數(shù)字控制是最好的選擇。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，有很多種控制芯片提供選擇，例如PLC、DSP、微控制器等。下面我對(duì)PLC和單片機(jī)在功能使用上進(jìn)行了對(duì)比。作為智能產(chǎn)品的PLC,板級(jí)CPU是不適合作為一個(gè)選擇項(xiàng)的，因?yàn)槠涑杀具^(guò)高；而MPU也不太合適，因?yàn)镸PU的組成需要幾個(gè)集成電路。例如Z80微處理器，在一塊電路板上集成多個(gè)電路，這中設(shè)計(jì)方案的的缺陷是體積太大，與現(xiàn)在企業(yè)的要求相差甚遠(yuǎn)，所以，單片機(jī)應(yīng)該是與PLC最搭配的核心處理器。下面是在工程中對(duì)于單片機(jī)和PLC的選用，主要研究結(jié)果如下：（1）PLC方案適合用于單項(xiàng)工程或者基本上沒(méi)有重復(fù)數(shù)的工程，因?yàn)檫@類工程對(duì)成功率要求較高，而PLC方案剛好能滿足這點(diǎn)，且PLC方案的可靠性也是不錯(cuò)的，但在成本方面就有些差強(qiáng)人意了，相對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)成本較高。（2）單片機(jī)方案適合用于批量生產(chǎn)的工程，因?yàn)檫@類工程需要做重復(fù)動(dòng)作居多，對(duì)機(jī)器的穩(wěn)定性要求較高，而且需要機(jī)器有較高的兼容性以便于調(diào)整機(jī)器生產(chǎn)不同類產(chǎn)品，而單片機(jī)剛好滿足這些需求，且成本低，對(duì)外圍設(shè)備的控制也更加簡(jiǎn)單。所以，在綜合考量設(shè)計(jì)要求以及成本方面之后，本次設(shè)計(jì)決定CPU采用STC89C51單片機(jī)。1.2.2本文的主要工作如今自動(dòng)門已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，但國(guó)內(nèi)自動(dòng)門與國(guó)外的自動(dòng)門仍有差距，國(guó)外的自動(dòng)門運(yùn)行穩(wěn)定，但是成本較高；國(guó)內(nèi)的自動(dòng)門成本較低，但質(zhì)量參差不齊。為了能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用情況下都能夠采用自動(dòng)門，就需要設(shè)計(jì)出一款簡(jiǎn)單安全效率高的自動(dòng)門控制裝置。而且要控制成本不要太高。在這次設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)、紅外模塊來(lái)設(shè)計(jì)一款自動(dòng)門控制裝置。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1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(lái)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(méi)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(guò)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(lái)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。2.2本課題的設(shè)計(jì)與要求根據(jù)需求注意一下以下問(wèn)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(guò)手動(dòng)按鍵來(lái)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(guò)單片機(jī)來(lái)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(lái)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(zhǎng)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)。2.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)。3.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(lái)調(diào)試，具體參數(shù)可看附錄1。2.3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2.1所示。圖2.1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2.1所示。表2.1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LED3硬件設(shè)計(jì)這次設(shè)計(jì)電路原理圖如圖3.1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3.1系統(tǒng)組成部分框圖3.1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3.2所示。下面逐一介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的各個(gè)部分。圖3.2單片機(jī)的最小系統(tǒng)3.1.1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3.3所示。-圖3.3STC89C51引腳圖3.1.2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(méi)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3.4所示。圖3.4復(fù)位電路3.1.3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3.5所示。圖3.5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。3.1.4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3.6所示。圖3.6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3.7所示。圖3.7自鎖開關(guān)3.2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3.8所示。圖3.8人體感應(yīng)電路圖3.2.1HC-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3.9所示。圖3.9HC-SR501模塊3.2.2HC-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。2.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。3.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。3.3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3.10所示。圖3.10步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.3.1ULN2003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3.11所示。圖3.11ULN2003芯片3.3.2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。2.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。3.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。3.4LED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3.12所示。圖3.12LED燈電路圖3.5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3.13所示。圖3.13按鍵電路圖4軟件部分4.1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