基于单片机的轨道客车自动门设计资料.docx
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基于单片机的轨道客车自动门设计资料
基于单片机的轨道客车自动门设计
学生姓名：
学生学号：
院（系）：
电气信息工程学院
年级专业：
电子信息工程
指导教师：
助理指导教师：
二〇一五年五月
摘 要
随着社会不断地发展、科技的进步、人们的生活水平的提高，以在各个行业中自动化控制的技术已经广泛应用，自动控制技术给人们带来了极大的方便。
在今天，自动控制技术已经成为了工业生产、农业、国防以及人们生活中不可或缺的重要组成部分，以单片机为核心控制器的自动门系统就是其中的一种。
在当前，自动门在中国市场的需求越来越大，但有相当一部分的自动门依然是依靠国外进口，自动门的技术就国内而言还处于初级发展的阶段，技术上与外国还存在着一定的差距。
为了打造自己的品牌，让自动门技术能为我们来服务，自动门技术的研究很有必要。
本论文设计了基于单片机的轨道客车自动门，该系统主要以AT89C51作为控制核心，利用人体红外线传感器作与加速度传感器做检测模块，当加速度传感器识别到列车为停止时，继续判断人体红外线传感器是否检测到了红外能量变化，当人体红外传感器检测到有红外能量时，将会发出信号给单片机，从而触发单片机中断，再由单片机通过ULN2003驱动步进电机动作，从而实现轨道客车车门的自动控制。
关键词自动门，步进电机，人体红外线传感器，加速度传感器
Abstract
Alongwiththesocialdevelopmentandprogressofscienceandtechnologyunceasingly,theimprovementoflivingstandards,peopleintheautomationcontroltechnologyhasbeenwidelyusedinvariousindustries,automaticcontroltechnologyhasbroughtgreatconveniencetopeople.Today,automaticcontroltechnologyhasbecometheindustrialproduction,agriculture,nationaldefenseandanindispensablepartofpeople'slife,withthesinglechipprocessorasthecorecontrollerofautomaticdoorsystemisoneofthem.
Inthecurrent,automaticdoorinChina,thedemandofthemarketismoreandmorebig,buttherearequiteapartoftheautomaticdoorisstillrelyingonimport,automaticdoortechnologyindomesticisstillintheprimarystageofdevelopment,technologyandforeignthereisacertaingap.Inordertobuilditsownbrand,letautomaticdoortechnologyforourservices,automaticdoortechnologyresearchisnecessary.
Thispaperdesignarailwayvehiclebasedonsinglechipmicrocomputerautomaticdoors,thesystemmainlyUSESAT89C51asthecontrolcore,usingthehumanbodyinfraredsensorandaccelerationsensorfordetectingmodule,whentheaccelerationsensoridentificationtotraintostop,continuetojudgewhetherthehumanbodyinfraredsensordetectsinfraredenergychange,whenthehumanbodyinfraredsensordetectsinfraredenergy,wouldsendasignaltomicrocontroller,triggeringSCMinterrupt,anddrivenbysinglechipmicrocomputerbyULN2003steppermotormovement,soastorealizetheautomaticcontroloftherailwayvehicledoor.
KeywordsAutomaticdoors,steppermotor,thehumanbodyinfraredsensor,accelerationsensor
1绪论
科技的不断发展，推动着人类社会的进步，在现代社会，人们不再只满足于温饱，而是追求高质量的生活。
与此同时，自动化电子产品也得到了快速发展，自动门就是这其中的一种技术。
自动门已经发展到各个行业领域，为人们旅行带来了方便，并广泛应用于银行、机场、医院、铁路车门、写字楼、酒店等地方。
1.1课题背景
1.1.1感应自动门的介绍
在20多年的发展历程中，自动门行业逐步的发展起来，形成了一个较为成熟的行业。
改革开放以后，国内科学技术迅猛发展，加上中国人口众多对自动门产品的需求越来越大。
许许多多的自动门生产商在新的科学技术的支持下，建立起自动门的市场地位和相应的发展模式来制造生产自动门。
自动门控制系统是指：
当有物体靠近门时，检测模块检测到有物体时，便通过信号发出模块向主控器，发出开门信号，当主控器收到信号后，开始发出命令，通知驱动模块工作，从而实现门自动开关的目的的系统总称。
感应自动门加上门信号，驱动系统，确认开门信号的控制模块就可以组装成一个最为简单，完整的自动门系统。
所谓自动门系统配置，就是将一系列的中央控制、门禁系统、安全设备，再配上一些辅助控制的模块，连接到自动门的控制模块上，根据使用的要求和结构特点在不同的场所组成功能完全的自动门设施，它包括以下几种类型：
1、开门信号
自动门的开门信号为触点信号，微波雷达与红外传感器是两种最为常用的信号发生源。
它们各有特点，一种为人体红外传感器，人体红外传感器能够对区域内是否存在有物体做出反应，只要是能够散发出红外能量的物体处于感应的范围内，它便会发出触点信号。
不过这种传感器明显的缺点就是，反应速度方面比之微波传感器较慢，在人员走动速度慢的场合较为适用一些；而另一种是微波雷达传感器，微波雷达与红外传感器不同的是，它对物体的移动产生反应，因而反应的速度快，在人员走动较快的场合适用。
它有个很好特点就是：
当附近没有物体，微波雷达不会再做出反应，自动门也会慢慢关闭，这样对门机起到了保护作用，不会出现长时间开门的状况。
但缺点也很明显，若人走到门口不动了，门就会关上，从而出现夹人现象。
此外，自动门也不能长时间去等待接受触点信号，一旦这种情况出现，可能会导致主控器判断为信号输入系统故障。
另一方面，如果自动平移门处在开启状态太长时间，会对电气部件造成损害。
微波雷达与红外感应器不管设计的有多好，但毕竟不是人，它不能够了解人的真正意图，所以在某些场合中人们仍然选择使用按键开关来开门。
还有一种带有按键开关的门，当按下开关时，向控制器发出开门信号，以此来执行开门动作。
当然还有脚踏开关，功能差不多，不过在耐用程度与防水方面有相当严格的要求。
现在建筑自动化有时会提出更多较为特别的要求，例如使用可以视频的门禁系统，人脸识别系统等。
而在某些情况下，人们又会要求用天线来远程控制自动门。
通过无线电发射器，与自动门处安装的无线接收装置取得通信便可以远程遥控自动门，比如，停车场车辆通过的门。
然而现在，无线电波太多，容易导致信号干扰，这种情况下开门反而成为了一个棘手的问题。
另外一种定时开门系统，实际上在某方面确实完成了对门的自动控制，但是却不够智能，它将特定的开关电路与时钟连在一起，事先预设定时间，当到时间开启或关闭。
2、私人区域和门禁系统的自动门
在非公共区域，对自动门的功能需求方面的要求比大型公共场所中自动门质量和性能上的要求要更高。
门禁系统中对是否允许进门进行识别。
当进门请求被允许时自动门的控制系统才会发出开门信号，并执行开门动作。
自动门发出开门信号之前，门必须处于锁定的状态。
门禁系统中有磁卡锁，密码卡，钥匙开关等作为开门的信号触发，更加复杂的一些系统中还会包含人体体重识别，指纹识别等。
开门无论是多么复杂的系统，最终都是触发开门信号后控制器才开始进行开门操作。
信号接收电路模块需要较好的抗干扰能力，不能出现错误的开门和关门。
3、集中控制
所谓的集中控制是指将自动门的控制，运行状态的监控统一管理，不仅仅是一个门，还可以同时管理几个自动门的运行状态。
集中控制将方便自动门的管理，在突发事件或者特殊的情况下可以及时的进行调整和处理。
还可以利用感应信号发生器，它的功能是检测门的位置，根据门的位置来得知门是否关闭或打开。
内设置相应的指示灯，可以显示自动门的当前状态，集中操作通常是指将更加多的门开启或锁门同时进行，它取决于自动门控制器是否存在相应的终端。
1.1.2电动机的自动控制系统应用和发展
电动机的发展已经融入到生活的方方面面，小到家用电器、消费类电子产品，如洗衣机、冰箱、电风扇、电脑等，大到国家安防、医疗器械、工业生产、交通工具等都或多或少的用到了电动机。
可以说电动机的出现，极大的推动了时代发展的脚步。
电动机已经成为人们生活不可分割的一部分。
据不完全统计的资料显示，在所有的动力资源当中，90%以上的动力资源是由自电动机来提供的。
同时，我国电动机能耗占所生产电能的60%。
电气时代的到来，使得电动机有了飞速的发展，电动机的简单控制较多的应用就是采用模拟法进行调速控制。
对电动机进行顺序的控制、正转与反转控制、启动控制以及制动控制都属于电动机的简单控制。
简单的控制可以通过开关元件、继电器、可编程控制器来实现。
更为复杂的电机控制，包括转速、转矩、电压甚至是电动机的功率等物理量方面的控制。
伺服系统是比较完备的电机控制系统，为了能够得到人们所需要的机械运动，伺服系统通过控制电机转速与转矩来实现，它利用中央控制器，控制电力电子功率变换装置来改变电机的运作，从而驱动机械设备运转。
这类在数控机床中应用较多，伺服系统接收控制系统发出的处理过后的信号，由电动机驱动机械传动机构，从而驱动机床运作，如为了加工客户需求的复杂的工件，就需要带动工作台和刀架，来制造出特殊的器件。
在当今的时代，随着微电子技术与控制技术的发展，利用脉宽调制技术与先进的电机材料技术，伺服系统已经将所有的模块集中在一起，形成更加稳定可靠地控制系统。
在今后，伺服技术必将会飞速往数字化、交流化的方向发展。
大规模集成电路的生产技术的迅猛发展，各种微小计算机的成本也越来越低，在性能方面愈来愈高。
微型计算机控制电动机被大多数人采用，其根本原因要得利于电子技术的进步与发展，使得微机控制能够驱动高功率的设备。
这是由于这种方式将电机的潜能无限的挖掘出来，以电机为自动化的系统功能更强大更加方便使用并容易控制，一种新型电动机也可以制造出来，使电动机有了新的变化。
微机控制加入电机后，不仅使得电机性能大大提高，也将使得整个系统的功能更加复杂与智能化。
例如，在速度控制上，直流电机相对较好，但是会有换向火化和机械磨损等问题的存在，这是由于直流电机的机械按向器造成的，这就是传统的直流混合设置。
虽然交流电机不能既经济又方便的在恒定电网上运行并调节，从结构上而言，不论是同步电机还是异步电机都要比直流电机更为可靠简单。
用普通的数字、模拟电路来实现电动机的某些功能，会构成相当复杂电气设备电路。
交流电动机采用变速调节的正弦脉宽调制方法是理想的，较为简单的做法是采用微型计算机来控制。
采用与直流电机性能相当的矢量控制可以更加细微的调整动态性能和精度。
传统的数字或模拟电路做到矢量控制相当的困难，而微机控制的应用则可以很好地实现这一点。
目前，数控位置伺服系统被广泛的使用在数控机床的自动化实现部分。
在先进的伺服系统中，利用数字交流等方式结合高速信号处理芯片（DSP），以提高整个系统的性能，甚至可以进行矩阵运算指令，速度已超过几百兆字节每秒。
1.1.3轨道客车自动门的发展趋势
自动门在中国自1990年代以来，约有20年发展。
自动门在我国的应用，主要是在早期的引进外国的生产技术和设备制造。
在今天，随着中国的市场需求越来越大，国内有一定的技术能力和生产能力生产自动门。
目前，中国的自动门市场中既有自己的，也有国外的一些产品。
一方面，中国人自己也有50多个自动门品牌，自动门在中国也有越来越多的应用；另一方面，国外自动门也在中国市场中占有一席之地。
如今，自动门已经渗入到生活中的方方面面，银行、医院、停车场等随处都可以看到它的影子。
在今后的发展中，自动门必将会被广泛地应用，自动门技术还在不断地创新和改进，并且成逐年递增的趋势。
所以现在的自动门的发展前景是非常乐观的，中国自动门市场的发展将为全球的自动门生产商提供巨大的机会与利益。
1.2课题研究的目的与意义
在21世纪的今天，智能控制系统已经成为一种趋势，它为我们的生活带来极大的方便。
其中的自动门为人们的出行提供了便利，我们不必去自己开关门，只要给它供电它就能为我们工作，既节省了人力资源，又提高了工作效率。
本设计研究的是一种双翼对开式的自动门控制系统，大多数用于轨道客车，地铁等场所。
设计中的控制系统可靠，电路简单，软件完善的自动门系统。
以AT89C51为控制器，与加速度传感器、人体红外传感器、步进电机以及开关控制相结合，实现轨道客车车门的自动控制。
2方案选择及论证
根据要求设计，本设计可分为6个模块，包括微处理器模块、驱动电机模块、人体检测模块、加速度传感器模块、电机驱动模块、故障检测模块。
为了能够实现较稳定的外部电路，让自动门达到自动控制的要求，针对每个模块的功能需求，分别做出了以下的方案，并结合实际加以选择出最优方案。
2.1微处理器模块
方案1：
采用可编程的逻辑器件CPLD。
所谓CPLD就是规模大、密度高、可以实现各种各样复杂的逻辑功能、以及IO资源丰富，适合于用来做大规模的主控器的核心部分。
本设计在对处理数据的速度上要求不高，也不需要用到很复杂的逻辑功能，而且从节约成本和性能方面的考虑，不用此方案。
方案2：
采用AT89C51的单片机。
本设计系统的要求不是很高，程序的编写也相对简单，操作51单片机上的I/O口的数量完全能够实现，不必要再进行扩展，同时也将单片机资源加以充分的利用。
另外，51系列单片机也能够达到系统所要求的数据处理速度，性价比相对可编程的逻辑器件CPLD更高。
综上，选择方案2，以AT89C51作为本设计的微机控制系统的主控器。
2.2驱动电机的选择
方案1：
选用步进电机来实现自动门的动力部分。
步进电机有个巨大的优点：
能够精确控制转动的距离，在没有用到行程开关作为电机停止信号时，步进电机的选择就相当的重要。
方案2：
利用直流减速电机，虽然该方案从限制电机的速度方面能够达到开关门的要求不至于过快，但是在没有行程开关作为电机停止信号，而且电源供电不稳定的状态下，电机难以精确控制所转过的距离，无法实现准确的开关门。
方案3：
采用一般的直流电机。
直流电机的特点是转速快，然而在本设计中，电机运转过快反而会更加难以控制甚至有可能出现夹人的现象，故此排除。
故采用第1种方案，以步进电机作为自动门的引擎较为合理。
2.3人体检测模块
方案1：
微波感应器，即微波雷达传感器，其特点是反应速度快，对移动的物体进行检测，常被用于出入较快的区域，但它有一个缺陷，当不想出门而站立不动时，微波感应器就检测不到物体移动，这时如果刚好要关门，就可能会出现夹人现象。
方案2：
人体红外传感器，能感测区域内是否有红外能量进行感应，不论动物或者人是否移动，只要在红外感应器的感应范围内，它都能识别到，此时就能做出阻止关门的命令，不足之处就是微波感应器速度快，而红外感应器的感应速度比之略逊一筹。
综上，再结合安全因素的考虑，防止自动门出现夹人情况，第2种红外传感器比第1种微波传感器更加适合自动门的设计与使用。
2.4加速度传感器模块
方案1：
MMA7260QT是一个3轴加速度传感器，可根据需求的灵敏度来选择合适的范围，有4个灵敏度量程，性价比较高的加速度传感器。
可以对物体是否正在移动进行检测。
方案2：
ADXL345是一款超低功耗，体积较小的三轴加速度计，其测量范围可以达±16g，分辨率高（13位）。
当ADXL345朝着检测轴正向加速，可以对向前加速的物体进行测量。
综上，本设计只做运动检测就行，所以选择ADXL345。
2.5电动机驱动模块
方案1：
采用继电器对电机的开或关进行开关的切换经行调整。
这个方案简单但是反应的时间过长，但存在这缺陷：
机械结构比较容易损坏且使用寿命不长。
方案2：
采用ULN2003驱动芯片，此芯片方便简单，最大输出电流可达500mA，能够满足本设计所要求的。
方案3：
利用电阻串联分压原理，控制数字电位器控制电机的电压，从而改变其转速。
缺点：
工作效率低而且无法用大电流驱动不易实现。
综上，因而拟用第2种方案。
2.6故障检测模块
方案1：
采用电阻采样的方式。
在电机电源输入串入一个阻值为1欧姆的合金电阻，对电机的影响可以微乎其微可以不计（阻值足够小），再由欧姆定律可知，电阻两端的电压为流过该电阻的电流乘以一，最后将该电压送入电压比较器的反向输入端，与预设阀值作对比，电流过大，比较器输出会产生一个边沿跳变，此时触发中断，阻止自动门关闭。
方案2：
采用霍尔电流传感器来采集电流的大小，再将电流值转换为电压，送入数模转换器中，返回给单片机以作处理。
该方案虽然性抗干扰能力强，但是相对于本系统来说，价格太贵，而且步进电机的电流范围也比较小。
综合分析，方案1简单可靠，比较适合应用在本系统设计中。
3系统硬件的设计与实现
3.1系统原理和框图
自动门控制系统的设计框架以及硬件组成如图3.1所示。
本设计中AT89C51单片机作为主控器，加速度传感器模块检测列车是否停止，当检测到停止时，会进一步去判断开关是否按下（此处模拟列车到站后，司机来按下开关来确定到站），然后人体红外检测模块检测是否有人靠近，此外该控制系统还包括步进电机模块、开关门显示状态（LED灯）、故障检测模块以及外围电路等。
单片机一直循环检测红外模块，加速度传感器模块与故障检测模块，一旦达到开门条件便产生中断执行开门动作（开门与关门动作由LED灯的亮灭方式来模拟）。
当检测列车停止时，又检测到有人靠近，步进电机正转一圈，LED灯从中间向左右两边逐渐点亮；开门完成三秒钟后，若检测到没有人靠近，开始关门，电机反转一圈，LED灯由两边向中间逐渐熄灭。
自动门的开启可以分为3个阶段，首先是单片机在接受到传感器的信号后给马达一个快速开启的信号，使马达以比较快的速率工作，门迅速打开，然后再慢速工作，缓慢打开，最后保持禁止不动，关门动作相反。
图3.1系统设计框图
该自动门控制系统中，当人体红外模块探测到有人时，将脉冲信号传给AT89C51，单片机处理后通知步进电动机动作，同时监控步进电动机转动距离，来控制电机快速与慢速运行。
步进电机在ULN2003芯片的驱动下进行开关门，一个开门完整周期是电机顺时针转过360°，反之，关门则逆时针转360°。
若在关门过程中突然又有人靠近，此时单片机马上相应中断，停止电机关门，并在电机停止的位置又重新开门，经过3秒后，自动门才开始关闭，并启动中断。
3.2功能模块的设计
3.2.1单片机介绍
单片机属于完善的最小计算器系统，它将只读存储器ROM、定时器/计时器、随机存储器RAM、中断系统、多种I/O口、和具有处理数据能力的处理器CPU利用超大规模集成电路技术组装成一块电路芯片（有些还包括A/D转换器电路、脉宽的调制电路、驱动显示电路、模拟转换器等），是高度集成的芯片。
最早的单片机INTEL的8031受到了人们的一致好评，不过，在当时单片机都是4位的，更多的可以达到8位。
在此之后，随着不断的发展，以8031为基础研发出了MCS51系列的单片机系统，直到现在仍然在这一系列单片机上应用相当的广泛。
单片机区别于离线式计算机的是：
单片机是一种在线式的实时控制计算机，所谓在线式就是要进行现场实时控制，当然对其抗干扰力是个不小的考验，成本也要相应的低。
这是因为单片机的内部也运用了与电脑内部相仿的模块，比如CPU，并行总线，内存，和存储器等，区别就是电脑的部件性能和复杂程度都不是单片机所能够比拟的，不过单片机就价钱是相当低的，一般很少会超过10元，用它来做一些不是很复杂的工作，如控制电器等完全可以满足其功能上的要求。
我们所用的各种家电中或多或少都用到了单片机。
它主要是作为控制部分的核心部件。
单片机依靠的是程序来运行的，可以根据功能需求的不同而进行更改。
尤其是一些特殊功能，别的器件可能很难做到或者根本就不可实现。
由于单片机没有计算机中的硬盘存储设备，也没有功能强大的CPU，更加没有高级语言编写的可视化操作方式（这是由于单片机本身所决定的，单片机对成本是敏感的，大量可视化界面会占用相当多的资源，这些于单片机而言是难以接受的），所以目前所使用的软件语言仍然是汇编语言站着统治地位，当然现在的单片机也可用C语言进行编写。
汇编语言比其他高级语言能更加高效的利用硬件资源，虽然原始，却仍然应用于许多的编程中。
单片机的硬件特性：
1）各个部分模块化，系统简单，容易使用；
2）处理功能强，速度快；
3）可靠性高工作时间长，一般可以连续工作1000000-10000000小时；
4）由2个16位定时/计数器、4KB存储空间的ROM、全双工串口行口、CPU、4个8位并行口、128B容量的RAM组成的高度集成芯片。
a.AT89C51管脚说明
图3.2单片机引脚分布图
P3口：
P3口管脚可以接收和输出4个TTL门电流，和8个双向I/O口和内部的上拉电阻连接。
当P3口外部下拉写为“0”时，可作为输出，这是因为上拉的缘故P3口将会有电流输出（ILL），而在写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
在实际开发编写时，使用P3口的第一功能会较多一些。
表3.1P3口第一功能
引脚
具体功能
P3.0—RXD
串行输入口
P3.1—TXD
串行输出口
P3.2—/INT0
外部中断0
P3.3—/INT1
外部中断1
P3.4—T0
记时器0外部输入
P3.5—T1
记时器1外部输入
P3.6—/WR
外部数据存储器
P3.7—/RD
外部数据存储器
P2口：
P2口管脚可以接收和输出4个TTL门电流，和8个双向I/O口和内部的上拉电阻连接。
P2口可以作为外部数据存储，输出其16位地址数据的高8位，在地址8位中写入“1”时，它会输出P2口内部特殊寄存器的内容（只限于对外部数据进行读写时）。
当P2口被写入“1”的时候，处于单片机内部上拉电阻变为高电平，在外部管脚拉低是时，就会有电流输出，利用这一特性来进行数据的读写。
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