基于单片机的商场自动门控制系统设计本科生毕业设计Word文档下载推荐.docx
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有效的防范通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调和谐。
自动门广泛应用于大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿态。
自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善[1]。
所以对自动门的认识应该从人们对门功能的要求开始。
作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行这两种要求。
因此门体本身应牢固、密封。
自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。
由于中国没有相关的自动门国家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐，因此最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌。
不要认为样本上全是外国语，资料也是外国语的商品就是进口商品，其实这样是违反国家规定的。
真正的知名品牌，合法的商品不会这样做。
自动门平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。
当人通过门之后，再将门关闭。
由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。
1.2国内外发展现状
自动门大规模专业化生产始于150年前，随着科技的进步自动门也在不断的发展和完善。
门的高级形式——自动门起源在欧美，迅速发展至今，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。
进入90年代以来，自动化技术发展很快，技术已经很成熟，并取得了惊人的成就。
自动化技术是自动门的重要部分。
在现在人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防尘、防风，同时可以使出入口显得很庄重高档，因此应用非常广泛。
在国外大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商楼、写字楼，自动门已经随处可见，但在国内，自动门的自主研发尚处于初级阶段。
在自动门控制系统设计中，稳定、节能、环保、安全、以及人性化是需要首先考虑的因素。
1.3课题研究的意义和目的
随着电子科技的不断发展，各种智能控制系统进入人们的生活。
自动门控制系统成为商场、超市等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。
自动门能实现入门授权的自动识别控制和防挤压等功能。
为了使商场自动门能够更好的为商场服务，得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的商场自动门系统，本文研究一种双翼对开式自动门控制系统，实现了入门授权的识别控制和防挤压等功能。
该系统以8051作为控制核心，步进电机、红外传感器、磁开关相结合的系统。
充分发挥了单片机的性能。
具有一定的使用和参考价值。
1.4主要研究内容
单片机以及自动控制相关知识。
通过去图书馆查阅材料，阅读文献，利用网络参考网络上的论文，并在此基础上利用单片机完成某商场自动门控制系统的设计，首先进行自动门系统的方案设计，根据功能要求和控制要求设计出了整体框图，然后设计了系统硬件系统，选出了单片机型号，步进电机，红外检
测电路，还有相应的软件系统，根据要求设计了整体流程图，和功能模块设计，最后利用软件对自动门控制系统进行了仿真与分析。
最终完成了基于单片机的商场自动门控制系统设计。
此系统要求具有如下功能：
开门和关门控制应有手动和自动方式；
紧急停止；
自动门在开门位置停留9秒后，自动进入关门过程。
2自动门系统方案
2.1自动门的功能需求分析
本设计面向商场入口的应用，需要有安全性和可靠性。
根据商场中对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应由以下功能：
1.为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。
当信号采集装置检测到有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭，单片机动作输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。
2.当自动门出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动门自动进入开门过程。
2.2自动门的控制要求
1.当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。
2.自动门在开门位置停留9秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4位置时，电机停止运行。
3.在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。
4.在门打开后的9秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关K2或K1时，必须重新开始等待9秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。
2.3设计整体框图
本设计主要应用单片机程序对步进伺服电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。
在门的两侧各有一个感应器，分别感应从里面出去和从外面进来的人。
感应探测器探测到有人靠近时，将脉冲信号传给主控器单片机，主控器判断后通知电机运行，同时监控电机的转数，以便通知电机在一定时候加力和进入慢行运行。
检测人进出的传感器采用红外传感器。
图2-1，是自动门系统整体框图。
图2-1自动门系统整体框图
3自动门系统的硬件设计
3.1基本单片机系统
8051单片机最早由Intel公司推出，作为系统的控制器，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉[2]。
在各个领域应用广泛。
而且我们也比较熟悉这款芯片，因此采用8051构成系统控制部分。
这是自动门系统的控制核心，一般情况下以单片机片内的基本硬件资源为主，有必要时再扩展部分外部器件[3]。
在本设计中需要完成的控制比较简单，以单片机片内的基本硬件资源完全可以实现，因此不需扩展。
其单片机电路图如图3-1。
图3-1单片机电路图
8051芯片各个引脚的作用[4]：
（1）输入/输出引脚（I/O口线）
①P0口（P0.0——0.7P）：
8位双向I/O口，占39——.32脚。
其第一功能作为通用的输入输出作为输出口线;
其第二功能是在系统扩展时，P0口先用作地址总线，通过分时操作达到复用的目的。
CPU在外部扩展操作时，P0口先用作地址总线，在ALE信号的作用下将地址锁存，然后再将P0口转作为数据总线使用，在作通用的输入输出口使用时，P0口线的输出驱动电路是开漏的，所以，驱动集电极开路电路或漏极开路电路时需外接上拉电阻。
当作为地址数据复用总线使用时，口线不是开漏的，无需外接上拉电阻。
P0口线的每一位能（以吸收电流的形式）驱动8个LSTTL负载
②P1口（P1.0——P1.7）:
8位准双向I/O，占1——8脚。
P1口一般作通用I/O口线使用，用于完成8位数据的并行输入/输出。
准双向口是指改口内部设有上拉电阻，所以可以方便地由集电极开路或漏极开路电路所驱动，无需外接上拉电阻，其每一位口线能（以吸收或输出电流的方式）驱动4个LSTTL负载。
③P2口（P2.0——P2.7）：
8位准双向I/O，占20——28脚。
其第一功能为基本的输入/输出口线；
其第二功能是在系统扩展时作高8位地址总线使用。
同P1口，P2口的每一位口线能（以吸收或输出电流的方式）驱动4个LSTTL负载。
④P3口（P3.0——P3.7）：
8位准双向I/O，占10——17脚。
P3口是一个双功能端口，即P3口除可作通用I/O口线使用外，其每一条口线都具有第二功能，其第二功能见表。
同P1口，P3口的每一位口线能（以吸收或输出电流的方式）驱动4个LSTTL负载。
（2）控制信号引脚线
①PESN（29脚）；
外部程序存储器读选通信号。
在单片机访问外部扩展程序存储器ROM时，PESN作为外部扩展程序存储器的读选通信号（低电平有效），定时输出脉冲。
在单片机访问内部程序存储器时，PESN信号无效（高电平）。
②ALE/PROG（30脚）：
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲输入信号。
在单片机访问片外存储器时，该引脚是地址锁存信号，用于锁存低8位地址。
在ALE为高电平时P0口上的信息为低8位地址，在ALE为低电平期间，P0口上的信息为指令或数据信息，从而实现低位地址与数据的分离。
在单片机不访问片外存储器是，ALE引脚能按主振频率的1/6固定的输出正脉冲，此脉冲可用作外部的时钟或定时脉冲使用（这里应当注意，在访问外部存储器时，ALE会缺少一个脉冲）。
而当对单片机内部的程序存储器编程时（如对8751内部的EPROM编程时），此引脚为编程秒冲的输入端。
③EA/Vpp（31脚）：
外部程序存储器访问允许/固化编程电压输入端。
当EA为低电平时，CPU直接访问外部程序存储器，当EA为高电平时，则CPU要先对单片机内部0——4KB程序存储器进行访问，然后自动延至外部超过4KB的程序存储器。
当对8751单片机内部的EPROM进行编程时，此引脚为编程电源输入端（一般为+21V电源）。
④RST/Vpd（9脚）；
复位信号/备用电源输入端。
当振荡器工作时，若在此引脚上加两个周期的高电平，就能使单片机复位。
此引脚也可作为备用电源的输入端，当单片机电源失电期间，由Vpd向单片机提供备用电源，以保护单片机中的内容。
（3）电源及其他
①Vcc（40脚）：
电源端，引入单片机的工作电源。
②Vss（20脚）：
接地端。
③XTAL1，XTAL2（19——18脚）：
时钟电路引脚。
当使用内部引脚时，这两个引脚端外接石英晶体和微调电路。
当使用外部时钟时，两引脚用于外接外部时钟。
3.2红外检测电路
红外检测电路主要由热释电红外传感器和检测放大电路组成，核心元件是热释电红外传感器，它能以非接触形式检测人体辐射出的红外线能量变化，并将此变化转化为电压信号输出[5]。
不需要红外线和电磁波发射源以及各种主动接触开关由于敏感元件的输出电压极微弱且其阻抗很高，故在传感器内部设有场效应管及偏置厚膜电阻，从而构成信号放大及阻抗变换电路[6]，一般热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低，检测距离仅2m左右。
当有人靠近自动门时，被热释电红外传感器接收下来，并将其转换成信号，经检测放大电路内部放大等处理后输出给单片机[7]。
其热电释红外检测电路如图3-2所示。
图3-2热电释红外检测电路
3.3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[8]。
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步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。
3.3.1步进电动机的特点[9]
（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步进电源。
（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。
3.3.2驱动控制系统的组成
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，其方框图如图3-3所示。
步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。
在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。
其基本控制作用如下:
反应式步进电动机控制换相顺序：
步进电动机的通电换相顺序严格安照步进电动机的工作方式进行。
通常我们把通电换相这—过程称为脉冲分配。
三相六拍步进电机工作方式通电换相的正序是A-AB-B-BC-C-CA；
反序为A-CA-C-BC-B-AB；
共有八个通电状态。
3.3.3斩波驱动
斩波恒流驱动的原理如图3-4所示。
T1是一个高频开关管。
T2开关管的发射极接一只小电阻只，电动机绕组的电流经这个电阻到地，所以这个电阻是电流取样电阻。
比较器的一端接给定电压Uo，另一端接取样电阻上的压降，当取样电压为0时，比较器输出高电平。
图3-4斩波恒流驱动电路原理图
当控制脉冲Ui为低电平时．T1和T2两个开关管均截止；
当U1为高电平时，T1和T2两个开关管均导通，电源向绕组供电。
由于绕组电感的作用，只上的电压逐渐升高，
当超过给定电压Uc的值时，比较器输出低电平，使与门输出低电平、Tl截止，电源被切断；
当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高电乎，与门也输出高电平，T1又导通，电源又开始向绕组供电。
这样反复循环，直到Ui为低电平。
3.4检测模块
检测有无人进出采用对射主动红外探测器。
限位开关则由磁开关来实现。
生活中的检测防范装置有许多种，其中对射红外探测器的应用最为广泛，它由发射器和接收器两部分组成。
其中发射器发射出一定波长的红外线，平时状态下由接收器接收，但如果发射器所发射的红外线被物体挡住，就会发出报警信号[10]。
设计在自动门的门内门外一定高度处各设置一个对射探测器。
并由导向管套住发射管和接收管，确保所发出的光线是一束，而且不宜受其他光线的干扰。
接收管的光线被阻挡时输山高电平信号。
两接收器的输出端接到一个或门上，再经过一个非门接到INT0引脚。
这样不论是有人进门或有人出门，都会有低电平信号输入INT0端口，从而使单片机得到有人的信息，并调用相应程序执行相应的开门动作。
限位开关分别设置在开门极限位置、关门极限位置、和一半处的位置。
此开关是这样种器件：
半有磁铁在其附近时，磁开关就被吸为关闭状态，输出高电平，相反输出低电平。
将两小块磁铁分别置于门的右上角位置，则当自动门移到限位开关处时，此开关就会被吸合，发出高电平信号，分别输出给P0.4、P0.5、P0.6这三个引脚，单片机经过查询这三个引脚来判断到那个限位开关，再执行变速或停止的相应动作。
限位开关的安装方法如图3-5所示，整体电路如图3-6所示。
图3-5检测有无人进出及限位开关模块
图3-6整体电路图
4自动门系统的软件设计
4.1整体程序流程图
本设计程序以汇编语言编写，因为汇编语言易于读写、易于调试和修改，同时汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快。
本程序的设计主要由PWM信号发生程序、转速测量模块程序和检测开关程序组成。
整体程序流程图如下页图4-1所示。
4.2功能模块设计
本软件主要采用查询的方法来实现.虽然中断的方法要比查询具有实时性并节约时间，但是基于本系统的要求，因为如果采用有人进入INT0中断服务程序的话，服服务程序很不容易判断自动门究竟出于哪一部分，要用哪种速度开门。
查询如果设置的合适也是完全可以的。
4.2.1PWM信号发生程序设计
PWM信号就是脉冲宽度信号，一定时间的高电平和一定时间的低电平的循环即可形成PWM信号[11]。
于是本程序采用将P0.0清0和置l的方法来实现。
首先在程序开始初始化的时候将P0.0清0，调用PWM信号产生程序时，先将P0.0置1，然后经定时程序延时一段时间后再将P0.0清0。
然后判断有没有中断要执行，如到达限位开关或是有人进出时。
如果以上情况都没发生就继续调用这一个方波的发生程序。
直至有中断打断时，执行清0P0.0或调用另一个方波发生程序实施变速。
变速是根据程序的顺序执行顺序而判断门所处的位置来实现的。
此程序严格按照自动门开关一次的顺序来编写的，考虑了各阶段可能遇到的所有问题，因此根据程序执行的控制器可判断自动门是该快速还是慢速。
4.2.2转速测量模块程序设计
本程序采用定时和延时技术结合的方法来实现。
其中定时没有采用定时器／计数器。
因为前边已经有了基本延时程序，为了使程序更简便并且有更高的利用率高的利用率，因而仍采用软件延时的方法。
具体程序如下：
T10:
MOVTMOD，#50H;
T1为方式1计数器
MOVTL1，#0
MOVTH1，#0
MOVR0，#10;
测试一秒内的转速
SETBTR1
LOOP2:
LCALLDEL
DJNZR0，LOOP2
CLRTR1
MOVA，TL1
CJNEA，#0，JIXU1
JIXU1:
JBP0.6，GSLOW
AJMPGFAST
当调用关门程序的过程中才有必要测速，其他部分不需要设置此程序。
在调用关门PWM信号的过程中，调用测速程序。
计数器采用的Tl计数。
首先将计数器Tl启动并设置初值为0，然后开始定时，定时l秒后，将计数器所计数值传给寄存器A，在将此计数值与电机正常状态下最低转速的二倍相比较（因为圆盘上设有两个孔，因此是最低转速的二倍）。
如果计数值小于最小值的二倍则代表有障碍物，从而转到开门程序执行。
其中TMOD是定时器／计数器的工作方式寄存器。
它用于选择定时器／计数器的工作模式和工作方式，它的字节地址为89H，不能进行位寻址。
其格式如图4-1所示。
图4-1TMOD格式
当GATE位为0时，仅由运行控制位TRX（x=0，1）=1来启动定时器／计数器运行。
M1、M0为工作方式选择位。
本程序中将其设置为01，表示定时器／计数器工作在方式l，为l6位定时器／计数器。
图4-2整体程序流程图
C/T=1时为计数器模式，计数器对外部输入引脚TO（P3．4脚）或Tl（P3．5脚）的外部脉冲（负跳变）计数。
TRl为计数器控制位，TRl为1启动定时器／计数器工作（GATE为0的时候仅由它来控制定时器／计数器）。
该位可由软件置l或清0。
图4-2整体程序流程图。
4.2.3检测开关程序设计
检测是否有人的探测器接到了INT0引脚，由于系统功能实现的需要，本设计采用了查询的方法。
因为若使用中断的方法，在中断服务程序中开门的速度很难确定，因为门无论处于何种状态，都有可能有人进出而需要执行开门动作。
如果不能准确判断自动门日前所处的位置，就不能正确的调用相应的PWM信号，使电机实现不同的转速。
查寻方法如下：
JNBP3.2，KSLOW还有JBP0.6，GSLOW等语句。
JNB指令意思是：
如果P3.2为高电平，则跳转到KFAST执行。
JB指令是当此引脚为高电平时进行跳转。
系统中有多个请求源，均采用了对输入引脚查询的方式。
这有助于准确的判断所应执行的动作。
5设计仿真与分析
单片机应用系统的开发过程，一般都包括如下几个过程：
首先设计硬件电路，并在Multisim上仿真，仿真好了就完成硬件组装工作，然后进入软件设计、调试和硬件调试阶段。
5.1仿真软件介绍
本设计的仿真软件采用Multisim和KeiluVision3软件相结合的方法。
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作[12]。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
Multisim以库的形式管理元器件，经菜单Tools/DatabaseManagement打开DatabaseManagement（数据库管理）窗口，对元器件库进行管理。
在DatabaseManagement窗口中的Daltabase列表中有两个数据库：
MultisimMaster和User
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