毕设基于单片机的感应自动门控制器的设计.docx
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毕设基于单片机的感应自动门控制器的设计
华北理工大学轻工学院
QINGGONGCOLLEGE,NORTHCHINAUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGY
毕业设计说明书
设计题目：
基于单片机的感应自动门控制器的设计
学生姓名：
学号：
专业班级：
学部：
信息科学与技术部
指导教师：
2015年06月09日
摘要
现如今自动化、信息化程度越来越高，单片机的应用领域也越来越广，成为人们生活不可或缺的一部分。
随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。
同时也标志着自动控制领域成为了数字化时代的一员。
它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。
它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。
本论文着重研究设计了以89C52单片机为主体，热释电型红外线传感器，直流步进电动机等为核心的自动门控制系统。
它充分发挥了单片机的性能，其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高，具有一定的使用和参考价值。
关键词自动门；单片机；步进电机；热释电型红外线传感器
Abstract
Nowadaysautomation,informationizationlevelishigherandhigher,MCUapplicationfieldisbecomingmoreandmorewidely,becomeanindispensablepartofpeople'slife.Withthedevelopmentofthesociety,theprogressofscienceandtechnologyandtheimprovingofpeople'slivingstandard,allkindsofconvenienceinlifestartintotheautomaticcontrolsystemofpeople'slives,withthesinglechipprocessorasthecoreoftheautomaticdoorsystemisoneofthem.Alsomarkstheautomaticcontrolledfieldbecameamemberofthedigitalage.Itspracticabilityisstrong,thefunctionisallready,technologyadvanced,makepeoplebelieveit'stheresultofscientificandtechnologicalprogress.Itismoretounderstandpeople,thedevelopmentofthedigitalerawillchangehumanlife,willspeedupthedevelopmentofscienceandtechnology.
Thispaperfocusesonthedesignwith89C52asthemainbody,pyroelectricinfraredsensor,dcsteppermotorasthecoreofautomaticdoorcontrolsystem,etc.Itgivefullplaytotheperformanceofthemicrocontroller,theadvantagesofhardwarecircuitissimple,softwarefunctionisperfect,reliablecontrolsystem,thecharacteristicsofhighcostperformance,hascertainuseandreferencevalue.
Keywordsautomaticdoor;singlechipmicrocomputer;steppingmotor;
pyroelectricinfraredsensor
第1章绪论
随着社会的飞速发展，自动门逐渐进入我们的日常生活，成为许多宾馆、超市等现代建筑的必备之物。
它具有美观大方、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等优点。
1.1课题背景
21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效的防范通行、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。
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[1]。
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自动门在国内外的发展状况
自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。
自动门是指：
可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。
自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。
二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。
1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。
当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流[2]。
例如：
各种用可识别控制的自动专用门，如：
感应自动门（红外感应，微波感应，触摸感应，脚踏感应）、刷卡自动门等。
21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：
有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。
门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。
门的高级形式--自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族[3]。
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，本文研究一种平移式自动门控制系统，实现了入门授权的识别控制和防挤压等功能。
该系统以80C52作为控制核心，步进电机、红外传感器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
本文着重研究设计了以89C52单片机为主体，热释电型红外线传感器，直流步进电动机等为核心的自动门控制系统。
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3秒后，自动进入关门过程。
1.5本章小结
本章主要分析了自动门的发展历史及当前现状，总结了研究自动门的目的及其意义，指出了本文研究设计的一些思路和基本架构。
第2章系统总体设计方案
本章围绕系统的总体设计，介绍系统组成框图、主控芯片单片机的内部硬件资源及其接口技术、整个自动门系统所用到的其它IC的介绍。
2.1系统总体规划
本系统主要由单片机及其外围电路、红外检测电路、直流步进电机控制电路等组成。
正常工作时，单片机循环检测红外检测电路输出信号，据此产生直流电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应式。
如门在控制关门过程中遇到人时门无条件朝相反方向打开。
其原理方框图如2.1所示。
图2.1原理方框图
2.2器件介绍
本系统主要包括89C52单片机、热释电型红外传感器、直流步进电机等三大主要器件。
2.2.189C52单片机
单片机处理模块部分选用的芯片为89C52RC，属于89C51RC系列。
选用STC单片机的理由：
降低成本，提升性能，原有程序直接使用，硬件无需改动。
使产品更小，更轻，功耗更低[4]。
用STC提供的专用工具可很容易的将2进制代码、16进制代码下载进STC相关的单片机。
如图2.2为89C52RC的引脚图；
各引脚功能如表2-1。
图2.289C52RC引脚图
表2-189C52RC引脚功能
管脚
管脚编号
说明
LQFP44
PDIP40
PLCC44
P0.0~P0.7
37-30
39-32
43~36
P0:
P0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使
用。
当P0口作为输入/输出口时，P0是一个8位准双向口，上电复
位后处于开漏模式。
P0口内部无上拉电阻，所以作I/O口必须外接
10K-4.7K的上拉电阻。
当P0作为地址/数据复用总线使用时，是
低8位地址线[A0~A7]，数据线的[D0~D7]，此时无需外接上拉电
阻。
P1.0/T2
40
1
2
P1.0
标准I/O口PORT[0]
T2
定时器/计数器2的外部输入
P1.1/T2EX
41
2
3
P.
标准I/O口PORT[1]
T2EX
定时器/计数器2捕捉/重装方式的触发控制
P1.2
42
3
4
标准I/O口PORT[2]
P1.3
43
4
5
标准I/O口PORT[3]
P1.4
44
5
6
标准I/O口PORT[4]
P1.5
1
6
7
标准I/O口PORT[5]
P1.6
2
7
8
标准I/O口PORT[6]
P1.7
3
8
9
标准I/O口PORT[7]
P2.0~P2.7
18-25
21-28
24-3
Port2:
P2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高8
位地址总线使用（A8~A5）。
当P2口作为输入/输出口时，P2是一
个8位准双向口。
P3.0/RxD
5
10
11
P3.0
标准I/O口PORT3[0]
RXD
串口1数据接收端
P3.1/TXD
7
11
3
P3.1
标准I/O口PORT3[1]
TXD
串口1数据发送端
P3.2/INT0
8
12
14
P3.2
标准I/O口PORT3[2]
INT0
外部中断0,下降沿中断或低电平中断
P3.3/INT
9
13
15
P3.3
标准I/O口PORT3[3]
INT
外部中断1,下降沿中断或低电平中断
P3.4/T0
10
14
16
P3.4
标准I/O口PORT3[4]
T0
定时器/计数器0的外部输入
P3.5/T
11
15
17
P3.5
标准I/O口PORT3[5]
T1
定时器/计数器1的外部输入
续表2-189C52RC引脚功能
P3.6/WR
12
16
18
P3.6
标准I/O口PORT3[6]
WR#
外部数据存储器写脉冲
P3.7/RD
13
17
19
P3.7
标准I/O口PORT3[7]
RD#
外部数据存储器读脉冲
P4.0
17
23
P4.0
标准I/O口PORT4[0]
P4.1
28
34
P4.1
标准I/O口PORT4[1]
P4.2/INT3#
39
1
P4.2
标准I/O口PORT4[2]
INT3#
外部中断3，下降沿中断或低电平中断
P4.3/INT2#
6
12
P4.3
标准I/O口PORT4[3]
INT3#
外部中断2，下降沿中断或低电平中断
P4.4/PSEN#
26
29
32
P4.4
标准I/O口PORT4[4]
PSEN#
外部程序存储器选通信号输出引脚
P4.5/ALE
27
30
33
P4.5
标准I/O口PORT4[5]
ALE
地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚
P4.6/EA#
29
31
35
P4.6
标准I/O口PORT4[6]
EA#
内外存储器选择引脚
RST
4
9
10
RST
复位脚
XTAL1
15
19
21
内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引
脚。
当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输
入端。
XTAL2
14
18
20
内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一
端。
当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时
XTAL2实际将XTAL1输入的时钟进行输出。
VCC
38
40
44
电源正极
GND
16
20
22
电源负极，接地
1．时钟电路
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端[5]。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图2.3（a）所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2～12MHz之间选择，电容值在5～30pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。
外部方式的时钟电路如图2.3（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。
对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。
片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。
（a）内部方式时钟电路（b）外部方式时钟电路
图2.3时钟电路
2．复位及复位电路
A复位操作
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。
除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表2-2所示。
表2-2一些寄存器的复位状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
B复位信号及其产生
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即二个机器周期）以上。
若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图2.4所示。
图2.4复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号（RST）送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图2.5（a）所示。
这样，只要电源VCC的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的，其电路如图2.5（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
其电路如图2.5（c）所示。
（a）上电复位（b）按键电平复位（c）按键脉冲复位
图2.5复位电路
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图2.5（b）上电复位方式。
2.2.2热释电型红外线传感器
热释电型红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出[6]。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9~10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
被动式红外探头就是靠探测人体发射的10um左右的红外线而进行工作的。
人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。
红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号[7]。
1——D脚2——S脚3——G脚
图2.6热释电红外传感器内部结构
图2.6是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。
使用时D端接电源正极，G端接电源负极，S端为信号输出。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。
它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。
对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号[8]。
制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围为0.2～20μm。
为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在窗口上加装了一块干涉滤波片。
这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。
2.2.3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[9]。
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。
特点：
（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。
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2.7所示。
图2.7驱动控制系统图
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。
三相六步进电机工作方式通电换相的正序是A-AB-B-BC-C-CA；反序A-CA-C-BC-B-AB；共有八个通电状态[10]。
第3章硬件设计
感应自动门的种类很多，在此，仅以平移型感应自动门机作为设计的重点。
首先，平移式自动门机组由以下部件组成：
（1）主控制器（单片机）：
它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。
（2）红外感应探测器：
负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。
（3）步进马达：
提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。
当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：
红外感应探测器探测到有人进入时，将信号传给主控器，主控器判断后通知电机运行。
电机得到一定运行信号后做正向运行，将动力传给同步带，步带转动一段时间后，马达反转，自动门关闭。
3.1基本单片机系统
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
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