自动门课程设计基于单片机c语言编程docx.docx
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1绪论
1.1自动门的简介
自动门控制系统，在现当代社会是一个应用非常广泛的设备，自动门已经广泛应用于酒店、银行、超市、停车场或公共建筑等入口，其主要核心部分——自动门控制系统正是我们这篇论文的主要研究讨论的课题。
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。
自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装繁琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。
1.2本设计研究的内容
1.2.1自动平移门机组的部件组成
在本设计中主要研究自动平移门，设计的自动平移门具有手动和自动开门功能以及分时段控制功能，同时配备防夹人光栅、后备电源等辅助装置来满足商场等人流众多场所的高效率、高安全性的要求。
（1）主要部件
1主控制器：
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动力马达：
提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。
4门扇行进轨道：
就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进
5门扇吊具走轮系统:
用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。
6同步皮带：
用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。
（2）辅助配置
1行程开关：
在自动门行进过程中，通过行程开关判断自动门所在位置，驱动信号输出达到控制自动门行进速度。
2安全辅助装置：
在高档酒店等地方需要杜绝自动门的夹人事件，可以选择安装防夹人光栅。
3配备后备电源：
为保证停电时自动门也能工作正常，可以配备后备电源。
1.2.2自动门控制系统要求
（1）物体靠近门时传感器获得信号给控制器，控制器根据门当前所在位置决定门的动作，有三种情况：
1门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度曲线打开门。
2门处于某一位置，控制器应根据门当前所在位置，以适当的速度驱动执行电机开门。
3门处于开启状态，控制器应使门保持开启状态。
（2）无物体靠近门时。
①如果门处于开启状态，延时适当的时间以最佳速度曲线关闭门。
②如果门处于关闭状态，维持此状态。
2自动门的总体结构设计方案
2.1自动门的门体构造和参数
本设计面向商场和超市等人流量巨大，出入频繁的场所，需要有安全性和可靠性。
公共场所的自动平移门因为使用非常频繁，而任何自动门的使用频率和使
用寿命都有限，为使门体更加坚固耐用，本设计门体玻璃材质使用钢化玻璃。
根据例如机场、大型超市、和医院外门等公共场所人员流量巨大的需求，必须对自动门进行综合的考虑，设定适合的具体参数，例如增加门的数量、加大门扇宽度、增加关门延时时间等。
具体参数如表2-1所示：
表2-1自动门的具体参数
门体设计项目
参数设定值
单扇门开启宽度
1500mm
单扇门的最大承重
仔86kg
单扇门的厚度
10mm
门体高度
2500mm
最快开关门速度
8（cm/s）
常速开关门速度
4（cm/s）
减速开关门速度
2（cm/s）
开启保持时间
2s（可调）
2.2自动门的机械传动结构
自动门的机械传动机构设计主要包括安装板，行进轨道，三相交流电机，传送皮带，皮带滑轮，轨道滑轮，吊架等。
传动机构如图2-2所示。
其中马达皮带直径为25mm，皮带外径为100mm，内径为50mm。
图2-2机械传动结构
2.3自动门的导轨及滑轮结构
导轨、滑轮及传动皮带是推拉自动门的基本传动部件，与活动扇的运行直接有关，是易损件，其结构设计、材质、加工、安装及调试精度、维修保养等决定了质量和使用寿命。
（1）滚动直线导轨设计及优点
本设计采用了滚动直线导轨。
这种结构不仅有效地缓解了动态“侧摆”的弊病，同时也在一定程度上解决了活动扇“掉扇”等安全问题。
而且大大地减少了滑轮的动态磨损，在根据活动扇受力情况对导轨和滑轮截面曲线进行加强设计后，使门机的单扇承重量达到75公斤。
滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成（见下图）。
当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。
返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。
滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：
动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。
驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。
与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。
适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。
能实现高定位精度和重复定位精度。
能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。
成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。
导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。
导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。
简化了机械结构的设计和制造。
（2）新齿型皮带的选用
为了提高传动机械效率，自动门采用齿型皮带传动。
一般自动门的传动皮带的齿型为直角，齿型高度小。
当皮带张紧及门机加速度运行时，皮带的齿距会发生变化并导致皮带快速磨损，所以传动皮带是易损件，需定期更换。
最新的传动皮带是经过数组钢丝加强的尼龙皮带，这种皮带的齿型表面附加一层尼龙布，不仅使曲线齿型表面与传动齿轮严格吻合，而且减少了滑动的可能性，尼龙皮带的加强钢丝避免了齿距变形和断裂的可能性，使传动皮带成为不可损部件。
2.4门控传感器的选择
微波感应器：
又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动，雷达便不再反应，自动门就会关闭，有可能出现夹人现象。
热释红外感应器：
对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应。
红外感应器的反应速度比微波感应器慢。
本系统首先要求的是安全，所以选用热释红外线传感器。
2.5门运行传感器的选择及配置
传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处
理、存储、显示、记录和控制等要求。
它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
图2-3检测传感器位置图
1、4、5、&行程开关
2、3、67:
霍尔传感器
①行程开关：
可以安装在相对静止的物体（如固定架、门框等，简称静物）上或者运动的物体（如行车、门等，简称动物）上。
当动物接近静物时，开关的连杆驱动开关的接点引起闭合的接点分断或者断开的接点闭合。
由开关接点开、合状态的
改变去控制电路和机。
限位开关分工作限位开关和极限限位开关，工作限位开关是用来给出机构动作到位信号的。
极限限位开关是防止机构动作超出设计范围而发生事故的。
工作限位开关安装在机构需要改变工况的位置，开关动作后，给出信号，进行别的相关动作。
极限限位开关安装在机构动作的最远端，用来保护机构动作过大出现机构损坏。
②霍尔传感器
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。
霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。
通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。
霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器两种。
1、线性型霍尔传感器由霍尔元件、线性放大器和射极跟随器组成，它输出模拟量。
2、开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔元件、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成，它输出数字量。
霍尔电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。
霍尔电压值很小，通常只有几个毫伏，但经集成电路中的放大器放大，就能使该电压放大到足以输出较强的信号。
若使霍尔集成电路起传感作用，需要用机械的方法来改变磁场强度。
下图所示的方法是用一个转动的叶轮作为控制磁通量的开关，当叶轮叶片处于磁铁和霍尔集成电路之间的气隙中时，磁场偏离集成片，霍尔电压消失。
这样，霍尔集成电路的输出电压的变化，就能表示出叶轮驱动轴的某一位置，利用这一工作原理，可将霍尔集成电路片用作用点火正时传感器。
霍尔效应传感器属于被动型传感器，它要有外加电源才能工作，这一特点使它能检测转速低的运转情况。
3自动门控制系统的设备选型
3.1驱动装置的选型
3.1.1步进电动机有如下特点：
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直流电源
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。
3.1.1步进电动机计算及选取:
同步带直径①=50mm
周长C=3.14x①=3.14x50=157mm核算定位精度：
脉冲当量=C/（200xm）<0.05；
m>C/（200x0.05）=157/（200x0.05）=15.7
核对最大转速：
Nmax=Vmax/C=0.08/（157/1000）=0.51r/s虽然，细分数太大，最大转速太低。
但是，同步带直径也不能小2倍，所以。
只能增加一级减速。
第2级主动轮直径仍取：
①3=50mm；第1级主动轮直径取：
①1=25mm；减速比取：
i=1:
4;
则第1级从动轮直径为取：
①2=100mm；电机最大转速为;Nmax=4xVmax/C=2.04r/s驱动器细分数：
m=C/（200x0.05/i）=3.925故，取4细分就合适了。
实际脉冲当量：
S=C/（200xm/i）=0.785mm
计算电机力矩，选择电机型号
第2级主动轮上的力矩：
T2=Fx①3/2
第1级主动轮，即电机轴上的力矩：
T1=T2xi=Fx①3xi=869.8x0.01x0.05x4=1.69Nm
注：
选用直线滚筒型滚动直线导轨，摩擦系数取0.01由于没有考虑同步带的效率、导轨和滑轮装配装配误差造成的摩擦、同步带轮的摩擦和转动惯量等因素，同时，步进电机在高数时扭矩要大幅度下降：
所以，取安全系数为3比较保险。
故，电机力矩T0=1.69X3=5.07Nm
同过查机械设计手册（2008电子版）选110BF003,其静力矩为7.84Nm其功率是420W
3.2热释红外传感器的原理和使用
热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。
热释电红外传感器能以非接触形式检测出人体辐射的红外线，并将其转变为电压信号，同时，它还能鉴别出运动的生物与其它非生物。
热释电红外传感器既可用于防盗报警装置，也可以用于自动控制、接近开关、遥测等领域。
热释电效应：
自然界的任何物体，只要其温度高于绝对零度（—273C）,总
是不断地向外发出红外辐射，并以光的速度传播能量。
物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关。
物体的温度越高，它所发射的红外辐射的峰值波长越小，发出红外辐射的能量也越大。
通常，电介质的内部是没有载流子的，因此它没有导电能力。
但是任何电介质毫无例外地都是由带电粒子组成的，即自由电子和原子核组成的。
在外加电压的作用下，这些带电粒子也要发生移动，带正电荷的粒子趋向负极，带负电荷的粒子趋向正极。
其结果是使电介质的一个表面带正电，另一个表面带负电，我们称这种现象为电极化。
对于上述现象，某些铁电体电介质材料却是个例外，像上述的几种铁电体材料，当被极化后撤去外加电压时，这种极化现象仍然保留下来，这种现象被称为自发极化。
自发极化的强度与温度相关，当温度升高时，极化强度降低。
自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保持平衡状态。
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。
晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电
子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。
当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，下图表示了热释电效应形成的原理。
将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号，利用这一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器。
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报警信号。
由于系检知从物体放射出出来的红外线，所以不必直接接触就能够感知物体表面的温度，故人体检知以及移动中物体的温度当然均能以非接触之方式测得。
热电型红外线传感器系接受检知对象物所发出的红外线，因此是被动型，由于不
是主动型，所以并不需要校对投光器、受光器之光轴等烦琐的作业。
热电效果系温度变化而产生的，这将在稍后说明之，因此只接受因温度变化之能量（Energy），而热电型红外线传感器将电压微分而输出之。
如果红外辐射持续下去，电介质的温度就会升到新的平衡状态，表面电荷也同时达到平衡。
这时它就不再释放电荷，也就不再有信号输出了，如下图图3—1所示。
因此，对于这类热释电红外传感器，只有在红外辐射强度不断变化，它的内部温度随之不断升降的过程中，传感器才有信号输出，而在稳定状态下，输出信号则为零。
因此在应用这类传感器时，应设法使红外辐射不断变化，这样才能使传感器不断有信号输出。
为了满足这一要求，通常在热释电传感器的使用中，总是要在它的前面加装一个菲涅尔透镜。
图3—1热释电效应的形成原理
能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单
晶（LiTaO3等）、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等。
热释红外线传感器内部结构与电路如下图3—2所示。
热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有△T的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷△Q即在两电极之间产生一微弱电压△V。
由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷△C会跟空气
中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，△T=0,传感器无输出。
当人
体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生△T，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
热释电红外传感器的结构及内部电路见下图所示。
传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT场效应管FET等组成。
其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。
滤光片为6m多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mr以下）可很好滤除。
热释电元件PZT将波长在8mm~12m之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
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图3—2热释电红外线传感器的结构及内部电路
3.3菲涅尔透镜原理
菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。
镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。
圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。
红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。
同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。
垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。
区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。
不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。
区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。
由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。
镜片从外观分类为：
长形、方形、圆形，从功
能分类为：
单区多段、双区多段、多区多段
331镜片主要有三种颜色:
一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。
二、白色主要用于适配外壳颜色。
三、三、黑色用于防强光干扰。
镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。
四、菲涅尔透镜是一种精密的光学系统，专门是用来与热释电红外传感器配套使用，其结构如图3-10所示。
图3-10菲涅尔透镜
它由经过特殊设计的透镜组构成，上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠，都相隔一个盲区。
当热源（比
如人）在透镜前运动时，顺次从某一单元透镜视场进入又退出，投射信号会出现一个接一个的断续信号，但是热源信号始终都是集中在透镜中部的。
将连续的热
源信号变成断续的辐射信号，使热释电传感器能正常工作。
菲涅尔透镜作用有两个：
一是聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在PIR上，第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。
3.3.2菲涅尔透镜的主要技术指标
1外形尺寸，根据传感器和探测摘要来设计和生产不同尺寸的透镜。
2平视角和垂直视角，它表明透镜的可监视范围。
3焦距，它表明镜片与传感器的安装距离。
3.4嵌入式控制器（MC-51）的选型
单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，即将运算器，控制器，输入输出接口，部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一个芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微型计算机，相当于个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。
其结构如图2-4所示：
图2-4单片机结构框图
由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。
单片机从七十年代问世以来，在二十多年的时间里，发展异常迅速，并已广泛应用于各种领域。
单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，大大地提高了系统的运行速度，所以在网络通讯领域也得到了越来越多的应用。
AT89C5是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS位微处理器，俗称单片机。
AT89C205是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件
采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-5指令集和
输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPUffi闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C5是一种高效微控制器，AT89C205是它的一种精简版本。
AT89C5单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，外形及引脚排列如
图2-5所示。
AT89C51AT89C2O51
图2-5AT89C51外形及引脚排列
341AT89C51主要特性：
*与MCS-51兼容
*4K字节可编程闪烁存储器
*寿命：
1OOO写/擦循环
*数据保留时间：
10年
*全静态工作：
0HZ-24HZ
*三级程序存储器锁定
*128*8位内部RAM
*32可编程I/O线
*两个16位定时器/计数器
*5个中断源
*可编程串行通道
*低功耗的闲置和掉电模式
*片内振荡器和时钟电路
342AT89C51管脚说明:
VCC供电电压。
GND接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“T时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“T时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在
FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“T后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
在实际应用中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。
P3.0—RXD串行输入口
P3.1—TXD串行输出口
P3.2—/INTO:
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外部数据存储器写选通
P3.7—/RD:
外部数据存储器读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RS
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