基于单片机的自动门控制系统.docx
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基于单片机的自动门控制系统
目录
【摘要】12
第一章绪论14
1.1课题背景14
1.1.1单片机的介绍和发展概况14
1.1.2电机微机控制系统的应用和发展17
1.2课题研究的意义和目的18
1.3课题的功能概述19
1.4课题研究的方案19
第二章系统硬件设计20
2.1系统硬件总体逻辑设计20
2.28051的内部结构及工作原理20
2.3直流电机驱动模块27
2.4检测有无人进出和纤维开关模块32
2.5转速测量模块33
第三章系统软件设计35
3.1功能模块设计35
3.1.1PWM信号发生程序设计35
3.1.2转速测量模块的程序设计37
3.1.3检测开关程序设计38
3.2整体程序设计流程图39
第四章系统调试40
4.1总体调试40
4.2软件调试40
4.3硬件调试41
第五章结论42
5.1硬件电路设计部分42
5.2软件设计部分42
源程序44
protel整体电路图48
参考文献：
49
致谢：
50
基于单片机的自动门控制系统
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就越来越广，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。
同时也标志了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。
本设计主要应用8051作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关结合的系统。
充分发挥了单片机的性能。
其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点。
关键词:
单片机自动门直流电机红外传感器转速测
automatically-controlleddoorbasedonthemicrocontroller
Abstract:
Asitbecomesmoreandmoreautomaticandinformationalnowadays,theapplicationofmicrocontrolleralsobecomesmoreandmoreextensively.Progressofwiththedevelopmentofthesociety,scienceandtechnologyandgradualimprovementofpeople'slivingstandard,variouskindsofhelpautomaticcontrolsysteminlifebegintoenterpeople'slife,thesystemofautomatically-controlleddoortakingone-chipcomputerasthecoreisoneofthem.Indicatetoothattheautomaticcontrolledfieldbecameamemberindigitizederaatthesametime.Itspracticabilityisstrong,multiplefunctional,moderntechniques,makepeoplebelievethisisanachievementofscientificandtechnologicalprogress.Itletsthemankindunderstandevenmore,thedevelopmentindigitalerawillchangehuman’slife,willquickenthedevelopmentofscienceandtechnology.
Throughtheresearchanddesigntothethingthat"thesystemofsinglechipcontrolledauto-door",Ihavewrittenthecomputerandcontrolledthesystematicthesisofautomaticallycontrolleddoormeticulously.Thesisthisisitrelymainlyonone-chipcomputertoexplainemphatically,DCmotorandthemeasureofrotatespeedcentralsystems.
Itisuses8051ascoreofcontrolling,theDCmotor,infraredsensorandelectromagneticswitchcombinetogethermainlytodesignoriginally.Givefullplaytotheperformanceoftheone-chipcomputer.Itsadvantagehardwarecircuitissimple,thesoftwareiswithperfectfunction,thecontrolsystemisreliable,highercharacteristicofthesexprice,andithascertainuseandreferencevalue.
Keywords:
MicrocontrollerAuto-doorDCmotorInfraredsensorRotatespeed-measure
第一章绪论
1.1课题背景
1.1.1单片机的介绍和发展概况
什么是单片机?
单片机有什么用?
单片机又称单片微控制器或单片微型计算机,它自20世纪70年代问世以来，以其高的性能价格比受到人们的重视和欢迎。
所以应用很广，发展很快。
它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
它集成了微处理器（CPU）存储器（RAM、ROM、EPROM）和各种输入输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），概括的讲：
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。
同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。
单片机根据其基本操作处理的位数可分为：
1位、4位、8位、16位和32位单片机。
单片机的发展历史可以分为四个阶段：
第一阶段（1974年-1976年）单片机初级阶段。
可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。
不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。
它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。
还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。
这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。
顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。
因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。
它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。
现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。
各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词——“智能型”，如智能型洗衣机等。
现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。
究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。
单片机的应用领域：
1.单片机在智能仪器仪表中的应用；
2.单片机在工业测控中的应用；
3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用；
4.单片机在日常生活及家电中的应用；
5.单片机在办公自动化方面。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录相机、摄相机、全自动洗衣机，自动门的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
单片机是靠程序的，并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。
一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来实现的话，电路一定是一块大PCB板！
但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！
只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！
由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？
很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？
原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。
一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！
对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。
单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。
一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。
单片机的发展趋势将是向着大容量、高性能化，外围电路内装化等方面发展。
为满足不同的用户要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。
包括以下几个方面：
CPU的改进，是指采用双CPU结构，以提高处理能力；增加数据总线的宽度，指单片机内部都采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机；采用流水线结构，意思是指令以队列形式出现在CPU中，且具有很快的运算速度；串行总线结构，即用三条数据线代替现行的8位数据总线，从而大大的减少了单片机引线降低了单片机的成本。
目前许多公司都在积极地开发此类产品。
存储器的发展包括加大存储容量，片内EPROM采用PROM或闪烁（Flash）存储器。
闪速存储器（FlashMemory）是一类非易失性存储器NVM（Non-VolatileMemory）即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如DRAM、SRAM这类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。
FlashMemory集其它类非易失性存储器的特点：
与EPROM相比较，闪速存储器具有明显的优势——在系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和/或编程操作）；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。
其独特的性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如PC及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（PDA）。
有程序的保密化，即对EPROM或EEPROM采用加锁方式。
1.1.2电机微机控制系统的应用和发展
随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微型计算机的性能越来越高，价格也越来越便宜。
此外电力电子技术的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。
因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，是电机的各种潜在能力得到充分发挥，是电机的性能更符合使用要求，还可以制造出便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。
比较简单的电机微机控制，例如在适当的时刻让电机启动、制动或反转之类，只要让微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了。
在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用危机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。
至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。
通过微机控制，电机的性能有很大的提高。
例如传统的直流电集合交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电动机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便而又经济的调节。
交流电动机采用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数字电路完成这一任务，电路相当复杂，用微机控制就简单多了。
若要进一步调速精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。
但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数字电路很难做到，而应用微机控制，则能方便的实现。
目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统，其中电动机都是由微机控制的。
为了提高性能，在先进的数控交流伺服系统中，已采用高速数字信号处理芯片（DigitalSignalProcessor简称DSP），指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。
复杂的电机微机控制主要用于以下两个方面：
（1）发电机励磁系统的控制。
用以保证正常工作时发电机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定，达到优化控制的目的。
（2）电动机调速及其位置伺服控制。
用于鼓风机或水泵的调速节能、数控机床、微型计算机磁盘驱动器、机器人等控制系统。
在电机微机控制系统中，微机主要完成下列工作：
（1）实时控制。
根据给定的要求及控制规律，对发电机的典雅，电动机的转速等物理量实现在线实时控制。
（2）监控。
完成事故报警、事故处理、系统诊断及管理等。
（3）数据处理完成必要的数据采集、分析处理、计算、显示、记录等。
1.2课题研究的意义和目的
毕业设计是获得毕业证书的必要的一环。
毕业设计是课堂知识转化为实践技术的手段，是理论结合实际、提高综合能力的必经之路同时毕业设计论文是对完成毕业设计的实现过程的总结，通过撰写论文我们可以学会分析，获得将技术上升到理论认识的能力。
而且既然单片机的应用越来越广泛，将来既有可能就是从事这方面的工作，为了让自己在走向工作岗位之前得到充分的锻炼，毕业设计必须认真完成。
通过本次设计，复习并进一步掌握单片机的原理与应用及模拟数字电路的有关知识，复习汇编指令的应用，更深层地了解汇编言的思想，锻炼自己的实际操作及创新设计能力。
培养我们综合运用有关的基础理论课、专业基础课和专业课的知识和技能去分析和解决实际应用问题的能力。
对我们进行系统开发基本能力的初步训练，使我们能掌握解决一个实际问题，开发一个软件的一般程序和基本方法。
1.3课题的功能概述
本次设计的自动门单片机控制系统必须实现的功能主要有三个：
（1）无论门当前处于何状态，一旦有人进出门时，门必须打开。
（2）在门运行的时候为了同时考虑速度和安全问题，关门过程前一半快速，后一半慢速；开门的过程是前一半快速后一半慢速。
这样既可以保证有人来时立即开门没人时立即关门，又可以避免关门时两门相冲撞或开门时各个门的碰撞。
（3）由转速测量系统，当自动门遇到障碍是电机速度变慢时，转为开门，以免使电流过大烧毁电机。
1.4课题研究的方案
本设计采用8051单片机为核心控制芯片；直流电机采用H桥驱动；单片机的一个引脚分别产生两种占空比不同的PWM（脉冲宽度调制）波形作为驱动信号，实现不同的转速和制动；另外由另一个引脚产生转向控制信号；在门的中间及两边位置设置磁开关，作为中断信号产生源，来判断电机是否应该转换速度或停止；有无人进出用红外线来探测，有人士则产生中断，执行开门动作；转速测量采用在电机的转轴上设置一个带有相差180度且位于同一半径上的两小孔的圆盘，用红外线照射转动的圆孔，光透过小孔被光敏三极管接收，从而产生脉冲经整形电路后送到单片机内部定时计数测出频率。
第二章系统硬件设计
2.1系统硬件总体逻辑设计
数字控制伺服系统的结构如下图1所示。
它由计算机控制器、PWM功率驱动接口、传感器接口和电机本体四部分组成。
计算机的作用是：
完成位置信号的设置，根据传感器接口给出的绝对零位脉冲和电流反馈控制，产生PWM脉宽调制信号，最后由PWM功率开关借口对电动机进行最终的功率驱动。
在这个系统中，由于反馈控制是通过软件实现的，故可以根据负载的性质改变系统的参数，求得最佳匹配。
信号滤波也可以通过软件实现，更有可能通过计算机补偿技术使传感器精度得以补偿提高。
计算机控制在可靠性、小型化、联网群控制等方面的优点都是经典模拟伺服系统无法比拟的。
2.28051的内部结构及工作原理
8051是在8031的基础上，片内又集成有4KROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。
ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。
所以8051适合于应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。
8051是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。
8051内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出（I/O）口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。
此外，8051还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。
掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。
8051有PDIP（40pin）和PLCC（44pin）两种封装形式。
主要功能特性：
·标准MCS-51内核和指令系统·4kB内部ROM（外部可扩展至64kB）
·32个可编程双向I/O口·128x8bit内部RAM（可扩充64kB外存）
·2个16位可编程定时/计数器·时钟频率0-16MHz
·5个中断源·5.0V工作电压
·可编程全双工串行通信口·2层优先级中断结构
·电源空闲和掉电模式·快速脉冲编程
·2层程序加密位·PDIP和PLCC封装形式
·兼容TTL和CMOS逻辑电平
引脚功能介绍：
MCS-51是标准的40引脚，双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照单片机引脚图：
图28051引脚图
P0.0~P0.7P0口8位双向口线（在引脚的39~32号端子）。
P1.0~P1.7P1口8位双向口线（在引脚的1~8号端子）。
P2.0~P2.7P2口8位双向口线（在引脚的21~28号端子）。
P3.0~P3.7P2口8位双向口线（在引脚的10~17号端子）。
这4个I/O口具有不完全相同的功能，P0口有三个功能：
1.外部扩展存储器时，当作数据总线（如图1中的D0~D7为数据总线接口）
2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0~A7为地址总线接口）3、不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部没有上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。
P1口只做I/O口使用：
其内部有上拉电阻。
P2口有两个功能：
1、扩展外部存储器时，当作地址总线使用
2、做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；
P3口有两个功能：
除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。
有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：
编程脉冲：
30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：
31脚（EA/Vpp）。
在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是一个什么呢？
他起什么作用呢？
当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。
P0端口总线I／O端口，双向，三态，数据地址分时复用，该端口除用于数据的输入／输出外，在8031单片机外接程序存储器时，还分时地输出／输入地址／指令。
由Po端口输出的信号无锁存，输入的信息有读端口引脚和读端口锁存器之分。
单片机在对端口P0—P3的输入操作上，有如下约定：
为此，8031单片机在对端口P0-P3的输入操作上，有如下约定：
凡属于读-修改-写方式的指令，从锁存器读入信号，其它指令则从端口引脚线上读入信号。
P0端口是8031单片机的总线口，分时出现数据D7—D0、低8位地址A7—AO，以及三态，用来接口存储器、外部电路与外部设备。
P0端口是使用最广泛的I／O端口。
单片机复位后，各个端口已自动地被写入了1，此时，可直接作输入操作。
如果在应用端口的过程中，已向P1—P3端口线输出过0，则再要输入时，必须先Pl端口是803l单片机中唯一仅有的单功能I／O端口，并且没有特定的专用功能，输出信号锁存在引脚上，故又称为通用静态口。
P0端口能驱动8个LSTTL负载。
如需增加负载能力，可在P0总线上增加总线驱动器。
P1，P2，P3端口各自能驱动4个LSTTL负载。
前边已经讲述，由于P0-P3端口已映射成特殊功能寄存器中的P0—P3端口寄存器，所以对这些端口寄存器的读／写就实现了信息从相应端口的输入／输出。
例如：
MOVA，P1；把Pl端口线上的信息输入到A
MOVP1，A；把A的内容由P1端口输出
MOVP3，#0FFH；使P3端口线各位置l
写1后再读引脚，才能得到正确的信息。
8051和MCS－51系列的单片机指令系统相同。
概述如下：
一个单片机所需执行指令的集合即为单片机的指令系统。
单片机使用的机器语言、汇编语言及高级语言，但不管使用是何种语言，最终还是要“翻译”成为机器码，单片机才能执行之。
现在有很多半导体厂商都推出了自己的单片机，单片机种类繁多，品种数不胜数，值得注意的是不同的单片机它们的指令系统不一定相同，或不完全相同。
但不管是使用机器语言、汇编语言还是高级语言都是使用指令编写程序的。
所谓机器语言即指令的二进制编码，而汇编语言则是指令的表示符号。
在指令的表达式上也不会直接使用二进制机器码，最常用的是十六进制的形式。
但单片机并不能直接执行汇编语言和高级语言，都必须通过汇编器“翻译”成为二进制机器码方能执行，但如果直接使用二进制来编写程序，那将十分不便，也很难记忆和识别，不易编写、难于辨读，极易出错，同时出错了也相当难查找。
所以现在基本上都不会直接使用机器语言来编写单片机的程序。
最好的办法就是使用易于阅读和辨认的指令符号来代替机器码，我们常称这些符号为助记符，用助记符的形式表示的单片机指令就是汇编语言，为便于记忆和阅读，助记符号通常都使用易于理解的英文单词和拼音字母来表示。
每种单片机都有自己独特的指令系统，
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