基于单片机的自动门设计.docx
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基于单片机的自动门设计
1.1课题研究的可行性
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。
通过对“自动门单片机控制系统”的研究和设计，我精心撰写了微机控制自动门系统论文。
本论文着重阐述了以单片机为主体，步进电机、传感器为核心的系统。
1.2课题研究的意义和目的
经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市，自动门已经是随处可见，在各大厦、宾馆、酒店、银行、商场、医院、写字楼等场所，自动门更是得到大范围的普及使用。
自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的建筑增添了不少高贵典雅的气息。
自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中自动平移门使用得最广泛，我们通常所说的自动门、感应门就是指自动平移门。
自动平移门最常见的结构形式是自动门机械驱动装置和门内外两侧红外线，当人走近自动门时，红外线感应到人的存在，给控制器一个信号，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。
由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，提高了建筑的档次。
1.3课题的功能概述
在自动门使用上要根据安装的环境及要求，考虑选择自动门的配置。
由于公共场所（像医院、机场等）的自动平移门使用频率非常高，而自动门的使用频率和寿命是有限的。
在这种情况下，要使用自动门必须进行综合考虑。
例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。
以上介绍的是自动门的安装使用要点。
而一个自动门的设计还要包括下面三个方面：
一、智能化设计
自动门选择配置智能化控制系统，可随意设定门扇的运行速度，并可设定半开状态，调节方便。
使自动门始终保持在最佳运行状态。
并具有自动矫正功能，即使遇到大风等原因引起的运行阻力增大，仍然能够保持平稳的开关门动作。
二、安全性设计
具有自动反转安全装置，当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，并在下次接近阻力区域时以安全速度前进，避免夹人事件和机件损毁的现象发生，提高自动门运行时的安全性，延长自动门寿命。
门扇开启轻巧方便，当停电时，老人、儿童等均可开闭自如，开闭力量在3.5公斤以下，方便、安全、可靠。
三、稳定性设计
自动门采用步进电机，具有高效、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不过热等特性，大大超越传统交流伺服马达。
由于采用步进电机驱动，配合T型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行中具有卓越的稳定性。
由于采用高性能的电源输入，不管电压波幅多大均可自动稳压。
此外在负载瞬间短路时还有过压及过流保护措施，有效保障自动门运转的稳定耐久和安全。
自动门在具体场合的使用设计上，还应注意做好以下配置的选用：
1、安全辅助装置
如在高档酒店等地方可以选择安装防夹人红外感应器，防止停留在门附近的人被门所夹住。
2、备用电源
为保证停电时自动门也能工作正常，应配置备用电源。
3、辅助光线传感器
在需要的地方，自动门可以安装辅助光线传感器（红外对射保护装置），当门打开时，人站着不动，用手遮挡辅助光线传感器，门应该保持打开状态。
当手离开后几秒后，门应该重新关闭。
综上所述，自动门在很多领域具有不可比拟的优越性，随着国民经济的快速发展，自动门在我国已经迎来了快速发展的黄金时期。
自动门构造的技术参数
一主要的技术指标：
技术指标单门双开门
门重量130kg×1扇100kg×2扇
导轨长度2000~5000mm
开门速度200~450mm/秒（可调）
闭门速度200~450mm/秒（可调）
慢行速度30~50mm/秒（可调）
开门时间开门静止后1~10秒的范围内（可调）
控制器高速智能电脑处理器控制
马达DC24V40W无刷步进电机
电源电压AC220V50Hz
消耗功率100W
手动开启力3.5公斤以下
安全功能开闭时遇到障碍物能立即开启,晚间转换到报警功能
使用环境-20℃～+50℃
二、主要构造部件
部件特性
智能控制器自动检测门的重量、宽度，使门保持在最佳运行状态
步进电机高效率、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不发热
皮带高效同步齿型带，防止打滑，保证平稳运行
吊架用于运动门扇的悬挂，安全可靠
铝槽高强度设计，承重不变型
第2章系统硬件设计
2.1系统硬件总体逻辑设计
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：
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电信号；
（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（有的厂家使用三角皮带）：
用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。
（7）下部导向系统：
是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。
当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：
感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。
马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。
2.1.18051单片机
一、AT89C51引脚说明
图2-1是AT89C51的引脚图，引脚说明如下
VCC` AT89C51电源正极输入，接+5V电压。
GND 电源接地端。
XTAL1接外部晶振的一个引脚。
在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了
片内振荡器。
它采用外部振荡器时，些引脚应接地。
XTAL2接外部晶振的一个引脚。
在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。
当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。
这里面的设置晶振频率是16Hz则一个机器周期为2uS。
RST AT89C51的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。
ALE/PROG ALE是英文“ADDRESSLATCHENABLE”的缩写，表示允许地址锁存允许信号。
当访问外部存储器时，ALE信号负跳变来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口P0的地址总线（A0-A7）锁存进入锁存器中。
在非访问外部存储器期间，ALE引脚的输出频率是系统工作频率的1/16，因此可以用来驱动其他外围芯片的时钟输入。
当问外部存储器期间，将以1/12振荡频率输出。
EA/VPP该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。
PSEN此为“ProgramStoreEnable”的缩写。
访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。
在访问外部程序存储器读取指令码时，每个机器周期产生二次PSEN信号。
在执行片内程序存储器指令时，不产生PSEN信号，在访问外部数据时，亦不产生PSEN信号。
P0 P0口（P0.0~P0.7）是一个8位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线（低8位）和数据总线复用。
外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O口用。
P0口每一个引脚可以推动8个LSTTL负载。
P2 P2口（P2.0~P2.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），当访问外部程序存储器时，它是高8位地址。
外部不扩展而单片应用时，则作一般双向I／O口用。
每一个引脚可以推动4个LSTL负载。
P1 P1口（P1.0~P1.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），其输出可以推动4个LSTTL负载。
仅供用户作为输入输出用的端口。
P3 P3口（P3.0~P3.7）口是具有内部提升电路的双向I/0端口（准双向并行I/O口），它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。
其特殊功能引脚分配如下：
P3.0 RXD串行通信输入
P3.1 TXD串行通信输出
P3.2 INT0外部中断0输入，低电平有效
P3.3 INT1外部中断1输入，低电平有效
P3.4 T0计数器0外部事件计数输入端
P3.5 T1计数器1外部事件计数输入端
P3.6 WR外部随机存储器的写选通，低电平有效
P3.7 RD外部随机存储器的读选通，低电平有效
2.1.2步进电机模块与驱动
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
2.1.2.1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．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．推动厂步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广闹的前景。
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。
7、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。
步进电机工作原理
将A相断电。
同时将Kb合上，使处于1/3个齿距角的B相通电，并建立磁场。
转子在电磁力的作用下，向与B相成对齿的位置转动。
其结果是：
转子转动了1/3个齿距角，B相与转子形成对齿：
C相与转子错1/3个齿距角；A相与转子错2/3个齿距角；
相似地．在B相断电的同时，合开开关Kc给C相通电建立磁场。
转子又转动了1/3个齿距角。
与C相形成对齿，并且A相与转子错1/3个齿距角；B相与转于错2/3个齿距角。
当C相断电。
再给A相通电时，转子又转动1/3个齿距角。
与A相形成对齿，与B、C两相形成错齿。
至此，所有的状态与最初时一样．只不过转子累计转过了一个齿距。
可见，如于按A-B-C-A顺序轮流给各相绕组通电，磁场按A-B-C方向转过了360度。
转子则沿相同方向转过一个齿距角。
同样。
如果改变通电顺序，即按与上面相反的方向（A-C-B-A的顺序）通电，则转子的转向也改变。
如果对绕组通电一次的操作称为一拍，那么前面所述的三相反应式步进电动机的流通电就需要三拍。
转于每拍走一步．转一个齿距角需要3步。
转子走一步所转过的角度称为步距角，θN可用下式计算
式中N--步进电机工作拍数。
自动门选用的是三相六拍的工作方式，即：
步进电动机的正转通电顺序为：
A-AB-B-BC-C-CA；反转通电顺序为：
A-AC-C-CB-B-BA。
磁场旋转一周。
通电需要换相6次（即六拍），转子才转动一个齿距角。
如于转子转动一个齿距角要六伯。
根据上式，六拍工作时的步进精度要高。
六拍工作时，各相通电的电压和电流波形如下图所示。
可以看出．在使用六拍工作方式时，有三拍是单相通电，有三拍是双相通电；对任一相来说，它的电压波形是一个方波，周期为六拍。
其中毛三拍连续通电，有三拍连续断电。
六拍工作方式相电压电流波形
2.1.2.2驱动控制系统组成
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，其方框图如下：
1、脉冲信号的产生与分配。
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。
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P1口输出控制信号，0表示绕子通电，1表示绕子断电，则可以用六个字来表示六个通电状态。
这六个字表示如下表：
通电状态P1.2（C）P1.1（B）P1.0（A）控制字
A11006H
AB10008H
B10109H
BC00101H
C01103H
CA01002H
2.1.3热释电型红外传感器
红外线传感器能以非接触形式检测人体中辐射出的红外线能量变化，并将此变化转变为电压信号输出。
红外线传感器集成芯片BISS00017、6特点（如图所示）：
1）用CMOS工艺，公耗低。
2）具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配。
3）双向鉴幅器可有效抑制干扰信号。
4）内设延时和封锁定时器，性能稳定，调节范
5）内置参考电源。
6）工作电压范围宽（3V～5V）
2.1.4电源整流电路设计
自动门系统的整流电路如图2-12所示。
整流电路由整流桥、充电电容和滤波网络组成。
图2-12带有充电电容和滤波网络的全桥整流电路
由于系统选用48V/50W的步进电机，根据指标要求，整流电路输出直流电压48V/3A（max），其波纹电压小于100mV。
设法使充电电容上波纹系数η≈0.1。
为了提高自动门控制系统的安全性能，在电源电路中设置过流保护电路是必须的。
系统电源电路的过流保护电路如下图所示。
R1、R2为单向可控硅GTO
提供触发脉冲，R3为大功率小阻值电阻，R4为大阻值电阻，T1为3A的普通保险丝，T2为快速自恢复温度保险丝。
T2监测
GTO的温度，温度在72℃以下时，T2处于关闭状态，当温度高于72℃时，T2断开。
过流过热保护电路
正常工作时，大部分电流从GTO流过，T1、T2均处于导通状态。
当负载短路或由于其它原因导致主回路电流过大时，GTO电流迅速上升，若电流超过
3A，T1将断开；同时如果电流值小于3A，GTO电流迅速上升将引起GTO温度迅速上升，当温度超过72℃时，T2自行断开，待温度低于
72℃后T2自行恢复导通状态。
这样就实现了电源电路的过流、过热保护。
在自动门控制系统中，如果电源设计中不能有效地抑制EMI，将会严重影响自动门的稳定性,用EMI滤波器较为有效地抑制了
EMI。
为了基本进一步提高系统稳定性和安全性，除了设计高性能的电源外，系统还在控制硬件和软件上采用了抗干扰措施。
2.1.5磁电感应式传感器
磁电感应式传感器又称磁电式传感器,是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。
它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号,是有源传感器。
由于它输出功率大且性能稳定,具有一定的工作带宽（10～1000
Hz）,所以得到普遍应用。
一、磁电感应式传感器工作原理
根据电磁感应定律,当w匝线圈在恒定磁场内运动时,设穿过线圈的磁通为Φ,则线圈内的感应电势E与磁通变化率dΦ/dt有如下关系:
E＝-w（2-1）
根据这一原理,可以设计成自动门的限位非接触开关，下图为开磁路变磁通式:
线圈、磁铁静止不动,当测量到门上的磁铁时，输出一个电量信号。
交磁式磁电传感器结构
二、磁电感应式传感器基本特性
当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰、机械振动或冲击时,其灵敏度将发生变化而产生测量误差。
相对误差为
磁电式传感器直接输出感应电势,且传感器通常具有较高的灵敏度,所以一般不需要高增益放大器。
第三章系统软件设计
3.1系统软件结构
整个系统软件主要由主程序、中断服务程序、门开启和关闭子程序、各种故障处理及报警子程序组成。
主程序主要是完成系统进行初始化、中断设置等功能。
一个外部中断和两个定时器。
整个自动门的流程图如下：
3.1.1自动门控制程序设计
ORG000H；主程序起始地址
START:
LJMPMAIN
ORG00030H；外中断起始地址
LJMPINT0；跳到外中断程序
MAIN:
MOVSP,70H；设堆栈
LCALLTIME
TIME:
MOVP1,0FFH；中断电机
MOVTMOD,#01H；设定TMOD为工作方式1
MOVTH0,#03CH；设置定时初始值为100ms即212-100000/2=15536
MOVTL0,#0B0H
MOVIE,#00H；禁止中断
SETBTR1；启动定时
LOOP:
JBCTF1,ZCZ；查询是否溢出
AJMPLOOP
ZCZ:
INC30H；30H加1
MOVA,30H
RET
LCALLDAY;到24时清零
CJNEA,#69780H,DIANJI;是否在晚上，不是转移到电机子程序
MOVIE,#10000001B；开外部INT0中断
LJMPMAIN;没有中断，则返回
INT0:
PUSHACC
PUSHPSW
MOVA,30H
CJNEA,#69780H,DIANJI1
BAOJIN:
CPLP2.2
INC31H
MOVA,31H
CJNEA,#0AH,LOOP1;定时2秒
LCALLDELAY;延时0.2秒子程序
AMJPBAOJIN
LOOP1:
CLR31H
POPACC
POPPSW
MOVIE,#00000000B
RETI
DIANJI1:
LCALLCW；调用正转子程序
LCALLDELAY1；20毫秒（速度这里控制）
MOVA,P2.0
CJNEA,#00H,DIANJI1；行程开关2是否为低电平
DINGSHI:
MOVP1,0FFH；电机停
NOP；等待
LCALLTIME;定时2秒
ZCZ1:
INC32H
MOVA,32H
CJNEA,14H,DIANJI2
AMJPDINGSHI
DIANJI2:
CLR32H
LCALLCCW；调用电机反转子程序
LCALLDELAY1；速度控制
MOVA,P2.1
CJNEA,00H,DIANJI2；行程开关1是否为低电平，是返回
MOVP1,0FFH；电机停
NOP；等待
POPACC；出栈
POPPSW
MOVIE,#00000000B
RETI；中断返回
DIANJI:
MOVIE,#10000001B；电机开中断
LJMPMAIN；没中断返回
DAY:
CJNE30H,#18H,QINGLING
RET
QINGLING:
CLR30H
RET
DELAY:
MOVR5,#20
D1:
MOVR6,#20
D2:
MOVR7,#240
DJNZR7,$
DJNZR6,D2
DJNZR5,D1
RET
DEPAY1:
MOVR5,#40
D3:
MOVR6,#248
DJNZR6,$
升级会员 