基于单片机的地铁门控制系统范本模板.docx
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基于单片机的地铁门控制系统范本模板
基于单片机地铁门控制系统
学生：
秦密密
*******
淮南师范学院物理与电子信息系
摘要:
本文主要以AT89C52为主控芯片,结合外围复位电路、串口电路、驱动电路等组成硬件控制平台,以KeiluVision3软件为主要软件开发控制平台。
通过软件程序控制单片机并控制两个步进电机（一个模拟车门、一个模拟安全门）的开与关、并伴随警告提示。
关键字：
AT89C52；单片机;复位；串口；驱动；步进电机
MetroDoorControlSystemBasedonMCU
Student：
Qinthick
Instructor：
HanFang
HuainanNormalUniversity，DepartmentofPhysicsandElectronicInformation
Abstract：
ThispapermainlyAT89C52asthemaincontrolchip,combinedwiththeexternalresetcircuit,serialinterfacecircuit,drivercircuitcomposedofhardwarecontrolplatformtoKeiluVision3controlsoftwareasthemainsoftwaredevelopmentplatform。
SCMsoftwareprogramcontrolandtocontroltwosteppermotors（asimulateddoor，securitydoorofasimulation）onandoff，accompaniedbyawarningprompt.
Keywords:
AT89C52;SCM;reset；serialport；drive；steppermotor
前言:
地铁门控制系统是一个典型的机电一体化产品，其沿站台边缘布局，讲车站站台与行车轨道隔离开，降低了车站空调通风系统的运行能耗。
同时减少了列车运行噪音和活塞风对车站的影响，防止人员跌落轨道发生意外事故，为乘客提供了舒适、安全的候车环境，提高了列车的服务水平。
我国轨道交通建设中,广州地铁2号线是我国首次引进屏蔽门系统，应在实际应用中取得了良好的经济、社会效益。
目前世界上有有8个国家和地区共21调轨道交通线路正在使用或加装屏蔽门系统，有关屏蔽门的供货商也在逐渐发展起来，英国westinghouse、法国Faiveley、瑞士KABA和日本Nabco4家公司为最主要的屏蔽门生产厂家，都已经承担过一些地铁线路的屏蔽门工程.在国内地铁门市场,国外公司大多数采用在国内寻找合作伙伴的方式进入国内市场,如广州地铁2号线屏蔽门工程中标方就是广州澳的斯电梯有限公司和英国西屋公司，深圳方大集团于2000年与法维莱公司开始合作之后，双方共同成功承建了泰国曼谷地铁等屏蔽门工程项目，瑞士卡巴公司也与江苏金创集团合作在国内承建屏蔽门工程项目，日本那博克公司与重庆川仪集团也就屏蔽门项目进行着合作.国内最早开始从事屏蔽门研究的是广州奥的斯电梯有限公司和深圳方大集团，之后逐渐增加了广州广日集团，上海通用冷气机有限公司，重庆川仪总厂有限公司等，到目前为止,屏蔽门系统的国有化程度还相当低，目前国内有10家以上的公司正在加大对屏蔽门系统的研发力度以加快屏蔽门系统的国产化步伐。
本毕业设计采用51单片机为主控芯片,利用ULN2003芯片将单片机电平信号放大，驱动两个步进电机模拟屏蔽门与地铁车门，利用按键控制车门与安全门的开关，车站开门时有绿色指示灯提示开左或右方的车门，并在关门时有蜂鸣器三声警告提示乘客此时不适宜上车，请注意安全.
本设计要求对地铁门转速稳定，易于控制,精度高。
本毕业论文主要使用步进电机作为车门的实体的模拟器件，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步进电机件。
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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角"，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
本系统有以下优点：
1、成本底;
2、操作方便；
3、可控制性强;
4、体积小、功牦低、可靠性高；
1。
系统方案论证与器材选型
按照本设计要求，本系统共有主控制模块、驱动模块、执行模块、报警模块。
首先列车到站时列车员按动车门开启开关，先开车门再开屏蔽门，LED灯闪烁提示下车方向,当按下关门按钮时蜂鸣器报警三声后先关屏蔽门再关车门.
图1系统总体方案
1.1设计方案方案简介:
主模块采用AT89S52作为主处理器，模块分为三个部分：
中心模块、驱动模块、报警模块。
方案详细介绍：
1）触发模块——由激光收发器两个按钮开关检测信号.
2）控制模块——由最小系统（电源电路、晶振电路、复位电路、串口电路）来控制。
3）驱动模块—-电机驱动模块。
4）报警模块—-蜂鸣器。
1.2方案论证
1.2。
1地铁门屏蔽门开关电机：
地铁门与屏蔽门因其所在的环境决定了它必须具有以下功能：
1）：
电机的转动角度可以用脉冲控制
2）：
电机旋转的精度高，可控
3）：
电机转矩不应太大，当有人阻挡时不能伤害人
我们考虑了一下方案：
方案一：
直流电机
直流电机是把电枢线圈中感应的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势能实现直流电能和机械能互相转换的电机。
感应电动势的方向按右手定则确定
方案二：
交流电机
交流电机是输入或输出为交流电的电机.同直流电机比较有一下优点
⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。
⑵定子绕组散热比较方便.
⑶惯量小,易于提高系统的快速性。
⑷适应于高速大力矩工作状态。
⑸同功率下有较小的体积和重量.
方案三:
步进电机
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步进电机件。
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，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机有以下特点：
1）：
电机旋转的角度正比于脉冲数
2）:
一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积
3）：
优秀的起停和反转响应
4）步进电机的力矩会随转速的升高而下降
4）：
由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命
5）:
步进电机外表允许的最高温度。
由于速度正比于脉冲频率,因而有比较宽的转速范围
6）：
步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声
综合以上方案的特点并结合本毕业设计的需求我选择了方案三。
1.2.2触发模块选择
触发模块:
触发模块直接影响到整个模块的安全，实效性.在选择触发原件时
不仅要考虑元器件的安全性、可操作性。
还有考虑到与其相配置的各种电路的设计的难以程度和设计性价比等等。
首先我们要考虑器件的安全问题,必须是安全的产品，其次必须易于操作,方便出现紧急状况处理问题。
最后就是我们的性价比必须要足够高.综合上面的问题考虑我们提出以下方案:
方案一：
利用激光收发器:
它由激光器（图1）、激光接收管（图2）。
激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快,精度高，量
程大，抗光、电干扰能力强等。
图2激光器
图3激光接收管
我们利用激光收发器，在屏蔽门上安装信号发射装置，在车门上安装接收装置。
当列车到站时车门与屏蔽门重合，车门上的接收装置接收到信号开启车门，等待乘客上车完毕后由列车员关闭激光信号，10秒后（列车已经能开走）激光模块自动启动
优点：
自动化程度高
缺点：
遇到紧急情况处理不够人性话，有隐患
方案二：
利用按键控制车门开关,当列车进站时又列车司机按动开门按键，此时车门打开,屏蔽门打开.当旅客上车完毕时，由列车员按动关门按钮，报警安全提示，关上车门及安全门。
优点：
操作方便，便于处理紧急突发情况
缺点:
人工操作麻烦
综合上面两个方案考虑，各有千秋。
基于最严谨的考虑,本毕业设计准备两个方案同时使用，就是利用激光收发器做日常使用，按钮开关作为紧急情况的备用设备
1.2.3驱动模块选择
驱动模块：
步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，如图4所示，它由脉冲发生控制单元、功率驱动单元等组成。
图中点划线所包围的二个单元可以用微机控制来实现。
驱动单元与步进电动机直接耦合，也可理解成步进电动机微机控制器的功率接口
图4步进电机驱动控制器
关于步进电机去驱动芯片我们提出了以下方案:
方案一:
MC1413
MC1413是摩托罗拉公司出品的高耐压、大电流达林顿陈列反向驱动器，由七个硅NPN达林顿管组成。
MC1413的每一对达林顿管都串联一个2。
7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。
MC1413工作电压高，工作电流大,灌电流可以达到500mA，并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行.如下图
图5MC1413管脚图
图6每一路等效电路
方案二：
UNL2003
ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成.该电路的特点如下:
ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。
如下图
图7ULN2003管脚图
综合考虑上面两个方案，其性能不相上下，价位相当，但是由于自己先前使用过ULN2003芯片，最终选择了方案二
2。
硬件设计
根据本毕业设计的要求和设计思路，本设计主要由一片AT89S52芯片、时钟晶振电路、复位电路、串口电路、驱动电路、执行电路、蜂鸣器电路组成。
如下图
图8AT89S52管脚图
图9时钟晶振电路
图10复位电路
图11串口通信电路
2.1单片机最小系统简介
单片机采用MCS-51系列单片机。
由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器.使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构,全双工串行口，片内晶振及时钟电路.空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作.掉电保护方式下,RAM内容被保存，振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器,如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候,让单片机复位而不用整个系统断电,从而保护你的硬件电路。
AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
单片机管脚说明：
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“1”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“1”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“1"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。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口,如下表所示：
表1P3。
0口引脚功能表
P3口引脚
第二功能
P3。
0
RXD（串行口输入）
P3。
1
TXD（串行口输出）
P3。
2
INT0（外部中断0输入）
P3.3
INT1（外部中断1输入）
P3.4
T0（定时器0外部脉冲输入）
P3.5
T1（定时器1外部脉冲输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写脉冲输出）
P3。
7
RD（外部数据存储器读脉冲输出）
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RST脚两个机器周期的高电平时间.
ALE/PROG:
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节.在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现.
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
2.1。
1AT89S52的最小系统电路构成
AT89S52单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成.单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准，复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的初态开始运行.
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：
内部振荡方式和外部振荡方式。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成了内部振荡方式。
由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。
当MCS—5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。
如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态.根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位.上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位,并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC＝0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行.
系统复位是任何微机系统执行的第一步,使整个控制芯片回到默认的硬件状态下.51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态,而且一直在此状态下等待,直到RESET引脚转为电平后,才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序.如图12所示
图12单片机最小系统
2。
2系统电源
本模块为USB+5V供电，如图13所示
图13USB电源模块
2.3驱动模块
ULN2003的内部是一组达林顿管，你可以理解为放大倍数很高的三极管，你用到的控制极就是其基极，所以，它有0.7V电压就可以工作了。
但一般在使用时，还是要保证提供2V以上，不然可能不会很可靠.
51单片机的I/O口直接和ULN2003连,ULN2003有16个脚共7路驱动。
ULN2003的8脚接5V电源地，9脚接+5V电源，因为ULN2003里面有续流二极管从9脚引出。
假如你用P1.0驱动一个电机，那么P1.0接ULN2003的1脚,ULN2003的16脚接电机线圈的一端，电机线圈的另一端接+5V电源。
P1。
0为高电平,电机就转,P1。
0为低电平,电机就停.ULN2003驱动电流500MA.
这个器件用起来很简单,它是一个不能输出高电平的反相器，就是说你输入高电平的时候,输出低电平，你输入低电平的时候它就成高阻态（就是电阻很大，可以看成短路,这时如果你加上拉电阻的话输出就会拉成高电平）。
一般他的用法就当成电子开关用,就是你输入高电平的时候它相应的端口会输出低电平，而且这个低电平能吸收的电流达500mA。
所以一般就是电机或者其他用电器的一段接ULN2003的输出口（像接了一个开关然后再接到低）。
还有一段接高电平或者电源。
使用的时候就把相应的端口置高电平就会打开开关，让电机形成对地的回路,从而让电机运行;如果相应的端口为低电平，输出为高阻态，就像断开了对地的开关,从而不形成回路让电机关闭。
ULN2003芯片引脚介绍
引脚1:
CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。
引脚2:
CPU脉冲输入端。
引脚3:
CPU脉冲输入端。
引脚4:
CPU脉冲输入端。
引脚5：
CPU脉冲输入端.
引脚6:
CPU脉冲输入端.
引脚7：
CPU脉冲输入端.
引脚8：
接地.
引脚9：
该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极.用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用.如果该脚接地，实际上就是达林顿管的集电极对地接通。
引脚10：
脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。
引脚11：
脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。
引脚12:
脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端.
引脚13:
脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端.
引脚14：
脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。
引脚15:
脉冲信号输出端,对应2脚信号输入端.
引脚16:
脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。
图15驱动模块
2。
4报警模块
本设计报警电路为常用蜂鸣器电路图如下图，当关门信号发出后,蜂鸣器响三声，然后车门关闭
图16报警模块
3.程序设计
本毕业设计对程序的要求比较高，程序也相对比较复杂,为了把程序简单化，易于明白易于控制,本论文利用了模块话的思想,讲复杂的程序工作条理化，下面是本论文写程序的步骤
⑴分析模块控制要求，确定算法：
对复杂的问题进行具体的分析，找出合理的计算方法及适当的数据结构，从而确定编写程序的步骤。
这是能否编制出高质量程序的关键。
⑵根据算法画流程图：
画程序框图可以把算法和解题步骤逐步具体化，以减少出错的可能性。
⑶编写程序:
根据程序框图所表示的算法和步骤,选用适当的指令排列起来,构成一个有机的整体，即程序.
程序数据的一种理想方法是结构化程序设计方法.结构化程序设计是对利用到的控制结构类程序做适当的限制，从而控制了程序的复杂性，力求程序的上、下文顺序与执行流程保持一致性，使程序易读易理解，减少逻辑错误和易于修改、调试。
根据模块的控制任务，本模块的软件设计主要由主程序、初始化程序、执行程序和延时程序等组成。
3。
1主程序设计
图17模块主流程图
3。
2子流程图
本毕业设计子程序主要包括到站检测子程序,车门及屏蔽门开关子程序,报警子程序。
3.2.1列车到站检测子程序
列车到站检测子程序为主程序的入口只有检测到进站信号才能开门,程序流程图如下
图18列车到站检测子程序
3。
2.2开关门子程序
图19开关门流程图
3。
2.3报警子程序
按照本设计要求,当单片机收到关门信号时,报警子程序启动，报警三声提示乘客此时不宜上车
图20报警程序流程图
设计总结
本毕业设计以单片机为中心控制芯片，结合外围控制电路及辅助设施完成了本设计的主要目标。
利用了自己在大学期间所学到底C语言编程，数字电路，模拟电路等方面的知识,并结合了地铁门在实际生活中的需求。
在硬件设计选材中本设计本着性价比第一的宗旨，节能减排将能耗降至最低,分层次设计。
在软件控制方面，本设计利用了模块化的编程思想，将原本复杂的功能集体化、模块化,使思路清晰明确.
当前我国门业的发展态势很好，多功能户门、车库门、自动门、工业门供需两旺.犹如电脑办公取代了原始的手工操作一样，自动门的出现让机场、医院、豪华酒店、商务楼盘、超市的守门人们永远“下岗”了。
自动门的关键部分是控制模块，其性能和质量决定着门的质量优劣.地铁门控系统应用前广阔，节约人力，控制方便，安全性可靠.
参考文献
[1]张毅刚《新编MCS-51单片机应用设计》[M］哈尔滨工业大学出版社2003
［2］求是科技《8051系列单片机C程序设计完全手册》［M］人民邮电出版社2006年4月
[3］谭浩强写《C程序设计》［M]清华大学出版社1991年8月
［4］康华光。
电子技术基础（数字部分（第四版））[M］高等教育出版社2000年5月（第四版）
[5］马忠涛单片机培训教程［M］电子工业出版社2005年
［6]康华光。
电子技术基础（模拟部分（第四版））［M]高等教育出版社2000年5月（第四版）
附录
＃include
＃defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitred=P2^0；
sbitgreen=P2^1;
sbitsda=P2^3；
sbitbeep=P2^4;
sbitkey=P3^2；
sbitkey1=P3^3;
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