1、论文华东交通大学采用单片机控制的红外自动门摘 要在今天自动化、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。随着社会与科技的发展、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。它更让我们懂得，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，本论文着重阐述了以单片机为主体，步进电机为核心的自动门运行系统。本设计主要应用AT8
2、9C52作为控制核心，步进电机、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；步进电机；红外传感器AbstractIn todays increasingly high degree of automation, informationization, application field of SCM is more and more widely, become an integral part of peoples life. Along with the development of soc
3、iety and science and technology, the progress of science and technology, and improve the peoples living standard, convenient to gradually, the automatic control system of life into peoples life, based on singlechip automatic system is one of them. Also marks the automatic control field became a memb
4、er of the digital age. It is practical, complete functions, advanced technology, make people believe that it is the results of scientific and technological progress. Let us know more, and digital age will change the development of human life, will speed up the development of science and technology.
5、Based on the automatic control system of research and design, this paper mainly discusses the microcontroller as main body, dc motors, speed measurement as the core of the automatic operation system.This design is mainly used as control core and AT89C52 dc motor, infrared sensor, the combination of
6、magnetic switch system. Give full play to the chip. The advantages of simple circuit hardware, software function perfect, reliable, cost-effective control system is higher characteristic.Keywords：SCM； automatic door；DC；nfrared sensor目录摘 要 IAbstract II第1章 绪论 11.1 课题开发背景 11.2 立题目的和意义 11.3 自动门的分类与特点 21
7、.4 系统完成的功能 21.5 本章小节 3第2章 整体设计方案选择 42.1 系统功能及需求分析 42.1.1 系统功能 42.1.2 需求分析 42.2 自动门系统整体方案设计 52.2.1 主控芯片选择 52.2.2 电动机的选择 52.2.3 传感器模块的选择 62.3 本章小结 7第3章 系统硬件设计 83.1 系统硬件的总体设计与元器件的选择 83.1.1 系统硬件总体设计 83.1.2 元器件选择 93.2 各功能模块的介绍与设计 93.2.1 AT89C52单片机的介绍 93.2.2 步进电机的介绍 143.2.3 红外热释电探测模块介绍 183.2.3 报警模块介绍 203.
8、2.4 系统电路图 213.3 本章小结 23第4章 系统软件设计 244.1 系统软件设计 244.2 软件流程 244.3 本章小结 26第5章 系统调试 275.1 初期检测 275.1.1 系统硬件调试 275.1.2 系统软件调试 275.1.3 系统整体调试 275.3 本章小结 29结论 30致 谢 31参考文献 32附录1 译文 33附录2 英文参考资料 34附录3 系统程序设计代码 36附录4 实物照片 40第1章 绪论1.1 课题开发背景随着社会的发展和人民生活水平的提高，社会中智能化工具越来越多。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
9、通行两种要求。因此，门体本身要求牢固和密封。使用方便的最高要求就是自动控制，于是就产生了自动门。在我们许多的高楼耸立的大都市，在大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经是随处可见。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，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。如：电动车库门、电动卷帘门、电动户外大门等不在此范围内。不同使用环境对使用的方便性有不同的要求，于是就发展出各种功能配置的自动门.使用环境的不同可以分为两类，即公共区域与非公共区域。公共区域的特点是不对出入的人员进行选择，门的使用频率较高甚至很高，所以公共区域对自动门的基本要求是耐用：然而，公
10、共区域也会有某些特殊的要求。非公共区域的特点是要对出入的人员进行选择，因此对锁功能、门禁系统、安全性、保安性能、紧急状态功能、极端情况下的功能等要求会很高。各种非公共区域对门控功能可能有不同的要求，因此，自动门的配置就应该不同。入口门由于其位置的关系，对建筑物的美学意义上的风格会产生很大的影响。研究自动门业的重要发展趋势之一是为不同风格的建筑、甚至为同一建筑的不同风格的区域，提供不同形式的自动门，来满足人们的日常生活需要与审美需要。1.2 立题目的和意义随着科技的发展以及人们生活水平的大幅度提高，特别是近几年国内经济的发展以及科学技术的不断发展，人们对防盗的要求也是越来越高，同时对使用的便捷性
11、也有了更高的需求，目前国内外对自动门的研究逐渐增多，主要目的就是为了更适合现在的生活与生产。由于自动门的广泛应用与适应性强，所以本文根据单片机技术、步进电机、红外传感器对自动门在保证质量的情况下更实用与节约进行了研究。与传统自动门相比在相同成本下更美观、实用与便捷。1.3 自动门的分类与特点自动门形式上可以分为自动平移门、自动平开门、自动圆弧门、自动折叠门和自动旋转门。由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动和传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。客流量的差异会对自动门的使用产生很大影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和可频繁使用的自动门。从形式上选择自动门，
12、主要根据建筑风格和建筑环境的条件及特点，达到整体的协调，以及突出或加强建筑设计的某种创意。而根据门体特点和门的使用条件不同来选择自动门，是我们用来保证自动门正常使用和延长自动门使用寿命的关键所在.我们主要使用的研究对象是自动平移门：自动平移门，也可以叫做感应门，其最常见的配置是门机和门内外两侧加雷达。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。由于这种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，于是迅速在国内建筑市场上普及起来。然而，由于对自动门缺乏透彻的认识，因为使用和维修不当常常造成门机故障率高，进而影响门机
13、的使用寿命。同时，国家没有相应的标准，使确定各种品牌产品的档次缺乏依据，尤其是自动门的使用安全性没有保证。所以透彻而全面地了解自动平移门是有很多用处的。自动平开门有以下特点：自动平开门的最主要特点是对门体没有特殊要求，只要是有安装条件就可以使一普通的平开门变成自动门，唯一的要求是对于重型自动平开门机来说，应配备高强度的合页，因为门机运行时开门力矩对合页的作用力很大。自动平开门从工作原理上可分为全电动和半电动两种，两种门机各有特点，适用范围也有所不同。1.4 系统完成的功能设计并实现采用单片机控制的红外自动门系统。确定设计方案制作硬件电路板，用C语言编写单片机程序实现自动门功能。而单片机是整个控
14、制系统的核心，通过合理的设计单片机程序可以有效解决其故障问题。通过合理硬件选择可以有效降低其成本。自动门控制系统是自动门的控制核心，本系统的具体功能实现如下：1、当红外探测器检测到有人过来时，门自动打开，延时5秒后自动关门；2、当门出现故障或中间有异物时，超过关门的设定时间，蜂鸣器发出警报，直到故障问题解决之后自动关门；3、红外探测模块设置开关，使门既可以被电机驱动开关，也可以手动开关。1.5 本章小节本章通过介绍由原始的门到现有的各种诸如防盗门、车库门、卷帘门、自动门等，并例举了几种自动门的优缺点，与传统自动门相比在相同成本下更美观、实用与便捷，从而满足了人们的日常生活需要与审美需要。第2章
15、 整体设计方案选择2.1 系统功能及需求分析2.1.1 系统功能由于自动门是通过芯片控制电机驱动而工作，从而控制自动门的开关。现在应用较广的自动门是使用红外探测的自动门。其性能和便捷性以大大超过了其他的自动门，功能特点如下1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。2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
16、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。3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。2.1.2 需求分析随着社会的发展、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。由
17、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，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。自动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。2.2 自动门系统整体方案设计2.2.1 主控芯片选择在本系统设计中所需要的I/O输入输出口为32个
18、，综合各方面的因素考虑，本控制系统设计的硬件选用ATMEL公司生产的AT89C52作为主控中心。AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统及80C52产品引脚结构。AT89C52芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89C52
19、具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 字节内部RAM，32个外部双向输入/输出（I/O）口，1个6向量两级中断结构，3个16位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。2.2.2 电动机的选择在设计本系统使用的是步进电机。步进电动机有几个特点如下:1电机旋转的角度正比于脉冲数； 2电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）； 3由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性； 4优秀的起停和反转响应； 5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； 6电机的响
20、应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单而且控制成本； 7仅仅将负载直接连接到电机的转轴上也可以极低速的同步旋转。 8由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。2.2.3 传感器模块的选择方案一：被动式热释电红外探头的优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺点：容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。抗干扰性能好。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感,而对于横切方向(即与半径垂直的方向)移动则最为敏感.在现场选择
21、合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。方案二：磁电感应传感器是利用电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种传感器。他不需要辅助电源就可以把被测对象的机械量转换成便于我们测量的电信号，是有源传感器。他被人们普遍应用是应为其良好的输出功率与稳定性一、工作原理依据磁感应定律，当W匝线圈恒定磁场内运动时，设穿过线圈的磁通为Q，则线圈内的感应电势E与磁通变化率dQ/dt的关系为E=-w(2-1) （2-3）根据此原理，可以设置自动门的非接触开关。开次路边同事的线圈、磁铁不动，当测量道门上的磁铁时，输出一个电量信号。二、基本特性在此电传感器电路中接入需要被测量的电路，磁电传感器
22、输出电流Io，传感器的电流灵敏度为 （2-4）公式中：Rf表示测量电路输入电阻 R表示线圈等效电阻传感器输出电压和电压灵敏度为 （2-5） （2-6）当传感器受到外界磁场干扰、温度变化、振动时，他的灵敏度就会发生变化必然有相应误差。这个相对的误差为 (2-7)传感器通常灵敏度比较高，一般不用高增益放大器，直接输出感应电势。感应到有人电机正传并延时反转，系统有限位保护和定时锁功能。电机需要用三相步进电机六拍工作方式。在本系统中采用红外探测方式来进行驱动门的开关，主要目的就是保证只对人体探测，确保探测器不被其他的红外辐射所干扰，更加方便人们使用。 热释电红外探测器只针对人体红外辐射探测，不容易被其
23、他的红外辐射所干扰；而磁电感应传感器探测范围广与本设计的初衷不符，所以采用方案一。2.3 本章小结本章主要是对本设计系统中使用的主要器件的选择做了一个详细的说明，将本系统中所选的器件和其它器件做比较，从而体现出所选器件的优势所在，提高本系统的整体性能，为系统硬件的选择和设计提供了依据。第3章 系统硬件设计3.1 系统硬件的总体设计与元器件的选择3.1.1 系统硬件总体设计本系统主要是使用红外探测器控制自动门开关的设计，系统主要有以下几个模块：红外检测模块、门行程模块、故障检测模块、步进电机控制模块、故障显示模块、警报模块。红外自动门的系统硬件框图如图3-1图3-1 红外自动门系统硬件框图各功能
24、模块的具体功能如下：1.红外检测模块：检测是否有人通过自动门；2.门行程模块：采用旋转方式开关门；3.故障检测模块：检测门是否遇到故障或门与门框中间是否有异物；4.步进电机控制模块：控制门的开关；5.故障显示模块：通过指示灯来提示工作人员门出现故障；6.警报模块：当系统检测遇到故障时蜂鸣器开始报警。3.1.2 元器件选择经过对市场的调研，以及实用性等综合各方面的因素考虑，本系统的设计采用以下几款元器件：1、主机：一台电脑2、单片机：AT89C523、电机：步进电机4、传感器：热释电型红外传感器模块5、电机驱动：ULN2003电机驱动模块6、报警器：蜂鸣器3.2 各功能模块的介绍与设计3.2.1
25、 AT89C52单片机的介绍AT89C52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，32个外部双向输入
26、/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89C52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性： 兼容MCS-51指令系统 8k可反复擦写（1000次）ISP Flash ROM 32个双向I/O口 4.5-5.5V工作电压
27、2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线 128x8bit内部RAM 2个外部中断源 低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式 3级加密位 看门狗（WDT）电路 软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程 双数据寄存器指针图3-2AT89C52芯片AT89C52引脚功能：I/O口P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子） P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子） P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子） P3.0P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的1017号端子） 这4个I/O口11具有
28、不完全相同的功能，大家可得学好了，其它书本里虽然有，但写的太深，初学者很难理解，这里都是按我自已的表达方式来写的，相信你也能够理解。1P0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。P0口有三个功能： (1)外部扩展存储器时，当做数据总线（如图3-2中的D0D7为数据总线接口）； (2)外部扩展存储器时，当作地址总线（如图3-2中的A0A7为地址总线接
29、口）； (3)不扩展时，可做一般的I/O使用，但内部无上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。 2P1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。只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。3P2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，
30、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。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；4P3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（IL
31、L）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 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。I/O口管脚备选功能： P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（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。I/O口作为输入口时有两种工作方式即所谓的读端口与读引脚读端口时，实际上并不从外部读入数据而是把端口锁存器的内容读入到内部总，线经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线上面，图中的两个三角形表示的就是输入缓冲器CPU将根据不同的指令分别发出读端口或读引脚信号以完成不同的操作。这是由硬件自动完成的不需要我们操心,然后再实行读引脚操作否则就可能读入出错。为什么看上面的图如果不对端口置“1”端口锁存器原来的状态有可能为0Q端为0Q为“1”，加到场效应管栅极的信号为“1”，该场效应
