【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 次設(shè)計(jì)參考工業(yè)量產(chǎn)的自動(dòng)門標(biāo)準(zhǔn)，并且考慮到資金的緣故，我采用單片機(jī)作為 系統(tǒng)的核心控制器。 AT89C51 單片機(jī)具備一個(gè)完整的計(jì)算器所需要的基本組成部分，并且指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，執(zhí)行快。 本設(shè)計(jì)采用升級(jí)的 AT89C52 單片機(jī)作為 CPU，相對(duì)于 AT89C51 增加的了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大小，多了一個(gè)計(jì)時(shí)器，在本設(shè)計(jì)中引腳、功能使用與51保持一致，而且與單片機(jī)開發(fā)板配套節(jié)約了成本。 無刷電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的對(duì)比以及選擇 這次設(shè)計(jì)中最重要的執(zhí)行單元就是電機(jī)部分，需要控制好電機(jī)來帶動(dòng)門的開關(guān)。 而平開門只是直線運(yùn)動(dòng)，更要求電機(jī)完成直線運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定。這樣，我們選擇電機(jī)的時(shí)候就必須在多個(gè) 方面 考慮 ，比如說穩(wěn)定性，高效率，安全性來選擇電機(jī)。這里我們分析步進(jìn)電機(jī)和無刷電機(jī)的對(duì)比。 步進(jìn)電機(jī)是一種 可以轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度 的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn) 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)接收到 一個(gè)信號(hào) 時(shí) ，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角 度?？刂破?可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制 旋轉(zhuǎn)角度精確定位 ；同時(shí)可以通過控制 信號(hào) 頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，達(dá)到 控制 速 度 的目的。步進(jìn)電機(jī)利用其 角度控制功能以及 沒有積累誤差的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種 開源 控制。 直流無刷電動(dòng)機(jī)具有 優(yōu) 秀的線形機(jī)械特性、寬的調(diào)速范圍 、 大的啟動(dòng) 扭 矩 、簡(jiǎn)單的控制電路等優(yōu)點(diǎn)，長(zhǎng)期以來廣泛地應(yīng)用在各種驅(qū) 動(dòng)裝置和伺服系統(tǒng)中。但是，直流電機(jī)的電刷 以及 換向器卻成為阻礙它發(fā)展的障礙。而 現(xiàn)在 無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子是 電磁鐵 做成的永磁體，這樣結(jié)構(gòu)上正好與普通的直流電機(jī)相反，不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)磁 性 減弱的現(xiàn)象。去掉了電刷這部分換成電子換向器，也是為了讓電機(jī)更加穩(wěn)定有效的運(yùn)行。 本次設(shè)計(jì)中， 考慮到為了更方便的控制門行程，防止開關(guān)門過盈，在這方面步進(jìn)電機(jī)的 旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的 ，更具優(yōu)勢(shì)，能輕松控制門轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度。而且控制電機(jī)能瞬間反轉(zhuǎn)需要提供較大的力矩，步進(jìn)電機(jī)更能滿足要求。所以選擇步進(jìn)電機(jī)。 5 傳感器的選擇 目前自動(dòng)門行業(yè)運(yùn)用的傳感器件主要有微波感應(yīng)器、紅外感應(yīng)器等。微波傳感器反應(yīng)速度快，可以對(duì)物體的移動(dòng)進(jìn)行反饋，適用于人員通過的場(chǎng)所，微波感應(yīng)器是基于多普勒原理的傳感器，整機(jī)關(guān)鍵元件均為進(jìn)口器件，確保了產(chǎn)品可靠性。 微波感應(yīng)器是以 頻率發(fā)射、接收。其探測(cè)方式具體如下優(yōu)點(diǎn)： 。 、濕度、噪音。 紅外傳感器反應(yīng)很靈敏，只要處于它的探測(cè)范圍內(nèi)，都會(huì)有反應(yīng)。根據(jù)不同的功能和性能應(yīng)用在各類不同場(chǎng)合的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，是自動(dòng)門控系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，其性能 直接影響自動(dòng)門控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，如在高檔酒店、寫字樓，可以選擇高靈敏度的感應(yīng)器，在人行道邊上的銀行、商場(chǎng)等經(jīng)常有人路過的地方可以選擇窄區(qū)域的感應(yīng)器。 熱釋電紅外傳感器是基于 熱釋電效應(yīng)工作的。 由探測(cè)元件將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào)，放大后向外部輸出。一般在探測(cè)器的前方裝一個(gè)菲涅爾透鏡提高探測(cè)器的靈敏度以增大探測(cè)距離，它和放大電路相結(jié)合，可將信號(hào)放大 70 分貝以上，可以探測(cè)出 1020米范圍內(nèi)人的活動(dòng)。 當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體與環(huán)境輻射溫度有差別，產(chǎn)生溫度差Δ T，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)， 則溫度沒有變化，傳感器沒有輸出，所以這種傳感器能方便檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。 熱釋紅外線傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電路如下圖 1所示 。 6 圖 傳感器的組成部分有外殼、濾光片、 PZT、 FET 等。 其中，濾光片對(duì)太陽光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約 5mm以下）可以濾除。熱釋電元件 PZT將波長(zhǎng)在 8mm12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，只對(duì)人體的紅外輻射敏感，明顯減少環(huán)境的干擾 熱釋電紅外探頭具有以下優(yōu)點(diǎn)： 價(jià)格低廉（選擇的首要原因），自身不發(fā)生輻射、功耗?。▎纹瑱C(jī)電路可以輕松驅(qū)動(dòng)）、隱蔽性好。 本次設(shè)計(jì)在功能允許的情況下考慮了成本問題故采用熱釋電紅外傳感器。 總體方案論證 本 采用單片機(jī)為主控制器，使用熱釋電型紅外線傳感器來檢測(cè)人體輻射，其特點(diǎn)是只對(duì)人體輻射有感應(yīng)，這樣會(huì)明顯減少誤報(bào)操作。并且可以通過 D/A 轉(zhuǎn)換來控制 步進(jìn) 電機(jī)正轉(zhuǎn) /反轉(zhuǎn)， 轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度 ，更高效率的完成每一次開關(guān)門，而且設(shè)計(jì)中更體現(xiàn)了防夾系統(tǒng)，即遇阻檢測(cè)系統(tǒng)，更加安全，最后的外圍設(shè)備電子時(shí)鐘 、蜂鳴器、 led 燈 也是由單片機(jī)來控制，更加人性化。 這種方案的優(yōu)點(diǎn)是有目共睹的 。 7 單片機(jī)介紹 AT89C52 主要特性 單片機(jī)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)中核心部分，也是系統(tǒng)控制的平臺(tái)，有著非常好的可操作性和執(zhí)行性。所以本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)部分是重點(diǎn)。 AT89C52 單片機(jī)具備一個(gè)完整的計(jì)算器所需要的基本組成部分，并且指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，執(zhí)行快。 (1) 8031 CPU 與 MCS51 兼容 (2) 全靜態(tài)工作： 0Hz24KHz (3) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定 (4)256*8 位內(nèi)部 RAM (5) 32 條可編程 I/O 線 (6) 3 個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 (7) 6 個(gè)中斷源 (8) 可編程串行通道 (9) 低功耗的閑置和掉電模式 (10) 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 AT89C52 管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口作為地址 /數(shù)據(jù)總線， 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 。 P1 口： P1 口 是單片機(jī)中唯一僅有單功能的 I/O 口，輸出信號(hào)鎖存在端口上，又稱為通用靜態(tài)端口。 P2 口 ：和 P1 口相比多了轉(zhuǎn)換控制部分。 P3 口： 和 P1 口相比增加了一個(gè)與非門和一個(gè)緩沖器，使各端口有兩種功能選擇。 可作為 AT89C52 的一些特殊功能口 ，描述如下： 8 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0 外部輸入） T1（記時(shí)器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST： 接復(fù)位按鈕。 ALE/PROG：在編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)， PSEN：外部程序存儲(chǔ) 器的選通信號(hào)。 EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時(shí)，則在此期間 讀取 外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。當(dāng) /EA 端保持高電平時(shí)，此 期 間 讀取 內(nèi)部程序存儲(chǔ) 器。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入 。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 控制 反向放大器。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。 引腳具體方案 XTAL1 和 XTAL2 接外部晶振，作為計(jì)時(shí)器。 RST 為復(fù)位按鈕。 ~ 口連接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。 ~ 口分別接入 8 個(gè)發(fā)光二極管作為指示信號(hào)。 口接收熱釋電紅外模塊信號(hào)。 和 分別接兩個(gè)外部按鈕，控制自動(dòng)門手動(dòng)開和關(guān)。 口接蜂鳴器電路，負(fù)責(zé)開關(guān)門警示。 具體引腳如圖 2 所示： 9 圖 管腳接線說明 紅外熱釋電模塊 HCSR501 HCSR501 特性 技術(shù)參數(shù)： ： DC5V 至 20V ： 65微安 輸出：高 ，低 0V ：可調(diào) ( 秒 ~18 秒 ) ：默認(rèn) 秒 ： L不可重復(fù)， H可重復(fù)，默認(rèn)值為 H ：小于 120 度錐角， 7米以內(nèi) ： 15~+70 度 功能特點(diǎn)： ：當(dāng)有人進(jìn)入其探測(cè)范圍則輸入高電平，人離開后延時(shí)輸出低 10 電平。 (可選）：光敏控制為可選功能 ,出廠時(shí)未安裝光敏電阻。 ： L不可重復(fù)， H 可重復(fù)?？商€選擇，默認(rèn)為 H。 重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)到紅外信號(hào)輸出高電平后，延時(shí)然后輸出低電平， 期間不探測(cè)紅外信號(hào) ： 即感應(yīng)到紅外信號(hào)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，繼續(xù)探測(cè)紅外信號(hào)，如果有人體在其探測(cè)范圍內(nèi)活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖健? (默認(rèn)設(shè)置： 秒 )：在封鎖時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何紅外信號(hào)?？蓱?yīng)用于間隔探測(cè)產(chǎn)品。也可以有效抑制外界頻繁的干擾。 ：默認(rèn)工作電壓 DC5V 至 20V ：靜態(tài)電流 65 微安，特別適合干電池供電的電器產(chǎn)品。 ：可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對(duì)接。 應(yīng)用范 圍：作為傳感器它能配合單片機(jī)、繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類家用、商用電器的開關(guān)控制，是一種高技術(shù)產(chǎn)品。在 安防產(chǎn)品、人體感應(yīng)玩具、人體感應(yīng)燈具、工業(yè)自動(dòng)化控制等方面都有應(yīng)用。 紅外模塊調(diào)整方案 HCSR501，經(jīng)測(cè)試靈敏度太高，故調(diào)整感應(yīng)距離至最低 3m， ，更改為效果更優(yōu)的可重復(fù)觸發(fā)方式：即探測(cè)到人信號(hào)后輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其探測(cè)范圍活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖健? 2s，確保單片機(jī)每次間歇接收紅外模塊信號(hào)都正確，使系統(tǒng)更加安全可靠。 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移．即一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度．因此作常適合單片機(jī)控制。近 30 年來．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展得益于數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和水磁材料的迅速發(fā)展，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)階段具有廣闊的前景。 11 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn) : 步進(jìn)電機(jī)的角位移與輸入信號(hào)數(shù)嚴(yán)格成正比，具有良好的跟隨型。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開源系統(tǒng)，非常簡(jiǎn)單、 廉價(jià)，又非?？煽俊? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。易于急停、正反轉(zhuǎn)及變速。 速度可在很寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。低速下仍能保證獲很大扭矩，因此，一般可以不用減速器可以直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行。它不能直接使用交流電源和直流電源。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和負(fù)載采取相應(yīng)的防干擾措施。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身的噪音和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)組成 步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖、功率放大器等組成的系統(tǒng)進(jìn)行控制，其方框圖如圖 3 所示： 圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制作用如下 : （ 1) 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制換相順序 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格安照步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這 — 過程稱為脈沖分配。三相六拍步進(jìn)電機(jī)工作方式通電換相的正序是 AABBBCCCA；反序?yàn)?ACACBCBAB；共有八個(gè)通電狀態(tài) P1口輸出控制信號(hào)， 0 表示繞子通電，表示繞子斷電，則可以用六個(gè)字來表示六個(gè)通電狀態(tài)。這六個(gè)字表示如表 1所示： 12 表 （ 2）通電狀態(tài) (C) (B) (A) 控制 （ 3) 控制電路如圖 4所示： 圖 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方案 步進(jìn)電機(jī)開關(guān)門過程分為 8 步，每步正向或者反向轉(zhuǎn) 360 度，每步完成之后都由單片機(jī)檢測(cè)紅外模塊信號(hào)，然后繼續(xù)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)一步，達(dá)到安全開關(guān)門的目的。 電路設(shè)計(jì)框圖及原理 平移式自動(dòng)門機(jī)組由以下部件組成： ：它是自動(dòng)門的中心處理器，檢測(cè)紅外模塊信號(hào)發(fā)出相應(yīng)指令，指揮步進(jìn)電機(jī)、 led指示燈，蜂鳴器等 工作。 A 1 1 0 06H AB 1 0 0 08H B 1 0 1 09H BC 0 0 1 01H C 0 1 1 03H CA 0 1 0 02H 13 ：負(fù)責(zé)探測(cè)外部紅外輻射，當(dāng)人進(jìn)入他的輻射范圍時(shí)，它就輸出高電平，由單片機(jī)接收。 ：提供開門與關(guān)門的主動(dòng)力，控制門轉(zhuǎn)動(dòng)固定角度。 ：多種閃爍方式提示自動(dòng)門的工作狀態(tài)。 ：開關(guān)門之前伴隨響聲，起警示作用 ：控制門手動(dòng)開和和關(guān)。 一次自動(dòng)化工作流程如下： 感應(yīng)探測(cè)器探測(cè)到 有人進(jìn)入時(shí)，熱釋電紅外模塊輸出高電平給單片機(jī)，單片機(jī)判斷后控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行開門，開完門之后單片機(jī)檢測(cè)紅外模塊信號(hào)，高電平則延時(shí)進(jìn)入等待狀態(tài)，低電平則進(jìn)入 3s的等待狀態(tài) ，等待狀態(tài)之后是即將關(guān)門的警告狀態(tài)，然后再檢測(cè)紅外模塊，高電平則繼續(xù)等待不關(guān)門，低電平則進(jìn)入關(guān)門狀態(tài)伴蜂鳴器響一聲，關(guān)門中途檢測(cè)紅外模塊若為高電平則立即反向開門，進(jìn)入開門之后的步驟循環(huán)運(yùn)行。 硬件電路如圖 5所示： 14 圖 15 程序設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)按以下思路展開研究： 一、智能化設(shè)計(jì) 設(shè)置兩個(gè)中斷按鈕實(shí)現(xiàn) 手動(dòng)開關(guān)門；設(shè)置 led 指示燈，空閑狀態(tài)、延時(shí)進(jìn)入等待狀態(tài)、等待狀態(tài) 、警示狀態(tài) 、門開關(guān)行程均有不同 led 燈顯示；開關(guān)門前的瞬間均有蜂鳴器提示音。 二、安全性設(shè)計(jì) 當(dāng)關(guān)門中途有人出現(xiàn)則反向開門，有人在則保持一直不關(guān)門；步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)分為 8步，很好的控制了門行程，防止過盈間隙問題。 三、穩(wěn)定性設(shè)計(jì) 自動(dòng)門采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，相對(duì)傳統(tǒng)交流伺服電機(jī)來說具有省電、高扭矩、低噪音、不過熱等優(yōu)點(diǎn)。 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖 16 伴隨開門提示音 伴隨關(guān)門提示音 計(jì)數(shù) i 延時(shí)進(jìn)入等待狀態(tài) 等待 狀態(tài) 0 紅外 空閑狀態(tài) 系統(tǒng)初始化 開機(jī) 紅外 1 0 開門（ 8步） 1 警示狀態(tài) 0 紅外 1 關(guān)門 1 步 i=8 i?8 0 紅外 1 反向開門 i 步 圖 17 主程序分析 include include define uchar unsigned char 子函數(shù)聲明 void delay(uchar i)。 //延遲函數(shù) void turnRight()。 //開門，一步 void turnLeft()。 //關(guān)門，一步 void init()。 //系統(tǒng)初始化函數(shù) void wait()。 //等待函數(shù)，等待行人走過 void beep()。 //喇叭響 單片機(jī)引腳聲明 sbit PH1 = P1^0。 sbit PH2 = P1^1。 sbit I01 = P1^2。 sbit I11 = P1^3。 sbit I02 = P1^4。 sbit I12 = P1^5。 sbit beepPort = P3^7。 sbit out = P2^0。 全局變量 uchar ledTable[] = {0x01,0x02,0x04,0x08,0x10,0x20,0x40,0x80}。 uchar flag=0。 //flag 為 0— 7之間的數(shù)，包括 0,7 主函數(shù)實(shí)現(xiàn)部分 void main() { EA = 0。 18 EX0 = 1。 IT0 = 0。 EX1 = 1。 IT1 = 0。 init()。 EA = 1。 while(1) { EX1 = 0。 while(out == 0) //無人，閃爍 { P0 = 0x01。 delay(50)。 P0 = 0x00。 delay(50)。 } EX1 = 1。 if(out == 1) { delay(1)。 if(out == 1) { //響，開門 for(flag =0。flag