【導(dǎo)讀】隨著電子科技的不斷發(fā)展,各種智能控制系統(tǒng)進(jìn)入人們的生活。制系統(tǒng)成為地鐵、超市等人流密集地疏導(dǎo)人流、控制出入的首選?，F(xiàn)入門授權(quán)的自動(dòng)識(shí)別控制和防擠壓等功能。5李學(xué)軍，如何用MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展串口進(jìn)行通訊[J]，寧夏機(jī)械，2021，外高速軌道客車電動(dòng)自動(dòng)門技術(shù)比較成熟,其產(chǎn)品通常是用可編程控制器和。該系統(tǒng)以8051作為控制核心，直流電機(jī)、紅外傳感。器、磁開關(guān)相結(jié)合的系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。具有一定的使用和參考價(jià)值。本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的地鐵自動(dòng)門，該系統(tǒng)以單片機(jī)為主體，直流電機(jī)、轉(zhuǎn)速測量為核心，實(shí)現(xiàn)地鐵門的自動(dòng)控制。通過單片機(jī)程序?qū)χ绷魉欧姍C(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，從而對(duì)門進(jìn)。行開、關(guān)的控制；直流電機(jī)采用H橋驅(qū)動(dòng)。

　　

【正文】 隨之改變。 調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持 t2 不變，只改變 tl，這樣使周期 T(或頻率 )也隨之改變。 定頻調(diào)寬法：這種方法是使周期 T(或頻率 )保持不變，而同時(shí)改變 t1 和 t2。 前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)將會(huì)引于控制脈沖的 頻 率 ，且考慮到程序設(shè)計(jì)的方便性問題，仍是用的第二種方法。目前，在直流電機(jī)的控制中，主要使用定頻 調(diào)寬法。 PWM 控制信號(hào)的產(chǎn)生方法有四種 ： 分立電子元件組成的 PWM 信號(hào)發(fā)生器：這種方法是用分立的邏輯電子元件組成 PWM 信號(hào)電路。他是最早期的方式?，F(xiàn)在已被淘汰了。 軟件模擬法：利用單片機(jī)的一個(gè) I/O 引腳，通過軟件不斷地輸出高低電平來實(shí)現(xiàn) PWM 波輸出。這種方法要占用 CPU 大量的時(shí)間，使單片機(jī)無法進(jìn)行其他的工作，因此現(xiàn)在用得也較少了。但是由于本設(shè)計(jì)的自動(dòng)門系統(tǒng)在輸出 PWM 信天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 三 章 自動(dòng)門系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 18 號(hào)時(shí)也就不需要作其他什 么動(dòng)作了，況且考慮到實(shí)驗(yàn)室的仿真器沒有專用的PWM 口，因而采用了這種方法。 專用 PWM 集成電路：從 PWM 控制投術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專用的 PWM 集成電路芯片，這些芯片除了有 PWM 信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。在單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)中，使用專用 PWM 集成電路可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，工作更可靠。 單片機(jī)的 PWM 口：新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括 PWM 功能。單片機(jī)通過初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出 PWM 脈沖波，只有在改變占空比時(shí)CPU 才進(jìn)行干涉。 直流電動(dòng)機(jī) 的 PWM 驅(qū)動(dòng)又分為可逆與不可逆、雙極性與單極性之分。本設(shè)計(jì)采用了單極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 系統(tǒng)，下面作一下詳細(xì)介紹。 單極性驅(qū)動(dòng)方式是指住一個(gè) PWM 周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的電樞制成收單極性的電壓。單極性驅(qū)動(dòng)也有 T 型和 H 型之分，以 H 型最多。 H 型又可以分為多種控制方式，此設(shè)計(jì)采用受限單極性驅(qū)動(dòng)方式和受限倍頻單極性驅(qū)動(dòng)方式。 首先單極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路如下圖 32 所示 。 圖 32 受限單極可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 電機(jī)止轉(zhuǎn)時(shí)，開關(guān)管 Ql 受 PWM 控制 信號(hào)的 控制，開 關(guān)管 Q2 施加高電半使其常開； 開關(guān)管 Q Q4 施加低電平，使它們?nèi)冀刂?。如圖 32 的狀態(tài)。 在要求電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，開關(guān)管 Q1 受 PWM 控制信號(hào)的控制，開關(guān)管 V2 施加高電平使其常開；開關(guān)管 Q Q2 施加低電平，使它們?nèi)冀刂埂? 當(dāng)要求電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在每個(gè) PWM 周期的 0tl 區(qū)間， Ql 導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè) PWM 周期的 tlt2 區(qū)間， Q1 截止，電流在自感電動(dòng)勢(shì)的作天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 三 章 自動(dòng)門系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 19 用下，經(jīng) Q2 和 D4 型重新流回路，如圖 31 的虛線 2 所示，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作在電動(dòng)狀態(tài)。 電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的電流波形如圖 33(a)所示。占空比比仍可按式 31 計(jì)算。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)， PWM 信號(hào)的占空比減小，使電樞兩端的平均電壓小于反電動(dòng)勢(shì)。在反電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但是由于 V2 處十截止?fàn)顟B(tài)，使耗能制動(dòng)電流通路受到限制，所謂“受限”因此而得名。 當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在 輕載 時(shí)，在每個(gè) PWM 周期的 tlt2 區(qū)間，當(dāng)續(xù)流電流衰減到零后，由于 V2 的截止使反電動(dòng)勢(shì)不能建立反向電流，電樞電流出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，如圖 33（ b)所示。 (a) 正轉(zhuǎn) （ b） 輕載 圖 33 受限單極可逆 PWM 電流波形 首先單極性驅(qū)動(dòng)方式在輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，這是這 種 方式不利的一面，可以通過提高開關(guān)頻率或改進(jìn)電路設(shè)計(jì)來克服； 但是由于能夠避免開關(guān)管直通，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以得以普遍使用。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)受限單 極性控制具體方法如下： 下圖 34 是用單片機(jī)控制受限單極性可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理圖。圖中單片機(jī)將 PWM 定向到 引腳，另外通過 引腳發(fā)出轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，規(guī)定其中高電平代表正轉(zhuǎn)，低電平代表反轉(zhuǎn)。從單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)先t I t Uo t Uo t Ui t Ui t I 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 三 章 自動(dòng)門系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 20 經(jīng)過 2 個(gè)與門和 l 個(gè)非門在各個(gè)開關(guān)管的柵極相連。 當(dāng)單片機(jī)要求正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī) 輸出高電平信號(hào)，該信號(hào)分成 3 路：第 1路接與門 Yl 的輸入端，使與門 Yl 的輸出由 PWM 決定 ，所以開關(guān)管 vl 柵極受PWM 控制。第 2 路直接與 開 關(guān)管 Q2 柵極相連，使 Q2 導(dǎo)通。第 3 路經(jīng)非門 Fl連接到與門 Y2 的輸入端，使與門 Y2 輸 出 為 0，這樣使 開 關(guān)管 Q4 截止。從非門Fl 輸出的另一路與開關(guān)管 Q3 的柵極相連，其低 電平 信號(hào) 也使 Q3 截止 . 同樣電動(dòng)機(jī)要求反轉(zhuǎn)，單片機(jī) 輸出低電平信號(hào)，經(jīng)過兩個(gè)與門和一個(gè)非門組成邏輯電路后，使開關(guān)管 Q4 受 PWM 信號(hào)的控制， Q3 導(dǎo)通， Q Q2 截止。 圖 34 單片機(jī)控制受限單極性可逆 PWM 系統(tǒng)原理圖 檢測模塊 檢測有無人進(jìn)出采用對(duì)射 主動(dòng)紅外探測器。限位開關(guān)則由磁開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。下面 介紹 一下具體實(shí)現(xiàn)方法及原理。 生活中的防范裝置有許多種，如能感應(yīng)人體或其他物品所發(fā)射的紅外線的被動(dòng)紅外傳感器、電子圍欄、對(duì)射紅外探測器等。其中以對(duì)射紅外探測器的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗装惭b、價(jià)格低、上市早，被廣大的消費(fèi)者所接受。 它由發(fā)射器和接收器兩部分組成。其中發(fā)射器發(fā)射出一定波長的紅外線，當(dāng)然人眼是看不到的但可以通過特定的裝置檢測到，也可以成像。平時(shí)狀態(tài)下由接收器接收，但如果發(fā)射器所發(fā)射的紅外線被物體擋住，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 本設(shè)計(jì)在自 動(dòng)門的門內(nèi)門外一定高度處各設(shè)置一個(gè)對(duì)射探測器。并由導(dǎo)向管套住發(fā)射管和接收管，確保所發(fā)出的光線是一束，而且不宜受其他光線的干擾。接收管的光線被阻擋時(shí)輸山高電平信號(hào)。兩接收器的輸 出 端接到一個(gè)或門上，再天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 三 章 自動(dòng)門系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 21 經(jīng)過一個(gè)非門接到 INT0 引腳。這樣不論是有人進(jìn)門或有人出門，都會(huì)有低電平信號(hào)輸入 INT0 端口，從而使單片機(jī)得到有人的信息，并調(diào)用相應(yīng)程序執(zhí)行相應(yīng)的開門動(dòng)作。其電路連接方式如下圖 8 所示。 限位開關(guān)分別設(shè)置在開門極限位置、關(guān)門極限位置、和一半處的位置。此開關(guān)是這樣種器件：半有磁鐵在其附近時(shí)，磁開關(guān)就被吸為關(guān)閉狀 態(tài)，輸出高電平。相反輸出低電平。 將兩小塊磁鐵分別置于門 的 右上角位置，則當(dāng)自動(dòng)門移到限位開關(guān)處時(shí)，此開關(guān)就會(huì)被吸合，發(fā)出高電平信號(hào)，分別輸出給 、 、 這三個(gè)引腳，單片機(jī)經(jīng)過查詢這三個(gè)引腳來判斷到那個(gè)限位開關(guān)，再執(zhí)行變速或停止的相應(yīng)動(dòng)作。限位開關(guān)的安裝方法如下圖 35 所示。 圖 35 檢測有無人進(jìn)出及限位開關(guān)模塊 轉(zhuǎn)速測量模塊 轉(zhuǎn)速測量的方法是用一個(gè)圓盤固定在電機(jī)軸上，圓盤上相同半徑的圓環(huán)上相隔 180 度的兩個(gè)位置鉆兩個(gè)小圓孔，用于透光。有紅外發(fā)光二極管從圓盤一側(cè)照射到 小孔上，紅外光透過小孔照射到圓盤那一側(cè)的光敏三極管上，于是光敏二極管發(fā)出脈沖。再經(jīng)過脈沖整形送入 T1 計(jì)數(shù) 。從而測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 常用的紅外發(fā)光二極管 (如 SE303PH303)，其外形和發(fā)光一極管 LED 相似，發(fā)出紅外光 (近紅外線約 ,um)。管壓降約 ，工作電流一般小于 20mA。為了適應(yīng)不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。 光敏三極管是具有放大能力的光 電轉(zhuǎn)換三極管，廣泛應(yīng)用于各種光控電路中。在無光照射時(shí)，光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，無電信號(hào)輸出。當(dāng)光信號(hào)照射其天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 三 章 自動(dòng)門系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 22 基極 (受光城口 )時(shí)， 光敏三極管將導(dǎo)通，從發(fā)射極或集電極輸出放大后的電信號(hào)。電路如下圖 36 所示： 圖 36 轉(zhuǎn)速測量模塊的電路設(shè)計(jì) 當(dāng)光敏三極管無 光照射時(shí)是截止的，所以輸出為高電平 5V，當(dāng)接受光照后導(dǎo)通，于是集電極輸出為低電平。形成一個(gè)窄的脈沖信號(hào)。 下面介紹一下脈沖整形的原理： ，一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 ，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。 RC 延時(shí)環(huán)節(jié)的作用，該暫態(tài)維持一段時(shí)間又回到原來的穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持 的時(shí)間取決于 RC 的參數(shù)值。 利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的 這些 特性可以實(shí)現(xiàn)脈沖整形 、 脈沖定時(shí) 、延時(shí) 等功能。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫穩(wěn)態(tài)通常都是靠 RC 電路的充放電過程來維持的。根據(jù)RC 電路的不同接法 (即接成微分電路形式或積分電路形式 )又把單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器分為微分型和積分型兩種。 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 如圖 37 所示。 圖 37 微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 當(dāng)觸發(fā)脈沖 V1 加到輸入端時(shí)，在 Rd 和 Cd 組成的微分電路輸出端得到很窄的正、負(fù)脈沖 Vd。當(dāng) Vd 上升到 Vth 以后，將引發(fā)以下的正反饋過程 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 三 章 自動(dòng)門系統(tǒng)的 硬件設(shè)計(jì) 23 接通電源 VDD不觸發(fā)時(shí)， U I＝ 0，而 U I 2＝ VDD＝ 1，所以 U O2＝ 0。故有自然穩(wěn)態(tài)： UO=0。這時(shí) U I， ＝ 0， U O1＝ 1≈VDD ，自然穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容 C 兩端均為 VDD ，C 中無電荷。 C 中無電荷，是穩(wěn)態(tài)的標(biāo)志。觸發(fā)時(shí)， UI＝ 1， UO1＝ 0，由于電容 C兩端的電壓在觸發(fā)瞬間不能突變，所以 UI2＝ 0，使 UO2＝ 1。故有暫態(tài)： UO=1。 接下來， C 充電，充電回路為：VDD→ R→ C→U O1 ，充電使 UI2上升 。當(dāng) UI2上升 到等于 G2門的閾值電平 VTH時(shí)， UO2突跳為 0，電路返回到自然穩(wěn)態(tài)： UO=0。 當(dāng) UO=0 時(shí)， UI， ＝ 0， UI＝ 0（因?yàn)橛|發(fā)高電平已經(jīng) 消逝），所以 UO1 從“ 0”突跳為“ 1”（即上升了 VDD）；由于電容 C 兩端的電壓瞬間不能突變，所以 UI2也應(yīng)該從 VTH突跳為 UI2＝ VTH＋ VDD；但實(shí)際上由于 G2門輸入端有鉗位二極管，所以 UI2實(shí)為UI2＝ VDD＋ 。 接下來， C 放電，放電回路為： UI2→V DD→U O1→ C→U I2 ，放電使 UI2下降 ，當(dāng) UI2下降 到等于 VDD時(shí)（此時(shí)， C 兩端均為 VDD， C 中無電荷），電路穩(wěn)定，保證 UO=0。 根據(jù)以上的分析，即可畫出電路中各點(diǎn)的電壓波形，如圖 38 所示。 由圖 37 可知， TW 等于 UI2 從 0 上升到 VTH所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。這里，電容 C的充電時(shí)間常數(shù) τ =RC，起始值 UI2（ 0+） =0，穩(wěn)定值 UI2（∞） =VDD，轉(zhuǎn)換值UI2（ TW） =VTH，帶入 RC 過渡過程計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算可得： RCTUU UUT WII IIW )()( )0()(ln 22 22 ??? ??? ?? 圖 38 電壓波形 天津工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文 第 四 章 軟件設(shè)計(jì) 24 第四章 軟件設(shè)計(jì) 整體程序流程圖 本設(shè)計(jì)程序以匯編 語言編寫， 因?yàn)閰R編語言 易于讀寫、易于調(diào)試和修改，同時(shí)匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快 。 本程序的設(shè)計(jì)主要由 PWM 信號(hào)發(fā)生程序、轉(zhuǎn)速測量模塊程序和檢測開關(guān)程序組成。整體程序流程圖 如下頁 圖 41 所示。 功能模塊設(shè)計(jì) 本軟件主要采用查詢的方法來實(shí)現(xiàn) .雖然中斷的方法要比查詢具有實(shí)時(shí)性并節(jié)約時(shí)間，但是基于本系統(tǒng)的要求，因?yàn)槿绻捎糜腥诉M(jìn)入 INT0 中斷服務(wù)程序的話，服服務(wù)程序很不容易判斷自動(dòng)門究竟出于哪一部分，要用哪種速度開門。查詢?nèi)绻O(shè)置的合適也是完全可以的。 PWM 信號(hào)發(fā)生程序設(shè)計(jì) PWM 信號(hào)就是脈沖寬度信號(hào)，一定時(shí)間的高電平和一定時(shí)間的低電平的循環(huán)即可形成 PWM 信號(hào)。于是本程序采用將 清 0 和置 l 的方法來實(shí)現(xiàn)。首先在程序開始初始化的時(shí)候?qū)? 清 0，調(diào)用 PWM 信號(hào)產(chǎn)生程序時(shí)，先將 置 1，然后經(jīng)定時(shí)程序延時(shí)一段時(shí)間后再將 清