基于单片机的自动门开合控制系统设计毕业论文.docx
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基于单片机的自动门开合控制系统设计毕业论文
编号:
毕业设计说明书
课题基于单片机的自动门
开合控制系统设计
学院:
机电工程学院
专业:
机械电子工程
学生姓名:
学号:
指导教师单位:
机电工程学院
姓名:
黄用华
职称:
副教授(校聘)
题目类型:
☐理论研究☐实验研究☐工程设计☑工程技术研究☐软件开发
2013年6月2日
摘要
自动门是商场、银行、酒店、宾馆等自动化楼宇的常见配备,其基本的要求可以归结为智能、安全、可靠三个方面。
以此为背景,研制一种基于单片机的低成本自动门开合控制系统,引入红外传感器探测行人状况。
本文设计了基于单片机的自动门控制系统,该系统以51单片机为主体,直流电机、门禁系统为核心,实现自动门的自动控制,实现了办公化自动门在外部密码输入进入,内部红外感应自动开门,设有自动门常开,常闭选择。
通过单片机程序对直流伺服电机的正转、反转进行控制,从而对门进行开、关的控制;直流电机采用H桥驱动,充分发挥了单片机的性能。
其优点是电路简单,软件功能完善,控制系统可靠,性价比较高等,具有一定的使用和参考价值。
关键词:
AT89C51;BIS0001芯片;热释电红外线传感器;直流电动机;L298N芯片;密码锁
Abstract
Automaticdooriscommonequipmentofmarket,bank,hotel,etcautomaticbuilding,Itisbasicrequirementscanbesummedupinintelligence,safeandreliable.Asabackground,Developingacontrolsystemoflowcostautomaticopeningdoorbasedonsinglechipmicrocomputer,introducedtheinfraredsensortodetectthepedestrian,Inthispaper,wedesigncontrolsystemoftheautomaticdoorbasedonsinglechipmicrocomputer.Thesystemwith51single-chipcomputerasthemainbody,dcmotor,theentranceguardsystemasthecore,achieveautomaticcontrolofautomaticdoor,achievetoentertheautomaticdoorofofficeintheoutsidebypassword,Withintheinfraredinductionopenthedoorautomatically,Equippedwithautomaticdoornormallyopen,normallyclosed.
Throughsinglechipmicrocomputerprogram,controlcurrentservomotor'sforwardandinversion.thencontrolthedoorofopenandclosecurrentmotordrivenusesHbridge,givefullplaytotheperformanceofthemicrocontroller.Itsadvantageissimplecircuit,softwarefunctionisperfect,andreliablecontrolsystem,highcostperformance,hascertainuseandreferencevalue.
Keywords:
AT89C51;heatreleaseinfraredsensors,;BIS0001chip;steppingmotor;L298Nchip;Passwordlock
引言
随着全球经济的增长,科学技术的提高,人类对自动门的要求越来越高,机械制造控制产品出现在世界每个角落。
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。
中国早在十多年前就开始引用欧洲自动门,并把它应用在酒店、机场、购物中心、银行、写字楼等大中型公共场所,为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿彩。
自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸,是人们根据需要对门的功能的提升和完善。
所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。
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通行这两种要求。
因此门体本身应牢固、密封。
自动门的普及和应用,改变了人们的防护意识,提升了人们的安全观念。
自动门除可美化出入口环境外,还具有节能(空调)、防尘、隔绝嘈音等功能。
在本设计中,需要完成的设计要求分为三个部分:
1.红外装置的感应系统;2.电机装置的驱动系统;3.门禁系统。
主要实现的功能是实现自动门的输入密码的开门系统,在特殊情形下需要的门保持常开系统和常闭系统,还有就锁系统,也就是清除系统,在红外装置感应到人体信号时门能自动打开,电机要实现正反转。
1绪论
自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸,是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。
自动门是指:
可以将人接近门的动作(或将某种入门授权)识别为开门信号的,通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭,并对开启和关闭的过程实现控制的系统。
1.1自动门的发展历史
门和人类文明是孪生的,它伴随着人类文明的发展而跃动。
数千年来,门一直作为人类社会活动的守护神,拒侵入者于门外,而作为人类社会活动的航道,门又承载着文明,追寻着人们向往的光辉彼岸。
人类对文明的渴望是无穷尽的。
从古埃及到古罗马到今天的现代社会,都可以见到门迈动的足迹。
往昔,门的屏障作用是被动隔离,而通道作用仅仅是保证通行。
21世纪的今天,门更加突出了安全理念,强调了有效性:
有效地防范、通行、疏散,同时建筑艺术的新理念不断出现,强调了门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。
对门规模化系统化制造开始于100年前,在不断发展和完善的过程中,一些专业的生产商不断创新改进,使门的形式更加大丰富多样。
在门的发展中,西方的推动起到了很大的作用,使门的种类更加齐全、功能更加多样、造工更加细致。
1.2自动门的功能概述
自动门的是指根据使用要求而配备的,与相连的外围辅助控制装置,如开门信号源、门禁系统、安全装置等。
必须根据建筑物的使用特点。
通过人员的组成,楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。
1.2.1开门信号
自动门的开门信号是触点信号,微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源:
微波雷达是对物体的位移反应,因而反应速度快,适用于行走速度正常的人员通过的场所,它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后,雷达便不再反应,自动门就会关闭,对门机有一定的保护作用;
红外传感器对物体存在进行反应,不管人员移动与否,只要处于传感器的扫描范围内,它都会反应即传出触点信号。
缺点是红外传感器的反应速度较慢,适用于有行动迟缓的人员出入的场所。
另外,如果自动门接受触点信号时间过长,控制器会认为信号输入系统出现障碍。
而且自动平移门如果保持开启时间过长,也会对电气部件产生损害。
由于微波雷达和红外传感器并不了解接近自动门的人是否真要进门,所以有些场合更愿意使用按键开关。
按键开关可以是一个触点式的按钮,更方便的是所谓肘触开关。
肘触开关很耐用,特别是它可以用胳膊肘来操作。
避免了手的接触。
还有脚踏开关,功能一样,但对防水的要求较高,而且脚踏的力量很大,容易使脚踏开关失效。
还有一种带触点开关的拉手,当拉手被推(或在反方向拉)到位时,向门机提供触点信号。
1.2.2门禁系统与非公共区域的自动门
如果说对自动门的性能和质量要求最高的,是在使用频率极高的大型公共区域,那么自动门功能要求最高是对进出人员进行选择的非公共区域。
门禁系统是对入门授权的识别。
在识别或检测入门授权通过以后,向自动门的控制系统提供开门信号。
在提供开门信号之前,自动门必须处于锁门的状态。
门禁系统包括从最简单的钥匙开关,密码锁,磁卡锁,考勤统计系统。
一直到复杂的体重识别系统,等。
但无论系统怎样复杂,最终都是给自动门提供开门的触点信号。
信号电路的屏蔽对避免由于无关信号的干扰而误开门的情况发生非常重要。
1.2.3对自动门的要求就是解锁动作与开门动作之间的协调
应用于自动平移门的电子锁有锁皮带的电磁锁和锁门体吊挂件的电动锁,锁电机的三种。
后者用于重型自动平移门,自动平开门的电子锁有,电子插销锁和电子开门器,电子开门的作用力方向不影响门的开启动作,不易发生误操作。
还有一种带触点开关的机械锁,使锁与开关结合,锁不处于开锁状态,触点就不能接触,不可能发生误操作。
1.3本章小结
这章让我对自动门的背景和应用有了更具体细致的认识,对自动门设计的一些基本要求和功能有了深入的了解,对于我设计自动门的功能模块很有帮助,不会缺少一些重要的组件,让我的设计更加完整具体。
2系统硬件设计
2.1自动门设计基本思路和原理
本设计采用51单片机为主控芯片,结合外围电路,组成自动门电子密码控制系统,外面的用户想要进门,必先通过外部提供的键盘输入正确的密码才可以,密码输入错误有提示,里面的用户想要出门是由红外感应,门自动打开,这里还设计了自动门的常开状态,在键盘输入正确的密码,自动门就保持常开,在外部有一些东西需要搬运的时候可以让门保持常开。
相对应的有自动门的常闭状态,当出门以后需要锁门,只需输入密码,自动门就保持常闭,不论是常开还是常闭,只要键入取消密码就可恢复正常。
单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电路输出信号,据此产生直流电机控制信号,电动机带动门运行,当系统检测到控制方式发生改变时,系统进入相应的控制方式。
因此本系统主要由AT89C51单片机及其复位电路、晶振电路这个最小单片机外围电路和红外检测电路,门行程检测电路、电机控制电等部分组成。
即自动门控制系统的硬件组成如图2-1所示。
图2.1自动门控制系统自动框图
感应型的自动门多种多样,有旋转自动门、、平移自动门、折叠自动门等,其中以平移自动门为自动门主流,其基本结构主要有三大部分,即门体门框部分、驱动和传动部分、控制和传感器检测部分:
(1)门体门框:
门体门框的构成方法有两种,即平面构成法和立体构成法,我们需要根据实际的需求调整设计,在门体设计中应充分利用以上方法调整门体形状、门柱和花形。
避免门体整体审美效果失衡。
(2)驱动和传动部分:
自动门的驱动和传动部分由电动机和减速器或电动机和液压系统组成,按照控制装置的指令驱动装置设定的程序工作,带动门体开、关。
从驱动装置到门体的运动,中间要有传动机构,减速器是传动机构的一部分。
现在,减速器和电机大部分已连成一体,成为减速电机,这样会使设备简化,容易做到标准化、小型化。
除减速器外,还要根据具体需要设计传动机构。
传动机构可以是齿轮传动、链条传动,也可以是高效率的同步带川传动。
(3)控制和传感器检测部分:
是由一个微型计算机为主体的控制装置,它接受检测的信号,让驱动装置工作,完成门体的启闭。
现在用单片机作为控制器越来越普遍,主要是单片机价格相对便宜,程序的编写和控制。
传感器是自动检测人体或通过人工操作将检测信号传递到控制器的器件或装置。
普遍的有微波探测器,探测器,,电磁感应探测器。
我们可以根据需要自行选取。
2.2单片机和外围电路介绍
2.2.1AT89C51主要性能概述
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89S51是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案,AT89S51芯片引脚图如图2-2所示。
主要特性:
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程闪烁存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24Hz
·三级程序存储器锁定
·128*8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
图2.2AT89S51芯片引脚图
管脚说明:
下面按其引脚功能分为四部分叙述这40条引脚的功能。
(1)主电源引脚VSS和GND
VSS——(40脚)接+5V电源线。
GND——(20脚)接地引脚。
(2)外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚)接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,该放大器构成了片内振荡器。
当采用外部振荡器时,对HMOS单片机,此引脚应接地;对SHMOS单片机,此引脚作为驱动端。
XTAL2(18脚)接外晶体的另一端。
在单片机内部,接至上述振荡器的反相放大器的输出端。
采用外部振荡器时,对HMOS单片机,该引脚接外部振荡器的信号,即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端;对XHMOS,此引脚应悬浮。
(3)控制或与其它电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP
①RST/VPD(9脚)此引脚为符复位信号输入端,在此引脚上出现两个机器周期或以上的高电平将使单片机复位。
推荐在此引脚与电源引脚之间连接一个约10k的下拉电阻,与VSS引脚之间连接一个约20μF左右的电容,以保证复位的可靠性。
当主电源VSS发生故障而降低到规定低电平期间,此引脚可接上备用电源,以保证内部RAM的数据不丢失。
当VSS主电源下掉到低于规定的电平,而VPD在其规定的电压范围(5±0.5V)内,VPD就向内部RAM提供备用电源。
②ALE/PROG(30脚):
ALE端可以驱动(吸收或输出电流)8个LS型的TTL输入电路。
对于EPROM单片机(如8751),在EPROM编程期间,此引脚用于输入编程脉冲(PROG)。
当访问外部存贮器时,ALE(允许地址锁存)的输出位于锁存地址的低部分字节。
如果不进行访问外部存储器,ALE端仍然让正脉冲信号用相同的频率周期性地出现,此频率为振荡器频率的1/6。
所以,这能用作对外输出的时钟,或者作为定时器使用。
但是要关注的是,每次访问外部数据存储器时,都会跳过一个ALE脉冲。
③PSEN(29脚):
此引脚的作用是作为读选通信号选通外部程序存储器的。
指令从外部程序存储器读取期间,使PSEN在每个机器周期内两次有效。
但在此时间内,对外部数据存储器进行访问时,将不会出现这两次有效的PSEN信号。
PSEN同样可以驱动(吸收或输出)对8个LS型的TTL输入。
④EA/VPP(引脚):
当EA端在处于高电平时,对内部程序存储器进行访问,但在PS值超过0FFFH(对851/8751/80S51)或1FFFH时,将立即向外部程序存储器中程序进行读取执行。
当EA在低电平时,则只对外部程序存储器进行访问,不管内部程序存储器是否存在。
对于普遍的8031来说,没有内部存储器,所以EA脚须常接地,这样才能只选择外部程序存储器。
对于EPROM型的单片机(如8751),在EPROM编程期间,此引脚也用于施加21V的编程电源(VPP)。
(4)输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2、P3(共32根)
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。
P0口既可以作为地址、数据总线使用,也可以作为通用I/O口使用,当I/O口被地址/数据总线占用时,就不能使用I/O口了。
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口作为低八位地址接收。
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,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部或16位地址存储器进行存取时,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进行读写时,P2口输出其的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和。
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(ILL)这是由于上拉的缘故
使用第一功能时,是普通I/O口,功能和操作方法与P1口相同。
使用第二功能时,各引脚的定义如表所示。
值得强调的是,P3口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入输出或第二功能。
表2.1是对引脚的说明:
表2.1引脚定义表
P3.0
RXD(串行数据接收口)
P3.1
TXD(串行数据发送口)
P3.2
/INT0(外部中断0输入)
P3.3
/INT1(外部中断1输入)
P3.4
T0(计时器0计数输入)
P3.5
T1(计时器1计数输入)
P3.6
/WR(外部RAM写选通信号)
P3.7
/RD(外部RAM读选通信号)
2.2.2单片机时钟电路介绍
AT89C5常用的时钟有两种方式产生,一种是内部时钟方式,一种是外部时钟方式。
内部时钟方式如下图,AT89C51中有一个构成内部震荡器的高增益反向放大器,反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2,分别为引脚18和19。
电容C1和C2虽然没有非常严格的要求,但电容的大小会轻微影响震荡频率的高低、震荡工作的稳定性、起震的难易程序及温度稳定性,典型值通常选择为30pf左右。
本次设计采用内部震荡电路,电容采用30P,晶振的振荡频率在1.2MHZ-12MHZ之间。
下图2.3是内部时钟图:
图2.3内部时钟图
2.2.3单片机复位电路、电源电路介绍
外部复位引脚/RST提供了使用外部电路强制单片机进入复位状态的手段。
最常见的复位电路有上电复位和手动复位电路,能有效的实现复位。
在复位引脚/RST上加上一个低电平有效信号是单片机进入复位状态。
最好能提供一个外部上拉或者对引脚/RST的去耦电路以防止由于噪音而引起复位。
这里我们所采取手动复位电路形式如下图,其中RST引脚为复位信号输入端,复位信号为高电平有效,电阻R5采用10KΩ的阻值,电容采用电容值为10μF的电解电容。
复位电路图如图2.4所示:
图2.4复位电路图
电源电路设计
通过二极管指示灯显示电路是否接通或者正负极是否接对,电容C5、C6并联,可以保持两端电压的稳定。
电路设计原理图如图2.5所示:
图2.5电源电路设计图
2.3LED显示和键盘
2.3.1四位数码管LED介绍
LED(LightEmittingDiode)是发光二极管的缩写,LED显示器是由发光二极管构成的,俗称数码管。
LED显示器由七个发光二极管组成,称七段LED显示器,排列形状如图所示。
此外,显示器中还有一个圆点发光二极管(dp),用于显示小数点及其它符号。
另外,在使用数码管时必须增加限流电阻,以保护数码管。
LED显示器中的发光二极管共有两种连接方法:
(1)共阳极接法:
各发光二极管的阳极连接在一起,接到数码管的位控端(公共端),再接+5V;各发光二极管的阴极分别连接到数码管的段控端(a~g、dp)。
(2)共阴极接法:
各发光二极管的阴极连接在一起,接到数码管的位控端(公共端),再接地;各发光二极管的阳极分别连接到数码管的段控端(a~g、dp)。
为了显示数字或符号,要为LED显示器提供代码,由于这些代码是为显示字形的,因此称之为字形代码。
LED静态显示方式中,显示器都是独立的,而且确定了各位的显示字符,将锁存输出,直到另一个字符显示为止,其亮度较高。
缺点:
占有较多I/O口线及较多锁存器。
LED动态显示方式:
LED显示器各位数码管的所有段控端(a~dp)并联在一起,由一个8位I/O口控制,段选线多路复用,而各位数码管的共阳极或共阴极要由相应的I/O口线控制,实现各位的分时选通。
因为各位数码管的段选线并联,对各位数码管的来说段选码的输出都是相同的。
因此,同一时刻,如果选通各位的位选线的话,6位LED将显示相同的字符。
若需要各位数码管显示相应的显示字符,就需要使用扫描显示方式,就是在同一时刻,只选通某一位数码管的位选线,而关闭其它各位数码管的位选线,同时,显示相应的字符的字型码在段选线上输出上。
这样,在同一时刻,6位LED中只有选通的那一位数码管显示出字符,而其它都将熄灭数码管,如此循环下去,就可以使各位数码管显示出将要显示的字符。
特点:
硬件电路简化,但由于LED导通时间太短,亮度不足,应增加驱动器已提高驱动能力,而且显示位数控制在8位以内。
LED引脚图图2.6所示:
图2.6LED引脚图
为了提高门禁系统的密码显示效果能力。
本设计的显示部分由四位数码管作为数字显示器件。
开始显示器一直处于初始状态,只有按下键盘上的按键后,显示器才显示相应按键对应的数字和功能。
当需要对门禁系统进行开锁时,按下键盘上的开锁按键后利用键盘上的数字键0-9输入密码,每按下一个数字键后在显示器上显示一个数字,输入多少位就显示多少。
当密码输入完成时,按下确认键,如果输入的密码正确的话,LED显示“OPEn”,单片机其中对应引脚会输出低电平,驱动L298N芯片控制电机正反转,如果密码不正确,LED显示屏会显示“Errrr”,其中对应引脚会输出高电平,门不能被打开。
通过LED显示屏,可以清楚的判断出密码锁所处的状态。
其显示部分引脚接口如图2.7所示:
图2.7显示电路原理图
2.3.24*4矩阵键盘
本设计由于所用到的按键数量较多而不适合用独立按键式键盘。
使用的是矩阵式按键键盘,它由列线和行线组成,也叫做行列式键盘,按键处在行列方向的交叉点上,门禁系统的密码由键盘进行输入,与独立式键盘相比,要很多I/O口可以空余。
在这次设计中使用的这个4*4键盘既可以输入对应密码还可以用作特别功能键,比如清空显示功能等。
键盘的每个按键功能在程序设计中设置。
其大体功能(看键盘按键上的标记)及与单片机引脚接法如图2.8所示:
图2.8键盘输入原理图
在调试的过程中按键值需要在数码管上对应显示,图2.9是数值显示实物图:
图2.9数值显示实物图
2.4红外感应装置
2.4.1热释电红外传感器介绍
热释电红外线传感器主要是
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