毕业设计（论文）-基于单片机的感应自动门控制器的设计.doc

华北理工大学轻工学院 qinggong college, north china university of science and technology 毕毕业业设设计计说说明明书书 设计题目：基于单片机的感应自动门控制器的设计设计题目：基于单片机的感应自动门控制器的设计 学生姓名：学生姓名： 学学 号号： 专业班级：专业班级： 学学 部：信息科学与技术部部：信息科学与技术部 指导教师：指导教师： 2015 年 06 月 09 日 摘 要 -i- 摘 要 现如今自动化、信息化程度越来越高，单片机的应用领域也越来越广，成 为人们生活不可或缺的一部分。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。同时也标志着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。 本论文着重研究设计了以 89c52 单片机为主体，热释电型红外线传感器， 直流步进电动机等为核心的自动门控制系统。它充分发挥了单片机的性能，其 优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高，具有一定 的使用和参考价值。 关键词 自动门；单片机；步进电机；热释电型红外线传感器 abstract -ii- abstract nowadays automation, informationization level is higher and higher, mcu application field is becoming more and more widely, become an indispensable part of peoples life. with the development of the society, the progress of science and technology and the improving of peoples living standard, all kinds of convenience in life start into the automatic control system of peoples lives, with the single chip processor as the core of the automatic door system is one of them. also marks the automatic controlled field became a member of the digital age. its practicability is strong, the function is all ready, technology advanced, make people believe its the result of scientific and technological progress. it is more to understand people, the development of the digital era will change human life, will speed up the development of science and technology. this paper focuses on the design with 89c52 as the main body, pyroelectric infrared sensor, dc stepper motor as the core of automatic door control system, etc. it give full play to the performance of the microcontroller, the advantages of hardware circuit is simple, software function is perfect, reliable control system, the characteristics of high cost performance, has certain use and reference value. keywords automatic door; single chip microcomputer; stepping motor; pyroelectric infrared sensor 目 录 -iii- 目 录 摘 要.i abstractii 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 自动门在国内外的发展状况1 1.3 课题研究的意义和目的2 1.4 主要研究内容2 1.5 本章小结3 第 2 章 系统总体设计方案4 2.1 系统总体规划4 2.2 器件介绍4 2.2.1 89c52 单片机4 2.2.2 热释电型红外线传感器.8 2.2.3 步进电机.9 第 3 章 硬件设计11 3.1 基本单片机系统11 3.2 热释电红外检测电路12 3.4 控制电路13 第 4 章 软件设计14 4.1 整体顺序流程图14 4.2 功能模块程序15 4.2.1 定义变量及主程序.15 4.2.2 驱动子程序.16 4.2.3 延时程序.20 4.2.4 扫描程序.20 4.2.5 中断程序.22 第 5 章 仿真及调试23 5.1 仿真软件介绍23 5.2 软件调试24 5.3 硬件调试24 结 论27 参考文献28 谢 辞29 目 录 -iv- 附录一 电路图30 附录二 单片机程序31 第 1 章 绪论 -1- 第 1 章 绪论 随着社会的飞速发展，自动门逐渐进入我们的日常生活，成为许多宾馆、 超市等现代建筑的必备之物。它具有美观大方、节约空调能源、防风、防尘、 降低噪音等优点。 1.1 课题背景 21 世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效的防范通行、疏散， 同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑艺术的理念，强调门与建筑以及 周围环境整体的协调和谐。 自动门广泛应用于大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿态。 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们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1。由于中国没有相关的自动门国 家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐，因此最好选择一个由专业厂生产、 能提供较完善售后服务的自动门品牌。不要认为样本上全是外国语，资料也是 外国语的商品就是进口商品，其实这样是违反国家规定的。真正的知名品牌， 合法的商品不会这样做。 自动门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。 1.2 自动门在国内外的发展状况 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） 识别为开门信号的控制单元，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。 自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，美国 的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛 华北理工大学轻工学院 -2- 在 1945 年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。1962 年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在 增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、 空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展， 现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流2。 例如：各种用可识别控制的自动专用门，如：感应自动门(红外感应，微波感应， 触摸感应，脚踏感应)、刷卡自动门等。 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，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的 协调、和谐。门大规模专业化生产始于 150 年前，在不断发展和完善的过程中， 涌现出大批独具规模的专业制造商。门的高级形式-自动门起源在欧美，迅速 发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族3。 1.3 课题研究的意义和目的 随着电子科技的不断发展， 各种智能控制系统进入人们的生活。自动门控 制系统成为商场、超市等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。自动门能实 现入门授权的自动识别控制和防挤压等功能。 为了使商场自动门能够更好的为商场服务，得到一种电路简单，软件功能 完善，控制系统可靠，性价比较高的商场自动门系统，本文研究一种平移式自 动门控制系统， 实现了入门授权的识别控制和防挤压等功能。该系统以 80c52 作为控制核心，步进电机、红外传感器相结合的系统充分发挥了单片机的性能， 具有一定的使用和参考价值。 1.4 主要研究内容 本文着重研究设计了以 89c52 单片机为主体，热释电型红外线传感器，直 流步进电动机等为核心的自动门控制系统。 单片机以及自动控制相关知识。通过去图书馆查阅材料，阅读文献，利用 网络参考网络上的论文，并在此基础上利用单片机完成某商场自动门控制系统 的设计，首先进行自动门系统的方案设计 ，根据功能要求和控制要求设计出了 整体框图，然后设计了系统硬件系统，选出了单片机型号，步进电机，红外检 测电路，还有相应的软件系统，根据要求设计了整体流程图，和功能模块设计， 最后利用软件对自动门控制系统进行了仿真与分析。最终完成了基于单片机的 商场自动门控制系统设计。此系统要求具有如下功能：开门和关门控制应有手 第 1 章 绪论 -3- 动和自动方式；紧急停止；自动门在开门位置停留 3 秒后，自动进入关门过程。 1.5 本章小结 本章主要分析了自动门的发展历史及当前现状，总结了研究自动门的目的 及其意义，指出了本文研究设计的一些思路和基本架构。 华北理工大学轻工学院 -4- 第 2 章 系统总体设计方案 本章围绕系统的总体设计，介绍系统组成框图、主控芯片单片机的内部硬 件资源及其接口技术、整个自动门系统所用到的其它 ic 的介绍。 2.1 系统总体规划 本系统主要由单片机及其外围电路、红外检测电路、直流步进电机控制电 路等组成。正常工作时，单片机循环检测红外检测电路输出信号，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 统进入相应式。如门在控制关门过程中遇到人时门无条件朝相反方向打开。其 原理方框图如 2.1 所示。 图 2.1 原理方框图 2.2 器件介绍 本系统主要包括 89c52 单片机、热释电型红外传感器、直流步进电机等三 大主要器件。 2.2.1 89c52 单片机 单片机处理模块部分选用的芯片为 89c52rc，属于 89c51rc 系列。选用 stc 单片机的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用，硬件无需改动。 使产品更小，更轻，功耗更低4。用 stc 提供的专用工具可很容易的将 2 进制 代码、16 进制代码下载进 stc 相关的单片机。 stc89c52 单片机 单片机 红外检测电路 直流电机电路 电机驱动电路 第 2 章 系统总体设计方案 -5- 如图 2.2 为 89c52rc 的引脚图； 各引脚功能如表 2-1。 图 2.2 89c52rc 引脚图 表 2-1 89c52rc 引脚功能 管脚编号 管脚 lqfp44pdip40 plcc44 说明 p0.0 p0.737-3039-324336 p0:p0口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线使 用。当p0口作为输入/输出口时，p0是一个8位准双向口，上电复 位后处于开漏模式。p0口内部无上拉电阻，所以作i/o口必须外接 10k-4.7k的上拉电阻。当p0作为地址/数据复用总线使用时，是 低8位地址线a0a7，数据线的d0d7，此时无需外接上拉电 阻。 p 1.0标准i/o口 port 0 p 1.0/t2401 2 t2 定时器/计数器2的外部输入 p . 标准i/o口 port 1 p1. 1/t2ex4123 t2ex 定时器/计数器2捕捉/重装方式的触发控制 p 1.24234标准i/o口 port 2 p 1.34345标准i/o口 port 3 p 1.44456标准i/o口 port 4 p 1.5 167标准i/o口 port 5 p 1.6278标准i/o口 port 6 p 1.7389标准i/o口 port 7 p2.0 p2.7 18-2521 - 28 24-3 port2: p2口内部有上拉电阻，既可作为输入/输出口，也可作为高 8 位地址总线使用(a8 a 5)。当p2口作为输入/输出口时，p2是一 个8位准双向口。 p3.0标准i/o口 port30 p3.0/rxd5 10 11 rxd 串口1数据接收端 p3.1 标准i/o口 port31 p3.1 /txd7 11 3 txd 串口1数据发送端 p3.2标准i/o口 port32 p3.2/int08 12 14 int0 外部中断0,下降沿中断或低电平中断 p3.3标准i/o口 port33 p3.3/int 9 13 15 int 外部中断1,下降沿中断或低电平中断 p3.4标准i/o口 port34 p3.4/t0 1014 16 t0 定时器/计数器0的外部输入 p3.5标准i/o口 port35 p3.5/t 11 15 17 t1 定时器/计数器1的外部输入 续表 2-1 89c52rc 引脚功能 华北理工大学轻工学院 -6- p3.6标准i/o口 port36 p3.6/wr 12 16 18 wr# 外部数据存储器写脉冲 p3.7标准i/o口 port37 p3.7/rd131719 rd#外部数据存储器读脉冲 p4.0 1723p4.0标准i/o口 port40 p4.1 2834p4.1 标准i/o口 port41 p4.2标准i/o口 port42 p4.2/int3#391 int3#外部中断3，下降沿中断或低电平中断 p4.3标准i/o口 port43 p4.3/int2#6 12 int3#外部中断2，下降沿中断或低电平中断 p4.4标准i/o口 port44 p4.4/psen#262932 psen#外部程序存储器选通信号输出引脚 p4.5标准i/o口 port45 p4.5/ale273033 ale 地址锁存允许信号输出引脚/编程脉冲输入引脚 p4.6标准i/o口 port46 p4.6/ea#2931 35 ea#内外存储器选择引脚 rst49 10rst 复位脚 xtal1 15 1921 内部时钟电路反相放大器输入端，接外部晶振的一个引 脚。当直接使用外部时钟源时，此引脚是外部时钟源的输 入端。 xtal2 14 1820 内部时钟电路反相放大器的输出端，接外部晶振的另一 端。当直接使用外部时钟源时，此引脚可浮空，此时 xtal2实际将xtal1输入的时钟进行输出。 vcc384044电源正极 gnd 162022电源负极，接地 1 时钟电路 stc89c52 内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 rxd 和 txd 分别是此放大器的输入端和输出端5。时钟可以由内部方式产生或外部方 式产生。内部方式的时钟电路如图 2.3(a)所示，在 rxd 和 txd 引脚上外接定 时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成 的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在 1.212mhz 之间选择，电容值在 530pf 之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。 外部方式的时钟电路如图 2.3(b)所示，rxd 接地，txd 接外部振荡器。对 外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于 12mhz 的 方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟 p1 和 p2， 供单片机使用。 (a)内部方式时钟电路 (b)外部方式时钟电路 图 2.3 时钟电路 2 复位及复位电路 第 2 章 系统总体设计方案 -7- a 复位操作 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把 pc 初始化为 0000h，使单 片机从 0000h 单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程 序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重 新启动。 除 pc 之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表 2-2 所示。 表 2-2 一些寄存器的复位状态 寄存器复位状态寄存器复位状态 pc0000htcon00h acc00htl000h psw00hth000h sp07htl100h dptr0000hth100h p0-p3ffhscon00h ipxx000000bsbuf不定 ie0x000000bpcon0xxx0000b tmod00h b 复位信号及其产生 rst 引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持 续 24 个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为 6mhz 的晶振，则复位 信号持续时间应超过 4us 才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图 2.4 所示。 图 2.4 复位信号的电路逻辑图 整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(rst)送至 施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的 s5p2 时刻对施密特触发器 的输出进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。 华北理工大学轻工学院 -8- 复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图 2.5(a) 所示。这样，只要电源 vcc 的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位， 即接通电源就成了系统的复位初始化。 按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使 复位端经电阻与 vcc 电源接通而实现的，其电路如图 2.5(b)所示；而按键脉冲 复位则是利用 rc 微分电路产生的正脉冲来实现的。 其电路如图 2.5(c)所示。 (a)上电复位 (b)按键电平复位 (c)按键脉冲复位 图 2.5 复位电路 上述电路图中的电阻、电容参数适用于 6mhz 晶振，能保证复位信号高电 平持续时间大于 2 个机器周期。本系统的复位电路采用图 2.5（b）上电复位方 式。 2.2.2 热释电型红外线传感器 热释电型红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶 瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为 2*1mm 的探测元件。在每个探测器内装 入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温 度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电 压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出6。为了提高探测器的探测 灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用 透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光 学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大 70 分贝以上，这样就可以 测出 20 米范围内人的行动。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的 “盲区”和“高灵敏区” ，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时， 人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区” ，这样就使接收到 的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。 第 2 章 系统总体设计方案 -9- 人体辐射的红外线中心波长为 910um，而探测元件的波长灵敏度在 0.220um 范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口， 这个滤光片可通过光的波长范围为 710um，正好适合于人体红外辐射的探测， 而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人 体辐射的红外线传感器。被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10um 左右的 红外线而进行工作的。人体发射的 10um 左右的红外线通过菲涅尔滤光片增强 后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到 人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经 检测处理后就能产生信号7。 1d 脚 2s 脚 3g 脚 图 2.6 热释电红外传感器内部结构 图 2.6 是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。使用时 d 端接电 源正极，g 端接电源负极，s 端为信号输出。该传感器将两个极性相反、特性 一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。它利用 两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补 偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲 涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号8。 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料，它的探测波长范围 为 0.220m。为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度，该传感器在 窗口上加装了一块干涉滤波片。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射 通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。 2.2.3 步进电机 步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即 结一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度9。因此作常适合于单片机控制， 近 30 年来，数字技术、计算机技术和水磁材料的迅速发展推动步进电动机的发 华北理工大学轻工学院 -10- 展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 特点：特点： (1) 步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比具有良好的跟随型。以 由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可 靠。同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭外数控系统。 (2) 步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 (3) 速度可在相当宽的范围内平滑调节。低速下仍能保证获很大转矩，因 此，一般可以不用减速器而直接驱动负载。 (4) 步进电动机只能通过脉冲电源供电才能远行。它不能直接使用交流电 源和步进电源。 (5) 步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相 应的措施。 (6) 步进电动机自身的噪音和振动较大，带惯性负载的能力较差。 驱动控制系统的组成驱动控制系统的组成： 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方 框图如图 2.7 所示。 图 2.7 驱动控制系统图 步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电动机的单片机控制中， 控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下： 反应式步进电动机控制换相顺序：步进电动机的通电换相顺序严格安照步 进 电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这过程称为脉冲分配。三相六 步进电机工作方式通电换相的正序是 a-ab-b-bc-c-ca；反序 a-ca-c-bc-b- ab；共有八个通电状态10。 信号 分配 脉冲 信号 负载步进 电机 功率 放大 第 3 章 硬件设计 -11- 第 3 章 硬件设计 感应自动门的种类很多，在此，仅以平移型感应自动门机作为设计的重点。 首先，平移式自动门机组由以下部件组成： （1） 主控制器（单片机）：它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令 程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们 通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。 （2） 红外感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动 的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。 （3） 步进马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。 当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下： 红外感应探测器探测到有人进入时，将信号传给主控器，主控器判断后通 知电机运行。电机得到一定运行信号后做正向运行，将动力传给同步带，步带 转动一段时间后，马达反转，自动门关闭。 3.1 基本单片机系统 这是自动门系统的控制核心， 一般情况下以单片机片内的基本硬件资源为 主，有必要时再扩展部分外部器件。 图 3.1 单片机最小系统图 在本设计中需要完成的控制比较简单，以单片机片内的基本硬件资源完全 华北理工大学轻工学院 -12- 可以实现，因此不需扩展。其单片机电路图如图 3.1 所示。 3.2 热释电红外检测电路 这是自动门系统的检测核心。电路图如 3.2 所示。电路采用热释电红外传 感器及 biss0001 组成的检测系统。在图 3.2 中，采用红外传感器进行接收人体 红外信号，接收到的信号在经过 r7、c5 进行隔交（去除交流干扰） 、限幅，整 流输入到 biss0001 的 14 管脚，经 14，15 管脚一级放大后由 16 口输出。输出 信号由电阻 r11 和电容 c6 进行耦合，然后由 13 管脚输入，二级放大，由 12 管脚输出。再经双向鉴幅，状态控制器，从 2 端口输出。经过处理后由 2 管脚 输出。8，11 管脚接电源，7 管脚接地。10 管脚为运算放大器偏置电流设置端， 外接较大的电阻。3，4 管脚为延迟端口，由 rl6，c10 来完成延时。输出延迟 时间 tx 由外部的 r15 和 c11 的大小调整，值为 tx24576xr15c11；5、6 管 脚为封锁端口，由 r15，c11 组成，触发封锁时问 ti 由外部的 rl6 和 c10 的大 小调整，值为 t124xr16c10。9 端口为触发禁止端。当 vcvr 时允许触发，r9 为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制 时，若环境较明亮，r9 的电阻值会降低，使 9 脚的输入保持为低电平，从而封 锁触发信号 vs。1 管脚为可重复触发和不可重复触发选择端。swi 是工作方式 选择开关，当 sw1 与上端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当 sw1 与 下端连通时，芯片则处下不可重复触发工作方式。 图 3.2 热释电红外检测电路 3.3 步进电机电路 第 3 章 硬件设计 -13- 这是自动门系统的运动执行核心。电路采用五线四相步进电机和驱动芯片 uln2003a 组成。在图 3.3 中，采用 uln2003a 作为驱动芯片从而组成驱动电 路，并以此来驱动步进电机运转，驱动电路输出部分连接四个 led 灯来显示四 相的运行情况，以便直观的看出电路的输出是否出现问题，是否有缺相漏相的 情况，从而更加容易做出调整。电路图如图 3.3 所示。 图 3.3 步进电机电路 3.4 控制电路 这是自动门系统的人工控制核心。包括手动操作与自动执行的切换开关 s1，以及手动操作时的正转开门开关 s2 和反转关门开关 s3。电路图如图 3.4 所示。 图 3.4 人工控制电路 华北理工大学轻工学院 -14- 第 4 章 软件设计 本系统的软件设计面向硬件，选用 c 语言编程。最主要部分是单片机控制 电机转动(包括正转反转)和时间的延迟。 本设计考虑实际生活中的应用，需要有安全性和可靠性。根据实际生活中 对自动门的具体要求，本课题所设计的自动门应由以下功能： 1.为了便于维护，自动门应具有手动和自动方式。当信号采集装置检测到 有人接近门口且门未打开或者检测到已无人接近门口且门未关闭，单片机动作 输出信号开控制点动机正转或者反转来开门或者关门。 2.当自动门出现夹人现象时，可闭合紧急停止开关，自动门自动进入开门 过程。 4.1 整体顺序流程图 工作流程图如图 4.1 所示。 开始 初始化 信息采集 电机正传 开门 延时控制 电机反转 关门 有人 中途有人 无人 无人 图 4.1 主程序流程图 第 4 章 软件设计 -15- 4.2 功能模块程序 4.2.1 定义变量及主程序 #include sbit l=p10;/接受传感器信号 sbit s=p11;/手动、自动切换 sbit k=p12;/开门 sbit g=p13;/关门 bit flag; /运行标志位 bit flag1; /中断标志位 bit r;/正转 bit d;/反转 bit k1;/存储开门信号 bit g1;/存储关门信号 sbit led=p16; /指示灯 unsigned long beats = 0; void main() /主函数 tmod=0x01; th0=(65536-10000)/256; tl0=(65536-10000)%256; l=r=d=s=k=k1=g=g1=0; led=1; delay_1ms(2000); /延时,减少传感器误差; l=r=d=s=k=k1=g=g1=0; led=0; p2 |= 0x0f; l=1; flag=flag1=0; et0=1; tr0=1; while(1) k1=k; g1=g; 华北理工大学轻工学院 -16- led=0; scan(); led=0; 4.2.2 驱动子程序 正转子程序正转子程序 void qudong1(unsigned long angle)/正转程序 快速-慢速 unsigned char buf; unsigned char step = 0; unsigned char code run28 = 0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08 ; /步进电机节拍对应 正转 beats = (angle * 4076) / 360; /计算需要的节拍数，4096 拍对应一圈 while (beats-) if(beats509 /用 buf 暂存 p1 口的高 4 位，而低 4 位清零 buf |= run2step; /buf 低 4 位改为相应的节拍代码值 p2 = buf; /修改后完毕后的值送回到 p1 口 step+; /步进节拍递增 step /用“与”方式实现到 8 归零 delay(150); /延时 2ms，即 2ms 执行一拍 if(beats509 /用 buf 暂存 p1 口的高 4 位，而低 4 位清零 buf |= run1step; /buf 低 4 位改为相应的节拍代码值 p2 = buf; /修改后完毕后的值送回到 p1 口 step+; /步进节拍递增 step /用“与”方式实现到 8 归零 delay(150); /延时 2ms，即 2ms 执行一拍 if(beats509 /用 buf 暂存 p1 口的高 4 位，而低 4 位清零 buf |= run2step; /buf 低 4 位改为相应的节拍代码值 p2 = buf; /修改后完毕后的值送回到 p1 口 step+; /步进节拍递增 step /用“与”方式实现到 8 归零 delay(150); /延时 2ms，即 2ms 执行一拍 if(beats0;x-) for(y=110;y0;y-); 4.2.4 扫描程序 void scan() /扫描 l 函数 /自动 if(s=1 if(l=1 r=1; d=0; while(s=1 qudong1(270) ; /开门 led=0; delay_1ms(3000); r=0; d=1; if(l=0 ea=1; qudong2(270) ; /关门 ea=0; if(flag1=1) r=0; d=0; flag1=0; flag=0; led=0; if(s=0) /手动 r=0; d=0; flag1=0; flag=0; while(k1=1) led=1; qudong4(1) ; 华北理工大学轻工学院 -22- k1=k; while(g1=1) led=1; qudong5(1) ; g1=g; led=0; 4.2.5 中断程序 void t0_time() interrupt 1 th0=(65536-10000)/256; tl0=(65536-10000)%256; if(l=1 if(l=1) qudong3( beats); beats=0; led=0; delay_1ms(3000); flag1=0; 第 5 章 仿真及调试 -23- 第 5 章 仿真及调试 单片机应用系统的开发过程，一般都包括如下几个过程：首先设计硬件电 路，并在 altium designer 09 上仿真，仿真好了就完成硬件组装工作，然后进入 软件设计、调试和硬件调试阶段。 5.1 仿真软件介绍 altium designer 09 altium designer 09 是 protel dxp 的升级版，支持 windows7、windows vista。altium designer 09 的发布延续了连续不断的新特性和新技术的应用过程。 这必将帮助用户更轻松地创建下一代电子设计。同时，我们将令 altium designer 更符合电子设计师的要求。 altium designer 提供了唯一一款统一的应用方案，其综合电子产品一体化 开发所需的所有必须技术和功能。altium designer 在单一设计环境中集成板级 和 fpga 系统设计、基于 fpga 和分立处理器的嵌入式软件开发以及 pcb 版图 设计、编辑和制造。并集成了现代设计数据管理功能,使得 altium designer 成为 电子产品开发的完整解决方案：一个既满足当前，也满足未来开发需求的解决 方案。altium designer 的板级设计功能可完全定义并实现设计中的物理元素。 强大的规则驱动设计、版图和编辑环境可在直观高效的环境中完全控制设计中 的各个方面。 在 altiumdesigner09 中画出电路的原理图。接着根据原理图进行实物的制 作。在制作的过程中，事先根据元件的大小排版布局，以单片机为中心，从简 单.线路少的元件开始着手，围绕单片机把所有元件焊接完毕.最后，焊接完毕之 后需要检查调试。 keil c51 keil c51 是支持 8051 微控制器体系结构的 keil 开发工具，适合每个阶段的 开发人员，不管是专业的应用工程师，还是刚学习嵌入式软件开发的学生。 keil c51 目前由 arm 国内授权代理商提供技术支持和销售等相关服务。产业 标准的 keil c 编译器、宏汇编器、调试器、实时内核、单板计算机和仿真器， 支持所有的 251 系列微控制器，帮助你如期完成项目进度。 keil c51 开发工具旨在解决嵌入式软件开发商面临的复杂问题。 当你开始一个新项目，只需简单的从设备数据库选择使用的设备，uvision ide 将设置好所有的编译器、汇编器、链接器和存储器选项。 华北理工大学轻工学院 -24- 包含大量的例程，帮助你着手使用最流行的嵌入式 8051 设备。 keil uvision 调试器准确地模拟 8051 设备的片上外围设备 （ic、can、uart、spi、中断、i/o 端口、a/d 转换器、d/a 转换器和 pwm 模块） 。模拟帮助你了解硬件配置，避免在安装问题上浪费时间。 此外，使用 模拟器你可以在没有目标设备的情况下编写和测试应用程序。 当你准备在目标硬件上测试软件应用时，可以使用 mon51、mon390、nonadi、或者 flashmon51 目标监视器、isd51 in- system 调试器、ulink usb-jtag 适配器在目标系统上下载并测试程序代码。 5.2 软件调试 首先，并不是把编好的程序直接烧进单片机，而先用 keil c51 编译器进行 调试。在使用 keil c51 编译器时,对工程成功地进行编译（汇编） 、连接以后， 在主菜单中打开“调试”栏，点击“开始/停止调试模式” ，即可进入软件模拟 仿真调试状态，keil c51 内建了一个仿真 cpu 用来模拟执行程序，该仿真 cpu 功能非常强大，可以在没有硬件和仿真器的情况下进行程序的调试，但是在时 序上，软件模拟仿真是达不到硬件的时序的。进入调试状态后， “调试”栏菜单 项中原来不能用的命令现在已经可以使用了。调试程序看是否能仿真，如果运 行正常再将在 keil c51 编译器中调试好的程序烧写至单片机。 第一步调试是软件对所编程序的调试，看是否存在语法错误。一般来说这 一步很容易实现。但是刚开始进行调试时一下子出来了 10 处错误。后来发现我 将微机原理中的指令和单片机的指令搞混了。虽然有好多指令是通用的，但并 不完全一致。如微机中的 cmp 比较指令在单片机中不可用。还有点格式上的错 误就是在十六进制立即数的 a、b、c、d、e、f 前必须加上 0，不然系统不认 识。改过来之后顺利完成了这一步的调试。有些错误是因为敲程序时太快了， 记忆符都写错，一改正错误提示减少了很多。 第二步是将程序利用汇编软件 keil 对已经调试好的程序进行汇编在线调试， 变成可执行的目标代码装入。keil 中可以进行模拟仿真，对软件进行单步调试。 这可以让用户清晰的看到程序执行到何处，哪里出现错误。这一步主要看程序 是否有逻辑上的错误，语法没错远远不代表着软件调试成功。在必要的时候可 以设置端口状态和断点，并查看标志位和各寄存器的状态。如有逻辑错误，改 正之后，再重新回到开始调试，直至逻辑错误消除为止。硬件调试与软件调试 是不能完全分开的，许多硬件的错误是通过对软件的调试而发现和纠正的。 在进行单步执行时，定时程序在计数器溢出后就自动跳出，但在实际调试 过程中，它却一直在循环程序中，不往下执行。后来经过程序的改进，解决了 第 5 章 仿真及调试 -25- 此困难。我在软件调试的过程中发现我的程序比较复杂且逻辑不清晰，主要是 由于采用了中断的方法，在中断服务程序中每个程序都需要考虑很多情况，处 于半处限位开关的左侧怎么办，另一侧又应如何等。导致程序很长且逻辑混乱。 后来我重新编写了一个程序并换了一种思路，跟踪门的来回这一动作路线来编 程。这样可以清晰的知道门处于何位置，应调用何种速度。程序采用查询的方 法来实现有无人的检测和到没到限位开关的判断。这样，不但思路清晰了许多， 而且变短了不少。软件编程的一些图像如图 5.1 所示。 图 5.1 软件编程 5.3 硬件调试 首先，根据原理图进行实物的制作。在制作的过程中，事先根据元件的大 小排版布局，以单片机为中心，从简单.线路少的元件开始着手,围绕单片机把所 有元件焊接完毕.最后，焊接完毕之后需要检查调试。 首先通电观察电路板是否有异常，一般观察的是有无因接错产生短路而使 电路冒烟，发热过高而使电路发烫甚至烧毁电路。 如果出现异常现象，应立即 关断电源，待排除故障后再通电重新检测。在第一步检测完毕无异常后，再输 入信号，用万用表进行数据的检测。再与原始数据的对比,通过比较检查出出现 错误的部分，再进行修改调试，直到未发现漏洞。通过调试，确保硬件接线合 理安全，电路完整能够达到运行的标准。 在接上电源时，观察整体电路是否按照预计设计的运作，电机是否正转， 华北理工大学轻工学院 -26- 电机是否反转等。可根据电路的运行情况推测出程序出错的部分，修改程序后 再经过 keil c51 编译器调试后烧到单片机，反复检测直到能工作完全正常。 在调试的过程中，曾出现各种错误，包括硬件设备和软件程序。起初发现 电路焊接未焊接牢固，出现过因接线口松动而反应不灵敏的情况，后来又出现 了电源干扰的问题，想了很多办法，最后另加了一个驱动电路的电源才得到解 决。软件程序更是修改了无数次，不断多次的调试后,电路板终于工作正常了。 结 论 -27- 结 论 本次毕业设计断断续续经历了 2 个多月，我从中学到了许多。从最开始的 资料的收集，购买元器件，中间的电路板的焊接，程序的设计，到最好的调试 和再调试，这些都使我学到了很多知识。通过查找各种资料，我能更加熟练的 运用学过的信息检索方法，焊接电路培养了我的细心，调试过程挑战了我的坚 持能力，打磨了我的性格。这次经历不仅仅拓展了我的知识面，培养了动手能 力，还教会了我如何做好一件事。在毕业设计的过程中是理论结合实际，是对 学过的知识的巩固，更是对遇到各种困难的坚持。 虽然在这中间走过许多弯路， 遇到很多失败，但是最终迎接我的是成功，是胜利的微笑。这次毕业设计使我 受益匪浅。 本次设计为单片机的自动门控制系统，主要应用单片机 80c52 作为控制核 心，直流步进电机、热释电型红外传感器等相结合的系统。这个系统软硬件设 计简单，易于开发，严格控制各种元件的采购成本，所以价格低廉，安全可靠， 操作方便。 随着社会和经济的发展人民生活水平不断提高，人民生活方便，施工安全， 注重环保等将成为一个热门话题。自动门系列产品正是在某种程度上满足用户 需求，所以在未来的日子里，自动门产品将更加的普及，家家户户使用自动门 的景象将为时不远。 参 考 文 献 -28- 参考文献 1 于洋、葛斌、苏晓鹭.基于单片机技术的自动门智能控制系统j.计算机系统 应用，2008. 2 刘志刚，丁朋林，郝长海.自动门控