论文-已改[精选]

1、 导师：第1章 摘要随着世界科技的发展越来越快，自动门已经成为人们生活中不可或缺的一部分。自动门作为建筑物的出入设备不但美观而且方便了人们的生活，使人们更好的享受智能化自动化的福利。伴随科技不断的进步，自动门的自动控制系统得到了逐步的优化，也开始考虑使用者的感受，越来越人性化。本次我的论文主要对采用单片机为核心控制部件的新型自动门。新型自动门的控制系统是at98c51单片机为主控部件，以步进电机和红外传感器为辅助部件，再加上led灯等其他零件组合而成的自动门系统，红外传感器可以对进出自动门的人员所辐射出的热量进行检测，实现电路的通断，进而控制步进电机工作的智能化及安全性兼备，步进电机可以有效的

2、控制门的稳定开关。单片机作为主控部件，热释电式红外传感器，步进电机作为驱动部件，都显示出了本次设计对自动门安全性高，稳定性好的优点的体现。第1章 绪论1.1课题研究可行性当今社会飞速发展，科技化、信息化程度随之突飞猛进，单片机的应用领域也在不断扩大，这使得单片机成为人们生活中不能缺少的一部分。随着社会的转型、科技的快速发展以及人们生活的水平日新月异，各种对人类生产生活有着不可或缺的作用的自动控制系统逐渐和人们的生活融为一体，由单片机作为主控部件的自动门控制系统就是众多自动化器件的其中之一。同时这也标志着以单片机为首的自动控制系统成与数字化时代相辅相成，成为生活不可分割的一部分。单片机实用性极强

3、，可随意擦写功能，技术比前期成熟，这使人们感受到了科技进步的好处。它更让人类明白，一块微小的单片机将颠覆人类的生活，将促使科学研究朝着更加便利高效的方向进步。本论文着重讲解了以单片机为主控部件，以步进电机、红外传感器为辅助配件，及其他零件组成的自动门控制系统。1.2课题研究的意义和目的身处一个科技飞速发展的时代，科技的发展是大家有目共睹的，自动门自上世纪二十年代出现后就深得世界各地商场的喜爱，自动门应用了先进的红外传感技术，通过单片微型计算机进行可编程控制和对电机的速度控制系统的结合形成了一个相对封闭的门系统。自动门起源于上个世纪20年代，当自动门刚刚问世时只是用于防火和开关方便。随着科技的发

4、展，这一发明逐渐进入人们的生活，现在，酒店，宾馆，银行等大型建筑都配有自动门，这一发明不仅提高了建筑物档次，也使得人们的生活更加便捷。然而我国在自动门生产方面还不是很强大，现在的自动门主要生产国为处于欧洲美洲等地的发达国家和日本。要想打破我国在自动门这一方面薄弱的局面，首先就要让学生敢于动手制作，以此引导学生逐步发展这一环节，使学生了解自动门的原理和设计过程，这样才能使我国自动门产业逐步前进，不再总是受制于人1.3课题设计与要求不论是什么控制系统的研发，首先我们都要有一个明确的方向，明确本次设计的基本要求，首要目的就是分析需要完成的控制部件。感应自动门，顾名思义，就是用红外传感器探测门周围有没

5、有人，进而将信号传输至单片机控制器，由单片机的控制系统控制电机运行然后打开自动门。这是对自动门设计的最基本的要求，在之后的设计中还可以加入其他更人性化的功能，比如门开关的速度，门开关的时长等都应在考虑范围之内。设计中应考虑以下几个问题的实现：一、设计应力图智能化，有人接近时开门，无人时应关门，红外传感器检测到有人体红外信号时将发出信号启动电机，进而带动传动链打开自动门。二、门附近没有红外信号时应该有关门延迟，当红外传感器没有检测到红外信号时，应当延迟一秒发出关门指令，以防夹到货物等没有红外信号的物品。三、关门时突然有人进入，当步进电机正在执行关门行为时突然有人过来，此时传感器应立即传输信号至单

6、片机，控制步进电机作出相应的开门行为。第2章 系统总体方案设计及论证2.1设计的基本思路一、有人接近时开门，无人时应关门，红外传感器检测到有人体红外信号时将发出信号启动电机，进而带动传动链打开自动门。二、当红外传感器没有检测到红外信号时，应当延迟一秒发出关门指令，以防夹到货物等没有红外信号的物品。三、关门时突然有人进入，当步进电机正在执行关门行为时突然有人过来，此时传感器应立即传输信号至单片机，控制步进电机作出相应的开门行为。2.2系统控制的核心部件的选择自动门系统的核心就是利用单片机程序使步进电机带动机械部件实现自动开关门的功能。因为自动门多与人进行交互。所以在自动门系统设计过程中要注意自动

7、门的安全性，这就要求自动门在开关时要平稳，速度要合理，而且要运行可靠，如此对系统的数字控制要求就会很高。那么在众多的控制芯片中挑选合适的芯片就非常重要。在此，以plc、单片机和dsp进行横向对比。单片机在集成电路中应用较早，而且一直沿用至今，由于单片机的结构特殊，因此在一些领域中，单片机往往担任一些大型计算机和微型计算机无法胜任的工作，这里以at89c51为例，单片机主要有以下几个优点：单片机具有很高的性价比，单片机的高性能低价格是最大的优点，也是它在数控硬件中能屹立不倒的原因。单片机作为一种微处理器，它的集成度高，系统稳定，突出了单片机原件的可靠性，体积小的优势也使得单片机可以在要求整洁的地

8、方正常使用。单片机的各种功能都集成在一块很小的芯片上，得益于其应用的总线结构，单片机的抗干扰和可靠性也比同类更具优势。自动门控制系统经常在风吹日晒的环境中工作，那么单片机的体积小也能发挥相应的优势，可以在模拟电路不能工作的环境中照常工作。单片机有很强的控制功能。单片机虽然体积较小，但是五脏俱全，非常适合用于专门化控制，单片机的逻辑功能和处理速度均高于同档次的微型计算机。在大型用电设备中，单片机的低功耗低电压也是一个明显的优点。dsp是可编程的用于数字信号处理的微处理器，多用于自动控制，信号图像音频处理等方面，其具有较高的集成度，更快的cpu和容量更大的存储器，内置各种串口，乘法器，具有独立的程

9、序数据空间，通俗的讲，dsp也是一个单片机芯片，但是其快速并且计算功能强大时普通单片机所不能及的，虽然架构与单片机相似，但是内部更强的硬件运算器使得dsp处理问题更加高效。plc是可编程序控制器，采用可编程存储器，中央空调和交通系统中，plc可以说是封装的单片机，其内部构架也和单片机相仿，整体而言plc扩展了输入输出的驱动能力，比单片机多了三极管和继电器，plc在抗干扰方面也有更好的处理，所以plc在抗压方面更胜一筹，经常用于高压等环境恶劣的工作地点，plc更像是一种适用于专门场所的单片机，主要用于工业控制，同时也具备工业标准，进一步加强了单片机的可靠性，但是相应的，plc在运行速度上与dsp

10、有所差距。通过对三种硬件系统的比较，本次设计采用了单片机中性能相互对均衡的at98c51单片机，这种硬件更符合自动门需要的低成本，可靠和安全性的考虑。2.3电机的选择自动门系统需要相应的电机作为动力系统。想要做好自动门就要重视整体中最关键的执行工作部分，自动门开关是一种直线运动，所以要求电机性能稳定，而且必须兼顾高效性和安全性来做出选择，这里考虑直流无刷电机和步进电机两种器件。直流无刷电机作为一种高性能的电动机，主要由电机主体和驱动器构成，作为电机它最大的优势就是以自控式运行，相比之下步进电机需要另加启动绕组在这里就变得非常复杂，直流无刷电机即使出现负载突变也不会因此而发生震荡和失步的情况，而

11、且治理无刷电机没有机械接触结构。采用永磁体转子，这一部件使励磁的损耗这一属性不再被考虑，为了散热更加容易，发热的电驱绕组装置也稍有改动，被装在外面的定子上。步进电机的工作原理有所不同，步进电机的工作主要是将输入的脉冲信号进行转化，对电机的转速和停止进行有效控制，完成相应的动作，达到调速和制动的目的。外界负载大小对其工作没有直接影响。步进电机和直流无刷电机的区别有以下几点：步进电机比直流电机体积小，但寿命比直流电机长；直流电机需要反馈控制系统，会通过这种间接方式控制电机停止位置，而步进电机则主要通过单向脉冲电压驱动控制步进电机的直接进行，也省去了直流电机的霍尔元件定位这一步骤元件，但是要通过改变

12、控制方加向电机的脉冲数量的多少来决定旋转的角度，进而控制转速；由于驱动原理的大不相同，所以直流无刷电机的控制精度并不高，一般应用的方向也是精度要求不高的地方，而步进电机由于其过载性好，控制方便，整机结构简单，经常被应用在精度要求较高的工作场所。综上所述，考虑到本次设计要更为方便的控制自动门的行动，防止开关门出现问题，步进电机的逐步运行更具优势，而且步进电机在安全性，高效性方面也相对较为优秀，故本文研究的自动门采用步进电机。2.4传感器选取目前市场上被厂家用在自动门控制的传感器由微波传感器和红外传感器两大类组成。微波传感器性能强大，当出现物体时对物体反应速度非常快，即使是对移动的物体也能准确无误

13、的进行反馈，多用于有人通过的场所，这种传感器基于多普勒原理，目前主要依靠进口，产品可靠性很高。应用非接触探测，而且基本不会受到温度湿度影响。红外传感器是一种反应灵敏的传感器，当外界的红外线辐射源进入其探测半径内，红外传感器都会对其作出反应动作。应用在不同工作环境的自动门，都会根据自身特点和要求，来选择不同类型的传感器作为控制元件，传感器的性能高低直接影响到了自动门的安全性和稳定性应该根据不同的应用选取不同的传感器，在这里选用红外传感器，而红外传感器根据发出方式的不同，也分为两大类型，分别是主动红外传感器和被动红外传感器。主动红外传感器：这种红外传感器的技术类似与雷达的发射和接收，自身发射红外线

14、，通过接收端的是否接收到信号，来实现判断，随着技术的不断革新，该技术越来越成熟；但是这种传感器由于模式问题，只有在阻断红外线时才能下达指令，所以还是多用于报警系统。被动红外传感器：这种传感器通过名字就能了解到它的原理，通过接受特定波长的人或者动物自身发出的红外线发出相应的电平信号，当外界红外辐射被传感器采集到的时候，传感器中的热释电元件接收信号工作，当元件接收红外辐射发生温度变化达到一定程度时，会向外释放电荷，检测处理后如果判定通过会向主控部件发出高电平开门指令。由于这种传感器是以探测人体红外辐射为最初目的的，所以设计之初就使其对10微米左右的红外辐射十分敏感，为了达到更好的效果，内部还加装了

15、特殊滤光片，大大减少了环境因素的干扰。在被动红外传感器中有一种热释电式红外传感器，这种传感器利用了红外线携带热量的特点，通过主动吸收外界红外线，可以实现温度的变化，进而实现对外界是否有人员通过的检测，这种传感器的探测能力和反应速度都属于一般水平，但是值得一提的是，这种传感器可在室温下使用，不论波长长短灵敏度都不会发生变化，这凸显出这种传感器应用范围广的特点，特别是铁电体热释电传感器，这种类型传感器灵敏度格外的高，因此应用在各大领域中。综上所述，应用于自动门的红外传感器应能适应各种环境，应用范围广，且应有对生物的针对性，所以在此选用适应性高，灵敏度高的热释电红外传感器。2.5总体方案论证本设计用

16、at89c51单片机为主控制器，选用热释电式红外传感器作为人体红外检测器，由于热释电式红外传感器只会对人体红外做出反应，所以可以明显减少传感器误操作次数。驱动方面选用步进电机，因为步进电机接受脉冲信号，通过使用d/a转换器可以改变步进电机的方向，以固定的角度旋转，可以更好的控制自动门的开关速度，以达到自动门安全，高效，稳定的设计目的。大部分设备由单片机进行控制，也凸显了自动门设计的自动化。以上是总体方案的论证。第3章 硬件系统设计3.1 单片机介绍3.1.1 at89s51主要特性单片机是整个自动门控制系统最核心的部分，作为控制系统的平台，单片机的稳定性毋庸置疑，它还有着不弱于其他控制系统硬件

17、的可操作性，在这个设计中，单片机是重中之重。51单片机的指令系统十分完善，所以执行速度很快，它的基本组成部分构架就是一个完整的计算机。51单片机的特性如下：51系列单片机包括其子系列都是兼容的；配置了高性能的8位cpu。片内含4kb的isp(in-system programmable)的可反复擦写1000次的flash只读兼容标准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ispflash存储单元，具有32个外部双向输入/输出(i/o)口和低功耗，高性能的特点。因此在众多嵌入式控制应用系统中该系列的单片机得到普遍的使用。3.1.2 at89s51引脚说明在所有51

18、单片机的系列中，每一个plc单片机的引脚大都可以相互兼容，甚至不同名称的芯片引脚情况都是基本相同的，只是引脚功能在不同芯片中略有差异。at89s51型单片机引脚共有40个，分别为引脚2根，外接引脚2根，控制引脚4根以及4组8位i/o引脚32根。在仿真中地线和电源线不表示，采用40pin封装的双列直接pdip封装引脚介绍：可编程的输入输出引脚：p0口(pin39pin32引脚)一起被称为p0口，p0口在访问外部存储器时，p0口既是一个真正的双向数据总线口，又是从分时输出8位地址口。它包括一个输出锁存器，两个三态缓冲器，一个输出驱动电路和一个输出控制电路p1口（pin1pin8引脚）一起被称为p1

19、口，p1口是专门为用户使用的i/o口，是准双向口，p1口为8位准双向口，每一位均可单独定义为输入或输出口。在编程校验期间，用做输入低位字节地址。p1口可以驱动4个lsttl负载。p2口（pin21pin28引脚）一起被称为p2口，它是供系统扩展时输出高8位地址，当p2口被写1时，该引脚脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部电阻拉低，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。一

20、般是在皆有片外存储器或者扩展i/o接口，并且寻址范围超过256字节才会出现。p3口（pin10pin17引脚）称作p3口，这些接口不但可以作为准双向接口使用，而且每个位都有独一无二的第二个功能，p3口的输入输出及p3口锁存器、中断、定时/计数器、串行口和特殊功能寄存器有关，p3口的第一功能和p1口一样可作为输入输出端口，同样具有字节操作和位操作两种方式，在位操作模式下，每一位均可定义为输入或输出。控制线：ale/prog（30引脚）ale/prog-地址锁存允许信号，输出。当被用做片外存储器访问时，低字节地址锁存。ale以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用做对外输出的时钟或用于定时。在epro

21、m编程期间，作输入。输入编程脉冲。ale可以驱动8个lsttl负载；若是片内有eprom的机型，在编程时，该引脚作为编程脉冲prog输入端。psen(29引脚)psen-片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器取指期间，在每个机器周期中，当psen有效时，程序存储器的内容被送上p0口(数据总线)。psen可以驱动8个lsttl负载。若是在外部ram读取时，则psen脉冲会被跳过，两个脉冲都不会输出。rst/vpd31（引脚）rst-复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在rst上作用两个机器周期以上的高电平，将器件复位。所以上电时这个引脚的高电平必须保持10ms以上才能使复位

22、功能实现。ea/vpp（31引脚）此引脚作为片外存储器程序选用端。ea/vpp-片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。当该引脚输入的为高电平时或者0时，则plc选用片内程序存储器，当如果该引脚时输入低电平信号，则plc选用片外程序存储器。在编程时，其上施加12v的编程电压。主电源引脚：vcc（40引脚）与电源正端+5v连接，为plc提供电源vss（20引脚）与电源接地端+5v连接，为plc提供电源外接晶体引脚：xtal1、xtal2(19、18引脚)在振荡电路工作时，这两个引脚用作外接石英晶体和微调电容。xtal1作为振荡电路的信号输入端；xtal2作为振荡电路的信号的输出端。plc的片内振

23、荡器与外接的石英晶体或者微调电容共同组成振荡电路。3引脚具体方案xtal1和xtal2与外部晶振连接，作为自动门控制系统的计时器。rst是plc的复位按钮。p1口的口和步进电机相连接。 p2口的口连接发光二极管，共计个，作为自动门控制动作的指示信号，方便识别自动门的状态。 p2口的口与红外线传感器连接，对传感器的信号进行输入。3.2 红外热释电模块3.2.1 红外模块主控芯片介绍biss0001是一款非常基础的传感器主控芯片，这种芯片静态电流非常小，性能却很好，而且运行时非常稳定。被动式的热释电红外传感器由biss0001芯片与传感器的接收装置、作为波长过滤器的菲涅尔光学透镜和电容电阻等外接元

24、器件构成。它能高效并且快速地自动开启各类灯具、蜂鸣报警器、自动门装置、空调、烘干机和冲水系统等装置，这种检测的准确性和稳定性使得它很适合工厂、船舶、大型商场、重点的监控要道、或者是马路自动照明系统，节约电能，也提供更好的服务。亮点：采用最新的工艺，控制模式为数模控制，内部安装有高输入阻抗运算放大器，可以对外界的干扰进行有效的抑制，保证系统稳定。同时加设了时间延时的计时器和定时器。通过单片器的计时功能来对延时进行调整。biss0001一个集成电路，采用的数模混合模式。由运算放大器、电压比较器、状态控制器、和封锁时间定时器等共同组成该电路。不可重复触发工作方式介绍：、利用运算放大器对信号进行放大处

25、理，然后将信号输出。、在以及放大结束后再进行二次放大，将直流点位抬高，经过检测为有效触发信号后，再把该信号输出。、通过内部的运算调整，可以有效的避免外界干扰，提高设备的稳定性。、条件比较器可以对输入的电压进行比较，只有高于一定的值才能被系统认定为高电平进行输出，否则不能安高电平输出。、 在红外线辐射源存在期间，系统不会输出高电平，仍然输出低电平，则这个系统为不可重复触发式。可重复触发工作方式介绍：、可重复触发工作方式即在红外线存在期间，信号vs不可能触发低电平，输出低电平信号，会持续输出高电平。、在vc=1、a=1时，该系统被定义为可重复触发式，并可促使vo在t周期内一直保持信号的有效，在一定

26、时间，只要vs发生上变化，则会从延续到下一个延时周期。3红外模块特性技术参数：工作电压直流电压5-20伏静态状态下耗能65微安电平输出高，低0v延时时间可调节（3s18s)封锁时间默认秒 触发方式l不可重复，h可重复 检测半径传感器前方小于120度的锥形范围，3米以内都是在可调控的范围内工作环境温度-15+70主要功能和特点：自动感应：对进入侦测半径内的人员发出的红外线，则传感器就持续发出高电平信号到单片机，只有人员离开探测半斤才会发出低电平信号。两种触发工作方式：分别为不可重复触发模式l和可重复的触发模式h，两种模式在模块中均有设置，我们可以根据实际情况进行取舍连接选择。不可重复触发方式工作

27、期间，在接收到红外线源后，便会输出高电平，在延时结束后，不管是否存在红外线源，必须输出低电平，待低电平结束后才又会重新检测，输出高电平；可重读触发方式工作期间，若红外线源持续存在，则红外线传感器在延续时间结束后，继续进入下一个延时，持续输出高电平信号，直到红外线源消失后，才会在最后一个延时结束后，输出低电平到单片机，让单片机执行关门动作。具有感应延续时间，在感应延续时间内不再接收其他的红外信号，可以有效的避免外界其他热源对控制过程的干扰。工作电压范围广：工作电压在直流的5-20伏特之间。低功耗：低耗能，可以应用电池来实现电源的供给，减少了电路的连接。输出高电平信号：良好的兼容性，可以方便的与各

28、种电路连接。应用范围：红外传感器可以配合单片机等控制芯片对工厂、船舶、商场等自动化设备进行控制，在各种自动化系列的产品中都有广泛的应用，实现产品的人性化管理，人性化控制，为提高工作效率和生活品质有着很大的作用。3红外模块调整方案本次设计选用的是自动控制模块hc-sr501，这是一种基于红外线技术以biss001为部件主控芯片的模块，由于传感器灵敏度过高，探测范围过大，所以把传感器的对人探测距离更改到3m左右。本次购买的原件触发方式是可以通过物理方式调整的，在自动门的应用中不可重复触发的模式由于不会对长时间在传感器监测范围内的人做出检测，可能会对人造成不必要的意外伤害，所以为了自动门使用者的安全

29、起见，决定采用可以重复出发模式：传感器检测到人体发出的红外线，便发送一个高电平信号到单片机，红外传感器在设计时便设计了延时输出间隔，一般通常为几秒，如果有人一直处于红外传感器检测半径内，则一直输出高电平，直到人离开检测半径后完成最后一个延时后才输出低电平。3.3 步进电机3.3.1 步进电机主控芯片阐述uln2003是一种可以在大电压、大电流工作的复合晶体管。电路的基本要点：引脚1：cpu脉冲输入端。引脚2：cpu脉冲输入端。引脚3：cpu脉冲输入端。引脚4：cpu脉冲输入端。引脚5：cpu脉冲输入端。引脚6：cpu脉冲输入端。引脚7：cpu脉冲输入端。引脚8：接地。引脚9：本引脚是主控芯片的

30、内部续流二极管负极的共同终端，二极管的正极分别接在达林顿管的集电极上。引脚10：脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。引脚11：脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。引脚12：脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。引脚13：脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。引脚14：脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。引脚15：脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。引脚16：脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。3步进电机特点步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用特定的电子电路来将直流电变成多相序控制电流，而步进电机是能够很好的将电脉冲转化为成角位移执行机构当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电动机的特点: 步进电机的精度误差一般为步距角的3-5%，且不累积。步进电机外表允许的80-90温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，所以外表温度范围在80-90温度之间。步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度