基于单片机的商场自动门控制系统(1)

1、 XX大学 毕业设计说明书(论文）作 者:XX学 号：XX专 业:XX班 级: XX题 目:基于单片机的商场自动门控制系统指导者： XX 评阅者： 2013 年 5 月 毕业设计说明书（论文）摘要 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就越来越广，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，

2、将加快科学技术的发展。通过对“自动门单片机控制系统”的研究和设计，我精心撰写了微机控制自动门系统论文。本论文着重阐述了以单片机为主体，直流电机、转速测量为核心的系统。本设计主要应用AT89C51作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关结合的系统。充分发挥了单片机的性能。其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。 关键词 单片机 自动门 直流电机 红外传感器 转速测量 目录 第1章 绪论1 1.1 课题背景1 1.1.1 单片机的介绍和发展概况1 1.1.2 电机微机控制系统的应用和发展2 1.1.3 自动门的介绍2 1.2 课题研究的意义和目

3、的3 1.3 课题的功能概述4 1.4 课题研究的方案4第2章 系统硬件设计4 2.1 系统硬件总体逻辑设计4 2.2 AT89C51的内部结构及工作原理5 2.3 直流电机驱动模块9 2.4 检测有无人进出和纤维开关模块14 2.5 转速测量模块15第3章 系统软件设计17 3.1 功能模块设计17 3.1.1 PWM信号发生程序设计17 3.1.2 转速测量模块的程序设计18 3.1.3 检测开关程序设计19 3.2 整体程序设计流程图20第4章 系统调试21 4.1 总体调试21 4.2 软件调试21 4.3 硬件调试21第5章 结论22 5.1 硬件电路设计部分22 5.2 软件设计部

4、分22 5.3 总结23致谢24参考文献25附录A26源程序26protel整体电路图29第 31 页 共 35 页 专科毕业设计说明书（论文） 第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1 单片机的介绍和发展概况 什么是单片机?单片机有什么用?单片机又称单片微控制器或单片微型计算机,它自20世纪70年代问世以来，以其高的性能价格比受到人们的重视和欢迎。所以应用很广，发展很快。它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。它集成了微处理器（CPU）存储器（RAM、ROM、EPROM）和各种输入输出接口（定时器/计数器，并行I/O口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等），概括的

5、讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机根据其基本操作处理的位数可分为：1位、4位、8位、16位和32位单片机。单片机的发展历史可以分为四个阶段：第一阶段（1974年-1976年）单片机初级阶段。 可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成（如图1所示）。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算

6、机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。单片机的应用领域 ：1.单片机在智能仪器仪表中的应用； 2.单

7、片机在工业测控中的应用； 3.单片机在计算机网络和通讯技术中的应用； 4.单片机在日常生活及家电中的应用；5.单片机在办公自动化方面。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录相机、摄相机、全自动洗衣机，自动门的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机是

8、一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来实现的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！由于单片机对成本是敏感的，所以目前

9、占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。单片机的发展趋势将是向着大容量、高性能化，外围电

10、路内装化等方面发展。为满足不同的用户要求，各公司竞相推出能满足不同需要的产品。包括以下几个方面：（1） CPU的改进，是指采用双CPU结构，以提高处理能力；增加数据总线的宽度，指单片机内部都采用16位数据总线，其数据处理能力明显优于一般8位单片机；采用流水线结构，意思是指令以队列形式出现在CPU中，且具有很快的运算速度；串行总线结构，即用三条数据线代替现行的8位数据总线，从而大大的减少了单片机引线降低了单片机的成本。目前许多公司都在积极地开发此类产品。（2） 存储器的发展包括加大存储容量，片内EPROM采用PROM或闪烁(Flash)存储器。闪速存储器（Flash Memory）是一类非易失性

11、存储器NVM（Non-Volatile Memory）即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如DRAM、SRAM这类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。 Flash Memory集其它类非易失性存储器的特点：与EPROM相比较，闪速存储器具有明显的优势在系统电可擦除和可重复编程，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和/或编程操作）；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用于各个领域，包括嵌入式系统，如PC及外设、电信交换机、蜂窝电话、网络互联设备、仪器仪表和汽车器件，同时还包括新兴的语音、图像、数据存储类产

12、品，如数字相机、数字录音机和个人数字助理（PDA）。（3） 有程序的保密化，即对EPROM或EEPROM采用加锁方式。1.1.2 电机微机控制系统的应用和发展随着大规模及超大规模集成电路制造工艺的迅速发展，微型计算机的性能越来越高，价格也越来越便宜。此外电力电子技术的发展，使得大功率电子器件的性能迅速提高。因此就有可能比较普遍地应用微机来控制各类电机，完成各种新颖的、高性能的控制策略，是电机的各种潜在能力得到充分发挥，是电机的性能更符合使用要求，还可以制造出便于控制的新型电机，使电机出现新的面貌。比较简单的电机微机控制，例如在适当的时刻让电机启动、制动或反转之类，只要让微机控制继电器或电子开关

13、元件使电路开通或关断就可以了。在各种机床设备及生产流水线中，现在已普遍采用危机的可编程控制器，按一定的规律控制各类电机的动作。至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按给定的指令准确工作。通过微机控制，电机的性能有很大的提高。例如传统的直流电集合交流电机各有优缺点，直流电动机的调速性能好，但带有机械换向器，有机械磨损及换向火花等问题；交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单，工作也比直流电动机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便而又经济的调节。交流电动机采用正弦脉宽调制方式进行变频调速是比较理想的，但若要用普通的模拟

14、电路或数字电路完成这一任务，电路相当复杂，用微机控制就简单多了。若要进一步调速精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数字电路很难做到，而应用微机控制，则能方便的实现。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统，其中电动机都是由微机控制的。为了提高性能，在先进的数控交流伺服系统中，已采用高速数字信号处理芯片（Digital Signal Processor简称DSP），指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。复杂的电机微机控制主要用于以下两个方面：（1）发电机励磁系统的控制。用以保证正常工作时发电

15、机电压稳定，发生故障后尽可能保持稳定，达到优化控制的目的。（2）电动机调速及其位置伺服控制。用于鼓风机或水泵的调速节能、数控机床、微型计算机磁盘驱动器、机器人等控制系统。 在电机微机控制系统中，微机主要完成下列工作： (1) 实时控制。根据给定的要求及控制规律，对发电机的典雅，电动机的转速等物理量实现在线实时控制。 (2) 监控。完成事故报警、事故处理、系统诊断及管理等。（3）数据处理 完成必要的数据采集、分析处理、计算、显示、记录等。1.1.3 自动门的介绍自动门从理论上理解应该是门的概念与延伸，是门的功能根据人得需要所进行的发展和完善。自动门是指可以将人接近门的工作识别为开门信号的控制单元

16、，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20世纪以后。20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，世界第一品牌自动门多玛在1945年开发油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。到了1962年，电气式已开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。建筑物中利用电源开关进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制。但因能源利用率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，电气控制技术的成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。例如：各种可识别控制的自动专用门。如：感应自动

17、门（红外感应，微波感应，触摸感应，脚踏感应），刷卡自东门等。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，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。门大规模专业化生产开始于15年前，在不断发展和完善过程中，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。随着社会的发展，科学的进步以及人么生活水平的逐步提高，自动门开始进入人们的日常生活，成为宾馆、超市、银行等现代建筑所必备之物，是建筑智能化水平的重要指标之一。它具有美观大方、防风、防尘、降低噪音等的优点，同

18、时方便人们出入，也方便了管理，增强了安全。 自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门和自动折叠门等，其中自动平移门使用最为广泛，大家一般所说的自动门和感应门就是指自动平移门。 自动平移门最常见的结构形式是自动门机械驱动装置和门内外两侧红外线，当人走近自动门时，感应器感应到人的存在，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，在将门关闭。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 课题研究的意义和目的 毕业设计是获得专科毕业证书的必要的一环。毕业设计是课堂知

19、识转化为实践技术的手段，是理论结合实际、 提高综合能力的必经之路。同时毕业设计论文是对完成毕业设计的实现过程的总结，通过撰写论文我们可以学会分析，获得将技术上升到理论认识的能力。既然单片机的应用越来越广泛，而且我们所学的既是本学科，将来既有可能就是从事这方面的工作，为了让自己在走向工作岗位之前得到充分的锻炼，毕业设计必须认真完成。通过本次设计，复习并进一步掌握单片机的原理与应用及模拟数字电路的有关知识，复习汇编指令的应用，更深层地了解汇编言的思想，锻炼自己的实际操作及创新设计能力。培养我们综合运用有关的基础理论课、专业基础课和专业课的知识和技能去分析和解决实际应用问题的能力。对我们进行系统开发

20、基本能力的初步训练，使我们能掌握解决一个实际问题，开发一个软件的一般程序和基本方法。毕业设计和毕业论文是专科生培养方案中的重要环节。我们通过毕业论文，综合性地运用几年内所学知识去分析、解决一个问题，在作毕业论文的过程中，所学知识得到疏理和运用，它既是一次检阅，又是一次锻炼。使我们在作完毕业设计后，能够感到自己的实践动手、动笔能力得到了锻炼，增强了即将跨入社会去竞争、去创造的自信心。1.3 课题的功能概述本次设计的自动门单片机控制系统必须实现的功能主要有三个：（1） 无论门当前处于何状态，一旦有人进出门时，门必须打开。（2） 在门运行的时候为了同时考虑速度和安全问题，关门过程前一半快速，后一半慢

21、速；开门的过程是前一半快速后一半慢速。这样既可以保证有人来时立即开门没人时立即关门，又可以避免关门时两门相冲撞或开门时各个门的碰撞。（3） 由转速测量系统，当自动门遇到障碍电机速度变慢时，转为开门，以免使电流过大烧毁电机。1.4 课题研究的方案本设计采用AT89C51单片机为核心控制芯片；直流电机采用H桥驱动；单片机的一个引脚分别产生两种占空比不同的PWM（脉冲宽度调制）波形作为驱动信号，实现不同的转速和制动；另外由另一个引脚产生转向控制信号；在门的中间及两边位置设置磁开关，作为中断信号产生源，来判断电机是否应该转换速度或停止；有无人进出用红外线来探测，有人时则产生中断，执行开门动作；转速测量

22、采用在电机的转轴上设置一个带有相差180度且位于同一半径上的两小孔的圆盘，用红外线照射转动的圆孔，光透过小孔被光敏三极管接收，从而产生脉冲经整形电路后送到单片机内部定时计数测出频率。第2章 系统硬件设计 2.1 系统硬件总体逻辑设计 数字控制伺服系统的结构如下图1所示。它由计算机控制器、PWM功率驱动接口、传感器接口和电机本体四部分组成。计算机的作用是：完成位置信号的设置，根据传感器接口给出的绝对零位脉冲和电流反馈控制，产生PWM脉宽调制信号，最后由PWM功率开关接口对电动机进行最终的功率驱动。在这个系统中，由于反馈控制是通过软件实现的，故可以根据负载的性质改变系统的参数，求得最佳匹配。信号滤

23、波也可以通过软件实现，更有可能通过计算机补偿技术使传感器精度得以补偿提高。计算机控制在可靠性、小型化、联网群控制等方面的优点都是经典模拟伺服系统无法比拟的。计算机控制器(CPU,ROM, RAM,I/O,A/D)PWM功率接口电动机负载传感器接口（光电码盘）位置 电流反馈信号给定 正/负位置反馈脉冲 绝对零位脉冲图1 数字控制伺服系统2.2 AT89C51的内部结构及工作原理AT89C51是在8031的基础上，片内又集成有4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的AT89C51都是含有特殊用途的单片机。所以AT89C5

24、1适合于应用在程序已定，且批量大的单片机产品中。AT89C51是INTEL公司MCS-51系列单片机中最基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它继承和扩展了MCS-48单片机的体系结构和指令系统。AT89C51内置中央处理单元、128字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、2个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，AT89C51还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲

25、模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。AT89C51有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。主要功能特性： 标准MCS-51内核和指令系统 4kB内部ROM（外部可扩展至64kB） 32个可编程双向I/O口 128x8bit内部RAM(可扩充64kB外存) 2个16位可编程定时/计数器 时钟频率0-16MHz 5个中断源 5.0V工作电压 可编程全双工串行通信口 2层优先级中断结构 电源空闲和掉电模式 快速脉冲编程 2层程序加密位 PDIP和PLCC封装形式 兼容TTL和CMOS逻辑电

26、平引脚功能介绍：MCS-51是标准的40引脚，双列直插式集成电路芯片，引脚分布请参照单片机引脚图： 图2 AT89C51引脚图 P0.0P0.7 P0口8位双向口线（在引脚的3932号端子）。 P1.0P1.7 P1口8位双向口线（在引脚的18号端子）。 P2.0P2.7 P2口8位双向口线（在引脚的2128号端子）。 P3.0P3.7 P2口8位双向口线（在引脚的1017号端子）。这4个I/O口具有不完全相同的功能，P0口有三个功能：1.外部扩展存储器时，当作数据总线（如图1中的D0D7为数据总线接口）2、外部扩展存储器时，当作地址总线（如图1中的A0A7为地址总线接口）3、不扩展时，可做一

27、般的I/O使用，但内部没有上拉电阻，作为输入或输出时应在外部接上拉电阻。P1口只做I/O口使用：其内部有上拉电阻。P2口有两个功能：1、 扩展外部存储器时，当作地址总线使用2、 做一般I/O口使用，其内部有上拉电阻；P3口有两个功能：除了作为I/O使用外（其内部有上拉电阻），还有一些特殊功能，由特殊寄存器来设置，具体功能请参考我们后面的引脚说明。有内部EPROM的单片机芯片，为写入程序需提供专门的编程脉冲和编程电源，这些信号也是由信号引脚的形式提供的，即：编程脉冲：30脚（ALE/PROG）编程电压（25V）：31脚（EA/Vpp）。在介绍这四个I/O口时提到了一个“上拉电阻”那么上拉电阻又是

28、一个什么呢？他起什么作用呢？当作为输入时，上拉电阻将其电位拉高，若输入为低电平则可提供电流源；所以如果P0口如果作为输入时，处在高阻抗状态，只有外接一个上拉电阻才能有效。P0端口总线IO端口，双向，三态，数据地址分时复用，该端口除用于数据的输入输出外，在8031单片机外接程序存储器时，还分时地输出输入地址指令。由Po端口输出的信号无锁存，输入的信息有读端口引脚和读端口锁存器之分。单片机在对端口P0P3的输入操作上，有如下约定：为此，8031单片机在对端口P0-P3的输入操作上，有如下约定：凡属于读-修改-写方式的指令，从锁存器读入信号，其它指令则从端口引脚线上读入信号。P0端口是8031单片机

29、的总线口，分时出现数据D7D0、低8位地址A7AO，以及三态，用来接口存储器、外部电路与外部设备。P0端口是使用最广泛的IO端口。单片机复位后，各个端口已自动地被写入了1，此时，可直接作输入操作。如果在应用端口的过程中，已向P1P3端口线输出过0，则再要输入时，必须先Pl端口是803l单片机中唯一仅有的单功能IO端口，并且没有特定的专用功能，输出信号锁存在引脚上，故又称为通用静态口。P0端口能驱动8个LSTTL负载。如需增加负载能力，可在P0总线上增加总线驱动器。P1，P2，P3端口各自能驱动4个LSTTL负载。前边已经讲述，由于P0-P3端口已映射成特殊功能寄存器中的P0P3端口寄存器，所以

30、对这些端口寄存器的读写就实现了信息从相应端口的输入输出。例如：MOV A， P1 ；把Pl端口线上的信息输入到AMOV P1， A ；把A的内容由P1端口输出MOV P3， #0FFH ；使P3端口线各位置l写1后再读引脚，才能得到正确的信息。AT89C51和MCS51系列的单片机指令系统相同。概述如下：一个单片机所需执行指令的集合即为单片机的指令系统。单片机使用的机器语言、汇编语言及高级语言，但不管使用是何种语言，最终还是要“翻译”成为机器码，单片机才能执行之。现在有很多半导体厂商都推出了自己的单片机，单片机种类繁多，品种数不胜数，值得注意的是不同的单片机它们的指令系统不一定相同，或不完全相

31、同。但不管是使用机器语言、汇编语言还是高级语言都是使用指令编写程序的。所谓机器语言即指令的二进制编码，而汇编语言则是指令的表示符号 。在指令的表达式上也不会直接使用二进制机器码，最常用的是十六进制的形式。但单片机并不能直接执行汇编语言和高级语言，都必须通过汇编器“翻译”成为二进制机器码方能执行，但如果直接使用二进制来编写程序，那将十分不便，也很难记忆和识别，不易编写、难于辨读，极易出错，同时出错了也相当难查找。所以现在基本上都不会直接使用机器语言来编写单片机的程序。最好的办法就是使用易于阅读和辨认的指令符号来代替机器码，我们常称这些符号为助记符，用助记符的形式表示的单片机指令就是汇编语言，为便

32、于记忆和阅读，助记符号通常都使用易于理解的英文单词和拼音字母来表示。每种单片机都有自己独特的指令系统，那么指令系统是开发和生产厂商定义的，如要使用其单片机，用户就必须理解和遵循这些指令标准，要掌握某种（类）单片机，指令系统的学习是必须的。MCS-51共有111条指令，可分为5类：1.数据传送类指令（共29条）2.算数运算类指令（共24条）3.逻辑运算及移位类指令（共24条）4.控制转移类指令（共17条）5.布尔变量操作类指令（共17条）一些特殊符号的意义：Rn当前选中的寄存器区的8个工作寄存器R0R7（n=0-7）。Ri当前选中的寄存器区中可作为地址寄存器的两个寄存器R0和R1（i=0,1）d

33、irect内部数据存储单元的8位地址。包含0127(255)内部存储单元地址和特殊功能寄存地址。#data指令中的8位常数。#data16指令中的16位常数。addr16用于LCALL和LJMP指令中的16目的地地址，目的地址的空间为64kB程序存储器地址。rel8位带符号的偏移字节，用于所有的条件转移和SJMP等指令中，偏移字节对于下一条指令的第一个字节开始的-128+127范围内。间接寄存器寻址或基址寄存器的前缀。DPTR数据指针。bit内部RAM和特殊功能寄存器的直接寻址位。A累加器。B累加器B。用于乘法和除法指令中。C进位标志位。MCS-51的寻址方式：寻址的“地址”即为操作数所在单元

34、的地址，绝大部分指令执行时都需要用到操作数，那么到哪里去取得操作数呢？最易想到的就是告诉CPU操作数所在的地址单元，从那里可取得响应的操作数，这便是“寻址”之意。MCS-51的寻址方式很多，使用起来也相当方便，功能也很强大，灵活性强。这便是MCS-51指令系统“好用”的原因之一。下面我们分别讨论几种寻址方式的原理。1.直接寻址 指令中操作数直接以单元地址形式出现。例如：MOV A, 68H这条指令的意义是把内部RAM中的68H单元中的数据内容传送到累加器A中。值得注意的是直接寻址方式只能使用8位二进制地址，因此这种寻址方式仅限于内部RAM进行寻址。低128位单元在指令中直接以单元地址的形式给出

35、。对于特殊功能寄存器可以使用其直接地址进行访问，还可以以它们的符号形式给出，只是特殊功能寄存器只能用直接寻址方式访问，而无其它方法。2.寄存器寻址 寄存器寻址对选定的8个工作寄存器R0-R7进行操作，也就是操作数在寄存器中，因此指定了寄存器就得到了操作数，寄存器寻址的指令中以寄存器的符号来表示寄存器。例如： MOV A, R1这条指令的意义是把所用的工作寄存器组中的R3的内容送到累加器A中。值得一提的是工作状态寄存器的选择是通过程序状态字寄存器来控制的，在这条指令前，应通过PSW设定当前工作寄存器组。 3.寄存器间接寻址寄存器寻址方式，寄存器中存放的是操作数，而寄存器间接寻址方式，寄存器中存放

36、的则为操作数的地址，也即操作数是通过寄存器指向的地址单元得到的，这便是寄存器间接寻址名称的由来。例如指令： MOV A, R0这条指令的意义是R0寄存器指向地址单元中的内容送到累加器A中。假如R0=#56H，那么是将56H单元中的数据送到累加器A中。寄存器间接寻址方式可用于访问内部RAM或外部数据存储器。访问内部RAM或外部数据存储器的低256字节时，可通过R0和R1作为间接寄存器。然而有必要指出，内部RAM的高128字节地址与专用积存器的地址是重叠的，所以这种寻址方式不能用于访问特殊功能寄存器。外部数据存储器的空间为64kB，这时可采用DPTR作为间址寄存器进行访问。指令如下： MOVX A

37、, DPTR这条指令的意义是与上述类似，不再赘述。 4.立即寻址立即寻址就是把操作数直接在指令中给出，即操作数包含在指令中，指令操作码的后面紧跟着操作数，一般把指令中的操作数称为立即数，因此而得名。为了与直接寻址方式相区别，在立即数前加上“#”符号。例如： MOVX A, #0EH这条指令的意义是将0EH这个操作数送到累加器A中。 5.变址寻址变址寻址是以DPTR或PC作为基址寄存器，以累加器A作为变址寄存器，将两寄存器的内容相加形成16位地址形成操作数的实际地址。例如： MOVA,A+DPTRMOVXA,A+PCJMPA+DPTR 在这三条指令中，A作为偏移量寄存器，DPTR或PC作为变址寄

38、存器，A作为无符号数与DPTR或PC的内容相加，得到访问的实际地址。其中前两条是程序存储器读指令，后一条是无条件转移指令。6.位寻址在MCS-51单片机中，RAM中的20H2FH字节单元对应的位地址为00H7FH，特殊功能寄存器中的某些位也可进行为寻址，这些单元既可以采用字节方式访问它们，也可采用位寻址的方式访问它们。7.相对寻址相对寻址方式是为了程序的相对转移而设计的，其夜里是以PC的内容为基址，加上给出的偏移量作为转移地址，从而实现程序的转移。转移的目的地址可参见如下表达式：目的地址=转移指令地址+转移指令字节数+偏移量值得注意的是，偏移量是有正负号之分的，偏移量的取值范围是当前PC值的-

39、128+127之间。2.3 直流电机驱动模块 微处理器取代模拟电路作为电动机控制器有如下特点:（1） 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂。采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现。（2） 可以实现较复杂的控制微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。（3） 灵活性和适应性为控制器的控制方式是由软件完成的。如果必须要修改控制规律，一般不必改动硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。（4） 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点

40、漂移问题。无论被控制量的大小如何，都可以保证足够的控制精度。（5） 可提供人机界面，多机联网工作 因此现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。本设计即由单片机控制产生PWM信号，通过H桥驱动直流电机。 电机的驱动方法可以分为：可关断晶闸管的门极驱动、功率晶体管的驱动、和功率场效应管的驱动等。此次设计我采用的方法是由功率场效应管，来组成驱动电路。在此介绍一下功率场效应管（MOSFET）的性能和应用。功率场效应管（metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET），产生于20世纪70年代。功率场效应管有与可关断晶闸管、功率晶体管完全不

41、同的特点。首先，它不是那种由多数载流子和少数载流子共同导电的双极型器件。而是只有一种载流子导电的单极型器件；其次，它要求的栅极驱动电流很小，因此可以看成是电压控制型器件。由于具有这些特点，使得功率场效应管具有速度快、损耗低、驱动功率小、无二次击穿的优点，目前已得到越来越广泛的应用。功率场效应管有3个引脚：栅极G、源极S、漏极D。栅极G相当于晶体管的基极B，源极S相当于晶体管的发射极E，漏极D相当于晶体管的集电极C。根据载流子性质，功率场效应管可分为N沟道和P沟道两种类型，其符号如下图3所示（注意，目前符号还没有一个统一的标准，本符号取自于多数参考书中），箭头表示流子移动的方向。其中，N沟道型类

42、似于NPN型晶体管，栅源极间加正向电压时，MOSFE导通；P沟道型类似于PNP型晶体管，栅源极间加反向电压时，MOSFET导通。(a)N沟道型 (b)P沟道型图3MOSFET的符号接下来介绍一下PWM调速的原理:直流电动机是最早出现的电机，也是最早能实现调速的电机。长期以来直流电机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的现行调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电机的挑战，但到目前为止仍是大多数调速控制电动机的最优先选择。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机以及新型电力电子功率器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉

43、宽调制（pulse width modulation简称PWM）控制方式已成为绝对主流。这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。众所周知，直流电机转速n的表达式为：n=(U-IR)/K 式中，U-电枢端电压； I-电枢电流； R-电枢电路总电阻； -每极磁通量；K-电动机结构参数。现在，大多数应用场合都是用电枢控制法。下面介绍在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。当开关管导通时，电机两端有电压Us。PWM信号的周

44、期为T，其中高电平时间为t1，低电平时间为t2。当开关管截止时电机电枢两端的电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管动作重复前面的过程。这样，直流电动机电枢绕组两端的电压平均值UO为：UO=(t1Us+0)/(t1+t2)=t1/TUs=Us 式中，为占空比， =t1/T。占空比表示了在一个周期T里，开关管道通的时间与周期的比值。的变化范围为 01。由式可知，当电源电压Us不变的情况下，点数的端电压的平均值UO取决于占空比的大小，改变纸就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速的原理。在PWM调速时，占空比是一个重要参数。以下三种方法都可以改变占空比的值。(1)定

45、宽调频法：这种方法是保持t1不变，只改变t2，这样使周期T（或频率）也随之改变。(2)调宽调频法：这种方法是保持t2不变，只改变t1，这样使周期T（或频率）也随之改变。(3)定频调宽法：这种方法是使周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时将会引起振荡开因此这两种方法用得较少。但是由于本设计系统固有频率远高于控制脉冲的频率，且考虑到程序设计的方便性问题，仍是用得第二种方法。目前，在直流电机的控制中，主要使用定频调宽法。PWM控制信号的产生方法有四种:分立电子元件组成的PWM信号发生器：这种方法是用分立的逻辑

46、电子元件组成PWM信号电路。他是最早期的方式。现在已被淘汰了。软件模拟法：利用单片机的一个I/O引脚，通过软件不断地输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU大量的时间，使单片机无法进行其他的工作，因此现在用得也较少了。但是由于本设计的自动门系统在输出PWM信号时也就不需要作其他什么工作，况且考虑到实验室的仿真器没有专用的PWM口，因而采用了这种方法。专用PWM集成电路：从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作更

47、可靠。单片机的PWM口：新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干涉。直流电动机的PWM驱动又分为可逆与不可逆、双极性和单极性之分。本设计采用了单极性驱动可逆PWM系统，下面作一下详细介绍。单极性驱动方式是指在一个PWM周期内，电动机的电枢制成收单极性的电压。单极性驱动也有T型和H型之分，以H型最多。H型又可以分为多种控制方式，此设计采用受限单极性驱动方式和受限倍频单极性驱动方式。首先单极性驱动可逆PWM驱动系统的驱动电路如下图4所示图4 受限单极可逆PWM驱动系统 在要求电机正转时，开关管V1受PWM

48、控制信号控制，开关管V4施加高电平使其常开；开关管V2、V3施加低电平，使它们全都截止。如图4的状态。在要求电动机反转时，开关管V3受PWM控制信号的控制，开关管V2施加高电平使其常开；开关管V1、V4施加低电平，使它们全都截止。当要求电动机正转时，在每个PWM周期的0-t1区间，V1导通，电流沿图4所示虚线1流经电枢绕组，方向是从A到B，电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的t1-t2区间，V1截止，电流在自感电动势的作用下，经V4和D2型程序流回路，如图4的虚线2所示，电动机继续工作在电动状态。电动机正转时的电流波形如图5(a)所示。占空比仍可按式计算。当电动机制动时，PWM信号的占空比

49、减小，使电枢两端的平均电压小于反电动势。在反电动势的作用下，电流的路线应该是从A点出发，经V2、D4到B来产生制动转矩，如图4的虚线3；但是由于V2处于截止状态，使耗能制动电流通路受到限制，所谓“受限”因此而得名。当电动机工作在轻载时，在每个PWM周期的t1-t2区间，当续流电流沿图4虚线2流动并衰减到零后，由于V2的截止使反电动势不能建立反向电流，点数电流出现断流现象，如图5(b)所示。 图5 受限单极可逆PWM电流波形首先单极性驱动方式在轻载时会出现断流现象，这是之中方式不利的一面，可以通过提高开关频率或改进电路设计来克服；但是由于能够避免开关管直通，可以大大提高系统的可靠性，所以得以普遍

50、使用。单片机实现受限单极性控制具体方法如下：下图6是用单片机控制受限单极性可逆PWM驱动系统的原理图。图中单片机将PWM定向到P0.0引脚，另外通过P1.0引脚发出转向控制信号，规定其中高电平代表正转，低电平代表反转。从单片机输出的PWM信号和转向信号先经过2个与门和1个非门在于各个开关管的栅极相连。 当单片机要求正转时，单片机P1.0输出高电平信号，该信号分成3路：第1路接与门Y1的输入端，使与门Y1的输出由PWM决定，所以开关管V1栅极受PWM控制。第2路直接与开关管V4栅极相连，使V4导通。第3路经非门F1连接到与门Y2的输入端，使与门Y2输出为0，这样使开关管V3截止。从非门F1输出的

51、另一路与开关管V2的栅极相连，其低电平信号也使V2截止。同样电动机要求反转时，单片机P1.0输出低电平信号，经过2个与门和一个非门组成的逻辑电路后，使开关管V3受PWM信号的控制，V2导通，V1、V4全都截止。图6 单片机控制受限单极性可逆PWM系统原理图2.4 检测有无人进出和纤维开关模块检测有无人进出采用对射主动红外探测器。限位开关则由磁开关来实现。下面介绍一下具体实现方法及原理。生活中的防范装置有很多种，如能感应人体或其他物品所发射的红外线的被动红外传感器、电子围栏、对射红外探测器等。其中以对射红外探测器的应用最为广泛，因为它易安装、价格低、上市早，被广大的消费者所接受。它由发射器和接收

52、器两部分组成。其中发射器发射出一定波长的红外线，当然人眼是看不到的但可以通过特定的装置检测到，也可以成像。平时状态下由接收器接收，但如果发射器所发射的红外线被物体挡住，就会发出报警信号。本设计在自动门的门内门外一定高度处各设置一个对射探测器。并由导向管套住发射管和接收管，确保所发出的光线是一束，而且不宜受其他光线的干扰。接收管的光线被阻挡时输出高电平信号。两接收器的输出端接到一个或门上，再经过一个非门接到INT0引脚。这样不论是由人进门或有人出门，都会有低电平信号输入INT0端口，从而使单片机得到有人的信息，并调用相应程序执行相应的开门动作。其电路连接方式如下图7所示。限位开关分别设置在开门极

53、限位置、关门极限位置、和一半处的位置。此开关是这样一种器件：当有磁铁在其附近时，磁开关就被吸为关闭状态，输出高电平。相反输出低电平。将两小块磁铁分别置于门右上角位置，则当自动门一道纤维开关处时，此开关就会被吸合，发出高电平信号，分别输出给P0.4、P0.5、P0.6这三个引脚，单片机经过查询这三个引脚来判断到那个限位开关，再执行变速或停止的相应动作。限位开关的安装方法如下图7所示。图7 检测有无人进出及限位开关模块2.5 转速测量模块 转速测量的方法是用一个圆盘固定在电机轴上，圆盘上相同半径的圆环上相隔180度的两个位置钻两个小圆孔，用于透光。有红外发光二极管从圆盘一侧照射到小孔上，红外光透过

54、小孔照射到圆盘另一侧的光敏三极管上，于是光敏三极管发出脉冲。再经过脉冲整形送入T1计数。从而测得电机的转速。常用的红外发光二极管（如SE303PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光（近红外线约0.93m）。管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。光敏三极管是具有放大能力的光-电转换三极管，广泛应用于各种光控电路中。 在无光照射时，光敏三极管处于截止状态，无电信号输出。光当信号照射其基极（受光窗口）时，光敏三极管将导通，从发射极或集电极输出放大后的电信号。电路如下图8所示： 图8 转速测量模块的电路设计当光敏三极管无光照射时是截止的，所以输出为高电平5V，当接受光照后导通于是集电极输出变为低电平。形成一个窄的脉冲信号。下面再介绍一下脉冲整形的原理。 脉冲整形电路由单稳态触发器构成。但稳态触发器的工作特性具有如下的特点：第一， 它有稳态和暂稳态两种不同的工作状态；第二， 在外界触发脉冲的作用下，能从稳态翻转到暂稳态，在暂稳态维持一段时间以后，再自动返回稳态；第三， 暂稳态维持时间的长短取决于电路本身的参数，与触发脉冲的宽度和幅度无关。由