毕业论文-基于单片机的地铁自动门设计

1、 毕业论文基于单片机的地铁自动门设计学生姓名： 学号： 系 部： 专 业： 指导教师： 二零一四年六月II目 录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc27768 第1章 绪论 PAGEREF _Toc27768 1 HYPERLINK l _Toc4275 1.1 课题背景 PAGEREF _Toc4275 1 HYPERLINK l _Toc25086 1.1.1 自动门的介绍 PAGEREF _Toc25086 1 HYPERLINK l _Toc16601 1.1.2 单片机的发展 PAGEREF _Toc16601 3 HYPERLINK l _Toc17920

2、1.1.3 电机自动控制系统的应用和发展 PAGEREF _Toc17920 4 HYPERLINK l _Toc17302 1.2 课题研究的意义和目的 PAGEREF _Toc17302 6 HYPERLINK l _Toc3361 第2章 自动门系统方案 PAGEREF _Toc3361 7 HYPERLINK l _Toc27976 2.1 设计思想和整体框图 PAGEREF _Toc27976 7 HYPERLINK l _Toc19306 2.2 器件选型 PAGEREF _Toc19306 8 HYPERLINK l _Toc22128 2.2.1 单片机的选取 PAGEREF

3、_Toc22128 8 HYPERLINK l _Toc8587 2.2.2 电机的选取 PAGEREF _Toc8587 10 HYPERLINK l _Toc9833 2.2.3传感器的选择 PAGEREF _Toc9833 13 HYPERLINK l _Toc9520 第3章 自动门系统的硬件设计 PAGEREF _Toc9520 15 HYPERLINK l _Toc229 3.1 系统硬件整体设计方案 PAGEREF _Toc229 15 HYPERLINK l _Toc9500 3.2 控制器单元的硬件设计 PAGEREF _Toc9500 15 HYPERLINK l _Toc

4、5161 3.2.1复位电路 PAGEREF _Toc5161 16 HYPERLINK l _Toc28379 3.2.2晶振电路 PAGEREF _Toc28379 16 HYPERLINK l _Toc30310 3.3 执行单元的方案设计 PAGEREF _Toc30310 16 HYPERLINK l _Toc11088 3.3.1步进电机 PAGEREF _Toc11088 17 HYPERLINK l _Toc12962 3.4 检测模块 PAGEREF _Toc12962 18 HYPERLINK l _Toc20587 3.5电机驱动模块 PAGEREF _Toc20587

5、19 HYPERLINK l _Toc22981 第4章 软件设计 PAGEREF _Toc22981 21 HYPERLINK l _Toc21649 4.1 整体程序设计思路 PAGEREF _Toc21649 21 HYPERLINK l _Toc18169 4.2 功能模块设计 PAGEREF _Toc18169 21 HYPERLINK l _Toc1159 4.2.1 步进电机驱动信号发生程序设计 PAGEREF _Toc1159 21 HYPERLINK l _Toc5623 第5章 设计仿真与分析 PAGEREF _Toc5623 26 HYPERLINK l _Toc1076

6、2 5.1 仿真软件概述 PAGEREF _Toc10762 26 HYPERLINK l _Toc24731 5.2 软件仿真 PAGEREF _Toc24731 28 HYPERLINK l _Toc16571 5.2.1红外传感器仿真 PAGEREF _Toc16571 28 HYPERLINK l _Toc16462 5.2.2电机驱动仿真示意图 PAGEREF _Toc16462 29 HYPERLINK l _Toc8042 5.3 总体分析 PAGEREF _Toc8042 29 HYPERLINK l _Toc28552 5.4 软件调试 PAGEREF _Toc28552 3

7、0 HYPERLINK l _Toc25099 5.5 硬件仿真 PAGEREF _Toc25099 31 HYPERLINK l _Toc8284 总 结 PAGEREF _Toc8284 32 HYPERLINK l _Toc10382 参考文献 PAGEREF _Toc10382 33 HYPERLINK l _Toc30845 附 录 PAGEREF _Toc30845 34 HYPERLINK l _Toc31057 附录一: Proteus整体电路图 PAGEREF _Toc31057 34 HYPERLINK l _Toc26207 附录二: 源程序 PAGEREF _Toc26

8、207 35 HYPERLINK l _Toc19522 附录三: 英文文献 PAGEREF _Toc19522 41 HYPERLINK l _Toc24671 中文翻译 PAGEREF _Toc24671 47 HYPERLINK l _Toc11244 致 谢 PAGEREF _Toc11244 51太原工业学院毕业设计 PAGE 53第1章 绪论现代社会是一个快速发展的信息化社会，随着科学技术的不断进步，人们不断去追求舒适，方便的生活环境。于是相应的电子产品产生，智能型自动门同样出现在人们的生活中。随着自动门的技术、性能日趋成熟、完善，它被广泛应用在政府机关、银行、医院、商业、工业等不

9、同行业，改善了人们的生产生活条件。自动门不但能给我们带来人员出入方便、节约空调能源、防风、防尘、防噪音等好处，更令我们的建筑物增添了不少高贵典雅的气息。1.1 课题背景1.1.1 自动门的介绍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。按启闭形式分：可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门；按门体的材料分：不锈钢门有安全玻璃、不锈钢饰面、建筑铝合金型材、彩色涂层钢板、木材等。自动门的系统配置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、门禁系统、安全装

10、置、集中控制等。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）开门信号 自动门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

11、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。 现在的楼宇自控有时会提出特殊的要求，例如使用电话的某一分线控制开门。要达到这个要求，只要保证信号是无源的触点信号即可。有些情况下，人们会提出天线遥控

12、的要求。用一个无线接受器与自动门进行触点式连接，再配一个无线发射器，就可以达到要求。不过，现在的无线电波源太多，容易导致偶然开门是一个麻烦的问题。 定时器可以自动控制门的状态，其原理是将时钟与特定的开关电路相连，可预设定时间将自动门处于自动开启或锁门状态。 （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。

13、（考勤统计系统）。一直到复杂的体重识别系统，指纹识别系统等。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。 （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磁门吸，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。 （4）集中控制 集中控制的概念，包括集中监视自动门

14、运行状态和集中操作多个自动门两层含义，集中监视自动门开门关门状态可以通过位置信号输出电路来实现，可以采用接触式开关，当门到达一定位置（如开启位置）时，触动开关而给出触点信号。也可以采用感应式信号发生装置，当感应器探测到门处于某一位置时发出信号。在中控室设置相应的指示灯，就可以显示自动门的状态，而集中操作通常指同时将多个门打开或锁住，这取决于自动门控制器上有无相应的接线端子。1.1.2 单片机的发展单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调

15、制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS-51系列单片机系统。基于这款51内核的单片机至今都使用极为广泛。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的

16、身影。它主要是作为控制部分的核心部件。 它是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。 单片机是靠程序运行的，是一种可编程的数字器件。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。 HYPERLINK /view/1012.htm 单片机的硬件特性：1、单片机集成度高。STC89C52RC单片机包括l了CPU、8KB容量的ROM、256 Bytes容量的RAM、 2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。 2、系统结构简单，使用方便，实现模块化。 3、单片机可靠性高，可工作到

17、106 107小时无故障。 4、处理功能强，速度较快。 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，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，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、医疗器械以及各种智能机械了。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。 综上所述，单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能

18、化管理及过程控制等领域。1.1.3 电机自动控制系统的应用和发展电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱、空调、DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这

19、类控制可通过继电器，可编程控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的

20、工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。目前，伺服技术正朝着交流化、数字化的方向迅速发展。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备种新颖的、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，还可以制造山便于控制纳新型电机，使电机山现新的而貌。比较简单的

21、电机微机控制，例如在适当的时候让电机启动、制动或反转之类，只要让微机控制继电器或电子开关元件使电路开通或关断就可以了：在各种机床设备及生广流水线中，现在已普遍采用微机的可编程控制器。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，使电机按指定的指令准确工作。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变流电机各有忧缺点，直流电动机的调速性能好。但带有机械按向器，有机械磨损及换向火化等问题；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

22、又经济的调节。交流电动机采用正弦脉宽调制方式进行变额调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数字电路完成这任务，电器相当复杂用微机控制就简单多了。若要进一步调节精度及动态性能，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根难做到，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

23、机微机控制主要用于以下两个方而：1、发电机励磁系统的控制。用以保证正常工作时发电机电压稳定，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。根据给定的要求驶控制规律，对发电机的电压，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、显不、记录等。1.2 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

24、统成为地铁、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。为了使地铁自动门能够更好的为地铁服务, 得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的地铁自动门系统，本文研究一种双翼对开式自动门控制系统, 实现了入门授权的识别控制和防挤压等功能。该系统以8051作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关相结合的系统。充分发挥了单片机的性能，具有一定的使用和参考价值。第2章 自动门系统方案2.1 设计思想和整体框图本设计主要应用单片机程序对步进电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。在门的内外两侧和中间各有一个感应器，分别感应从里面

25、出去和从外面进来的人以及停留在门口的人。感应装置探测到有人靠近时，将信号传给主控器单片机，主控器判断后控制电机运行，并通过安装在门上的磁感应装置检测门的开启状态。当门开到最大，而且此时没有人停留在门下的时候，控制器控制电机反转，使门关闭。步进电机采用单片机的IO口控制，通过ULN2803大功率达林顿管阵列驱动。检测人进出的传感器采用红外传感器。下图2-1是自动门系统整体框图。 单片机 单片机位置给定ULN2803驱动器步进电机 门传感器接口 红外传感器 霍尔传感器图2-1 自动门系统整体框图2.2 器件选型2.2.1 单片机的选取(1)STC89C52RC单片机简介STC89C52RC单片机是

26、宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。主要特性如下：1、增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.2、工作电压：5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机）工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz3、用户应用程序空间为8K字节4、片上集成512字节RAM5、通用I/O口（32个），复位后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时

27、，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。6、ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RXD/P3.0,TXD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片7、具有EEPROM功能8、具有看门狗功能9、共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T210、外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒11、通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART12、工作温度范围：-40+85（工业级）/075（商业级）13、PDIP封装（2）STC89C52RC单片机的工

28、作模式1、掉电模式：典型功耗0.1A,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序2、空闲模式：典型功耗2mA3、正常工作模式：典型功耗4Ma7mA4、掉电模式可由外部中断唤醒，适用于水表、气表等电池供电系统及便携设备STC单片机有两种时钟模式，一种是单倍速，也就是12时钟模式，在该模式下，STC单片机与其他公司51系列单片机具有相同的机器周期，即12个振荡周期为一个机器周期；另一种是双倍速，又称6时钟模式，在该模式下，STC单片机比其他公司的51单片机运行速度快一倍。STC89C52RC引脚如图2-2所示：图2-2 STC89C52RC引脚图(3)单片机选型依据8051单片机最早由Intel

29、公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛。其最大的特点就是简单易用，并且稳定可靠，成本较低。因此被广泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、计算机外围等领域。其具有算术运算功能较强，内部资源比较丰富，并且功耗低，体积小，技术成熟等优点。并且此型号单片机具备ISP（“in-system-program”,在系统编程）功能，无需购买昂贵的仿真器，只需一根串口线就可下载程序。基于此款单片机的诸多有点，结合本设计的具体需要，因此我在此设计中采用此款单片机。2.2.2 电机的选取（1）常用电机概述图2-3 直流、步进电机的

30、最简单模型a.直流电机 上图2-3（a）是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可 以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体ab 中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S

31、极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图所示。当电枢旋转180，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。 由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电动机电 枢线圈中流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基本工作

32、原理。实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成， 使电枢线圈所产生的总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也就比较均匀。b.步进电机 上图2-3（b）是一台步进电机的最简单模型。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合

33、式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。图2-4 反应式步进电机典型结构按照励磁方式分类，步进电机可分为反应式、永磁式和感应子式。其中反应式步进电机用的比较普遍，结构也较简单。本课题采用的也是此类电机。反应式步进电机又称为磁阻式步进电机，其典型结构如图2-4所示。这是一台四相电机，定子铁心由硅钢片

34、叠成，定子上有8个磁极，每个磁极上又各有5个均匀分布的矩形小齿。三相电机共有三套定子控制绕组，绕在径向相对的两个磁极上的一套绕组为一相。转子也是由叠片铁心构成，转子上没有绕组，而是由40个矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两齿之间的夹角为9度。下面简述其工作原理。当某相绕组通电时，对应的磁极就会产生磁场，并与转子形成磁路。若此时定子的小齿与转子的小齿没有对齐，则在磁场的作用下，转子转动一定的角度使转子齿与定子齿对应。由此可见，错齿是促使步进电机旋转的根本原因。例如，在单三拍运行方式中，当A相控制绕组通电，而B、C相都不通电时，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，所以转子齿与A相定子齿对齐。若以此

35、作为初始状态，设与A相磁极中心磁极的转子齿为0号齿，由于B相磁极与A相磁极相差120度,且120度/9度13.333不为整数，所以，此时13号转子齿不能与B相定子齿对齐，只是靠近B相磁极的中心线，与中心线相差3度。如果此时突然变为B相通电，而A、C相都不通电，则B相磁极迫使13号小齿与之对齐，整个转子就转动3度。此时称电机走了一步。同理，我们按照ABCA顺序通电一周，则转子转动9度。转速取决于各控制绕组通电和断电的频率（即输入脉冲频率），旋转方向取决于控制绕组轮流通电的顺序。如上述绕组通电顺序改为ACBA则电机转向相反。这种按ABCA方式运行的称为三相单三拍，“三相”是指步进电机具有三相定子绕

36、组，“单”是指每次只有一相绕组通电，“三拍”是指三次换接为一个循环。此外，三相步进电机还可以以三相双三拍和三相六拍方式运行。三相双三拍就是按ABBCCAAB方式供电。与单三拍运行时一样，每一循环也是换接3次，共有3种通电状态，不同的是每次换接都同时有两相绕组通电。三相六拍的供电方式是AABBBCCCAA每一循环换接六次，共有六种通电状态，有时只有一相绕组通电，有时有两相绕组通电。（2）电机选型的依据本设计中，自动门的开和关，都需要由电机带动。而且，要求电机能够精准运转并且速度高度、可控。基于此需求，我在设计中采用了步进电机。实现了门的精确开和闭，和门移动速度的自由控制。2.2.3传感器的选择(

37、1)常用人体感应传感器概述反射式红外传感器 反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量

38、原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号。 反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性

39、。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号。b.热释电红外传感器 HYPERLINK /search?word=热释电红外传感器&fr=qb_search_exp&ie=utf8热释电红外传感器和HYPERLINK /search?word=热电偶&fr=qb_search_exp&ie=utf8热电偶都是基于HYPERLINK /search?word=热电效应&fr=qb_search_exp&ie=utf8热电效应原理的热电型HYPERLINK /search?word=红外传感器&fr=qb_search_exp&ie=utf8红外传感器。不同

40、的是HYPERLINK /search?word=热释电红外传感器&fr=qb_search_exp&ie=utf8热释电红外传感器的热电系数远远高于HYPERLINK /search?word=热电偶&fr=qb_search_exp&ie=utf8热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁HYPERLINK /search?word=钛酸铅&fr=qb_search_exp&ie=utf8钛酸铅汞陶瓷以及HYPERLINK /search?word=钽酸锂&fr=qb_search_exp&ie=utf8钽酸锂、硫酸三甘铁等配合HYPERLINK /search?word=滤光镜&fr=qb_

41、search_exp&ie=utf8滤光镜片窗口组成，其HYPERLINK /search?word=极化&fr=qb_search_exp&ie=utf8极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 该HYPERLINK /search?word=传感器&fr=qb_search_exp&ie=utf8传感器在工艺上将两个特征一致的热电元HYPERLINK /search?word=反向串联&fr=qb_search_exp&ie=utf8反向串联或接成差HYPERLINK /search?word=动平衡&fr=qb_search_exp&ie=utf8动平衡电路方式，因而能

42、以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为HYPERLINK /search?word=电信号&fr=qb_search_exp&ie=utf8电信号输出。HYPERLINK /search?word=热释电&fr=qb_search_exp&ie=utf8热释电HYPERLINK /search?word=红外传感器&fr=qb_search_exp&ie=utf8红外传感器在结构上引入HYPERLINK /search?word=场效应管&fr=qb_search_exp&ie=utf8场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用 因而需要用电阻将

43、其转换为电压形式 该电阻阻抗HYPERLINK /search?word=高达&fr=qb_search_exp&ie=utf8高达104M，故引入的N沟道HYPERLINK /search?word=结型场效应管&fr=qb_search_exp&ie=utf8结型场效应管应接成共漏形式 即源极HYPERLINK /search?word=跟随器&fr=qb_search_exp&ie=utf8跟随器 来完成阻抗变换。HYPERLINK /search?word=热释电&fr=qb_search_exp&ie=utf8热释电HYPERLINK /search?word=红外传感器&fr=qb

44、_search_exp&ie=utf8红外传感器由传感探测元、HYPERLINK /search?word=干涉滤光片&fr=qb_search_exp&ie=utf8干涉滤光片和HYPERLINK /search?word=场效应管&fr=qb_search_exp&ie=utf8场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高HYPERLINK /search?word=热电材料&fr=qb_search_exp&ie=utf8热电材料制成一定厚度的薄片， 并在它的两面镀上HYPERLINK /search?word=金属电极&fr=qb_search_exp&ie=utf8金属电极，然后加电对其进

45、行HYPERLINK /search?word=极化&fr=qb_search_exp&ie=utf8极化，这样便制成了HYPERLINK /search?word=热释电&fr=qb_search_exp&ie=utf8热释电探测元。由于加HYPERLINK /search?word=电极化&fr=qb_search_exp&ie=utf8电极化的电压是有极性的，因此HYPERLINK /search?word=极化&fr=qb_search_exp&ie=utf8极化后的探测元也是有正、负极性的。 制造热释电红外探测元的高HYPERLINK /search?word=热电材料&fr=qb_

46、search_exp&ie=utf8热电材料是一种广谱材料，它的探测HYPERLINK /search?word=波长范围&fr=qb_search_exp&ie=utf8波长范围为0220m。为了对某一HYPERLINK /search?word=波长范围&fr=qb_search_exp&ie=utf8波长范围的HYPERLINK /search?word=红外辐射&fr=qb_search_exp&ie=utf8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HYPERLINK /search?word=波长范围&fr=qb_search_exp&ie

47、=utf8波长范围的HYPERLINK /search?word=红外辐射&fr=qb_search_exp&ie=utf8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。c.微波感应器 微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，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，雷达便不再反应，自动门就会关闭，有可能出现夹人现象。（2）传感器的选取依据 由于红外感应器，对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应。而热释电传感器由于价格较昂贵，灵敏度较低，因此排除在外。红外感应器的反应速度虽然比微

48、波感应器慢，但本系统首先要求的是安全，所以选用红外线传感器。第3章 自动门系统的硬件设计3.1 系统硬件整体设计方案 整套系统由控制单元、驱动单元、检测单元、执行单元和电源组成。控制单元主要为STC89C52RC单片机最小系统，作为整个系统的主控制器。驱动单元由大功率达林顿管阵列芯片ULN2803构成，用来提供步进电机转动所需要的驱动信号。检测单元由红外传感器、霍尔传感器和接触开关构成，用来感应人的进出、门的位置。执行单元为两个4相步进电机，作用为带动门移动，实现门的开和关。电源即为整个系统供电的装置，并有电源滤波、电源指示等功能。3.2 控制器单元的硬件设计单片机最小系统,或者称为最小应用系

49、统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说,最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路。控制器单元硬件电路图如图3-1所示： 图3-1 控制器最小系统3.2.1复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合电容电压不能突变的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的51单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位.一般教科书推荐C 取10u，R取8.2K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。3.2.2晶

50、振电路典型的晶振取11.0592MHz(因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率，用于有串口通讯的场合)/12MHz(产生精确的uS级时歇，方便定时操作)。晶振的作用是给单片机提供一个标准的时间信号，单片机的指令的执行，都是基于这个标准时间信号的。3.3 执行单元的方案设计执行单元主要由两个4相5线的步进电机、对开平动式的门和传动机构组成。执行部分设计有门框，在门框上固定有导轨，门通过导轨与门框相连，并能实现平滑移动。门上设计有平面齿条，它和电机主轴上的齿轮相啮合，能够随电机的转动而移动。3.3.1步进电机设计中采用的步进电机型号为28BYJ48，其外形如下图3-2所示：图3-2 2

51、8BYJ48型号的步进电机实物图28BYJ48电机的机械特性如图3-3所示：图3-3 28BYJ48电机的机械特性28BYJ48电机的电气特性为：1、额定电压：5V DC(另有电压：5V、6V、24V) 2、相数：4 3、减速比：1/64(另有减速比：1/16、1/32) 4、步距角：5.625/64 5、驱动方式：4相8拍 6、直流电阻：2007%(25)7、空载牵入频率：600Hz 8、空载牵出频率：1000Hz 9、牵入转矩：34.3mN.m(120Hz) 10、自定位转矩：34.3mN.m 11、绝缘电阻：10M(500V) 12、绝缘介电强度：600VAC/1mA/1S 13、绝缘等

52、级：A 14、温升：50K(120Hz) 15、噪音：40dB(120Hz) 16、重量：大约40g 17、未注公差按：GB1804-m3.4 检测模块 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许多种，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

53、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山高电平信号。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。这样不论是有人进门或有人出门，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。 限位开关分别设置在开门极限位置、关门极限位置、和一半处的位置。此开关是这样种器件：半有磁铁在其附近时，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的右上

54、角位置，则当自动门移到限位开关处时，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3-4所示： 图3-4 检测有无人进出及限位开关模块3.5电机驱动模块电机驱动模块采用的是大功率达林顿管阵列芯片ULN2803，此芯片的主要特点为驱动性能好，效率高，能同时输出8路信号，内部具有反向电压保护等优点。其外形及内部电路如图3-5所示： 图3-5 芯片ULN2803的外形及内部电路ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封装方式。八路NPN达林顿连接晶体

55、管阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路（诸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和较高的电流/电压要求之间的接口，广泛应用于计算机，工业用和消费类产品中的灯、继电器、打印锤或其它类似负载中。所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管，用于抑制跃变。ULN2803的设计与标准TTL系列兼容，而ULN2804 最适于6至15伏高电平CMOS或PMOS。 ULN2803主要特点：1、达林顿管驱动器2、包含8个NPN达林顿管3、高耐压，大电流4、器件编号:ULN28035、封装类型:AP=DIP18,AFW=SOL186、无铅/RoHS认证7、输出击穿电压: 50(V)8、输出电流: 500(mA)

56、9、输入电阻 :2.7k()10、推荐输入电压:5(V)11、温度范围:-40+85驱动芯片ULN2803与步进电机的连接如下图3-6所示：图3-6 驱动芯片ULN2803与步进电机的连接 第4章 软件设计4.1 整体程序设计思路本设计程序用C语言编写，因为C语言相比于低级语言来说，具有易于读写、可移植性好，易于修改和调试、代码执行效率高的优点。本设计的程序主要由步进电机控制信号发生程序、人体检测和门位置检测开关程序组成。整体程序流程图如下页图4-2所示。4.2 功能模块设计本软件主要采用查询的方法来实现.虽然中断的方法要比查询具有实时性并节约时间，但是基于本系统的要求，因为如果采用有人进入I

57、NT0中断服务程序的话，服服务程序很不容易判断自动门究竟出于哪一部分，要用哪种速度开门。查询如果设置的合适也是完全可以的。4.2.1 步进电机驱动信号发生程序设计（1）步进电机的控制算法4相步进电机有4个脉冲输入口，这4个口接到单片机的4个IO口。通过程序的控制，实现对4个IO口的高低电平的控制，从而产生步进电机所需要的驱动信号。一般对于4相步进电机，控制方法有“1相励磁法”和“1-2相励磁法”。为了使程序更加简洁，同时提高程序的稳定性，本设计中采用1相励磁法来驱动步进电机。其驱动时序图如下图4-1所示： 图4-1 1相励磁法来驱动步进电机的驱动时序图（2） 程序流程图开始开始系统初始化启动红

58、外探测器有人吗?快速开门有人吗?到半处限位开关吗?慢速开门有人吗?到开门限位开关吗?电机停止延时2秒有人吗?快速关门有人吗?有障碍吗?到半处限位开关吗?慢速关门有人吗?有障碍吗?到关门限位开关吗?电机停止延时2秒返回NK1NK4K2K3NNK5YYYYYNNNYNNYK5YYK2K3K4K1YNYN 图4-2 整体程序流程图变速是根据程序的顺序执行顺序而判断门所处的位置来实现的。此程序严格按照自动门开关一次的顺序来编写的，考虑了各阶段可能遇到的所有问题，因此根据程序执行的控制器可判断自动门是该快速还是慢速。其流程图如下图4-3所示：P1.0清零P1.0清零P0.0置1延时0.2SP0.0清零延

59、时0.1S有人吗？快速开门门已完全打开？YYN停止开门N开始图4-3 快速开门流程图（3）实例代码void L_round(uchar motor)uint i=0;if(motor = 0)/左边左电机向左转一周for(i=0;i4;i+)P2 = motor1_Li;Delay(); if(motor = 1)/右边左电机向左转一周for(i=0;i4;i+)P2 = motor2_Li;Delay();void R_round(uchar motor)uint i=0;if(motor = 0)/左边左电机向右转一周for(i=0;i4;i+)P2 = motor1_Ri;Delay()

60、;if(motor = 1)/右边左电机向右转一周for(i=0;i4;i+)P2 = motor2_Ri;Delay();第5章 设计仿真与分析 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Protues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 仿真软件概述 本设计中采用的Proteus这款电路仿真软件来进行硬件和软件的仿真。Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器