基于高性能单片机的自动门控制器设计

基于高性能单片机的自动门控制器设计

0自动门控制器的种类单一且相关研究少目前，各种酒店、酒店和智能楼对大门的要求很高。市场上的几辆自动门大多来自国外。性能稳定，价格高，从几万元到几十万元。中国制造的几辆自动门的质量略有不同。虽然价格很低，但总体性能的可靠性很低，功能不足，恢复率很高。自动门系统的核心部分是控制器,该部分对系统的运行至关重要,然而目前市场上自动门控制器的种类单一且相关的研究也较少。新近研制成功的基于单片机的自动门控制器具有性能稳定、功能强、成本低且易扩展的特点。1快速进入视角,保护电机装置整个系统的设计要求和指标如下:a)可随时测量门的开关距离长(即门距)并记忆;b)门的整个运行状态按以下模式进行:传感器信号→开门高速运行→制动→低速→开门到位停→延时→关门高速运行→制动→低速→关门到位停→挤压;c)门的速度变换时,速度要有斜率(否则电机反电势小,导致电源跌落);d)关门受阻时能快速打开,再次关门时能记住原位置,如无受阻时,则下一次运行恢复原状态;e)关门到位时,位置记忆要准确,不能有碰撞;f)关门时,如果检测到门没有关到位但是受阻,门应该快速打开,防止挤压人的事故发生;g)在门的半开位置,门没有关到位而传感器信号到,这种情况如果持续5次,门应全开且延时一定时间(说明人流量大,门要大开)。系统工作原理如图1所示。控制器上电时,首先进行系统参数的初始化,控制器查询设定板,是否要进行门距测量和参数设定计算等;系统初始化后,传感器等待人来,当人或者其他异物进入雷达传感器的检测区域内时,雷达传感器产生响应信号传输至控制器中,控制器马上驱动电机把门打开。实际运行的自动门是玻璃门,因此对于门的速度要求较高。控制器采用了4级调速:高速、中速、低速和挤压速度,其中,在进行门距测量时采用低速,正常运行时采用高速、中速和挤压速度,这几种速度通过精确电位器调节。在控制器研制过程中,一个重要的问题就是速度的调节问题。本设计采用计数法进行速度调节:电机进行转动时由霍耳传感器检测电机状态而发出脉冲,电机每转动一圈,电机驱动板就能够提供两个TTL电平的脉冲信号;如果电机停转,就不会产生脉冲,这样可以判断电机是否停转,即可以判断门是不是已经开到位,该方法可以节省两个门到位检测电路。现把整个门距的长度化为3段进行调速:在开始的1/4部分内门为高速,在接下来的3/4部分内为门为中速,在最后的1/4部分内门按照挤压速度前进。因此,电机的调速步骤如下:a)正常情况下,在开门时,把电机产生的脉冲数送至单片机进行计数并不断累加,根据累加的计数值进行调速;b)在关门时要记忆门走过的距离,并按照整个门距进行调速;c)如果传感器信号到,那么门要迅速打开,这时,门要按照上次关门时走过的距离进行调速。系统具有显示功能,可以实时显示门的开关次数,显示功能由设定板完成。2电机驱动板和设定板整个硬件电路部分可以分为控制板、设定板和电机驱动板3部分。控制板是整个硬件的核心,负责雷达信号处理、速度转换、发出电机驱动信号等功能;设定板主要负责数码管显示、4挡速度设定、雷达和关门灵敏度设定等,该板也嵌有一颗CPU,还配有一片串行EEPROM芯片24LC01B,其作用是记忆开关门的次数;电机驱动板的主要功能是驱动直流无刷电机,通过齿轮啮合和皮带传输带动玻璃门以一定速度运行,该板还配有霍耳传感器,收集电机转动时产生的脉冲信号,送至控制板处理。整个控制器需要两种电源,由专门的电源板进行供电。整个硬件的连接见图2。2.1处理和自动门控制器整个控制器的硬件电路共分为雷达信号处理电路、速度切换电路和数字信号控制电路3部分。自动门系统采用先进的感应雷达作为移动目标的检测传感器,与其他检测方法(例如红外线或者微波检测)相比具有检测范围广、可靠性高和安装方便等特点。为方便进出时都可启动自动门,采用了两个雷达实现信号传输。单个雷达通过一个4芯电缆与控制器相连,其中2根电源线,2根信号线。正常情况下,信号线两端产生50Hz正弦调制信号;一旦雷达检测到有物体在检测区域内移动,信号线两端的相对电势立刻变为0V。为了方便处理雷达信号,需要把信号进行变换,即把正弦信号变为处理器可以接受的TTL电平,处理电路把正弦信号变为直流稳压信号,当雷达检测到有移动物体时,直流稳压信号变为0V。为了去除电压毛刺和提高可靠性,使用了两个非门处理。雷达信号的变换过程如图3所示。雷达信号变换电路见图4。VS1、RS1和DZ1用来限制调制信号的幅度并进行半波整流;U5是一个电压比较器,把半波正弦信号变为方波信号,其输出端电容C52与VS2则完成限压功能并把方波变为直流稳压信号,幅度约为3.5V;U1和U2为两个非门电路,主要作用是延时、电压去噪和整形。经过最后处理的信号送至CPU的外部中断进行处理。控制器的另一部分为速度切换电路,本设计采用多路选择开关CD4051进行模拟电压切换,共分为4挡,这4挡电压全部来自设定板。现在有的自动门控制器的速度设定开关直接安装在控制板上,这样进行调试和调速极为不方便。在速度切换时,CD4051的输出接驱动板上的速度控制端子以控制电机转速,切换方式由CPU的3个I/O端口共同控制。另外,CD4051其他不用的引脚全部接地,这样既可以起到抗干扰的作用,也可以提高门的运行安全性。自动门控制器的核心器件是单片机,设计中采用Atmel公司的AT89S51单片机。AT89S51与传统的MCS-51单片机相兼容,具有4kB的系统内可编程Flash存储器和128字节RAM,具有片内WDT(看门狗定时器),全双工的UART串行接口通道和ISP编程模式等,功能强且使用灵活。CPU和各种外设信号的连接方式如图5所示。图5中,CPU和串行EEPROM通过I2C进行通信,EEPROM采用Microchip公司的24LC01B芯片,该芯片具有1024个存储位,设计中用来存储门距值;CPU和雷达通过中断进行信号处理,使用单片机的外部中断1;CPU与设定板之间通过RS-232通信,主要进行门的移动方向、门的各种开关次数等信息传递;另外,CPU与电机驱动板之间通过7芯电缆进行信号对接,为了实现抗干扰功能,使用了一片CD40106进行信号滤波。2.2拨码开关设定设定板主要完成各种参数的板上设定和门的开关次数显示。就参数设定而言,使用4个高精度的金属电位器进行速度的电压调节,为了限制每一种速度的最大值,调压电路内部都串联了一定数目的电阻。雷达灵敏度和关门灵敏度的调节通过两个红色拨码开关实现,每个开关共有8种灵敏度可调,门距测量设定也是由一个拨码开关设定,如果两个位全部为“On”,程序开始时必须进行门距测量,否则,程序初始化时跳过门距测量程序,直接从EEPROM内提取旧的门距值。设定板CPU采用一片AT89S51单片机与24LC01B进行通信,24LC01B主要作用是存储开关门的次数,如果门连续开关10次,CPU才写一次EEPROM,这是因为过于频繁的擦写会导致串行存储器的损坏。设定板采用8片共阴极数码管进行开关门的次数显示,通过一片CD4056和74LS138进行数据译码和选择,轮流显示需要的数据;门每开关一次,数码管显示数值就会加1。一般,门的开关寿命次数不会超过200万次,采用8个数码管已足够。电机驱动板设计采用了专用的直流无刷电机驱动芯片,通过霍耳传感器采集电机的旋转信号并转换为TTL电平信号送至控制板。驱动板上还设有5个电机控制信号分别控制电机的启动、停止、速度大小、正反转和刹车;另外,驱动板还具有过流、过压检测和保护功能,性能可靠。3门距并行控制控制器软件包括控制板软件和设定板软件。控制板软件主要包括主程序、雷达中断子程序、开门和关门子程序、调速子程序等,这些程序完成雷达信号的检测和开、关门速度调节等系统主要功能。控制板的主程序流程如图6所示。主程序首先进行各种参数的初始化,包括雷达灵敏度和关门灵敏度计算等,并判断是否进行门距测量。如果要进行门距测量,那么电机控制门以低速开门和关门,关门的全程测量门距大小,关门完毕后门距测量结束,然后计算门距大小、门距的1/4大小、门距的2/4大小等参数,测量的门距值存入EEPROM中。在进行门距测量时,雷达传感器不起作用。程序初始化后,如果没有进行门距测量,那么电机控制门向两边以低速移动,等检测到门到位后,电机控制门以门距长度进行调速并关门(注意:关门时打开雷达中断,以防止挤压到人),这样做的好处是防止系统上电之前门没有处在中央位置而以高速移动,提高了门的防撞安全系数。门关到位后,软件延时等待雷达中断,如果在属于雷达检测的区域内有移动物体被检测到,那么中断就会发生;在雷达的中断子程序内,程序执行开门子程序并关闭雷达中断,直到门运行到两端并设定关门标志,然后中断返回,这样在主程序内就会执行关门子程序。在进行关门程序设计时要注意,因为需要打开雷达中断,同时T0计数器和T1计时器也需要中断,故涉及到一个中断的优先级问题,要小心处理。另外,为了进一步提高人的安全系数,防止在关门时出现挤压人的现象,特别考虑了防挤压问题。例如:有的小孩会在关门处停留不动,造成雷达检测失败,这样关门时产生的力矩可能会挤伤小孩。为了尽量避免发生此类严重事件,软件会在门没有完全关断但受阻的情况下进行检测并模拟雷达迅速打开门,此类措施提高和完善了系统的可靠性。设定板软件主要完成数码管译码和数据显示、开关门次数存储等功能,其主程序流程如图7所示。