【基于单片机的红外传感器自动门系统设计14000字（论文）】

I摘要本课题所设计的系统核心是AT89C51单片机，它主要的任务就是控制多个模块的运行，作为指挥决策中心。并借用人体红外传感器作为接收信号，判断是否有人经过，再传递给单片机，由单片机下达指令。单片机通过接收到的信号后，给电路驱动模块指令，步进电机开始驱动，由电机来带动两个门的开启或者关闭动作。然后相应的的指示灯会亮起，表示自动门和屏蔽门的开关状态。该地铁自动门的设计对城市轨道交通具有较大的意义，可以高效合理的解决地铁自动门存在的难题，大幅度提高地铁出行的安全效率。结果显示它可以模拟完成当列车到站时，地铁自动门和屏蔽门合理的自动开启和关闭，该系统功能完善，控制可靠，性价比高，能够使得地铁自动门更好的为地铁系统服务，方便人们的出行，具有一定的参考价值。关键词：自动门；红外传感器；单片机；步进电机；1绪论1.1研究的目的随着城市的快速发展，人们的出行方式有着多种选择，但是乘坐地铁还是人们首选的出行方式。在城市中乘坐地铁在的人数比例较大，而乘坐的数量大，随之而来的是安全问题和效率问题，每年被地铁自动门夹伤的事件比比皆是，往往就是因为这些安全隐患而出现事故。还有就是乘坐的客流量过大，效率问题也是不可忽略的，自动门开启和或关闭的时间会影响到地铁的效率。相比于汽车、班、公交车，乘坐地铁大多数人往往就是因为它的效率而选择乘坐地铁，如果它的效率低下就没有过多的人选择去乘坐。因此地铁自动门的安全和效率需要得到更好的解决。本课题研究的基于单片机的自动门控制系统，可以很好的解决地铁自动门的安全以及效率问题，关切到城市轨道交通行业的发展。根据人体红外传感器的感应，可以在地铁停车换乘时安全合理的对自动门进行适当的开启与关闭，这样就能减少地铁自动门夹伤乘客事件。而利用单片机来控制自动门，相对较为安全，操作也简单，这样就能够保证人们的安全问题，从而也会使得更多的人选择乘坐地铁。这就很好的解决了安全和效率这两者，所以自动门和屏蔽门的合理开关设计，关乎城市的发展，也与人们的日常出行日益相关，是城市轨道交通行业是否能快速发展的因素之一REF_Ref22879\w\h[3]。1.2相关研究现状城市轨道车辆自动门是其运营中使用最多的车辆设备之一[5]，城市轨道列车运行站点密度较大，需要频繁对自动门系统进行操作，再加上人为干扰因素，使得自动门系统经常发生故障，甚至发生夹人事件，对乘客人身财产安全带来巨大的隐患，这种情况在上下班高峰期尤为常见，经常发生因为自动门故障导致的安全事故和列车延误事件，对地铁运营效率造成较为恶劣的影响[6]。此外，我国人口众多，超载现象十分普遍，以上问题就尤为突出。城市轨道车辆自动门按驱动方式可分为电控气动自动门和电控电动自动门，电控气动自动门由控制单元发出指令，通过电磁阀控制驱动自动门运动的气缸气流来实现自动门的相关操作。由于受到气缸气源，输出推理控制精度影响，控制精度较低。电控电动自动门由控制单元发出指令，通过驱动电机实现自动门的相关操作，具有自动化程度高、可靠性好、维护方便、使用寿命长等优点[7-9]。目前广泛应用的门控电机以有刷直流电机为主[8]。无刷直流电机作为一种新型的电机，具有直流电机效率高、调速性能好，亦具有交流电机结构简单，运行稳定，维修快捷的优点。因此，采用无刷直流电机作为门控电机不仅能增加自动门控制系统的可靠性，而且能够延长自动门控制系统的使用寿命。但是无刷直流电机作为一种新型的驱动方式，也存在一些缺点，例如在其换相过程中由于感性负载存在致使其换相转矩脉动较大，通用型无刷直流电机转子位置检测分辨率较低等[11]。目前，基于电机驱动方式的城市轨道车辆自动门防挤压功能主要是通过判断电枢电流突变值来实现的[7]。当自动门系统在关门过程中遇到有障碍物阻挡关门运动时，负载转矩急剧增大，电机电枢电流也相应急剧增大，当电枢电流值达到预先设定的阈值时，自动门系统便启动防挤压功能，如广州地铁。我国人口众多，大中城市客流量比较大，若将电机电枢电流预先设定阈值设置较高，就容易产生较大的挤压力，挤伤乘客，若将电机电枢电流预先设定阈值设置较低，又会导致防挤压功能过于敏感，容易造成误判，从而影响运营效率。现有门控器大多采用RS232或者RS485等相对落后的串口通信方式，抗干扰能力差，很难与列车通信网络直接相连，广谱性较差[10]。除此之外，自动门的智慧性较低，不能对自动门控制系统的故障进行详细的预警和故障排除。随着城市轨道车辆智能化、网络化水平的不断提高，自动门控制系统已不只是简单的进行开关门操作，它需要赋予更多的功能，需要不断的发展和完善[12,13]。现有门控器已经跟不上城市轨道车辆智能化、网络化的发展需求。因此，对新一代以无刷直流电机为驱动电机的城市轨道车辆自动门控制系统的研究具有非凡的意义：(1)可以增强自动门系统的可靠性和安全性，延长使用寿命；(2)可以提高城市轨道列车运行效率，改善我国在城市轨道车辆自动门系统领域的现状；(3)可以打破国外的技术垄断，降低成本，为进一步加快城市轨道车辆自动门系统国产化提供重要依据。1.2.1城市轨道车辆自动门系统国外研究现状德国、法国、日本等一些发达国家在铁路装备制造业方面处于世界领先地位，其生产轨道车辆自动门系统也处于垄断的状态。随着我国城市轨道交通投入建设和运营里程数越来越多，城市轨道车辆自动门设备需求急剧增加，国外一些知名的轨道车辆自动门系统制造商开始进入内地抢占国内市场。国际上一些比较知名的轨道交通车辆自动门系统制造商主要有德国的博得(BODE)兄弟股份有限公司、法国的法维莱(FAIVELEY)轨道交通集团和奥地利的伊菲(IFE)公司等[10,17]。德国的BODE公司最早于1992年成功研制开发了电子门控制器和基于有刷直流电机的电动双开塞拉门系统，并且为北京地铁部分地铁线路提供整套的轨道车辆自动门系统。该自动门系统的控制和监控功能是通过RS485通信接口实现的[6]；法国法维莱轨道交通集团生产的基于有刷直流电机的轨道车辆自动门系统在国际市场占有一定的地位，其优势是网络监控系统[10]；奥地利伊菲公司成立于1947年，其生产的电控气动自动门系统被上海地铁DC-01型列车广泛采用，其开发的监控装置可以在自动门系统在故障时发出警示[14]。加拿大交通运输设备制造商庞巴迪(BOMBARDIER)公司、法国阿尔斯通(ALSTOM)有限公司等国际知名轨道列车制造商大多考虑采用上述公司的自动门系统[7]。目前，电控气动自动门发展已经比较成熟，也比较广泛应用于地铁、轻轨等轨道车辆中[8]。如前所述，电控气动自动门控制精度较低，已难以适应快速发展的轨道交通运输环境。随着科技的进步，电控电动自动门作为一种新型的自动门系统，自然受到了国外厂商的青睐，也分别研制出具有自己知识产权的电控电动自动门系统，其驱动方式主要以有刷直流电机为主。电控电动自动门系统主要由主控制器、驱动电机、传动装置、门体等构成。不同电机驱动方式的自动门控制系统，其控制方法和驱动方式也不尽相同，自动门系统的性能亦有不小差异。1.2.2城市轨道车辆自动门系统国内研究现状我国在城市轨道交通领域发展时间较短，自动门控制系统与国外技术相比相对落后，在1997年以前，我国必须依靠进口国外的自动门系统来弥补城市轨道车辆对自动门系统的庞大需求。南京康尼机电股份有限公司于1996年在引进和吸收国外先进技术的基础上对轨道车辆自动门系统进行国产化研究，并于1997年成功研制出首套国内电控气动自动塞拉门系统，并且于同年通过了由铁道部与机械工业部相关专家的鉴定，并且一致认为：“该自动门系统在国内属于首创，填补了国内轨道车辆自动门行业领域的空白，该自动门系统的性能已经达到了国际上同类产品的性能”[7,8]。随着城市轨道车辆的不断发展，对轨道车辆的密封性、舒适性和安全性都有了更为严苛的要求，国内外一些厂商都在寻求技术革新的同时，研制出新一代符合时代发展的自动门系统。国外的一些巨头公司也纷纷涌入国内，成立合资公司，抢占内地轨道交通领域的巨大市场，如北京博得交通设备有限公司、青岛欧特美股份有限公司等。近年来，国内对轨道车辆自动门领域进行了很多研究，并且取得了一定的成果[15-30]。目前，南京康尼机电股份有限公司研制出的新一代全数字闭环控制塞拉门系统在国内轨道交通自动门领域已经处于主导地位，打破长期以来国内自动门系统领域被外国公司垄断的局面，2008年，其自主研发的自动门系统经过各种试验室检测、静调等试验后通过专家组的鉴定[5]。该塞拉门系统以无刷直流电机为驱动电机，采用滑动式丝杆螺母副传动方式，防挤压功能采用过电流法和距离—时间法[7]。2010年东南大学张志胜、卢光青等发明了一种通过光电对射式开关实现防挤压功能的轨道列车车门智能门控器[15]。采用额外的传感器实现防挤压功能是一种方便、灵敏度较高的方法，广泛采用于电梯、办公自动门以及地铁屏蔽门领域中。城市轨道车辆由于其对安全性、密封性以及舒适性的特殊要求，采用额外传感器会对轨道车辆自动门的整体结构和密封性产生较大影响，因此，该方法很少用于轨道列车自动塞拉门系统。2011年中国中车株洲电力机车有限公司尚江傲设计了一种城轨车门状态监视系统，通过在每个车门上增加门控器的监视点的方法实现自动门运行状态的监控[16]。2013年南京理工大学李高杰设计一种轨道列车智慧门系统，利用遗传算法优化的模糊控制技术实现对门控无刷直流电机的控制[10]。2013年南京理工大学高伟重点对轨道列车智慧门系统的监控系统进行设计和研发，并且实现了自动门控制系统的在线监控和维护功能[17]。2014年上海交通大学仇佳捷等人开发了一种基于半实物仿真的轨道交通门控单元，并以虚拟仪器作为上位机软件建立控制系统综合测试平台[18]。1.3设计的内容及要求1.主要内容本课题设计的是一个基于单片机的人体红外探测自动门系统，准备用单片机作为核心，通过人体红外探测传递给单片机，等单片机管理的驱动电路来驱动电机，从而达到自动门的开启和关闭，通过发光二极管显示状态表示自动门的开关状态。2.基本要求1)完成基于AT89C51为控制核心的硬件电路开发。2)完成基于AT89C51的程序开发。3）完成硬件电路板的开发及PCB的原理图绘制。4)实现功能：通过人体红外检测，控制电机完成自动门的开启和关闭。这个系统可以实现对自动门的开启和关闭，模拟当地铁到站时自动门的情况，当地铁到站时蜂鸣器响起，用来提示人们地铁以到站，请保持安全请距离。然后通过电机的正转来控制自动门和屏蔽门的开启，当门开启到设定的时间后，蜂鸣器再次响起，提示人们车门即将关闭。然后再通过电机的反转来控制自动门和屏蔽门的关闭。2系统设计的方案和选择论证2.1系统的总体设计思路整个系统设计的总体模块组成如图2-1所示。这个系统主要是以AT89C51单片机为核心来支持的，及其多个模块电路组成，核心控制加上多个电路模块组合就形成了整体的方案，模块电路主要包括：人体红外检测电路、电机驱动电路、复位电路、蜂鸣器报警电路和电源供电电路这五个部分组成，每一个部分电路都有着自己的任务，各司其辞。单片机不停的检测人体红外检测电路，接收到信号后，下达控制信号让步进电机运行，同时每个LED灯就会做出相应的表示状态，以模拟自动门的开启或者关闭。当人体红外探测模块探测到有人进入到一个精确的距离时，步进电机会翻转一圈，表示正在开启自动门，LED灯会点亮；当屏蔽门和自动门完全打开后，设定一定的时间，达到设计时间后，蜂鸣器响起提醒即将关门，然后电机开始反转带动自动门和屏蔽门进行关闭。自动门的开关过程可分为三个阶段。首先，一旦单片机接收到人体红外探测器产生的信号，它就会向动力驱动电路提供指令，使电机马达快速旋转，从而使管理自动门的电机以较快的速度快速打开。自动门加速打开阶段结束后，然后进入第二阶段，这个时候电机马达转速变慢，使得电机慢速工作，从而自动门慢慢的打开。最后阶段自动门按照设定的时间保持禁止不动状态，让乘客上车。当乘客上车完毕后，自动门关闭开始关闭，同样也是一个先加速后减速，再到停止的过程。其主要框图如图2.1所示：AT89C51单片机AT89C51单片机驱动电路报警电路人体红外检测电路驱动电路报警电路人体红外检测电路电源电路开门或关门电机开门或关门电机图2.1系统总体设计框图当有人接近自动门到精确的距离范围时，人体红外检测模块会检测到，并将信号传递给单片机，单片机对信号作出判断，于是给电机驱动电路和报警电路下达命令，从而让步进电机开始运转，同时监控步进电机转动角度，使得电机在不同的阶段进行加速转动或者减速转动。关门同样是这样一个过程，合理的开关状态，就有效的解决了自动门夹伤人的安全问题，从而保证乘客的安全。2.2方案的对比选择根据课题设计的要求，为了达成最终的目的，使得设计能够实现所要求的各个功能，因而选出了一些不同方案来进行论证，从每个方案中选择最适合的方案来进行设计，以达到我们预期的结果。我们将系统划分成为多个模块，每个模块都有相应的功能。每个模块都有多种选择，下面对一些方案进行择优选择，从而选出满足整个系统的要求。2.2.1电机的选择方案一：使用步进电机来驱动。步进电机相比于其他的电机优势在于步进电机在距离上能够得到较精确控制，它的反应速度快，容易启动电机的正转和反转，操作比较简单，价格不是很高。步进电机的缺点是它在运行时噪音相对较大，会产生一定程度的振动。但是从各方面来考虑，步进电机性价比高，在没有行程开关给电机发出信号来阻止的情况下，步进电机是最合适的选择。方案二：使用普通直流电机。直流电机的转动速度相对较快，它启动较为简单，调节转速也方便，这都是直流电机的优点REF_Ref23519\w\h[4]。但是因为直流电机的转速快这一特性，会使得两个门开启和关闭快，反应过快会使得乘客还未上车就已经关闭，甚至发生危险事故，不满足实际要求，因而不采用。方案三：采用交流电机。系统的电源电路设计使用的是直流电为主，一般不采用交流电，所以交流电机不做考虑。综上，三种方案中，使用第一种方案来作为自动门的动力驱动，价比较高，也更加符合我们预期的要求。2.2.2驱动模块的模块方案一：使用L298N驱动芯片。L298N芯片对两种电机都可以驱动，一是驱动直流电机，二是驱动步进电机，它的操作性能好，相对稳定、简单但是L298N芯片内部自带一个5V的供电电源，不适合再接入单片机的电源电路，所以不考虑使用L298N作为驱动芯片。方案二：采用ULN2003驱动芯片。ULN2003芯片耐高压，工作电流大，在单片机的5V电压下，它能够直接与电路直接相接，可以直接处理数据，这些都是它的优势。单片机引脚的输出电流相对较小，而ULN2003经常被用来放大目前的电流REF_Ref23810\w\h[5]。这样就解决了电流小无法驱动电机的问题。因为选用ULN2003驱动芯片更合适。2.2.3系统的处理模块选择方案一：用复杂的可编程逻辑器件CPLD。CPLD的总体规模大，内部结构复杂，可以满足许多复杂的逻辑程序，但是本系统设计逻辑处理相对简单，要求过低，不至于使用CPLD，而且语言编写不适合。总体上它实现功能多，但不适合本课题设计。方案二：用51系列单片机。51系列单片机相对于CPLD，可以实现系统的设计功能，编写相对简单，内部结构更加简洁，入门者能更好的使用REF_Ref26148\w\h[6]。从多个方面考虑51单片机相对CPLD更适合作为本次设计的处理模块，所以选择方案二。2.2.4检测电路模块选择方案一：人体接近传感器。当人或物体接近时人体接近传感器能够检测到，并做出反应，它的特点是无压力、无火花、反应迅速、覆盖范围大。广泛使用在生活中，但由于经济问题，不将其考虑在设计中。方案二：人体红外传感器。相比于人体接近传感器，人体红外传感器的反应速度慢，但当有人或者物体经过它的感应范围就会起到反应REF_Ref24985\w\h[7]。然后传递信号给单片机，完成是否有人经过的检测，能够满足设计的要求，性价比高。所以选择使用人体红外传感器。3硬件系统的设计3.1单片机原理介绍单片机与一些大型计算机相比，体积微小集成度高是它最大的特点，所以也被叫做单片微型计算机REF_Ref26611\w\h[8]。单片机将多个模块功能全部集成在一个半单体芯片上，如中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、并行I/O接口等模块集成在一块小芯片上，每个模块的功能都可以由CPU来实现控制，不会相互干扰。大型计算机能够实现的逻辑控制，模块的集中分配处理功能，单片机都可以实现。并且单片机的使用功耗低，抗干扰能力强，是大型计算机不具备的。单片机的各个模块部件的连接方式采用总线结构，相比于传统的接线方式，采用总线连接能够减少许多线路连接，大幅度缩减空间，也更加利于单片机内部集中控制。这使得单片机发展快速，越来越多的领域中使用到单片机，成为现代不可或缺的电子系统开发工具。单片机它最核心的部分是CPU,CPU就是单片机的大脑，脑中存在思考才有动力，程序就是单片机的思考。单片机可以不断的写入程序，但是最终只是使用最后存录的程序来运行。根据设计的要求，编写出相应的程序，再利用可以实现对应控制要求的电路，系统设计的功能就得以实现。单片机的微型是它主要的特点，这是一些大型的计算机所没有的。大型计算机的高智能，效率快，对系统控制稳定特点，这些都是单片机拥有的。3.1.1AT89C51性能介绍AT89C51单片机具有低电压和高性能特点，它是一个可编程的可擦除的高级8位处理器微芯片，与MCS-51兼容，并带有4K字节REF_Ref26771\w\h[9]。该单片机的可擦写ROM可以重复擦写一千次。它将8位的中央处理器CPU和存储器结合构成在一个独立的芯片上，使得控制逻辑能力效率高，反应迅速。AT89C51单片机是通过高密度、不容易丢失存储器技术制作的。高性能，控制能力强，价格低的特性适合在本次设计中使用。AT89C51外形及引脚图如图3-1所示：图3.1AT89C51外形及引脚图AT89C51引脚介绍：VCC：电源引脚。GND：接地引脚。P0端口：端口P0具有双向作用，是一个双向的8位漏极I/O端口，每个引脚都可以吸收8TTL的栅极电流。一旦端口P0的一个引脚被初始化为1，它就被概述为一个高阻态输入。一旦P0端口被用作外部程序存储器，它就被引用为一个低八位数据地址REF_Ref27588\w\h[10]。P1端口：P1口它是一个通用的双向稳压I/O口,内部结构设计采用了上拉稳压电阻。P1端口装置可以用来驱动一个同时输入4TTL的栅极电流。将P1端口的引脚内部写入1后,在内部上方加上上拉电阻得到一个高电平后，即可将它作为一个输入的端口。且P1端口直接作为一个电源输出口时,外部电源会将其下拉至一个小的低电平,产生较大的电源输出输入电流REF_Ref28029\w\h[11]。它主要是由于内部的上拉造成。P2端口:P2端口本身是一个内部带有上拉或下拉稳压电阻，并且外部可以同时驱动4个TTL门输出电流的8位双向电流I/O控制端口。P2端口的引脚被正确设置为“1”时,用作稳压输入,原因是内部的上压稳压电阻被拉高REF_Ref28029\w\h[11]。因此,作为一个输入端,P2端口的引脚从外部一端开始向下拉,从而产生输出端的电流,这主要原因是由于内部的上拉。例如,当P2端口需要直接访问外部应用程序数据存储器或16位的高地址外部程序数据存储器时,P2端口的数据输出为地址高8位。给定的数据地址“1”时,内部的八位电阻上拉,当它确定需要读写外部的八位功能地址数据存储器时，P2端口将会自动输出其特殊的八位功能数据寄存器内容。P3端口:P3端口本身就是一个内部内置有上压下拉稳压电阻并能够同时驱动4个TTL门输出电流的8位双向电流I/O控制端口。例如,当两个P3端口被写入“1”时,它就被上拉到一个高电平并且可以使用它作为一个输入端。因此,作为一个输入,P3端口的引脚从外部电路开始下拉到一个小的低电平,从而开始产生输出电流,这是由于内部引脚上拉造成的REF_Ref28029\w\h[11]。P3口还可以具有另外的应用功能，大多数应用情况下都需要使用的是P3端口的第二个应用功能,P3口第二个应用功能的基本定义实现方式如下表3.1所示:表3.1P3口第二功能定义引脚名称第二功能定义P3.0RXD串行通信数据接收端P3.1TXD串行通信数据发送端P3.2EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(──────────),INT0)外部中断0请求端口P3.3EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(────────),INT1)外部中断1请求端口P3.4T0定时/计数器0外部输入端口P3.5T1定时/计数器1外部输入端口P3.6EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps12\o\ad(\s\up11(──────),WR)片外数据存储器写选通P3.7EQ\*jc0\*"Font:Calibri"\*hps10\o\ad(\s\up9(──────),RD)片外数据存储器读选通RST：复位/备用驱动电源引脚。单片机能够进行自动复位的必要条件是,引脚复位工作持续时间应大于满足两个复位高电平的机器周期。ALE/EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(────),PROG)：地址锁存使能输入口/编程脉冲输入端口。当单片机访问外部存储器时。外部存储器16位地址信号从P0口输出低8位。当不作为外部存储器地址锁存信号时，这个引脚会以时钟脉冲频率的1/6输出一个固定的正脉冲信号REF_Ref26148\w\h[6]。EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(────),PSEN)：输出访问片外程序存储器读选通信号。CPU在从片外 ROM取指令期间，该引脚将在每个机器周期内产生两次负跳变脉冲，用作片外ROM芯片的使能信号。EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(───),EA)/VPP：外部ROM允许访问/编程电源输入。当EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(───),EA)=1时，CPU从片内ROM读取相应的指令，当EQ\*jc0\*"Font:宋体"\*hps12\o\ad(\s\up11(───),EA)=0时CPU仅访问片外ROM。在对含有EPROM的单片机时VPP应接+12V电压。XTAL1：反响振荡放大器的输入。XTAL2：反响振荡放大器的输出。此外，AT89C59还具有与MCS-51系列的单片机兼容，可以使我们更好的进行操作，还具有4个8位的可编程双向I/O接口，两个16位定时器/计数器（T0、T1），5个中断源，一个片内振荡器和时钟电路这些都是它的基本特性。3.1.2AT89C51单片机的芯片擦除51系列的单片机具有芯片擦除功能，所谓芯片擦除就是说把单片机中的程序给清掉，让单片机成为一个空白的芯片，然后可以再次写入新的程序，从而使得单片机完成不同的功能。在芯片擦除方法中，单片机微控制器的内部代码阵列全部被写成高电平“1”，在对任何非空的存储器字节进行重新编程之前，必须要执行这个操作REF_Ref28914\w\h[12]。而AT89C51通常被设定为拥有稳态逻辑控制管理，可以在相对较低频率的情况下完成静态逻辑，并支持两种操作模式。一种是空闲模式，在这种模式下，单片机的核心处理器CPU不发出控制指令，而且处理器保持停止状态，但是单片机的不同模块可以像以前一样运行。还有一种断电模式，在这种模式下，所有的芯片模块都停止运行，直到随之而来的复位信号出现，然后才会工作，照常运作。3.2电路模块设计在整个系统电路模块设计过程中，根据我们的功能要求，分成多部分模块电路：复位电路模块，晶振电路模块，电源电路模块，蜂鸣器报警电路模块以及红外对管检测电路。下面对每个电路模块的设计要求进行介绍3.2.1复位电路为了方便地使CPU和其他各种功能部分的组件都处于特殊的初始运行状态并从这个运行状态结束后才可以正常工作。通常需要在开机时对单片机进行复位,另外当单片机在运行的过程中出现卡死,就必须对单片机进行复位,让它开始重新工作。让一个单片机能够直接产生一个快速复位的必要条件是:RST这个复位引脚已经能够完全处于一个高电平的工作状态并且已经能够完全满足这个复位的工作持续时间长的要求,就完全可以能够让单片机能够进行复位REF_Ref29266\w\h[13]。单片机复位的方式有两种：上电复位和按键复位，这两种方式都能完成复位，但是原理和内部构造不相同。上电复位，是通过电阻-电容充电实现的。在单片机增压开机的瞬间，RST的电压与电源提供的电压相同，然后充电电流慢慢减小，因此RST的电位也慢慢减小。选择正确的电阻电容和电气装置，以使复位时间比RC时间常数小一些，就可以实现开机复位。按键复位，是利用电阻分压原理来实现的，一旦按键被下压，由于电阻上的串联电阻可以使RST引脚产生一个高电平，松开下压按键可以产生一个低电平，只要保证按键动作产生的脉冲尺寸宽度，大于复位时间就能确保按键复位的产生REF_Ref26611\w\h[8]。在实际设计的应用中，二者相互结合的设计方式，通常被用于单片机的复位电路。本设计就是使用两者结合的方式来设计复位电路，也叫做复合复位。如图3.2所示：图3.2系统复位电路3.2.2晶振电路单片机的晶振电路就像人的心脏一样非常重要，单片机下达指令并执行的这一过程，分为多个步骤和微操作，这些步骤和微操作都要统一在一个时钟控制命令的管理下才能正确执行。而时钟方式则是由晶振电路来完成的。在晶体振荡器电路中，定时元件通过XTAL1和XTAL2连接。定时元件部分主要是与晶体Y1和电容C3和C4组成并联电路，形成并联谐振。这就构成了一个振荡器电路，电容的容量一般取30pF左右，为的就是帮助振荡器起振。单片机运行反应速度跟晶振频率成线性关系，晶振频率越高，运行速度也随之变快，但晶体振荡频率范围一般在1.2~13MHz。本次设计的晶振电路如图3.3所示：图3.3晶振电路3.2.3电源电路电路设计中，电源插座通过一个多向开关，一旦开关被按下至2-3、5-4，电路就被接通。于是通过104瓷器贴片电容过滤高频，104uF电解电容过滤低频，到达稳定电压效果。通常电容越大，电压稳定调节越好，这就得到了对系统+5V的电源电压。LED3灯连接R6,作为运行指示灯用，R6是限流电阻，保护LED3。一旦开关被按下则接通电源，LED3就会亮起，作为接通提示灯。如图3.4所示：图3.4电源电路图3.2.4蜂鸣器报警电路在蜂鸣器报警电路的设计中，单片机微控制器被用来控制BEEP，通过高电平或者低电平以命令蜂鸣器工作与否。Q1是NPN型三极管，电路在高电平时被接通，因此蜂鸣器开始工作。而电路在低电平时被接地，因此蜂鸣器不工作。一般蜂鸣器的工作电流较大，无法直接驱动工作，所以R4起到一个上拉电阻的作用，用来控制I/O端口的电流，在高电平时加大电流，从而满足蜂鸣器的工作电流要求。R14被用作限流电阻装置，以保护三极管不被击穿。当蜂鸣器工作响起时LED灯就会亮起，R13是作为LED灯的限流电阻使用。报警电路如图3.5所示：图3.5蜂鸣器报警电路3.2.5红外对管检测电路下面介绍检测电路的设计，检测电路设计中，LM393的本质是一个运算放大器，在设计中主要是作为电压比较器使用REF_Ref29629\w\h[14]。电压比较器的工作原理是：比较正负两端的电压大小来实现输出电流的高低，“+”端电压大于“-”端电压时，输出高电平，当“+”端的电压小于“-”端电压，输出低电平。电路模块设计中，LM393的3号引脚接到“+”端，2脚接的是“-”端。LED1为红外接收管，LED2为红外发射管。R7起到一个限流电阻的作用，可以保护发射管不被大电流烧坏。为了获得高电平，需要接上上拉电阻R3。当有物体遮挡时，发射管发射红外光，通过干扰物体的反射，接受管接收到信号，接收管就会导通接地，使得“+”端的电压为0，而“-”端的电压因为分压，电压为2.5V，从而“+”端电压小于“-”端电压，比较器输出低电平，右上角LED灯亮起。反之，没有遮挡物时因为上拉电阻R3的缘故，使得“+”端电压大于“-”端电压，输出高电平，右上角LED熄灭。单片机通过比较器输出的电平高低就可以知道是否有人经过。检测电路如图3.6所示：图3.6红外对管检测电路3.3步进电机介绍步进电机，又称脉冲电机，是一种将电脉冲信号转换为相应的角位移或线性位移的电机。一旦输入电脉冲，电机的转子就会翻转一个角度，或向前进REF_Ref30057\w\h[15]。它输出的角位移与输入的脉冲数量成线性关系，同时旋转速度也与脉冲频率成线性关系。步进电机价格实惠，操作简单，反应快速，它的这种控制特性非常适合用单片机来控制。步进电机工作时，不能直接接在直流电源和交流电源上，必须要有驱动电源来驱动才能正常工作。本次设计中使用的是28BYJ48步进电机，它的驱动电路使用ULN2003达林顿驱动电路。3.3.128BYJ48步进电机驱动方式步进电机的励磁技术方式分为全励磁和半步励磁，其中全励磁分为：1相励磁和2相励磁。而半步励磁也叫作1-2相励磁REF_Ref30158\w\h[16]。对于1相励磁而言，励磁顺序是：A-B-C-D-A。2相励磁的序列是：AB-BC-CD-DA-AB,而且步距角是最小步距角的两倍。1-2相励磁，励磁序列是A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，只要在给定的方式内给出高电平，电机就会在计划的方式内旋转。本设计中，步进电机的励磁方式采用的是半步励磁，其分配顺序如图3.7所示：图3.7电机励磁顺序3.3.228BYJ48步进电机参数28BYJ48的含义是：28：步进电机的有效最大外径是28毫米B：表示是步进电机Y：表示是永磁式J：表示是减速型（减速比1:64）48：表示四相八拍步步进电机的参数如表3.2所示：表3.2步进电机参数参数额定数值额定电压12VDC(另有电压：5V、6V、24V)相数4减速比1/64(另有减速比：1/16、1/32)步距角5.625°/64驱动方式4相8拍直流电阻200Ω±7%(25℃)空载牵入频率≥600Hz空载牵出频率≥1000Hz牵入转矩≥34.3mN.m(120Hz)自定位转矩≥34.3mN.m绝缘电阻＞10MΩ(500V)绝缘介电强度：600VAC/1mA/1S绝缘等级A温升＜50K(120Hz)噪音＜40dB(120Hz)3.3.3步进电机驱动电路在前面的驱动电路模块主题中，选择了ULN2003芯片来驱动步进电机。ULN2003是一个高电压、高电流的复合电子晶体管阵列，由七个硅型NPN复合晶体管组成REF_Ref23810\w\h[5]。与不同的驱动芯片相比，ULN2003最大的电流输出为500mA，而且高输出电流也很适合在这次设计下使用。它的结构原理如图3.8所示：图3.8ULN2003内部结构1号到7号引脚作为脉冲输入端，16号到10号引脚作为输出端，它们相互对应。8号引脚是公共端接地，9号引脚是接内部续流二极管负端公共端和电源正极，这样才形成续流回路。在驱动电路原理图设计中步进电机的1到4引脚和驱动芯片ULN2003的16到13引脚接到一起，5号引脚接电源。ULN2003的1到4号引脚接单片机的P1端口，8号引脚接地，9号引脚接到电源。这样就构成了电机驱动电路模块。驱动电路图如图3.9所示：图3.9驱动电路4系统软件设计与分析4.1软件设计方案对系统的硬件设计完成后，下面就对软件系统的设计与开发。软件系统设计可以对整个系统进行仿真及调试，硬件设计与软件结合，才能达到设计的要求。在系统软件设计中，有许多细节需要我们揣摩，软件开发设计主要有以下的步骤：1.绘制功能图，根据系统设计要实现的功能，对每个模块的功能应该明确。2.确定相应的算法研究，一个合理的算法可以更好的编写程序。3.画出程序流程图，流程图可以直观的表现出系统设计的流程思路。4.编写程序。按照设计要求编写出相应的程序，并且保证程序可行。编写程序使用汇编语言。5.软件程序调试，完成设计后要不断对进行程序调试，从而得到更简洁的结果。软件设计主要有主程序流程图，蜂鸣器流程图，定时计数流程图设计以及电机编码顺序设计。4.2主程序设计流程图主程序设计思路：开始启动电源时，启动红外检测模块判断是否有人，当列车到达，有人接近时快速开门，然后慢速开门，门开启完毕后，定时延时一定时间，若检测到无人后开始关闭门。主程序流程图如图4.1所示：图4.1主程序流程图4.3蜂鸣器报警流程图蜂鸣器报警流程设计：列车即将到站后，启动红外检测，判断是否有人靠近，有人则蜂鸣器开始报警提示乘客，然后开门，到达设定时间后，蜂鸣器再次报警，提示即将关门。蜂鸣器报警流程图如图4.2所示：图4.2蜂鸣器报警流程图4.4定时流程图设定定时时间为60秒，开始定时计数后，每次变量加1，直到到达设定时间，然后清零返回，定时流程图如图4.3所示：图4.3定时流程图4.5步进电机正反转编码当步进电机的哪一个相位得到一个高电平时，它所在的线圈就会得电，同时电机也开始旋转。步进电机旋转一个周期的相位顺序如表4.1所示：表4.1电机励磁顺序及编码相位第一步第二步第三步第四步第五步第六步第七步第八步A相11000001B相01110000C相00011100D相00000111编码0x080x0c0x040x060x020x030x010x09电机励磁顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，这是电机正转顺序，电机反转则是顺序反过来。4.6系统软件调试4.6.1软件介绍软件程序开发使用的是Keil，它是由KeilSoftware德国公司制造的单片机集成开发软件。51单片机的所有系列都与之兼容，可以上面进行程序编译及运行调试，同时通过一个开发环境将不同的功能部分组合在一起。Proteus和Keil可以结合在一起使用，Proteus主要进行硬件仿真的执行，Keil提供软件执行环境，两者相互配合使用可以更好的对本次设计进行调试。4.6.2软件程序调试分析在程序设计的过程中，根据设计的要求，将系统分成多个部分。主要有电机启动函数部分、开关门及蜂鸣器设计函数、定时计数函数。每个函数合理设计再构成总体，这些都是根据流程图来设计，可以节约大量的时间。程序编写调试中往往会出现许多问题，如变量类型选取不当、函数调用错误等，都会造成程序错误，需要进行多次查找和修改才能得到结果。程序调试结果如图4.4所示：图4.4程序调试运行结果5仿真运行与硬件制作运行仿真模拟的软件系统是Proteus软件系统，它具有多种元器件库，可以完成电路仿真，是一个能够实现模拟调试、测试和验证大量不同微处理器的工具。在Proteus软件系统上，我们能够一次又一次地修正系统，直到得出满意的仿真运行结果，系统的模拟将完全在该系统上进行。5.1仿真运行在仿真上使用一个开关来进行红外检测的控制，按下开关时表示红外检测接收到有人靠近，这时候蜂鸣器指示灯亮起并且响起，提示列车即将到达，然后电机开始正转，开始以及依次打开自动门和屏蔽门，相应指示灯亮起。如图5.1所示：图5.1自动门屏蔽门开启等门完全打开后，开始延时1分钟，时间到达后，蜂鸣器再次响起，提示列车即将关门，然后进行关门动作，控制屏蔽门和自动门的灯亮起。如图5.2所示：图5.2自动门屏蔽门关闭5.2硬件制作在前面的介绍以及仿真，可以得出本次设计是可行的，所以下面对系统进行硬件的设计及制作。单片机的硬件制作开发流程如下：1.绘制PCB电路原理图，根据原理图制作电路板。2.元器件的布局及焊接。3.将程序烧录单片机程序。4.硬件功能检测，制作完成后应该对成品进行检测，是否达到预期成果。5.3硬件PCB板制作制作PCB板，使用的是DXP软件。首先先在上面绘制原理图，制作或者在元器库选择相应的元器件，然后