控课程设计-基于单片机的自动门控制系统设计(编辑修改稿)

控课程设计-基于单片机的自动门控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极， 然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。 由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。 人体都有恒定的体温，一般在 37 度，所以会发出特定波长 10UM 左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10UM 左右的红外线而进行工作的。 人体发射的 10UM 左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。 红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生信号。 8 1—— D 脚 2—— S 脚 3—— G 脚 图 26 热释电红外传感器内部结构 图 26 是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图。 使用时 D 端接电源正极， G 端接电源负极， S 端为信号输出。 该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的是消除因环境和自身变化引起的干扰。 它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿。 对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上，从而使传感器输出电压信号。 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材 料，它的探测波长范围为～ 20μm。 为了对某一波长范围的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波长范围的红外辐射通过外，还能将灯光、阳光和其它红外辐射拒之门外。 9 第 3 章 硬件设计 基本单片机系统 8051 单片机最早由 Intel公司推出， 作为系统的控制器，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法，并且具有功耗低，体积小，技术成熟，成本低廉。 在各个领域应用广泛。 而且我们也比较熟悉这款芯片，因此采用 8051 构成系统控制部分。 这是自动门系统的控制核心， 一般情况下以单片机片内的基本硬件资源为主，有必要时再扩展部分外部器件。 在本设计中需要完成的控制比较简单，以单片机片内的基本硬件资源完全可以实现， 因此不需扩展。 其单片机电路图如图31。 图 31 单片机电路图 红外检测电路 红外检测电路主要由热释电红外传感器和检测放大电路组成，核心元件是热释电红外传感器，它能以非接触形式检测人体辐射出的红外线能量变化，并将此变化转化为电压信号输出。 不需要红外线和电磁波发射源以及各种主动接触开关由于敏感元件的输出电压极微弱且其阻抗 很高，故在传感器内部设有场效应管及 10 偏置厚膜电阻，从而构成信号放大及阻抗变换电路， 一般热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低， 检测距离仅 2m 左右。 当有人靠近自动门时，被热释电红外传感器接收下来，并将其转换成信号，经检测放大电路内部放大 （约 500倍）后使继电器产生吸合，从而输出开关量 输出给单片机。 其热电释红外检测电路如图 32 所示。 图 32 热电释红外检测电路 步进电机 步进电动机是纯粹的数字控制电动机：它将电脉冲信号转变成角位移，即 接收 一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度。 因此作常适合于 单片机控制，近30 年来，数字技术、计算机技术和水磁材料的迅速发展推动步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 步进电动机的特点 及选型 步进电动机的特点： (1)步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比具有良好的跟随型。 以由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单、廉价，又非常可靠。 11 同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭外数控系统。 (2)步进电动机的动态响应快，易于起停、正反转及变速。 (3)速度可在相当宽的范围内平滑调节。 低速下仍能保证获很大转矩，因此，一般可以 不用减速器而直接驱动负载。 (4)步进电动机只能通过脉冲电源供电才能远行。 它不能直接使用交流电源和步进电源。 (5)步进电动机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。 (6)步进电动机自身的噪音和振动较大，带惯性负载的能力较差。 步进电动机的选型： （ 1） 步进电机转矩的选择 步进电机的保持转矩，近似于传统电机所称的“功率”。 当然，有着本质的区别。 步进电动机的物理结构，完全不同于交流、直流电机，电机的输出功率是可变的。 通常根据需要的转矩大小 (即所要带动物体的扭力大小 )，来选 择哪种型号的电机。 大致说来，扭力在 以下，选择 2 3 3 42(电机的机身直径或方度，单位： mm)。 扭力在 左右的，选择 57 电机较为合适。 扭力在几个 或更大的情况下，就要选择 8 1 130 等规格的步进电机。 （ 2） 步过电机转速的选择 对于电机的转速也要特别考虑。 因为，电机的输出转矩，与转速成反比。 就是说，步进电机在低速 (每分钟几百转或更低转速，其输出转矩较大 )，在高速旋转状态的转矩 (1000 转 /分 9000 转 )就很小了。 当然，有些工况环境需要高速电机 ，就要对步进电动机的线圈电阻、电感等指标进行衡量。 选择电感稍小一些的电机，作为高速电机，能够获得较大输出转矩。 反之，要求低速大力矩的情况下，就要选择电感在十几或几十 mH,电阻也要大一些为好。 （ 3） 步进电机空载起动频率的选择 步进电机空载起动频率，通常称为“空起频率”。 这是选购电机比较重要的一项指标。 如果要求在瞬间频繁启动、停止，并且，转速在 1000 转 /分钟左右 (或更高 )，通常需要“加速启动”。 如果需要直接启动达到高速运转，最好选择反应式或永磁电机。 这些电机的“空起频率”都比较高。 （ 4） 步进电机的相数选择 步进电机的相数选择，这项内容，很多客户几乎没有什么重视，大多是随便购买。 其实，不同相数的电机，工作效果是不同的。 相数越多，步距角就能够做的比较小，工作时的振动就相对小一些。 大多数场合，使用两相电机比较多。 在高速大力矩的工作环境，选择三相步进电机是比较实用的。 因为本设计需要步进电机 空气频率较高，所以设计 选用的是永磁式步进电动机。 12 驱动控制系统的组成 使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统， 因此 ，选用 ULN20xx 作为步进电机的驱动器。 其方框图如图 33 所示。 步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。 在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。 其基本控制作用如下 : 反应式步进电动机控制换相顺序：步进电动机的通电换相顺序严格安照步进电动机的工作方式进行。 通常我们把通电换相这 — 过程称为脉冲分配。 三相六拍步进电机工作方式通电换相的正序是 AABBBCCCA ；反序为ACACBCBAB；共有八个通电状态。 斩波驱动 斩波恒流驱动的原理如图 34 所示。 T1 是一个高频开关管。 T2 开关管的发射极接一只 小电阻只，电动机绕组的电流经这个电阻到地，所以这个电阻是电流取样电阻。 比较器的一端接给定电压 Uo，另一端接取样电阻上的压降，当取样电压为 0 时，比较器输出高电平。 图 34 斩波恒流驱动电路原理图 当控制脉冲 Ui 为低电平时． T1 和 T2 两个开关管均截止；当 U1 为高电平时， T1 和 T2 两个开关管均导通，电源向绕组供电。 由于绕组电感的作用，只上的电压逐渐升高， 当超过给定电压 Uc 的值时，比较器输出低电平，使与门输出低电平、 Tl截止，电源被切断；当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高 电乎，与门也输出高电平， T1 又导通，电源又开始向绕组供电。 这样反复循环，直到 Ui为低电平。 信号分配 脉冲信号 负载 步进电机 功率放大 图 33 驱动控制系统图 13 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。 生活中的检测防范装置有许多种，其中对射红外探测器的应用最为广泛，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，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。 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 、 、 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。 整体电路如图 35 所示。 14 图 35 整体电路图 15 第 4 章 软件设计 系统软件结构 整个系统软件主要由主程序、开门子程序、关门子程序、 T0 中断服务程序、T1 中断服务程序、外部中断服务子程序组成。 主程序主要是完成系统进行初始化、中断设置等功能。 程序设计中设置了一个外部中断 0，它保证红外自动门能够在无人操控情况下自动运行，主要功能是当检测到有人出入门时，启动电机，从而实现自动开关门的目的。 系统主程序及主流程图 主程序源代码 ： K0 BIT。 开关 1 K1 BIT。 开关 1 K2 BIT。 开关 1 K3 BIT。 开关 1 YR。