腾耀娱乐-指定注册PAGE PAGE 1 毕 业 设 计 （论 文） 课题名称： 基于单片机的自动感应门设计 电子信息工程 1 摘要 随着科技的不断发展， 自动门在人们日常生活中断得到了广泛的应用，同时对其安全性及各方面的性能的要求越来越高。自动门的控制系统是随 着人们对生活条件的不断追求，科技的不断发展应运而生的高科技产品。 由于单片机系统的适应能力强，稳定性高，所以本设计采用 AT89C51 单片机作为主控制器。 本次设计是红外线自动门控制系统，使用红外线传感器作为感应器，检测到人体辐射的红外线能量变化，将其转化为电信号，传给单片机。交流电机作为门驱动装置。通过单片机控制交流电机，使门自动打开，当人 进门后又可以使门自动关闭。 本课题主要实现红外线 的单片机控制系统。 关键词 ：单片机；热释红外线 芯片 Abstract With the development of science and technology, automatic door interrupt widely used in peoples daily life, at the same time on the performance ofsecurity and the requirements of increasingly uses AT89C51 microcontroller as the main controller. The design of infrared automatic door control system, using infrared sensors as sensor detect radiation infrared energy change, transformed into electrical signals, transmitted to the single chip microcomputer. AC motor as thedoor driving device. Through the MCU to control the AC motor, so that the door opened automatically, when the person after the door and can make the doorclosed automatically. This subject mainly realizes infrared detection and control system based on AT89C51 single chip microcomputer. Keywords: single chip microcomputer; pyroelectric infrared sensor; AT89C51;BIS0001 chip 目录 一 绪论 1... （一） 课题研究的可行性 1.. （二） 自动门的发展 1.. （三） 电机自动控制系统的应用和发展 2. （四） 课题研究的目的和意义 3.. （五） 课题研究的要求 4.. （六） 设计的基本思路 4.. 二 系统硬件设计 5... （一） 设计电路的框图和原理（原理图见 附录 1） 5. （二） 单片机介绍 7.. 1 AT89C51 管脚说明 9.. 2 AT89C51 主要特性 1..0 3 芯片擦除 1.0. （三） 热释电红外传感器介绍 11 （四） BISS0001 芯片介绍和典型电路 1.3 BISS0001 的内部结构及特点 1.3 BISS001 管脚图及管脚说明 1.5 3 BISS0001 工作原理 1..6 （五） 步进电机 1.7. 1 步进电动机的特点 1..8 2 驱动控制系统的组成 1..9 3 斩波驱动 2..0. 三 系统软件设计及调试 2..1 （一） 系统软件结构 2..1 （二） 各部分程序流程设计（见附录 2） 2. 1 （三） 调试2..2. （四） 门行程检测及故障检测 2..2 谢辞2..3.. 参考文献 2..4. 附录 1：设计电路原理图 2.5. 附录 2：信号流程说明 2..6. 附录 3：程序源代码 2..6. 一 绪论 （一） 课题研究的可行性 在不断发展的当今社会科技化、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，将加快科学技术的发展。 本论文着重阐述了以单片机为主体， 步进电机、传感器为核心的系统 。 （二） 自动门的发展 自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸， 是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。自动门指：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。 自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期， 美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在 1945 年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开 始使用了。到了 1962 年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率 很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直 接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。例如：各种用可识别控制的自动专用门，如：感应自动门 ( 红外感应，微波感应，触摸感应，脚踏感应) 、刷卡自动门等。 21 世纪的今天， 门更加突出了安全理念， 强调了有效性： 有效地防范、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始于 150 年前，在不断发展和完善的过程中，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。 （三） 电机自动控制系统的应用和发展 1 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。 1 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，还可以制造出便于控制纳新 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。 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、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。 （四） 课题研究的目的和意义 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、自动折叠门等，其中自动平移门使用得最广泛，我们通常所说的自动门、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， 红外线感应到人的存在， 给控制器一个信号，控制器通过驱动装置将门打开。当人通过门之后，再将门关闭。由于自动 门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，提高了建筑的档次。 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 平移门控制系统成为学校、 公司等人流密集地疏导人流、 控制出入的首选。 （五） 课题研究的要求 （ 1）了解各种元器件的原理及其在电路中的作用，绘制出电路原理图。 （ 2）查阅相关资料，了解有关自动门设计的一些必要的知识。 （ 3）复习在学校里所学的知识，并且联系实际，想好设计方案等等。 （六） 设计的基本思路 1、有人来时（进门或出门）开门。当人走到离门不远的时候，安装在门上侧的热释红外线传感器信号检测装置检测到有人时，将启动电动机带动传动链开门。 2、无人时关门延迟 , 当热释收发装置没有检测到有人在离门 1m的范围内，将延迟 1 秒启动电动机带动传动链关门。 3、关门中途来人，立即开门。当启动电动机带动传动链关门时，感应探 头突然检测到在离门 1m 的范围内有人，则立即停止电动机关门，启动电动机带动传动链开门。 总体结构图如下图 1-1 ： 图 1-1 设计总结构 二 系统硬件设计 （一） 设计电路的框图和原理（原理图见 附 录 1） 红外自动门控制系统主要由 AT89C51单片机及其外围电路、红外检测 电路，门行程检测电路、步进电机控制电路、故障检测电路、故障显示电 路、控制方式切换电路等七部分组成。单片机循环检测红外检测电路和门 行程检测电路输出信号， 据此产生步进电机控制信号， 电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应的控制方式。如门在关 门过程中遇到人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开，当系统出现故障，进入故障处理程序。 系统硬件框图如图 2-1 所示： 图 2-1 系统硬件框图 感应自动门的种类很多，在此，仅以平移型感应自动门机作为设计的重点。首先，平移式自动门机组由以下部件组成： （ 1）主控制器：它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。 （ 2）感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。 （ 3）动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运 行。 （ 4）门扇行进轨道：就像火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统， 使其按特定方向行进。 （ 5）门扇吊具走轮系统 : 用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。 同步皮带（有的厂家使用三角皮带） ：用于传输马达所产动力， 牵引门 扇吊具走轮系统。 （ 6）下部导向系统：是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。 （ 7）当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下： 感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带， 再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器做出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。 （二） 单片机介绍 单片微型计算机简称单片机， 单片机又称单片微控制器， 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。单片 机由运算器，控制器，存储器，输入输出设备构成，相当于一个微型的计 算机（最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。概括的讲： 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。它最早是被用在工业控制领域。 由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在 芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。单片机从七十年代问 世以来， 在二十多年的时间里， 发展异常迅速， 并已广泛应用于各种领域。单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可 并行工作，大大地提高了系统的运行速度，所以在网络通讯领域也得到了 越来越多的应用。 AT89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储 器（ FPERO—MFlash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。 AT89C2051是一种带 2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器 可以反复擦除 100 次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制 造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL的 AT89C51是一种高效微控制器， AT89C2051是它的一种精简版本。 AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 外形及引脚排列如图 2-2 所示： 图 2-2 AT89C51 外形及引脚图 AT89C51 管脚说明 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0 口： P0 口为一个 8 位漏级开路双向 IO 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。当 P1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据地址的第八位。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 IO 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 P2 口： P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口， P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流， 当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高， 且作为输入。并因此作为输入时， P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。 P3 口：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 IO 口，可接收输出 4 个 TTL门电流。当 P3 口写入“ 1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL ）这是由于上拉的缘故。 P3.0 —RXD：串行输入口 P3.1 —TXD：串行输出口 P3.2 —INT0：外部中断 0 P3.3 —INT1：外部中断 1 P3.4 —T0：记时器 0 外部输入 P3.5 —T1：记时器 1 外部输入 P3.6 —WR：外部数据存储器 P3.7 —RD：外部数据存储器 P3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 AT89C51 主要特性 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程闪烁存储器 寿命： 1000 写擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz-24Hz 三级程序存储器锁定 128*8 位内部 RAM 32 可编程 IO 线 个中断源 * 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 芯片擦除 整个 PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE管脚处于低电平 10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“ 1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑， 支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， CPU停止工作。但 RAM， 定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 RAM的内容并且冻结振荡器， 禁止所用其他芯片功能， 直到下一个硬件复位为止。 （三） 热释电红外传感器介绍 热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶 瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为 2*1mm 的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制 由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射 转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了 提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个 菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干 等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信 号放大 70 分贝以上，这样就可以测出 10-20 米范围内人的行动。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的 “盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。 人体辐射的红外线um，而探测元件的波长灵敏度在 0.2-20um 范围内几乎稳定不变。 在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为 7-10um，正好适合于人体红外辐 射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种 专门用作探测人体辐射的红外线传感器。 热释红外线传感器内部结构与电路如下图 2-3 所示。热释电传感器利 用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶 体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有 ΔT 的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷 Δ Q，即在两电极之间产生微弱电压 Δ V 。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管 进行阻抗变换。热释电效应所产生的电荷 Δ Q 会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时， Δ T=0，传感器无输出。当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生 ΔT ，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感 器能检测人体或者动物的活动。热释电红外传感器的结构及内部电路见下 图所示。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件 PZT 、场效应管 FET 等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为 6mm 多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约 5mm 以下）可很好滤除。热释电元件 PZT 将波长在 8mm-12mm 之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通 常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。热释电红外探头的优缺点： 优点：本身不发任何类型的辐射， 器件功耗很小， 隐蔽性好。价格低廉。缺点：容易受各种热源、 光源干扰； 被动红外穿透力差， 人体的红外辐 射容易被遮挡，不易被探头接收；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。 （四） BISS0001 芯片介绍和典型电路 图 2-3 BISS0001 芯片 BISS0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路， 它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动 快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配，而且也能和其他多种传感器进行匹配。它的内部是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定 时控制器、 锁定时间控制器和禁止电路等组成。 BISS0001 采用 16 脚标准型塑料封装结构。 BISS0001 的内部结构及特点 下图 2-3 中，运算放大器 OPl 将热释电红外传感器的输出信号作第一 级放大，然后由 C3 耦合给运算放大器 01： 2 进行第二级放大，再经由电压比较器 COPl 和 ODP2 构成的双向鉴幅器处理后， 检出有效触发信号 VS 去启动延迟时间定时器，输出信号 VO 经晶体管 T1 放大驱动继电器去接 通负载。 图 2-4 热释红外传感器处理芯片 BISS0001 的特点： *CMOS 工艺，公耗低 * 数模混合 * 具有独立的高输入阻抗运算放大器 * 内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰 * 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器 * 采用 16 脚 DIP 封装 * 内置参考电源 * 工作电压范围宽（ 3V～ 5V) BISS001 管脚图及管脚说明 图 2-5 BISS001 管脚图 1 脚（ A）为触发方式控制端，当 A＝1 时，电路可重复触发；当 A＝0 时，电路不可重复触发。 脚（ V0 ）为控制信号输出端，当有传感信号输人时， V0 输出高电平。 脚（ RX ）和 4 脚（ CX ）为输出定时控制器 T ，的外接元件端，定时时间为： TX ＝ 50×103RXCX 。 5 脚（ Ri ）和 6 脚 Ci ）为锁定时间控制器 Υi 的外接元件，锁定时间 Ti ＝ 24RiCi 。 脚（ VSS）为电源正端。 脚（VRF ）为参考电压及复位端，使用时一般接 VDD ，若按Ⅴ SS，可使定时器复位。 脚（ Vc）为触发禁止端，当 VC ＜VR 时禁止触发；当 VC ＞ VR 时，允许触发， VR ＝0.2VDD. 脚（ IB ）为偏置电流设置端， 由外接电阻 RB 接Ⅴ SS 端，RB 一般取 1M Ω 的电阻。 脚（ VDD ）为电源正、负端。 脚（ OUT2 ）为第二级运放的输出端 脚（ IN2- ）为第二级运放的反相输人端。 脚（ IN1+ ）第一运放的同相输入端。 净（ IN1- ）第一运放的反相输入端。 脚（ OUT1 ）为第一运放的输出端。 3 BISS0001 工作原理 BISS0001 是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。当热释电红外传 感器接收到人体红外辐射后输出检测信号，然后由 14 脚 输入 BISS0001, 经地内部电路处理，由 2 脚输出探测信号（正向脉冲信号）。输出脉冲信 号的宽度由外接电阻 R9和电容 C6来决定。 当 2 脚输出控制脉冲后， 电子开关被接通，数字编码电路和无线电发射电路由于得到电源而开始工作。 电源变压器为 5W15V， E 为 12V 免维护蓄电池，供停电使用。 S1 为锁控电源开关，可根据需要安装在适当处所，用来接通工作电源，无必要时可取 消设置。 SCR采用 1A 的单向可控硅。 HFC9301为软封装发声电路，发声为“嘀、嘀”声。电路的调试主要是主机与各分机之间的统调。将发射电路 和接收电路组装好后，先将发射机中 C10的调至适当位置后固定不动，接 着调整接收机中的 C1，使接收机能收到发射机发出的信号。 若为“一对多”或“多对一”报警系统，应先将主机“一”（可以是发射机，也可以是接 收机 ）调好固定，然后调整各分机，使其与主机统调。 BISS0001 应 用线 的热释电红外开关应用电路图 上图中， R3 为光敏电阻， 用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮， R3 的电阻值会降低， 使 9 脚的输入保持为低电平， 从而封锁触发信号 Vs。SW1 是工作方式选择开关，当 SW1 与 1 端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当 SW1 与 2 端连通时，芯片则处于不可重复触 发工作方式。图中 R6 可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选 10K，实际使用时可以用 3K ，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间 TX 由外部的 R9 和 C7 的大小调整，触发封锁时间 Ti 由外部的 R10 和 C6 的大小调整， R9R10 可以用 470 欧姆， C6C7 可以选 0.1U。在 BISS0001 的内电路中，运放 A 是一个独立的放大器，由它放大后输出的信号电压通过 （五） 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．即结一个脉冲信号，步进电动机就转动一个角度．因此非常适合于单 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 动厂步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广阔的前景。 图 2-7 步进电动机 步进电动机的特点 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。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直流电源 (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。 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，其方框图如图 2-6 所示： 图 2-8 驱动控制系统方框图 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按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 A-AB-B-BC-C-CA ；反序为 A-CA-C-BC-B-AB ；共有八个通电状态 P1 口输出控制信号， 0 表示绕子通电，表示绕子断电，则可以用六个字来表示六个通电状态。 2）控制电路模型如 2-7 图所示： 图 2-9 控制电路模型 斩波驱动 下面讲的是斩波恒流驱动的原理图。 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 Uc，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。 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。 图 2-10 斩波恒流驱动的原理图 三 系统软件设计及调试 （一） 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。 （二） 各部分程序流程设计（见附录 2） 在开门过程中首先进行门状态检测，根据所检测到的信号判断自动门上次停机所处位置。根据检测结果确定门此刻应运行方式，如检测出门是半开状态，门直接转入加速开门的过程。如检测出门是全开状态，门转入延时开门过程。如检测出门是全关状态，那么在检测到有人出人时，门会缓慢打开，之后加速运行，接着减速运行，最后电机停止运转，门由于惯性缓慢关闭。自动门开门后暂停一段时间，然后关门。关门是开门的一个反过程，它经过慢速运行、加速运行、减速运行、惯性运动直至停止这几个过程。在自动门关闭过程中当系统接收到由红外线传感器电路发出的有人出入的信号时，门会重新打开。与开门情况不同的是当在关门过程中检测到故障信号时门会朝反方向运动，将门打开，这样可以排除因自动门遇到障碍物或人身体而产生故障信号使整个系统停止工作的可能。 为了运行过程可靠，在以不同速度运行过程中，对运行时间做了安全设置，当在开门状态下检测到运行时间超过安全时问或系统出现故障时， 程序转人故障处理程序。 （三） 调试 调试为了确保该门控系统的安全高效运行必须满足下列条件： 1．大门的结构必须适合于自动控制 特别要注意滚轮的直径必须与需要控制的大门重量相匹配其尺寸和重量符合有关技术规范之规定。 2．确保大门在滑动过程中不发生倾斜。 3．确保大门活动平稳 准确 在整个移动过程中不出现任何不正常的摩擦现象。 4．确保地面条件稳固 避免固定基座的膨胀螺丝发生摇晃。 5．认真检查上方导轨和行程限位的机械挡块是否安装到位。 （四） 门行程检测及故障检测 门行程检测电路通过检测门行程开关的闭合情况来发送不同的信号， 使电机改变转速，进而控制门运行的速度以提高运作效率，为了保护门不 受到损害和保证门运行效率，在门行程检测电路中设置了四个行程开关。 它们分别代表开门极限、行程极限 1、行程极限 2、关门极限。门在开启过程中，分别经过慢速、加速、减速和停止四个过程，门的关闭过程则与上 述过程相反。门运行到极限位置时，限位开关动作，单片机根据接收到响 应的信号，改变电机运行速度。 在故障检测电路中，配置了温度和速度传感器，用来监测电机的工作 情况，从而实现电机过热保护和门运行障碍保护，同时还设置了电压监控 电路，用于检测系统异常情况。 检测电路首先将检测到的信号转换成电压， 然后经单片机内部的户以转换器变成数字信号，单片机定期读取数据，一 旦发现数据异常， 即马上采取相应的紧急措施， 向系统发 出故障信号， 系统停止工作，向故障显示电路发出指令，发出报警信号并显示故障类型。 谢辞 在此次有关自动门的控制系统的设计，让我感觉到了单片机的复杂深度性，它很贴切我们的日常生活，无所不在，应用无处不有，它并不是想象中的那么简单，也并非是无法克服的堡垒。 设计硬件之前，要首先收集好有关的基础性资料，应备有良好的应用类参考书和专业类参考书。对于有关的科技期刊和专利文献，也要经常阅 读以便了解最新的发展情况， 借鉴现成的经验， 避免重复劳动。 在设计中，要充分了解所用芯片的使用条件及输入输出的特性，这样才能避免因使用 错误而多走弯路。 电路设计部分应该有的精神就是广集资料。只凭借自己头脑中的知识是远远不够的。哪里出现了问题，就要翻书本，或上网查资料。当然也要开动自己的脑筋怎样使系统电路更完美。例如我的设计题目是基于单片机的自动门控制系统设计。有自动门，自然会用到电动机，每种电机都有不同的特性和功能，你就要进行选择了。例如对电机的选择，你就要选择你所熟悉的，所了解的。 在电路设计时，应充分发挥单片机的记忆运算、判断控制能力，避免 采用复杂的、 稳定性较差的模拟电路。 本设计程序以汇编语言语言编写，易于读写、易于调试和修改，同时汇编语言用来编制系统软件和过程控制 软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快。 为了使微机控制系统各种硬件设备能够正常运行，有效地实现电机各 个控制环节的实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路，还必须要有 高质量的软件支持。因此用汇编语言编写电机单片机实施控制的应用程序，是整个系统中十分重要的内容。 最后我非常感谢学校和老师给我们这么好的学习机会，让我亲身去体会一个项目开发的艰难性，第一次站在一个设计者的角度去看，体会到了他们的艰辛，同时我也感受到了老师对我们的付出，对我们的精心指导， 让我顺利完成这次学习任务。 参考文献 张金铎 等编著《传感器及其应用》 [M]. 西安电子科技大学出版社， 何希才编著《传感器及其应用实例》 [M]. 机械工业出版社 .2003. 单成祥编著《传感器的理论与设计基础及其应用》 [M]. 国际工业出版 金庆发编著《传感器技术与应用》 [M]. 机械工业出版社 .1994. 张迎新编著《单片微行计算机原理、应用及接口技术》 [M]. 国防工业出版社 .2000. 康华光 . 陈大钦编著《电子技术基础》 [M]. 高等教育出版社 ,1998. 胡汉才编著《单片机原理及其接口技术》 [M]. 北京：清华大学出版 陈永甫编著《红外线探测与控制电路》 [M]. 北京：人民邮电出版 黄继昌等编著《传感器工作原理及应用实例》 [M]. 人民邮电出版 沈红卫编著《基于单片机的智能系统设计与实现》 [M]. 北京 . 电子工业出版社 .2005. 编著阳宪惠《现场总线技术及其应用》 [M]. 清华大学出版社 .1999. 张友德 , 等编著《单片机原理应用与实验》 [M]. 复旦大学出版社 .2000. 李朝青编著《单片机原理及接口技术》 [M]. 北京航空航天大学出版社.1996. 阎石编著《数字电子技术基础》 [M]. 高等教育出版社 .1998. 陈玉宏编著《向凤红 . 自动控制原理》 [M]. 重庆 : 重庆大学出版社.2003.

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