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1、 本科毕业论文（设计）题目：基于单片机的自动感应门设计姓 名 吴有芬 学 号： 1042057132 专 业： 电子信息科学与技术 职称学位： 讲师硕士 完成时间： 2013年5月 教务处制安徽新华学院2014届本科毕业论文（设计）安徽新华学院本科毕业论文（设计）独创承诺书本人按照毕业论文（设计）进度计划积极开展实验（调查）研究活动，实事求是地做好实验（调查）记录，所呈交的毕业论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中特别加以标注引用参考文献资料外，论文（设计）中所有数据均为自己研究成果，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所
2、做的工作已在论文中作了明确说明并表示谢意。毕业论文（设计）作者签名： 日期： 基于单片机的自动感应门设计摘 要随着科技的进步和社会的发展，人们的生活水平得到了极大的提高。各种方便生活的自动控制系统进入了人们的生活，以单片机为核心的自动感应门控制系统就是其中之一，并在人们的日常生活中发挥着重要的作用。相比于传统的手推门，自动感应门能够自动控制门的开关，还具有安全、稳定和美观等优点，自动感应门在银行、酒店、商场、写字楼等公共场所都得到了广泛的应用。本文基于自动感应门在日常生活中的广泛应用。提出设计一款基于单片机的自动门控制系统。该系统以AT89S52单片机为控制核心，选用热释电人体感应传感器检测是
3、否有人员进入，选用红外传感器检测当前门的状态。并选用步进电机控制门的开和关。该系统能够自动检测是否有人靠近门，并判断当前门所处的状态，从而实现门的自动打开和关闭。本系统的特点在于选用新型的人体检测传感器，这可以保证系统能够更加稳定的工作。此外，本系统还选用了红外传感器来检测当前门的状态，从而实现门的智能控制。关键词：自动感应门；传感器；AT89S52 IThe design of automatic induction door based on single chip microcomputer题目我已帮你修改过，就照这个题目AbstractWith the progress of scie
10、计.164.1 软件设计方案.164.2 软件设计.164.2.1 主函数程序设计.164.2.2 门状态初始化程序设计.174.2.3 门状态检测与控制程序设计.184.2.4 门关闭程序设计.184.2.5 声光报警程序设计.195 系统调试.205.1仿线 IV1 绪 论1.1 设计背景在一些公共场所，传统的门都是手推的，在实际应用中显得非常的麻烦。 随着自动感应门的出现使这一问题得到了解决。自动感应门可以在银行、酒店、商场和写字楼等地见到，只要我们走到门口
11、，自动感应门就能够自动控制门的打开。当人离开一段时间时候，又能自动的进行关闭。这样就能给人们的生活提供极大的便利。随着生活水平的提高，人们对生活的便利性、建筑安全性和环保型投入了更大的关注。据有关预测显示，至2015年，国内自动感应门和门机年销售量将超过140,000台，比2009年翻了一番。虽然自动感应门能够能够给人们带来很大的便利，但是，由于自动感应门价格相对比较昂贵。使得其应用受到了很大的限制。目前，自动感应门多应用经济发达的东部及东南沿海地区。本系统基于自动感应门所存在的一些问题，提出设计一款基于单片机的自动门控制系统。本系统使用新型的人体感应和红外传感器，可以极大的降低自动感应门的成
12、本，从而推动自动感应门在人们生活中的广泛应用。1.2 自动感应门的发展历史和现状20世纪20年代后期，随着美国的超级市场开放，自动门开始得到了广泛的应用。1945年，世界第一自动门品牌开发出了油压式和空气式自动门，并在办公楼正式的使用。从1960年开始，电气式的自动感应门开始出现，之后随着城市的建设，自动门技术得到了迅速的发展。 由于技术的限制，最初的自动门采用油压式和空气式来进行控制，能源利用率较低。随着技术的发展，使用电机控制技术得到了迅速的发展。目前自动感应门大多都采用直接控制电机的方式。自动门是在上世纪90年代后进入中国，并在国内发达的沿海地区得到了较广泛的应用。最初，中国市场上的自动
13、门主要来自欧美和日本等国家，随着自动门的广泛应用，国内的自动感应门也得到了迅速的发展。并且在市场上占据了一定的份额。截至2012年底，中国自动门市场上已经有80余个品牌的自动门成套设备，2012年国内自动门销售市场规模达到了7.2亿元。目前中国已经成为全球自动门、电动门和出入口控制设备的最大市场及生产制造中心，自动门的发展前景十分可观。此外，全球的自动门厂商都试图在中国谋求发展，这也使得自动门市场日趋激烈。自动门产品主要应用于经济相对发达的东部及东南沿海地区。其中北京、上海、广州和深圳是自动门产品的最大消费市场。随着外商投资向内地转移，自动门的使用地域也开始不断的向内陆发达城市延伸。1.3 设
14、计自动感应门的意义 目前，国内的自动感应门价格相对比较昂贵，使得自动感应门的应用受到了一定的限制。本系统基于单片机，提出设计一款使用新型的人体感应传感器和红外传感器的自动门控制系统。采用本系统，可以极大的降低自动感应门的成本，从而推动自动感应门在国内的广泛应用1.4 论文主要完成的工作本论文研究的主要内容是设计一款使用新型的人体感应传感器和红外传感器的自动门控制系统 主要的设计任务有：（1） 当有人靠近时，本系统能够通过传感器正确的检测人体，然后控制电机自动打开门。（2） 当门处于半开状态时，自动门应该以一个适当的速度来打开门。（3） 当门处于打开状态时，系统应该使门保持在开启状态。当人员离开
15、之后，系统控制门保持打开状态4秒，之后控制门关闭。如果门处于关闭状态，在保持门关闭。（4） 本系统选用红外传感器来检测门所处的三个状态，即打开状态、关闭状态和半开状态。2 系统总体设计2.1 设计要求本系统要求设计一款基于单片机的自动门控制系统。首先采用人体感应传感器来检测是否有人员靠近。如果有人员靠近，自动打开门。当人离开之后，系统控制门自动等待一段时间，然后控制电机进行关门。此外，本系统选用红外传感器来检测门所处的状态，并且将门的状态分成了三种。也就是打开状态、关闭状态和半开状态。本系统根据门所处的状态和是否有人员靠近等来控制门的智能开启和关闭。2.2 总体设计方案本系统主要实现一个自动感
16、应门控制系统。系统采集传感器输出的信号，并对信号进行判断，从而控制电机，实现门的自动开启和关闭。 本系统的系统原理图如图2.1所示。输入部分包括人体检测和门状态检测，输出部分包括报警灯和电机等。图2.1 系统原理图题各个模块实现的功能：（1） 人体检测。检测是否有人员靠近，并与门状态信号一起，实现感应门的智能控制。（2） 门状态检测。主要检测门所处的状态。本系统主要分成了三个状态，打开状态、关闭状态和半开状态（3） 单片机。单片机是本系统的控制核心，我们将编写好的程序下载到单片机中，然后单片机采集输入信号，并根据输入信号控制门的开启和关闭。（4） 报警灯。本系统选用了一个报警灯来指示系统是否工
17、作正常。如果系统工作出现问题，报警灯立刻点亮。（5） 电机驱动。由于我们的单片机不能够提供足够大的电流来使电机正常运转，所以必须使用专门的电机驱动来驱动电机。（6） 电机。本系统使用步进电机控制门的开启和关闭。2.3器件介绍2.3.1 单片机本系统从成本、稳定性以及可扩展性等诸多因素出发，最终选用AT89S52单片机作为本系统的控制器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥
18、有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O口线 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89S52引脚
19、如图2.2所示。图2.2 AT89S52引脚图题（1）单片机引脚功能介绍AT89S52各引脚的功能介绍如下： VCC：AT89S52接电源的+5V输入。 VSS：接地。 XTAL1：单片机的反相放大器输入端。 XTAL2：单片机反相放大器输出端，一般在设计上只需要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一20PF 的小电容，可以起到抗噪声的作用从而使系统更稳定。 RESET：重置引脚，高电平动作，当要单片机重置时，只要对此引脚的电平提升至高电平并且保持两个机器周期以上的时间，AT89S52便能完成系统重置的动作，使得内部特殊功能寄存器的内
20、容被设成已知状态，并且从地址0000H处开始读入程序代码然后执行程序。 EA/Vpp：低电平动作，当引脚接低电平之后，系统会采用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032单片机中，EA引脚必须接低电平，因为它的内部没有程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。另外，在将程序代码写录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。 ALE/PROG：ALE表示地址锁存器启用信号。AT89S52可以利用这个引脚来触发外部的8位锁存器，将端口0的地址总线）锁进锁存器中，因为AT89S52是以多工的方
21、式送出地址和数据。此外在烧录8751程序代码的时候，此引脚会被当成程序规划特殊功能来使用。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。 PSEN：此为Program Store Enable的缩写，它的意思为程序储存启用，AT89S52可以利用RD及PSEN引脚分别启用存在外部的EPROM与RAM，使得程序存储器与数据存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。当8051被设成为读取外部程序代码工作模式的时候，会送出此信号用以方便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE引脚。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两
22、个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部的程序存储器的选通信号。从外部程序存储器取指期间，每个机器周
23、期必须两次/PSEN才能有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不需要出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管单片机有没有内部程序存储器。注意当加密方式为1时，/EA将内部锁定的为RESET；当/EA端保持高电平时，此间为内部程序存储器。当在FLASH编程期间，此EA引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1。另外的三个I/O端口（P1、P2、P3）则不会具有此电路的组态，
24、而是当内部有一个提升电路的时候，P0在当做I/O用的时候可以推动8个LS的TTL负载。如果EA引脚为低电平的时候（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就可以多工方式提供数据总线及地址总线。设计者必须当地址栓锁住成为A0A7，再配合端口2的A8A15合成一完整的16位地址总线K的外部存储器空间。PORT1（P1.0P1.7）：端口1是双向I/O端口且能内部提升电路的，其输出缓冲器能推动4个LS TTL负载，若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8032或是8052的线EX功能，可以当做外部中
25、断输入的触发脚位。 PORT2（P2.0P2.7）：端口2和p1一样是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以都可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在AT89S52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线便不能当做I/O来使用了。 PORT3（P3.0P3.7）：端口3除了具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括计时计数控制、串行通信、外部中断控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制功能。
26、其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行输入。P3.1：TXD，串行输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。（2）基本复位电路复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图3.2所示的RC复位电路可以实现上述基本功能。手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加入高电
27、平。一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。当按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。手动按钮复位的电路如下所示。即使人的动作再快也会使得按钮保持接通时间达数十毫秒，所以，完全可以满足复位的时间要求。复位电路工作原理：VCC上电时，C6充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C6充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。工作期间，按下K1，C6放电。图2.3 复位电路图题（3）时钟电路在自动感应门中，我们选用了12MHZ石英晶振提供工作脉冲。石英晶振的工作原理是利用石英晶体在外电场作用下可以产生压电效应而制成的。所谓压电效
28、应是指石英晶体片两极间加有电场会产生机械变形。而单受到动机械压力又会产生电声的一种物理现象，按一定的方位将石英晶体切割成固定的形状薄片，并在两个对应表面上涂上金属层作装外壳就构成了石英晶振器。晶振的两端与单片机的XTAL1和XTAL2引脚相连，为单片机提供时钟脉冲。其工作电路如图2.4所示。图2.4 时钟电路图题 2.3.2 热释电红外传感器 热电偶和热释电红外传感器都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热电偶的热电系数远远低于热释电红外传感器的系数，热释电红外传感器内部的热电元由高热电系数的钽酸锂、硫酸三甘铁、铁钛酸铅汞陶瓷等配合滤光镜片窗口组成，它的极化因时间变化而变化。为了平衡
29、因自身温度变化而产生的干扰。该传感器在工艺上以反向串联或接成差动平衡电路方式将两个特征一致的热电元连接，因而能检测出物体放出的红外线能量变化以非接触式的方式，并可以将其转换为电信号输出。热释电红外传感器引入场效应管的目的是在于完成阻抗变换。因为热电元输出的是电荷信号，所以并不能直接使用，因而需要将其转换为电压形式，因为该电阻阻抗高达104，所以引入的沟道结型场效应管共漏形式接成，即用源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、场效应管匹配器和干涉滤光片三部分组成。设计时将高热电材料制成一定薄片，并且在它的两面镀上金属的电极，然后对其进行极化，热释电探测元便制成了。由于加电极化也是有
30、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。人体发射的红外线会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，热释电元件在接收到人体红外辐射温度的时候发生变化时就会使电荷失衡，然后向外释放电荷，后续电路就能产生信号。1D脚 2S脚 3G脚图2.5热释电红外传感器内部结构图题 图2.5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，目的是消除因自身变化和环境引起
31、的干扰。利用两个极性相反、大小相等的产生干扰信号相互抵消的原理从而使传感器得到补偿。对于辐射至传感器的红外辐射，热释电传感器将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。热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料制造的，探测波长范围为0220m。为了使得对某一波长范围的红外辐射具有较高的敏感度，预加装了一块干涉滤波片在传感器在窗口上。这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外，还可以将阳光、灯光和其它红外辐射过滤。热释电红外探测模块如图2.6所示。图2.6 热释电红外传感器图题该模块采用德国原装进口的LH1778探头设计，具有灵敏度高，可靠性强，超
32、低电压工作模式的诸多的优点，广泛以用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。2.3.3 红外传感器本系统选用红外传感器来检测门所处的状态。在门完全打开和安全关闭的位置分别放置红外线反射式传感器。当门完全关闭时，在门关闭处的红外反射式传感器发射的红外线被发射回来，在发射端的红外接收管能够接收到返回来红外线。当红外接收管接收到红外线后，会输出一个低电平。系统通过红外线输出电平的高低变化来检测门所处的状态。红外线反射传感器是利用红外线反射的原理，根据反射的强度来判定前方障碍的有无。在距离适中的时候测量精度很高。由于使用的是红外线，所以抗干扰能力很强。反射式红外传感器具有工作电路简单、
33、易于操作和性能稳定等优点，在实际生活中应用较广。 反射式红外传感器如图2.7所示。图2.7 反射式红外传感器图题2.3.4 电机驱动由于本系统只是对自动感应门系统的模拟仿线V电压供电的步进电机。选用的是ULN2003A驱动。其管脚图如图2.8所示。图2.8 ULN2003A管脚图题ULN2003A是集成达林顿管IC，内部还集成了一个可以消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线、势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器， ULN2003 是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。此外，UNL2003A也可以用来驱动步进电机。3 系统硬件设计系统硬件部分包括人体热释电红外感应传感器、反射式红外传感器、报警灯、电机驱动和电机组成。系统硬件模块图如图3.1所示。其中单片机AT89S52作为本系统控制核心，采集输入端的信号
35、，并根据信号的不同，控制门的自动打开和关闭。图3.1 系统硬件模块图题3.1 主控制器电路设计主控制器电路如图3.2所示。主要包括主控制器AT89S52、手动复位电路、电源指示灯和晶振电路。图3.2 主控制器电路图题3.2热释电红外传感器电路设计 热释电红外传感器电路如图3.3所示。图3.3 热释电红外传感器电路图题3.3 反射式红外传感器电路设计反射式红外传感器电路如图3.4所示。图3.4 反射式红外传感器电路图题3.4 驱动电路和步进电机电路设计驱动电路和步进电机电路如图3.5所示。图3.5 驱动电路和步进电机电路图3.5 声光报警模块设计本系统的报警电路分为两个部分，分别是LED灯报警和
36、蜂鸣器报警。本系其工作电路图如图3.6所示。图3.6 声光报警电路图题4 系统软件设计4.1 软件设计方案为了设计一套完整的智能化控制系统，除了必要的硬件支持以外，还需要设计合理的软件辅助。目前，随着半导体技术的进步和大规模集成电路的快速发展，越来越多的硬件工作开始由程序来完成。如在信号处理、数字滤波等方面。为了是我们的系统能够正常稳定的运行，我们必须合理的实际系统的硬件和软件部分。目前在智能控制方面，广泛应用的编程语言是C语言。主要是因为C语言可读性较好，并且便于在各个系统之间移植。此外C语言的标准比较明确，这也使得在一个系统上的C语言程序可以完整的应用到另外一个系统，这可以降低系统的开发成
37、本，节约系统设计时间。本系统设计过程中经过仔细的考虑，最终选用C语言进行系统编程。通过实际的调试也证明了，使用C语言进行编程可以节约非常多的时间，也加快了本系统的设计进度。经过反复的调试，最终实现了系统预定的功能。4.2 软件设计4.2.1 主函数程序设计 主函数程序设计如图4.1所示。本系统上电之后，首先进行定时器的初始化。进行定时器初始化的目的主要是为了在人离开后，精确的延时4秒时间。然后系统开始进行门状态的初始化，系统上电之后，判断门所处的状态。如果门不是出于关闭状态，则控制电机关门。系统初始化完毕后，开始检测是否有人员靠近。如果有人员靠近。则读取当前门的状态。如果当前门的状态多于一种，则系统自动进行声光报警。如果当前门的状态只有一种，则根据所处的状态，自动控制门的打开等。如果没有人员靠近，首先需要检测是否是有人员刚离开。如果有人员刚离开，则系统先维持门打开4秒钟，然后门开始进行关闭。否则的话，系统开始控制电机主动关闭门。本系统选用步进电机控制门的打开和关闭在门完全关闭和完全打开位置都有反射式红外传感器。一旦这些传感器被挡住，则能够判断出当前门的状态，从而根据是否有人员进入，来智能的控制门的打开和关闭。图4.1
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