自动门设计_，1.1 课题研究的可行性 现如今自动化、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。 通过对“自动门单片机控制系统”的研究和设计，我精心撰写了微机控制自动门系统论文。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。 1.2 课题研究的意义和目的 经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市，自动门已经是随处可见，在各大厦、宾馆、酒店、银行、 商场、医院、写字楼等场所，自动门更是得到大范围的普及使用。自动门不但能给我们带来人员进出方便、 节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的建筑增添了不少高贵典雅的气息。 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。 1.3 课题的功能概述 在自动门使用上要根据安装的环境及要求，考虑选择自动门的配置。由于公共场所（像医院、机场等） 的自动平移门使用频率非常高，而自动门的使用频率和寿命是有限的。在这种情况下，要使用自动门必须 进行综合考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。 以上介绍的是自动门的安装使用要点。而一个自动门的设计还要包括下面三个方面： 一、智能化设计 自动门选择配置智能化控制系统，可随意设定门扇的运行速度，并可设定半开状态，调节方便。使自 动门始终保持在最佳运行状态。并具有自动矫正功能，即使遇到大风等原因引起的运行阻力增大，仍然能 够保持平稳的开关门动作。 二、安全性设计 具有自动反转安全装置，当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，并在下次接近阻力 区域时以安全速度前进，避免夹人事件和机件损毁的现象发生，提高自动门运行时的安全性，延长自动门 寿命。门扇开启轻巧方便，当停电时，老人、儿童等均可开闭自如，开闭力量在 3.5 公斤以下，方便、安 全、可靠。 三、稳定性设计 自动门采用步进电机，具有高效、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不过热等特性，大大超 越传统交流伺服马达。 由于采用步进电机驱动，配合 T 型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行中具有卓越的稳定性。由 于采用高性能的电源输入，不管电压波幅多大均可自动稳压。此外在负载瞬间短路时还有过压及过流保护 措施，有效保障自动门运转的稳定耐久和安全。自动门在具体场合的使用设计上，还应注意做好以下配置 的选用： 1、安全辅助装置 如在高档酒店等地方可以选择安装防夹人红外感应器，防止停留在门附近的人被门所夹住。 2、备用电源 为保证停电时自动门也能工作正常，应配置备用电源。 3、辅助光线传感器

　　在需要的地方，自动门可以安装辅助光线传感器（红外对射保护装置） ，当门打开时，人站着不动， 用手遮挡辅助光线传感器，门应该保持打开状态。当手离开后几秒后，门应该重新关闭。综上所述，自动 门在很多领域具有不可比拟的优越性，随着国民经济的快速发展，自动门在我国已经迎来了快速发展的黄 金时期。 自动门构造的技术参数 一 主要的技术指标： 技术指标 单门 双开门 门重量 130kg×1 扇 100kg×2 扇 导轨长度 2000~5000mm 开门速度 200~450mm/秒(可调) 闭门速度 200~450mm/秒(可调) 慢行速度 30~50mm/秒(可调) 开门时间 开门静止后 1~10 秒的范围内(可调) 控制器 高速智能电脑处理器控制 马达 DC24V 40W 无刷步进电机 电源电压 AC220V 50Hz 消耗功率 100W 手动开启力 3.5 公斤以下 安全功能 开闭时遇到障碍物能立即开启,晚间转换到报警功能 使用环境 -20℃～50℃ 二、主要构造部件 部件 特性 智能控制器 自动检测门的重量、宽度，使门保持在最佳运行状态 步进电机 高效率、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不发热 皮带 高效同步齿型带，防止打滑，保证平稳运行 吊架 用于运动门扇的悬挂，安全可靠 铝槽 高强度设计，承重不变型 第 2 章 系统硬件设计 2.1 系统硬件总体逻辑设计 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 就给主控制器一个电信号； （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：就象火车的铁轨，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。 （6） 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。 （7） 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。 门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下： 当 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 扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。

　　2.1.1 8051 单片机 一、AT89C51 引脚说明 图 2-1 是 AT89C51 的引脚图，引脚说明如下 VCC` AT89C51 电源正极输入，接5V 电压。GND 电源接地端。 XTAL1 接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了 片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。 XTAL2 接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采 用外部振荡器时 ， 则此引脚接外部振荡信号的输入 。 这里面的设置晶振频率是 16Hz 则一个机器周期为 2uS 。 RST AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高 电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存 器的内容均被设成已知状态。 ALE/PROG ALE 是英文“ADDRESS LATCH ENABLE”的缩写，表示允许地址锁存允许信号。当访 问外部存储器时 ， ALE 信号负跳变来触发外部的 8 位锁存器 (如 74LS373) ， 将端口 P0 的地址总线) 锁存进入锁存器中。在非访问外部存储器期间， ALE 引脚的输出频率是系统工作频率的 1/16，因此可以 用来驱动其他外围芯片的时钟输入。当问外部存储器期间，将以 1/12 振荡频率输出。 EA/VPP 该引脚为低电平时，则读取外部的程序代码 (存于外部 EPROM 中)来执行程序。 PSEN 此为“Program Store Enable”的缩写。访问外部程序存储器选通信号，低电平有效。在访问外部程 序存储器读取指令码时 ， 每个机器周期产生二次 PSEN 信号 。 在执行片内程序存储器指令时 ， 不产生 PSEN 信号，在访问外部数据时，亦不产生 PSEN 信号。 P0 P0 口(P0.0~P0.7)是一个 8 位漏极开路双向输入输出端口，当访问外部数据时，它是地址总线 位）和数据总线复用。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I／O 口用。P0 口每一个引脚可以推动 8 个 LSTTL 负载。 P2 P2 口(P2.0~P2.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，当访问外部程序存 储器时，它是高 8 位地址。外部不扩展而单片应用时，则作一般双向 I／O 口用。每一个引脚可以推动 4 个 LSTL 负载。 P1 P1 口(P1.0~P1.7)口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，其输出可以推动 4 个 LSTTL 负载。仅供用户作为输入输出用的端口。 P3 P3 口(P3.0~P3.7) 口是具有内部提升电路的双向 I/0 端口(准双向并行 I/O 口)，它还提供特殊功 能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能。其特 殊功能引脚分配如下： P3.0 RXD 串行通信输入 P3.1 TXD 串行通信输出 P3.2 INT0 外部中断 0 输入，低电平有效 P3.3 INT1 外部中断 1 输入，低电平有效 P3.4 T0 计数器 0 外部事件计数输入端 P3.5 T1 计数器 1 外部事件计数输入端 P3.6 WR 外部随机存储器的写选通，低电平有效 P3.7 RD 外部随机存储器的读选通，低电平有效 2.1.2 步进电机模块与驱动 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机 则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在 速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

　　2.1.2.1 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．推动厂步进电动机的发展，为步进电动机的应用开辟了广闹的前景。 步进电动机有如下特点。 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。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。 7、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。 步进电机工作原理 将 A 相断电。同时将 Kb 合上，使处于 1/3 个齿距角的 B 相通电，并建立磁场。转子在电磁力的作用下， 向与 B 相成对齿的位置转动。其结果是：转子转动了 1/3 个齿距角，B 相与转子形成对齿：C 相与转子错 1/3 个齿距角；A 相与转子错 2/3 个齿距角； 相似地．在 B 相断电的同时，合开开关 Kc 给 C 相通电建立磁场。转子又转动了 1/3 个齿距角。与 C 相形成对齿，并且 A 相与转子错 1/3 个齿距角；B 相与转于错 2/3 个齿距角。 当 C 相断电。再给 A 相通电时，转子又转动 1/3 个齿距角。与 A 相形成对齿，与 B、C 两相形成错 齿。至此，所有的状态与最初时一样．只不过转子累计转过了一个齿距。 可见，如于按 A-B-C-A 顺序轮流给各相绕组通电，磁场按 A-B-C 方向转过了 360 度。转子则沿相同 方向转过一个齿距角。 同样。如果改变通电顺序，即按与上面相反的方向(A-C-B-A 的顺序)通电，则转子的转向也改变。 如果对绕组通电一次的操作称为一拍，那么前面所述的三相反应式步进电动机的流通电就需要三拍。 转于每拍走一步．转一个齿距角需要 3 步。 转子走一步所转过的角度称为步距角，θN 可用下式计算 式中 N--步进电机工作拍数。 自动门选用的是三相六拍的工作方式，即：步进电动机的正转通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA；反转 通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA。磁场旋转一周。通电需要换相 6 次(即六拍)，转子才转动一个齿距角。 如于转子转动一个齿距角要六伯。根据上式，六拍工作时的步进精度要高。六拍工作时，各相通电的 电压和电流波形如下图所示。可以看出．在使用六拍工作方式时，有三拍是单相通电，有三拍是双相通电； 对任一相来说，它的电压波形是一个方波，周期为六拍。其中毛三拍连续通电，有三拍连续断电。 六拍工作方式相电压电流波形 2.1.2.2 驱动控制系统组成 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，其方框图如下： 1、脉冲信号的产生与分配。 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。 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 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，1 表示绕子断电，则可以用六个字来表示六个通 电状态。这六个字表示如下表： 通电状态 P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A) 控制字 A 1 1 0 06H AB 1 0 0 08H B 1 0 1 09H BC 0 0 1 01H C 0 1 1 03H CA 0 1 0 02H 2.1.3 热释电型红外传感器 红外线传感器能以非接触形式检测人体中辐射出的红外线能量变化，并将此变化转变为电压信号输出。 红外线传感器集成芯片 BISS00017、6 特点（如图所示） ： 1) 用 CMOS 工艺，公耗低。 2) 具有独立的高输入阻抗运算放大器，可与多种传感器匹配。 3) 双向鉴幅器可有效抑制干扰信号。 4) 内设延时和封锁定时器，性能稳定，调节范 5) 内置参考电源。 6) 工作电压范围宽（3V～5V） 2.1.4 电源整流电路设计 自动门系统的整流电路如图 2-12 所示。整流电路由整流桥、充电电容和滤波网络组成。 图 2-12 带有充电电容和滤波网络的全桥整流电路 由于系统选用 48V/50W 的步进电机，根据指标要求，整流电路输出直流电压 48V/3A(max)，其波纹 电压小于 100mV。设法使充电电容上波纹系数 η ≈0.1。 为了提高自动门控制系统的安全性能，在电源电路中设置过流保护电路是必须的。系统电源电路的过 流保护电路如下图所示。R1、R2 为单向可控硅 GTO 提供触发脉冲， R3 为大功 率小阻值电阻，R4 为大阻值电阻，T1 为 3A 的普通保险丝，T2 为快 速自恢复温度保险丝。 T2 监测 GTO 的温度，温度在 72℃以下时，T2 处于关闭状态，当温度高于 72℃时，T2 断开。 过流过热保护电路 正常工作时，大部分电流从 GTO 流过，T1、T2 均处于导通状态。当负载短路或由于其它原因导致 主回路电流过大时，GTO 电流迅速上升，若电流超过 3A，T1 将断开；同时如果 电流值小于 3A，GTO 电流迅速上升将引起 GTO 温度迅速上升，当温 度超过 72℃时，T2 自行 断开，待温度低于 72℃后 T2 自行恢复导通状态。这样就实现了电源电路的过流、过热保护。 在自动门控制系统中，如果电源设计中不能有效地抑制 EMI，将会严重影响自动门的稳定性,用 EMI 滤波器较为有效地抑制了 EMI。为了基本进一步提高系统稳定性和安全性，除了设计高性能的电源外，系统还在控制硬件和软 件上采用了抗干扰措施。 2.1.5 磁电感应式传感器 磁电感应式传感器又称磁电式传感器, 是利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换 成电信号的一种传感器。 它不需要辅助电源就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号, 是有源传感器。由于它输出功

　　率大且性能稳定, 具有一定的工作带宽（10～1000 Hz）, 所以得到普遍应用。 一、 磁电感应式传感器工作原理 根据电磁感应定律, 当 w 匝线圈在恒定磁场内运动时, 设穿过线圈的磁通为 Φ, 则线圈内的感应电势 E 与磁通变化率 dΦ/dt 有如下关系: E＝-w （2-1） 根据这一原理, 可以设计成自动门的限位非接触开关，下图为开磁路变磁通式: 线圈、 磁铁静止不动, 当测量到门上的磁铁时，输出一个电量信号。 交磁式磁电传感器结构 二、 磁电感应式传感器基本特性 当传感器的工作温度发生变化或受到外界磁场干扰 、 机械振动或冲击时, 其灵敏度将发生变化而产生 测量误差。 相对误差为 磁电式传感器直接输出感应电势, 且传感器通常具有较高的灵敏度, 所以一般不需要高增益放大器。 第三章 系统软件设计 3.1 系统软件结构 整个系统软件主要由主程序、中断服务程序、门开启和关闭子程序、各种故障处理及报警子程序组成。 主程序主要是完成系统进行初始化、中断设置等功能。 一个外部中断和两个定时器。整个自动门的流程图如下： 3.1.1 自动门控制程序设计 ORG 000H ；主程序起始地址 START: LJMP MAIN ORG 00030H ；外中断起始地址 LJMP INT0 ；跳到外中断程序 MAIN: MOV SP,70H ；设堆栈 LCALL TIME TIME: MOV P1,0FFH ；中断电机 MOV TMOD, #01H ；设定 TMOD 为工作方式 1 MOV TH0, #03CH ；设置定时初始值为 100ms 即 /2=15536 MOV TL0, #0B0H MOV IE,#00H ；禁止中断 SETB TR1 ；启动定时 LOOP: JBC TF1,ZCZ ；查询是否溢出 AJMP LOOP ZCZ: INC 30H ；30H 加 1 MOV A,30H RET LCALL DAY ;到 24 时清零 CJNE A,#69780H,DIANJI ;是否在晚上，不是转移到电机子程序 MOV IE,#10000001B ；开外部 INT0 中断 LJMP MAIN ;没有中断，则返回 INT0: PUSH ACC PUSH PSW MOV A,30H CJNE A,#69780H,DIANJI1

　　DJNZ R5,D1 RET DEPAY1:MOV R5,#40 D3: MOV R6,#248 DJNZ R6,$ DJNZ R5,D3 RET 在程序中，只要依次将这 6 个控制字送到 Pl 口。步进电动机就会转动一个齿距角。每送一个控制字，就完 成一拍。步进电动机转过一个步距角。程序就是根据这个原理进行设计的。 用 Ro 作为状态计数器，来指示第几拍。按正转时加 1，反转时减 1 的操作规律，则正转程序为： CW: INC R1 ;正转加 1 CJNE R1,#06H,ZZ ;如果计数器等于 6 修正为 0 MOV R1,#00H ZZ: MOV A,R1 ;计数器值送 A MOV DPTR,#ABC ;指向数据存放首地址 MOVC A,@ADPTR ;取控制字 MOV P1,A ;送控制字到 P1 口 RET ABC: DB 06H，08H，09H ；6 个控制字 DB 01H，03H，02H 反转程序为： CCW: DEC R1 ;正转减 1 CJNE R1,#0FFH,FZ ;如果计数器等于 FFH 修正为 5 MOV R1,#05H FZ: MOV A,R1 ;计数器值送 A MOV DPTR,#ABC ;指向数据存放首地址 MOVC A,@ADPTR ;取控制字 MOV P1,A ;送到 P1 口 RET END 第四章 调试 5.1 初步检查 为了确保该门控系统的安全高效运行必须满足下列条件： * 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 。 * 确保大门在滑动过程中不发生倾斜 。 * 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 。 * 确保地面条件稳固 避免固定基座的膨胀螺丝发生摇晃。 * 认真检查上方导轨和行程限位的机械挡块是否安装到位。 5.2 自动化性能测试 安装完成以后对门控系统以及与其相连的种辅助件特别是各种安全装置 要进行认真细致的功能测试 注意要将 用户指导材料交给客户并向他们解释正确操作和使用传动马达的方法 。 手工操作 如果由于门控系统发生故障而必须人工移动大门时请使用下列释放装置：

　　* 用一枚硬币打开防护门 * 从门内取出厂方提供的钥匙 插入释放系顺时针旋转 直到碰上机械档块转不动为止 * 手工打开或关闭大门 恢复正常运行模式 * 人工将大门推回关闭位置 * 逆时针旋转释放钥匙 * 拔去释放钥匙 放回原处 关闭防护门 * 移动大门 直至碰上释放网格 维护 下列工作至少每六个月进行一次 *检查防撞装置是否调整到位 *检查释放系统的是否有效 *检查安全装置和各种辅助件是否有效 5.3 安全使用说明 为了有效防止意外事故的发生请遵守下列各项有关系统操作的简单规定 - 严禁穿越移动过程中的大门只有等到大门全部开启才允许穿越 - 不管在什么情况下务必不要站在大门的移动范围内 - 不要站立在门控系统附近也不要让小孩 大人或货物站立或横躺在那里尤其是在系统运行时更不允 许出现此类情况 - 严禁儿童接近远程控制脉冲发生器或其它类型脉冲发生器以防自动系统由于不当心而被意外启动 - 严禁儿童玩弄门控系统 - 不要人为地遮挡大门的正常移动 - 防止树枝或灌木影响大门的移动 - 确保指示灯清晰有效且容易识别 - 在释放页门的锁定装置之前严禁用人工的方法去推动大门 - 如果出现功能失灵请先释放传动马达的锁定装置，首先确保大门畅通然后等待有资质的专业人员前 来采取必要的措施 - 在使用手工释放之前必须先断开电池 - 不得以任何方式更改本门控系统所使用的各种元器件 - 无论在什么情况下严禁使用者擅自对系统进行任何形式的维修操作如果出现问题 只能与有维修资 格的专业人员取得联系 - 下列工作至少每六个月进行一次安排对门控系统安全装置以及辅助设备进行全面检查。