1、本科毕业论文（20 届）基于单片机的地铁自动门设计所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 太原工业学院毕业设计基于单片机的地铁自动门设计摘要：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，各种方便生活的自动控制系统开始进入人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。本文设计了基于单片机的地铁自动门控制系统，该系统以单片机为控制主体，步进电机为核心，结合多种传感器，实现地铁门的自动控制。本设计采用 8051 单片机作为主控制器，外围部分有步进电机、红外传感器、磁开关等。通过单片机对步进电机的正转、反转进行控制，从而带动门开和关，实
2、现对门的控制； 步进电机为 4 相 5 线的步进电机，采用 ULN2803 达林顿管阵列芯片驱动。整个系统的优点是电路简洁，控制精准可靠，性价比较高等，具有一定的实用和参考价值。 关键词: 8051 单片机；地铁自动门；步进电机；红外传感器太原工业学院毕业设计Based on single chip microcomputer automatic door design of subwayAbstract：With the development of society, the progress of science and technology and peoples life level
3、gradually improve, all sorts of convenience life automatic control system began to enter into peoples lives, the automatic door systems with SCM as the core is one of them. This paper introduces the design of metro automatic door, based on single chip microcomputer as the subject in this system, dc
4、motor, speed measurement as the core, realize the automatic control to iron.This design is mainly used the 8051 as control core, combine of DC motors, infrared sensors, magnetic switch.Making full use of the micro-controller performance. Through the micro-controller program control the dc servo moto
5、r foreward or inversion, thus control the door open or close; and close Dc motor driven adopt H bridge.Its advantage is the circuit is simple, softwares function is consummation, the control system is reliable, cost-effective is high,it has a certain use and reference value.Keywords: 8051, Metro aut
6、omatic door,DC motor, Infrared sensors太原工业学院毕业设计 II目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.1.1 自动门的介绍 .11.1.2 单片机的发展 .31.1.3 电机自动控制系统的应用和发展 .41.2 课题研究的意义和目的 .6第 2 章 自动门系统方案 .72.1 设计思想和整体框图 .72.2 器件选型 .82.2.1 单片机的选取 .82.2.2 电机的选取 .102.2.3 传感器的选择 .13第 3 章 自动门系统的硬件设计 .153.1 系统硬件整体设计方案 .153.2 控制器单元的硬件设计 .153.2.1 复位电
7、路 .163.2.2 晶振电路 .163.3 执行单元的方案设计 .163.3.1 步进电机 .173.4 检测模块 .183.5 电机驱动模块 .19第 4 章 软件设计 .214.1 整体程序设计思路 .214.2 功能模块设计 .214.2.1 步进电机驱动信号发生程序设计 .21第 5 章 设计仿真与分析 .265.1 仿真软件概述 .26III5.2 软件仿真 .285.2.1 红外传感器仿真 .285.2.2 电机驱动仿真示意图 .295.3 总体分析 .295.4 软件调试 .305.5 硬件仿真 .31总 结 .32参考文献 .33附 录 .34附录一: Proteus 整体电
8、路图 .34附录二: 源程序 .35附录三: 英文文献 .41中文翻译 .47致 谢 .51太原工业学院毕业设计 1第 1 章 绪论现代社会是一个快速发展的信息化社会，随着科学技术的不断进步，人们不断去追求舒适，方便的生活环境。于是相应的电子产品产生，智能型自动门同样出现在人们的生活中。随着自动门的技术、性能日趋成熟、完善，它被广泛应用在政府机关、银行、医院、商业、工业等不同行业，改善了人们的生产生活条件。自动门不但能给我们带来人员出入方便、节约空调能源、防风、防尘、防噪音等好处，更令我们的建筑物增添了不少高贵典雅的气息。1.1 课题背景1.1.1 自动门的介绍自动门是指可以将人接近门的动作（
9、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。按启闭形式分：可分为推拉门、平开门、折叠门和旋转门；按门体的材料分：不锈钢门有安全玻璃、不锈钢饰面、建筑铝合金型材、彩色涂层钢板、木材等。自动门的系统配置是指根据使用要求而配备的，与自动门控制器相连的外围辅助控制装置，如开门信号源、门禁系统、安全装置、集中控制等。必须根据建筑物的使用特点。通过人员的组成，楼宇自控的系统要求等合理配备辅助控制装置。 （1）开门信号 自动门开门信号是触点信号，微波雷达和红外传感器是常用的两种信号源。微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度
10、快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用；红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员出入的场所。 另外，如果自动门接受触点信号时间过长，控制器会认为信号输入系统出太原工业学院毕业设计 2现障碍。而且自动平移门如果保持开启时间过长，也会对电气部件产生损害。由于微波雷达和红外传感器并不了解接近自动门的人是否真要进门，所以有些场合更愿意使用按键开关。 按键开关可以是一个触点式的按钮，更
11、方便的是所谓肘触开关。肘触开关很耐用，特别是它可以用胳膊肘来操作。避免了手的接触。 还有脚踏开关，功能一样，但对防水的要求较高，而且脚踏的力量很大，容易使脚踏开关失效。还有一种带触点开关的拉手，当拉手被推(或在反方向拉)到位时，向门机提供触点信号。 现在的楼宇自控有时会提出特殊的要求，例如使用电话的某一分线控制开门。要达到这个要求，只要保证信号是无源的触点信号即可。有些情况下，人们会提出天线遥控的要求。用一个无线接受器与自动门进行触点式连接，再配一个无线发射器，就可以达到要求。不过，现在的无线电波源太多，容易导致偶然开门是一个麻烦的问题。 定时器可以自动控制门的状态，其原理是将时钟与特定的开关
12、电路相连，可预设定时间将自动门处于自动开启或锁门状态。 （2）门禁系统与非公共区域的自动门 如果说对自动门的性能和质量要求最高是在使用频率极高的大型公共区域，那么自动门功能要求最高是对进出人员进行选择的非公共区域。门禁系统是对入门授权的识别。在识别或检测入门授权通过以后，向自动门的控制系统提供开门信号。在提供开门信号之前，自动门必须处于锁门的状态。门禁系统包括从最简单的钥匙开关，密码锁，磁卡锁。 （考勤统计系统） 。一直到复杂的体重识别系统，指纹识别系统等。但无论系统怎样复杂，最终都是给自动门提供开门的触点信号。信号电路的屏蔽对避免由于无关信号的干扰而误开门的情况发生非常重要。 （3）对自动门
13、的要求就是解锁动作与开门动作之间的协调。 应用于自动平移门的电子锁有锁皮带的电磁锁和锁门体吊挂件的电动锁，锁电机的三种。后者用于重型自动平移门，自动平开门的电子锁有电磁门吸，电子插销锁和电子开门器，电子开门的作用力方向不影响门的开启动作，不易发生误操作。还有一种带触点开关的机械锁，使锁与开关结合，锁不处于开锁状态，触点就不能接触，不可能发生误操作。 （4）集中控制 太原工业学院毕业设计 3集中控制的概念，包括集中监视自动门运行状态和集中操作多个自动门两层含义，集中监视自动门开门关门状态可以通过位置信号输出电路来实现，可以采用接触式开关，当门到达一定位置（如开启位置）时，触动开关而给出触点信号。
14、也可以采用感应式信号发生装置，当感应器探测到门处于某一位置时发出信号。在中控室设置相应的指示灯，就可以显示自动门的状态，而集中操作通常指同时将多个门打开或锁住，这取决于自动门控制器上有无相应的接线端子。1.1.2 单片机的发展单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。早期的单片机都是 8 位或 4 位的。其中最成功的是 INTEL 的
15、 8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在 8031 上发展出了 MCS-51 系列单片机系统。基于这款 51 内核的单片机至今都使用极为广泛。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过 10 元即可,用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影。它主要是作为控制部分的核心部件。它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本
16、，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。 单片机是靠程序运行的，是一种可编程的数字器件。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能。单片机的硬件特性：1、单片机集成度高。STC89C52RC 单片机包括 l 了 CPU、8KB 容量的ROM、256 Bytes 容量的 RAM、 2 个 16 位定时/ 计数器、4 个 8 位并行口、全太原工业学院毕业设计 4双工串口行口。 2、系统结构简单，使用方便，实现模块化。 3、单片机可靠性高，可工作到 106 107 小时无故障。 4、处理功能强，速度较快。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机
17、的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 综上所述，单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。1.1.3 电机自动控制系统的应用和发展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
18、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
19、，功率等物理量进行控制。伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放大与调整后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种太原工业学院毕业设计 5复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字
20、脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。目前，伺服技术正朝着交流化、数字化的方向迅速发展。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，还可以制造山便于控制纳新型电机，使电机山现新的而貌。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
21、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。至于复杂的控制，则要用微机控制电机的电压、电流、转矩、转速、转角等等，使电机按指定的指令准确工作。通过微机控制，电机的性能有很大的提高。例如传统的直流电集合变流电机各有忧缺点，直流电动机的调速性能好。但带有机械按向器，有机械磨损及换向火化等问题；交流电动机，不论是异步电动机还是同步电动机，结构都比直流电动机简单。工作也比直流电动机可靠，但在频率恒定的电网上运行时，他们的速度不能方便而又经济的调节。交流电动机采用正弦脉宽调制方式进行变额调速是比较理想的，但若要用普通的模拟电路或数字电路完成这任务，电器相当复杂用微机控制就简单多了。若要进一步调节精度及动态性能，可采用矢量控制方案，它的调速性能将与直流电动机相当。但矢量控制比较复杂，用传统的模拟电路或数字电路根难做到，而应用微机控制。则能方便的实现。目前，广泛应用于数控机床等自动化设备的数控位置伺服系统，其中电动机都是由微机控制的。为了提高性能在先进的数控交流伺服系统中，已采用高速数字信号处理芯片(Digital Signal Processor 简称 DSP)，指令执行速度达到每秒数百兆以上，且具有适合于矩阵运算的指令。复杂的电机微机控制主要用于以下两个方而：
