基于单片机的自动迎宾门的设计

2 基于单片机的自动迎宾门控制系统总体方案设计

2.1 设计的基本思路
(1)在人靠近自动迎宾门(开门或关门)时，安装在门上的热释电红外线感应器在监控范围之内检测到人体的活动，然后由单片机控制电机来开启车门。
(2)当无人接近时，关闭时间为1秒，打开后，未检测到人的热释光红外线模组，关闭等候。如果检测到人，将会推迟关闭等候时间。
(3)在关门过程中热释电红外线传感器监测到人的信号，立即反向开门(防夹人功能)。
(4)具备手动和自动控制，利用按键实现切换。总体设计思路图如2-1所示：

图2-1总体设计思路图
2.3.3 步进电机
步进电机是一种纯数字控制电机。它是一种工作装置，将接收到的脉冲信号转换成角位移信号，使其旋转。简而言之，当步进电机驱动器连接到单片机或其他控制器发送的脉冲信号时，它将驱动步进电机在指定方向上旋转一个固定角度(和步进角度)，因此作常适合单片机控制。在之前的三十年中，信息化，计算机技术，永磁材料等跨学科的发展，为目前应用前景和广阔的步进电机技术、步进电机技术提供了长足的发展和进步。步进电机的主要特点：
(1)步进电机的转动速度与脉冲频率成严格的正比关系，并且具有很宽的转速范围。步进电机采用开环控制，使得该电机结构简单，价格便宜，可靠性好，没有积累误差。
(2)优秀的启停和反转反应。
(3)运行步进电动机不能直接使用交流电和直流电，必须通过脉冲电源供电。
(4)为防止步进电动机在实际操作中出现振荡、失步的现象，对控制系统和负载必须采取相应的防干扰措施。
(5)步进电动机自身有不可避免的缺点，比如噪音和振动较大，带惯性负载的能力较差等。
2.3.4 步进电动机驱动模块
步进电机必须由环形脉冲、功率放大器等组成的系统进行控制，其方框图如图2-2所示：

图2-2 电机驱动系统方框图
本设计采用ULN2003作为步进马达的驱动器。该器件是一种高电流激励的大电流源，工作电压高，工作电压高，工作温度高。ULN2003是一种采用7个NPN达林顿管构成的高性能达林顿阵列。每个达林顿元件都有2.7K的基极电阻值。ULN2003能够在标准的工作电压下与TTL、CMOS等电路进行直接的联接。这种方法能够对原来要求用普通的逻辑缓冲进行处理的资料进行直接的运算。这是一款具有高速度、高效率、可适应多种工况的传动装置。在实际应用中，主要应用于单片机、智能仪表、PLC、数字输出等控制电路。其ULN2003引脚图如图2-3所示，各引脚功能如图2-4所示：

图2-3 ULN2003引脚图

3 基于单片机的自动迎宾门控制系统硬件设计

3.1 主控芯片AT89C51
AT89系列微处理器的内部构造基本一致，但各类型的MCU在各模块及性能上略有差异。该控制器包括8位CPU,128bytes的RAM,2个专用的寄存器，4个8位的平行1/0端口，串行I/O端口和中断设备。AT89C51具有很好的性能，可以为用户在多种不同的控制领域中提供高性价比的使用。
3.1.1 AT89C51的主要特性

图3-1 AT89C51引脚说明
3.1.3 引脚具体方案
XTAL1与XTAL2均采用外置的晶体振子，用作定时器RST是一个重置按键。P1.4-P1.7接口与步进电机。P2.0端口连接热释电红外传感器。P3.6-P3.7各有两个按键，用于手动和手动关闭的自动迎宾门。P3.4-P3.5有两个外键，可在手动及自动模式之间进行切换。具体引脚如图3-2所示、电路原理图如图3-3所示：

图3-3 电路原理图
3.3 步进电机及其驱动电路
步进电机及其驱动模块控制自动迎宾门的开门与关门，同时可以通过调整步进电机的转速，来控制自动迎宾门在开门和关门的过程中的变速运动，达到开始高速运行后面低速运行的功能。严格按照步进电机的工作方法进行通电换相的次序。一般情况下我们将其称为脉冲式分布。三相六拍步进电动机运行模式的通电换相为A-AB-B-BC-C-CA；逆次为A-CA-C-BC-B-AB；通电状态共有8种。该系统不能直接连接工频交流电或直流电时，采用电机驱动模块的电流上升和下降速度的特质，可以使电流波形接近矩形，从而带动步进电机的转动。步进电机与驱动模块连接原理图如图3-4所示：

图3-4 步进电机与驱动模块连接原理图
步进电机的驱动电路根据单片机或其他控制器所发出的控制信号工作。在本自动迎宾门由单片机发出控制系统中步进电动机的转动方向和转速控制的信号。其基本控制作用如下：
在热释电红外模块感应到人体信号时，单片机控制步进电机正向转动，并且在前三分之二行程单片机控制步进电机转速加快使之高速运行，后三分之一行程单片机控制步进电机转速降低使之低速运行，在热释电红外模块感应不到人体信号后，单片机控制步进电机反向转动，转速控制和开门过程相同。防夹人功能以及报警功能中对门扇的开启和关闭，也由单片机发出的信号对步进电机进行控制。
3.4 指示灯电路
该部分电路由4个发光二极管组成，分别用来指示开门状态、关门状态、关门过程中有人状态、报警状态，4个发光二极管接在主控芯片的21-24号引脚，通过控制芯片上的引脚电平输出来控制发光二极管的亮灭。指示灯电路原理图如图3-5所示：

图3-5 指示灯电路原理图

4 基于单片机的自动迎宾门控制系统软件设计

4.1 系统软件设计
自动迎宾门系统的软件部分主要由主程序、防夹人程序、报警程序、手动模式控
制程序四个部分组成。主程序主要是完成系统进行初始化、开门和关门以及开关门的变速等功能。防夹人程序主要是实现关门的过程中出现人体信号后立即开门，开门后按正常模式关门。报警程序是设置了报警标志位，它保证了在出现报警后(连续出现3次阻挡)，打开门并报警。手动模式控制程序保证了在手动控制模式下，通过中断按钮来控制门扇的打开与关闭。
4.1.1 主程序设计
主程序主要实现了串口初始化、步进电机初始化、自动控制和手动控制模式切换，以及当自动迎宾门感应到人来时开门，延迟1秒后关门，并且控制步进电机在开关门的过程中的变速运动。在主程序中实时监测报警标志位的变化，为报警程序提供参数判断。主程序的程序框图如图4-1所示：

图4-1自动迎宾门主程序程序框图