基于單片機的車庫門自動控制系統(tǒng)設計

李玉豪 遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的車庫門自動控制系統(tǒng)設計

李玉豪 遼寧錦州渤海大學工學院

隨著人們對車庫門要求的提高，車庫自動門開始出現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)是車庫自動門設計的關(guān)鍵，本文就是基于單片機的車庫自動門控制系統(tǒng)設計，設計包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分選用AT89C51單片機作為主控芯片，同時設計一個最小系統(tǒng)使單片機能夠正常工作。軟件部分主要是用C語言編程的，自動門程序包括三個部分，主程序、自動模式門運行程序和手動模式門運行程序。

自動門 單片機 控制系統(tǒng)

1 引言

單片機是一種實用的芯片，很多的日常用品都有單片機的身影，漸漸成為人們生活中不可缺少的一部分。單片機有很多優(yōu)點，輕便、小巧、價格便宜，非常的實用，很快便得到了普及。在我們的日常生活中，各種各樣的產(chǎn)品都應用到了單片機，車庫自動門在現(xiàn)代生活中的應用越來越廣泛，通過單片機來設計車庫自動門控制系統(tǒng)是很有必要且有重要意義。本次基于單片機的自動門控制系統(tǒng)設計簡單可靠，用的都是一些比較常見的器件，所以花費也比較少。這次設計是用AT89C51作為主控器件，直流電機和熱釋電紅外傳感器為核心，具有門行程檢測，聲光報警，手自動切換等功能。

2 硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件框圖及其組成原理

本次設計是基于單片機的自動門控制系統(tǒng)設計，基于單片機顧名思義是要用到單片機的，所以應用AT89C51作為本次設計的核心。自動門的控制系統(tǒng)還包括單片機的最小系統(tǒng)電路、熱釋紅外檢測電路、直流電機控制電路、門行程檢測電路、光電檢測電路、聲光報警電路以及手自動控制切換電路。當熱釋紅外電路接收到車輛信號后送入單片機處理，單片機發(fā)出控制信號控制直流電機正反轉(zhuǎn)控制自動門的開與關(guān)。同時，當關(guān)門過程中遇到障礙物時，單片機發(fā)出信號，控制電動機開門。本系統(tǒng)還設計了手自動切換電路，來處理一些特殊情況。自動門控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示：

圖1 紅外自動門的硬件框圖

2.2 紅外檢測電路的設計

車庫自動門控制系統(tǒng)需要接收汽車發(fā)出的信號才能夠進行下一步操作，熱釋電紅外傳感器能夠很好地完成這一工作。熱釋電紅外傳感器是一種基于熱電效應原理的傳感器，它能夠很好地接收汽車發(fā)出的紅外線。同時，熱釋電傳感器能夠24小時工作，不受黑夜的影響，所以它的應用十分廣泛。熱釋電傳感器的靈敏度比價低，所以它的檢測范圍也不是很遠。在傳感器前面添加一個菲涅爾透鏡能夠很好地解決這一問題，菲涅爾透鏡不僅能增加傳感器的檢測范圍，而且能夠提高傳感器的反應速率。熱釋電紅外傳感器由三個部分組成，分別是探測元件、濾光片和場效應管阻抗變換器。圖2是熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當熱釋電紅外傳感器檢測到范圍內(nèi)有汽車進入時，有兩種不相等的能量照射到兩個電容上，這時電流在回路中是不能抵消的，所以傳感器上是會產(chǎn)生信號的，從而達到檢測和報警的作用。同時，紅外傳感器能夠很好地避免檢測出錯，因為它只能檢測汽車或者溫度和汽車不多的移動物體。而當熱釋電紅外傳感器沒有在有效范圍內(nèi)檢測到有汽車或者在有效范圍內(nèi)檢測到到有靜止物體時，照射到兩個電容上的能量是相等的，它們會相互抵消，從而致使回路中沒有電流產(chǎn)生，傳感器也不會檢測到信號。

圖2 熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.3 直流電機控制電路的設計

直流電動機是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電動機。構(gòu)成直流電動機的器件十分常見，制作也是非常地方便，轉(zhuǎn)子和定子是它的主要構(gòu)成部分。本次基于單片機的自動門控制系統(tǒng)設計應用電動機進行自動門的開關(guān)控制，并不需要很精密的控制，所以選擇直流電動機完成本次設計。選用PWM調(diào)速，PWM調(diào)速是一種很成熟的調(diào)速方法，它是一種調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速法。PWM調(diào)速的本質(zhì)是改變脈沖寬度來調(diào)速，通過改變電源電壓的占空比，可以改變電機的脈沖電壓，這時電機的轉(zhuǎn)速也會改變。用一個PWM直流電機調(diào)速器可以很好地完成調(diào)速的任務。

本次設計要使用直流電機進行自動門開關(guān)控制，自動門的開與關(guān)可以通過電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。當單片機控制電動機正轉(zhuǎn)時，自動門實現(xiàn)開門的動作，而當單片機控制電動機反轉(zhuǎn)時，自動門實現(xiàn)關(guān)門的動作。所以控制電路的主要任務是用單片機控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，而要實現(xiàn)這個功能也是很容易的，我選用兩個繼電器來完成正反轉(zhuǎn)的操作。而調(diào)速方面主要是選用一個PWM直流調(diào)速器來完成，直流電機的控制電路如圖3所示。

圖3 直流電機的控制電路圖

2.4 光電檢測電路

手動模式下，需要一個光電開關(guān)來處理特殊情況。比如要關(guān)門時，若有車接近時，關(guān)門動作是實施不了的。光電開關(guān)可以完成檢測有無車接近的任務。自動模式下也需要用到光電傳感器來處理特殊情況。

光電傳感器是一個檢測有沒有車接近的裝置。當有車接近時，光電傳感器就可以接收到信號并傳給單片機，單片機會執(zhí)行相應的程序。在即將關(guān)門時，使關(guān)門動作實施不了，在關(guān)門途中，停止關(guān)門動作。圖4是光電開關(guān)電路，光電傳感器共有3個引腳，輸出、電源和接地，輸出口OUT接單片機引腳P2.0。當紅外接近開關(guān)檢測到有車靠近時，它會給單片機引腳P2.0低電平信號，使電機停轉(zhuǎn)，停止關(guān)門。

圖4 光電接近開關(guān)電路圖

3 系統(tǒng)軟件的設計

3.1 主程序的設計

自動門控制系統(tǒng)的主程序主要完成定時器的初始化、中斷開關(guān)、故障的判斷、自動門模式的判斷等工作。自動門程序開始后會自動初始化，打開中斷，在判斷沒有故障后便開始運行。在進入模式選擇后，程序又會有所差別。在自動模式下，需要用到定時器T0來完成自動操作，而手動模式則不需要，所以在自動模式下需打開外部中斷T0。因為兩者都需要用到TI來實現(xiàn)報警的功能，所T1定時器在兩種模式下都需要打開。

3.2 自動模式門運行程序的設計

自動模式下，門的運行方式主要包括開門和關(guān)門，還有一些突發(fā)狀況的處理。當紅外裝置檢測到車時，單片機就會發(fā)出開門信號，自動門自動進入開門狀態(tài)，而當自動門觸碰到開門限位開關(guān)時就會停下。在檢測到?jīng)]車的情況下延時5s后開始關(guān)門，若是中途來車時立即開門。熱釋電紅外傳感器故障時，有個安全限位，關(guān)門前或關(guān)門途中有車，停止關(guān)門。

3.3 手動模式門運行程序的設計

手動模式也是包括開門和關(guān)門兩個動作，還有一些防夾車功能。首先把按鈕按到手動模式，按下開門按鈕，開始開門，到達開門極限時，門停止。然后按下關(guān)門按鈕，按下即開始關(guān)門，當光電傳感器檢測到有車時，關(guān)門按鈕是無效的，同時關(guān)門途中有車時，關(guān)門也會中途停止，若一直沒車，門到達關(guān)門極限會自動停下。

4 系統(tǒng)調(diào)試

完成電路板的焊接后，首先就需要進行電路板的調(diào)試工作。在電路板通電之前，要檢查電路是否焊接正確。先把萬用表撥到測通斷的那一檔，之后檢查電源和地有沒有短路，萬用表兩端接在單片機的40腳和20腳，若萬用表不響則沒有短路。之后還要檢查所有的電源和地有沒有接到，在確保都接到后，就可以開始給電路板通電了。通電后，按下自鎖開關(guān)，若是電路板一點反應都沒有，馬上要檢查芯片有沒有發(fā)熱的現(xiàn)象，以防元器件燒壞。在通電后電路沒反應時，首先要檢查電源與地是多少伏，高于5V是正確的。檢查30腳與地之間的電壓，1點幾伏是正確的，若是5V則是不正確的。單片機正常工作時，30腳會輸出一個脈沖，這個信號是晶振的1/6，一般是在1點幾伏。若是沒發(fā)現(xiàn)問題，就要檢查晶振電路和復位電路有沒有接錯了。檢查完成通電后，電路正常工作的情況下，可以繼續(xù)調(diào)試。

[1]肖俊峰,鄭小琴.一種光電線自動門單片機控制系統(tǒng)[J].門窗,2008(10)

[2]于洋.基于單片機技術(shù)的自動門智能控制系統(tǒng)[J].算機系統(tǒng)應用,2008(4)

[3]沙占友.單片機外圍電路設計[M].北京：電子工業(yè)出社,2004

[4]張倫譯.傳感器和信號調(diào)節(jié)[M].北京：清華大學出版社,2004