黃俊學(xué)+譚科華

摘 要：以智能、便捷為核心，以STC89C52RC的芯片作為主控芯片，將超聲波傳感器作為信號(hào)檢測源，通過繼電器實(shí)現(xiàn)對電機(jī)Futaba S3010的正、反轉(zhuǎn)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)門，并通過顯示器顯示相關(guān)信息。

關(guān)鍵詞：STC89C52RC 超聲波 繼電器 Futaba S3010

隨著人民生活的日益提高和物聯(lián)網(wǎng)、智能家居的快速發(fā)展，人們逐漸感受到傳統(tǒng)設(shè)備的局限性，而智能設(shè)備正逐漸出現(xiàn)在人們的眼前。本文以智能門作為詳細(xì)闡述對象。從理論上理解智能門應(yīng)該是門的概念的延伸，是門的功能根據(jù)人的需要所進(jìn)行的發(fā)展和完善。智能門是將人接近門的動(dòng)作（或?qū)⒛撤N入門授權(quán)）識(shí)別為開門信號(hào)的控制單元，通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將門開啟，在人離開后再將門自動(dòng)關(guān)閉，并對開啟和關(guān)閉的過程實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)由STC89C52RC為核心電路進(jìn)行系統(tǒng)的整體控制，由電源電路、超聲波電路、顯示電路、按鍵電路及電機(jī)控制電路組成、系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體圖如圖1所示。由單片機(jī)產(chǎn)生超聲波的發(fā)射信號(hào)并對其傳播時(shí)間進(jìn)行測量，依據(jù)超聲波在空氣中的傳播特性，換算出距離數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測量實(shí)際距離。當(dāng)距離由大變小時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)控制開門，當(dāng)距離由小變大時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)控制關(guān)門，并且超聲波電路具有遠(yuǎn)距離的測量特點(diǎn)，檢測距離能夠達(dá)到三至四米。電源電路采用lm7805芯片對9V電源適配器提供的電壓進(jìn)行5V穩(wěn)壓。本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)lm7805芯片進(jìn)行兩路5V輸出，一路接電機(jī)，一路接系統(tǒng)其他電路，有效防止了電機(jī)對其他電路的影響。

1.單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、按鍵電路、下載電路組成。晶振電路為單片機(jī)工作提供時(shí)鐘信號(hào)；復(fù)位電路用于對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位；按鍵電路的作用是當(dāng)照明開關(guān)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)用于手動(dòng)啟動(dòng)照明和禁用智能控制；下載電路采用串口下載方式，通過單片機(jī)P3.0、P3.1口、利用CH340進(jìn)行下載與調(diào)試，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.電源電路

該電路由濾波電容C6、C7，防止自激電容C8、C9和一只固定式三端穩(wěn)壓器（7805）極為簡捷方便的搭成，電源電路如圖3所示。供電電壓經(jīng)過9V適配器輸入到LM7805的輸入端。在固定式三端穩(wěn)壓器lm7805的Vin和GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流5V輸出電壓。

同時(shí)本設(shè)計(jì)使用兩個(gè)lm7805芯片進(jìn)行兩路5V輸出，一路接電機(jī)，一路接系統(tǒng)其他電路，有效防止了電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，拉低其他電路電壓的不利影響，很好地起到了不同電路之間隔離的作用。

3.超聲波電路

設(shè)計(jì)的超聲測距模塊由超聲波發(fā)射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、液晶顯示單元和ISP下載單元等部分構(gòu)成。

（1）單片機(jī)單元

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，本文選用STC89C52RC，測量時(shí)，由單片機(jī)輸出40 kHz左右的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。超聲波達(dá)到目標(biāo)時(shí)回傳，經(jīng)空氣傳播被超聲波接收器接收，此時(shí)計(jì)時(shí)停止，經(jīng)計(jì)算可得超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔t，從而得到距離數(shù)據(jù)。

（2）超聲波發(fā)射單元

由單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的方波，并通過單片機(jī)的P1.0口接到 CD4069，而后面的CD4069 則對40kHz頻率信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。

（3）超聲波接收單元

為了順利接收回波信號(hào)，采用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，如圖4所示，CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，范圍為30～60 kHz，因此采用它來做接收電路。

4.顯示電路

LCD1602顯示電路如圖5所示，LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口，其中VSS為地電源，VDD接5V正電源，V0為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地電源時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對比度。RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。

5.按鍵電路

按鍵電路較為簡單，一端接地，一端接P3.2。無論超聲波電路是否檢測到信號(hào)，只要按鍵按下就能實(shí)現(xiàn)開門或關(guān)門，以預(yù)防自動(dòng)開關(guān)門出現(xiàn)失效的特殊情況。

6.電機(jī)

電機(jī)采用Futaba S3010，為模擬電路控制舵機(jī)，屬于電機(jī)中的一種。由功率運(yùn)算放大器等接成惠斯登電橋，根據(jù)接收到模擬電壓控制指令和機(jī)械連動(dòng)位置傳感器（電位器）反饋電壓之間比較產(chǎn)生的差分電壓，驅(qū)動(dòng)有刷直流伺服電機(jī)正/反運(yùn)轉(zhuǎn)到指定位置。舵機(jī)需要三根線，一根為電源線，一根為地線，還有一根為信號(hào)線。在本設(shè)計(jì)中信號(hào)線接單片機(jī)引腳P1.7，當(dāng)該引腳產(chǎn)生高電平時(shí)間為1520us時(shí)，舵機(jī)齒輪處于中間位置；高電平為920us時(shí)，舵機(jī)齒輪處于最左邊位置；高電平為2120us時(shí)，舵機(jī)齒輪處于最右邊位置。

二、控制方法

本設(shè)計(jì)的控制器為STC89C52RC，主要任務(wù)是對超聲波電路輸出信息進(jìn)行處理和判斷，達(dá)到實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)控制從而實(shí)現(xiàn)門的開與關(guān)；當(dāng)傳感電路失效時(shí)，能手動(dòng)開、關(guān)門。

三、程序設(shè)計(jì)流程圖

程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。在程序剛開始時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的初始化，通過兩種條件判斷門的開啟和閉合：1.超聲波檢測到的距離；2.key_flag的數(shù)值。第一種情況當(dāng)超聲波檢測到物體與門之間的距離小于10cm時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)（開門）；當(dāng)超聲波檢測到物體與門之間的距離大于10cm時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)（關(guān)門）。第二種情況當(dāng)key_flag的數(shù)值為1時(shí)，說明手動(dòng)進(jìn)行按鍵進(jìn)行開門，防止超聲波檢測出現(xiàn)故障而致使無法開門的情況發(fā)生，此時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)（開門）；當(dāng)key_flag的數(shù)值為2時(shí)，說明再次進(jìn)行手動(dòng)按鍵，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)（關(guān)門），并且key_flag此時(shí)清零。通過以上兩種模式實(shí)現(xiàn)門的開啟和閉合，達(dá)到了智能、自動(dòng)控制門的目的。

四、結(jié)語

本項(xiàng)目為基于STC89C52RC單片機(jī)的超聲波處理的智能門控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整體方案采用光超聲波電路檢測信息，具有精度高、檢測時(shí)間短的特點(diǎn)。使用Futaba S3010舵機(jī)能夠很形象地轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度模擬開關(guān)門的狀態(tài)，而不像普通電機(jī)只能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。LCD1602能夠顯示門開與閉不同狀態(tài)的信息，很好地起到了提示的作用。經(jīng)過長時(shí)間的測試，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與實(shí)用性。

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作者簡介：

黃俊學(xué)（1996-），男，學(xué)生，就讀于攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)。

譚科華（1966-），男，副教授，主要從事電類課程的理論及實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。