基于51单片机车库卷帘门自动控制的设计与实现

基于51单片机车库卷帘门自动控制的设计与实现龙岩学院毕业设计 题目：基于51单片机车库卷帘门自动控制的设计与实现 专业： 电子信息工程 学号： 2014041812 作者： 郭志生 指导教师： 王小龙 助教 二0一六年五月二十七日39基于51单片机车库卷帘门自动控制的设计与实现【摘要】为了实现对车库卷帘门的自动控制，设计了一种以AT89S51为控制核心的车库卷帘门自动控制系统。它采用以步进电机驱动芯片为驱动器，还运用低频加密无线遥控技术来控制步进电机的正反转以及制动，并采用三个不同颜色的LED来分别代表其目前状态，再通过LCD液晶屏显示。该系统可在日常生活中的得到推广运用。【关键字】 AT89S51 步进电机 加密无线遥控Design and Realization of automatic control of garage door based on 51 single chip microcomputer【Abstract】In order to achieve garage shutter doors automatic control, to design a AT89S51 as the control center of the garage shutter doors automatic control system. It uses a stepper motor driver chip to drive, but also the use of low-encrypted wireless remote control technology to control the stepper motor reversing and braking, and using three different color LED to represent its current state, and then through the LCD screen display. The system has been promoting the use in daily life.【Key Words】 AT89S51 Stepping motor Encrypted wireless remote control目 录第1章 引言11.1 课题研究背景及意义11.1.1 课题研究背景11.1.2 课题研究意义11.2 课题研究内容1第2章 车库卷帘门自动控制系统的总体设计32.1设计思路32.2设计方案及系统硬件框图32.2.1硬件方案32.2.2软件方案32.2.2系统硬件框图4第3章 车库卷帘门自动控制系统的硬件设计53.1 最小系统电路的设计53.1.1 单片机的选择53.1.2 单片机最小系统设计53.2 电源的设计53.3 电机驱动电路63.3.1 电机驱动电路芯片的选择63.3.2 电机驱动电路的设计73.3.3 电机驱动电路的工作原理73.4 按键控制电路设计73.5 状态显示电路73.5.2 液晶显示屏的电路设计83.6 无线遥控电路设计93.6.1 无线遥控模块芯片的选择93.6.2 无线遥控模块接收电路设计93.6.3 无线遥控模块发射电路设计9第四章 车库卷帘门自动控制系统的软件设计114.1 系统程序框图114.2 电机控制程序124.3 其它模块的程序设计134.4 延时程序144.5 LCD1602控制程序设计14第五章 车库卷帘门自动控制系统的安装与调试155.1 车库卷帘门自动控制系统的安装155.1.1 电路原理图的绘制155.1.2 电路原理图的绘制155.2 车库卷帘门自动控制系统的调试155.2.1 车库卷帘门自动控制系统实物电路的线路检查155.2.2 程序的下载155.2.3 硬件调试15第六章 总结与展望18致谢19参考文献20附录21附录1：电路原理图22 附录2：源程序23 附录3：实物图29第1章 引言1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景在高速发展的今天，卷帘门虽在市场的推广日渐普及，但是从总体来看，部分性能还不够完善。在产品的市场定位以及技术的开发上仍然是跟着市场的发展方向为主。卷帘门具有多种功能，在保障安全性能的同时还可以防盗等等。随着汽车业发展迅速，拥有汽车的人也越来越多，对车库卷帘门的要求也相对较高。所以有一个比较完整的智能车库卷帘门的自动控制系统还是相对重要的。1.1.2 课题研究意义在如今的生活和工作时代，节奏不断加快，为了让自己的生活更简单快捷，各种智能控制器逐渐走进了人们的工作和生活，并作为一个重要的角色。基于此，车库自动卷帘门，在商场，地下车库和个体经营户的一些小面积，用途广泛。特别是近年来，随着科技的发展传统的卷帘门已经无法满足客户的需求，因此智能车库卷帘门的出现越来越受到当代人的喜爱。1.2 课题研究内容本次设计以AT89S51单片机为核心系统，通过驱动芯片ULN2003A控制步进电机的正反转以及停止功能来体现车库卷帘门的上升下降以及停止功能，配以加密系统，并利用LCD和LED来更为清晰直观的明白步进电机的工作状态。自动卷帘门结构如图1-1所示:图1-1 自动卷帘门示意图本设计在阅读了大量关于车库卷帘门自动控制文献的基础上，设计了一种基于51单片机的车库卷帘门自动控制的设计。本文的具体结构如下：1.第1章引言主要介绍课题的研究背景及意义。2.第2章提出了设计方案，介绍其基本思路与工作原理。3.第3章介绍本次系统的硬件设计，包括了单片机选择，驱动电路、最小系统的设计，按键控制电路的设计，LCD显示屏的型号选择，加密系统设计等。4.第4章简单介绍了本次车库卷帘门自动控制的软件设计。5.第5章对实际系统的调试以及一系列的硬件和软件的调试。6.第6章主要是本人在本次设计中的总结与未来展望。第2章 车库卷帘门自动控制系统的总体设计2.1设计思路设计一种以AT89S51为控制核心的车库卷帘门自动控制系统。它采用以步进电机驱动芯片为驱动器，还运用低频加密无线遥控技术来控制步进电机的正反转以及制动，并采用三个不同颜色的LED来分别代表其目前状态，再通过LCD液晶屏显示。2.2设计方案及系统硬件框图2.2.1硬件方案随着如今社会的发展进步，科技的发展也越来越迅速，基于51单片机车库卷帘门的自动控制将会越来越趋向于智能化和集合化。怎么把各种仪器集中于一个自动控制系统，让使用者的操作更加简便和让仪器的大小更加集中小型化是智能控制系统中需要克服难关。根据国内机车库卷帘门的自动控制系统使用简单化、智能化化的发展趋向，我主要设计包括电源的设计，按键输入设计，单片机最小系统设计，1602液晶模块，无线传输和无线接收装置，LED液晶设计以及电机驱动的方案。其作用功能如下表2-1：表2-1名称功能按键输入设计控制步进电机运行状态单片机最小系统保证单片机系统的正常工作1602液晶模块通过液晶屏幕显示，将卷帘门的状态准确的显示在液晶屏幕上无线传输和无线接收装置通过无线加密装置，实现加密无线遥控卷帘门LED状态显示用于显示电机转动信息和车库卷帘门的工作状态电机驱动电路驱动电机转动 2.2.2软件方案根据以上的硬件设计思路，在各种模块的要求的基础上，我制作以下的软件模块，其软件模块主要有正反转控制模块，LED显示模块，键盘扫描模块，1602液晶模块，通过proteus来绘制原理图，从而完成设计实现的功能。其实现的功能主要是：通过键盘模块来改变电机的正反转，由led和1602液晶显示来同步步进电机的工作状态。其中各个模块的具体任务如下表2-2：表2-2模块名称功能键盘扫描模块实现对电机的控制，进而控制自动卷帘门LED显示模块实时显示步进电机的运行状况和卷帘门的工作状态正反转控制模块通过调用相序的不同来控制电机正反转1602液晶模块将步进电机的运行状态显示液晶屏幕上2.2.2系统硬件框图车库卷帘门自动控制系统框图如下图2-1所示。车库卷帘门自动控制系统硬件包括驱动电路、最小系统的设计，按键控制电路的设计，LCD显示屏的型号选择。图2-1 车库卷帘门自动控制系统框图.第3章 车库卷帘门自动控制系统的硬件设计3.1 最小系统电路的设计3.1.1 单片机的选择 AT89S51单片机与MCS-51 兼容，拥有4K字节可编程FLASH存储器，使用寿命：1000写/擦循环，数据保留时间长达10年，该芯片全静态工作频率范围0Hz-24MHz1。因此我的设计方案使用的是AT89S51单片机作为控制核心。3.1.2 单片机最小系统设计单片机最小系统设计如下图3-1所示。最小系统设计包括晶振电路设计、复位电路设计以及各引脚连接设计。图3-1 单片机最小系统设计如图3-1所示。在复位电路中，按照复位方式的不同，可以将复位电路分为外部按键复位和上电复位两种。前者是指用户可按照需求，手动将系统恢复到初始状态。后者则是每次系统通电，自动复位。如图3-1所示。时钟是同步单片机系统各个部件工作时序的最小时间单位。时钟电路由12M的晶体振荡器Y1，两个30pF的电容C7和C8组成。STC12C5A60S2内置R/C振荡器时钟，在所需晶振频率较低情况下可无需配置外部晶振电路2。3.2 电源的设计系统采用+5V直流电压供电。具体设计中，选用双USB接口的电源线实现单片机控制系统与电源的连接。电源端可直接与手机移动电源连接。电源电路原理图如图3-2所示。图3-2 电源电路原理图3.3 电机驱动电路3.3.1 电机驱动电路芯片的选择该电路的设计是驱动芯片选择的是ULN2003，因为它连接简单，而且能够通过改变驱动电压来控制力矩的大小，从而控制电机的转动。ULN2003 由7个NPN达林顿管组成，可同时驱动7 组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。其内部示意图如图3-3所示。图3-3 内部示意图其引脚功能说明如下表所示。表3-1 引脚功能说明引出端序号符号功能引出端序号符号功能11B输入9COM公共端2-72B-7B输入10-157C-2C输出8E发射极161C输出3.3.2 电机驱动电路的设计该电路的设计是将驱动芯片ULN2003的四个输入端（引脚1引脚4）分别接单片机的P1.4P1.7并且各自并联一个电阻，电阻的另一端接+5V电源。再将ULN2003的四个输出端（与四个输入端相对应的四个输出端，即引脚13引脚16）分别接步进电机的四个输入口，并且各自并联LED灯的负极，将LED灯另一端接上拉电阻。最后将步进电机电源端和ULN2003的引脚9接+5V电源，ULN2003的引脚8接地3。其电路原理图如下图3-4所示。图3-4电机驱动电路设计原理图3.3.3 电机驱动电路的工作原理一个脉冲信号被步进驱动器接收时，该信号能够驱动步进电机按照设定的方向转动一个步进角。因此可通过控制脉冲个数控制角位移量实现精确定位；同时控制脉冲频率可控制电机转动的速度和加速度，以此调速。3.4 按键控制电路设计 本系统中，我们只用键盘来设置一些参数，按键数量不多，而且STC89C52单片机I/O口也比较丰富，能够1满足本系统的要求，因此采用独立式键盘，通过检测单片机I/O口的高低电平来判断是否有按键按下。其中S2键为上行键，S3键为下行键。其原理图如图3-5所示：图3-5 按键电路控制图3.5 状态显示电路3.5.1 液晶显示屏的选择本次设计的显示模块采用的是LCD1602，液晶显示器LCD1602是英文Liquid Crystal Display的缩写。与其他的显示设备相比，LCD具有降低视觉疲劳，无闪烁，低功耗，所占空间小等优点。LCD显示屏是一种低压、微功耗的显示器件，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面面板上产生图象。LCD1602的芯片引脚功能说明如下表3-2。表3-2 LCD1602的芯片引脚功能说明第1脚GND为电源地第2脚VCC接5V电源正极第3脚V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高第4脚RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。3.5.2 液晶显示屏的电路设计LCD1602液晶显示屏电路设计接线图如下图3-6所示。LCD1602液晶显示屏用于直观看清卷帘门的工作状态。本次设计通过ULN2003A芯片的控制来实现车库门的上升，下降和停止功能。并用三个不同颜色的LED灯来显示电路，分别代表车库卷帘门的上升，下降和停止。同时将其对应状态显示在LCD1602显示屏上。分别显示：UP，DOWN，STOP状态。图 3-6 LCD1602液晶显示屏电路设计接线图3.6 无线遥控电路设计无线遥控模块控制系统的上行、停止和下行的三种状态是通过按键遥控器进行无线遥控。当用户在自己的车内就无需下车，就可以使用遥控器直接对车库卷帘门进行控制，这样可以节省时间。3.6.1 无线遥控模块芯片的选择本设计无线遥控模块芯片的选择采用了无线遥控编码是SC2262,解码芯片是HS2272，常用于无线电遥控领域的调制和解调。本设计的无线遥控的特点是不易受障碍物影响，可多角度遥控。本次设计的基于单片机的车库卷帘门自动控制核心是STC89C51与无线收发相结合，实现设计功能。3.6.2 无线遥控模块接收电路设计无线遥控模块接收电路设计如下图3-7所示。其中无线接收模块是通过高频接收和调解出的串行信号是SC2262集成电路编码出的，还原出控制信号数据需要通过相关的解码电路来解码。图3-7 无线遥控模块接收电路3.6.3 无线遥控模块发射电路设计无线遥控模块发射电路设计如下图3-8所示。其中SC2262集成电路有8位地址与4位数据信号。数据编码对高频载波采用ASK调制方式，即数据信号为高电平时，高频振荡器电源接通，发送信号；若数据信号为低电平时，电源断开，停止工作。这种设计安全性较高，静态工作状态下，电流几近为零。图3-8 无线遥控模块发射电路第四章 车库卷帘门自动控制系统的软件设计本设计的软件设计利用KEIL软件进行编写程序，其程序包括主程序、LCD1602控制程序、中断服务程序和基本程序。4.1 系统程序框图 首先系统上电的时候，各部分设备都初始化，就是说我的指示灯，红灯亮，液晶屏幕上显示的是STOP状态，上行和下行状态指示都不显示，系统分为发射控制和接收控制部分，发射部分为按键模块和无线发射电路，接收部分分为无线接收电路，还有MCU控制单元，步进电机驱动模块，状态指示模块。当信号发送控制端发送控制命令时，无线接收到对应的上行还是下行或者停止命令，把这个信号送给MCU控制单元，MCU控制单元根据无线接收装置发送来的信息，对电机实现对应的控制。从而调节电机是上升还是下降。同时显示模块会通过LED指示灯模块和1602液晶模块，将卷帘门现在的动作状态显示出来以便于观察。图4-1为系统程序框图：c 图4-1 系统程序框图4.2 电机控制程序本次设计中，步进电机的驱动方式采用双四拍方式。因此步进电机控制程序的设计使用双四拍方式。通过一个变量的变换决定电机的正反转，电机的摆动是以当前电机的所在位置顺时针旋转180度，再逆时针旋转180度，若系统没有做出停止电机转动的命令，将持续以该方式来回摆动。电机正反转相序编码表如下表4-1、表4-2所示。表4-1正转相序编码表步数P2.4P2.5P2.6P2.7控制字ABCD111000X0C201100X06300110X03410010X09表4-2反转相序编码表步数P2.4P2.5P2.6P2.7控制字ABCD111000X0C210010X09300110X03401100X06电机程序流程图如下图4-2所示：图4-2 电机程序流程图4.3 其它模块的程序设计 本次程序通过闪烁不同LED灯来表示车库卷帘门的上升，下降和停止三种状态，可方便清晰的看出车库卷帘门的工作状态。4.4 延时程序设计本次程序时为保证步进电机的正常运行，会对每一个STEP加一个延时程序，以使系统保证精确性。4.5 LCD1602控制程序设计LCD1602控制程序包括LCD1602的初始化，写入命令数据到LCD，写入字符显示数据到LCD，在LCD1602指定位置显示字符串的程序等程序的设计。LCD1602控制程序被广泛应用，因此不多做说明。第五章 车库卷帘门自动控制系统的安装与调试5.1 车库卷帘门自动控制系统的安装5.1.1 电路原理图的绘制电路原理图的设计利用Protel99se进行绘制电路原理图。其设计步骤如下：1.在Protel99se中新建一个文档，查找第三章所设计的硬件电路所需的元器件并载入到该文档中。其元件清单见附录。2.按照第三章设计的各个电路将元器件用导线连接起来，并将各个电路用网络标签相互连接起来，形成一个完整系统电路图。3.通过电气检查查找错误，若没有出现错误，则系统的电路图绘制完成。5.1.2 电路原理图的绘制本设计利用万用板作为电路板进行焊接电路。电路板的安装与焊接过程如下：1.对照电路原理图在万用饭上排放元器件，进行排板；2.进行焊接元器件并且利用导线按照电路原理图连接电路；3.将电机导线插入相应位置，插入相应位置。5.2 车库卷帘门自动控制系统的调试5.2.1 车库卷帘门自动控制系统实物电路的线路检查 利用万用表的电阻档检查电路的线路是否出现断路或短路情况，并检测器件的焊接是否出现虚焊，发现问题进行重新焊接，确保电路的线路无误。5.2.2 程序的下载1.利用STC串口下载器与装有“STC-ISP”程序下载软件的电脑的端口连接，将STC串口下载器的TXD、RXD、GND端分别接STC89C52RC芯片的RXD、TXD、GND端。2.打开“STC-ISP”程序下载软件，选择单片机型号和串口号，点击“打开程序文件”键将源代码的.hex文件导入下载软件中，点击“下载/编程”键后将芯片彻底断电再重新上电，当下载成功在软件显示区显示操作成功。若不成功点击“停止”键，重新点击“下载/编程”键，再将芯片彻底断电再上电。其下载界面如图5-1所示。5.2.3 硬件调试首先对于器件的参数进行测试，确保能正常使用；其次，检查制作后的工艺水平，保证线路方便连接正常，尤其是对于短路和断路，因处理不当的话可能会造成较大问题；最后在搭建完成后，芯片座先不查芯片，进行空载上电测试，以及对于各引脚电位和逻辑关系的检测。硬件连接完成后如图5-1：图5-1 硬件连接图调试结果如图5-2,5-3所示：图5-2调试结果液晶显示图图5-3调试结果LED灯以及步进电机显示图第六章 总结与展望到此为止，本次毕业设计的目的已基本完成。此次对 “基于51车库卷帘门自动控制的设计与实现”对于我个人而言是一次很好的锻炼，从最初设计方向的预想系统功能，到实现预期方向。其中经历了从器件的选择，系统模拟仿真，实践操作焊接电路，感慨良多。时间虽然并不长，只有短短的几个月，但付出的努力和实践却一点都不少，最重要的是学到了许多教科书上学不到的知识，在这过程中我查找并翻阅了许多国内外相关书籍，对于智能车库卷帘门的认识有了进一步的认识，明白其工作原理和存在的必要性。另一方面，本次毕业设计不仅仅在理论上要求专业还对于实践动手能力的要求相对较高，通过这段时间的锻炼，实践动手能力也有了一个较大的提升。对于以后在社会工作上也积累了一定的经验。诚然，在这次设计中也明白了自己的许多不足。如对于线路设计的不合理，使得在焊接线路上耗费了较多时间。在编程软件上，在最开始时候对于程序无从下手，在经过老师指点和多次的调试的后，才渐渐将程序完成。在经过这段时间的努力后，虽然基本已达到预期目标。但是对于我们做出的产品最终目的是希望能够有个较大规模的推广，这使得本次的设计需要更为完美。因此，希望能在此次基础上不断完善和进步。致谢我首先要感谢我的指导老师。他无论是在我的设计制作，还是在毕业论文的写作方面都给与我耐心的指导。老师在学问上对待知识严谨认真的态度让我深深敬佩，在生活上平易近人又让我倍感亲切。不仅在我制作毕业作品的过程中，提供了大量宝贵的专业知识，使我制作过程平顺很多。还在生活上关心我，使我在做本次设计拥有了更大的信心。在此向老师表达衷心感谢。我还要感谢我的家人。他们在我毕业设计时给了我很多精神上的鼓励和支持，让我时刻充满动力地投入到毕业设计中去。最后，还要感谢所有的同学们，他们在我平常遇到问题的时候，无私的帮我解决困难。谢谢你们！参考文献1 江思敏,姚鹏翼,胡荣等.Protel电路设计教程第一版M.北京:清华大学出版社,20022 李华.MCS51系列单片机接口技术M.北京航空航天大学出版社,19933 张毅刚主编.单片机原理及应用C51编程+proteus仿真M.北京:高等教育出版社,20124 江思敏,姚鹏翼,胡荣等.Protel电路设计教程第一版M.北京:清华大学出版社,20025 Ka C.Cheok,Kazuyuku Kobayashi,Sandro Scaccia,Giamberto Scaccia.A fuzzy logic-based smart automatic windshield wiper.IEEE Xplore Digital Library,19966 Jarajreh M,Nortcliffe A L,Green R.Fuzzy logic and equivalent circuit approach to rain measurement.Electronics Letters,2004附录附录1：电路原理图附录2：源程序附录3：实物图附录1：电路原理图附录2: 源程序*/#include pbdata.hsbit up = P33; /3.2口接收到高电平电机就会上升sbit down = P34;/3.3口接收到高电平电机就会下降sbit red_led = P20;/停止指示灯sbit blue_led = P21;/电机上升指示灯sbit yellow_led = P22;/电机下降指示灯unsigned char code FFW8=0 xF1,0 xF3,0 xF2,0 xF6,0 xF4,0 xFc,0 xF8,0 xF9;void delay(unsigned int i)while (i-);void main(void)red_led = 1;blue_led = 0;yellow_led = 0;/up = 0;/down = 0;LcdInit();/初始化LCD1602液晶屏while(1) char i = 0; if(down = 1) for (; i=7; i+) P1 = FFW7-i; delay(100); blue_led = 0; yellow_led = 1; red_led = 0; LcdWriteCom(0 x80); LcdWriteData(S); LcdWriteData(t); LcdWriteData(a); LcdWriteData(t); LcdWriteData(e); LcdWriteData(:); LcdWriteData(D); LcdWriteData(O); LcdWriteData(W); LcdWriteData(N); else if(up = 1) for (; i0;c-)for (b=38;b0;b-)for (a=130;a0;a-); #ifndef _pbdata_H/创建一个公用子文件，这里面是一些公用的函数#define _pbdata_H#define uchar unsigned char#define uint unsigned int #include reg52.h/包含了51单片机的头文件#include lcd_1602.h/包含了LCD1602液晶屏的函数void Delay10ms(unsigned int c); /误差 0us#endif*/#include pbdata.h/* 函 数 名 : Lcd1602_Delay1ms* 函数功能 : 延时函数，延时1ms* 输 入 : c* 输 出 : 无* 说 名 : 该函数是在12MHZ晶振下，12分频单片机的延时。*/void Lcd1602_Delay1ms(uint c) /误差 0us uchar a,b;for (; c0; c-) for (b=199;b0;b-) for(a=1;a0;a-); /* 函 数 名 : LcdWriteCom* 函数功能 : 向LCD写入一个字节的命令* 输 入 : com* 输 出 : 无*/void LcdWriteCom(uchar com) /写入命令E = 0; /使能清零RS = 0; /选择写入命令RW = 0; /选择写入P0 = com;/由于4位的接线是接到P0口的高四位，所以传送高四位不用改Lcd1602_Delay1ms(1);E = 1; /写入时序Lcd1602_Delay1ms(5);E = 0;/Lcd1602_Delay1ms(1);P0 = com 4; /发送低四位Lcd1602_Delay1ms(1);E = 1; /写入时序Lcd1602_Delay1ms(5);E = 0;/* 函 数 名 : LcdWriteData* 函数功能 : 向LCD写入一个字节的数据* 输 入 : dat* 输 出 : 无*/ void LcdWriteData(uchar dat)/写入数据E = 0; /使能清零RS = 1; /选择写入数据RW = 0; /选择写入P0 = dat;/由于4位的接线是接到P0口的高四位，所以传送高四位不用改Lcd1602_Delay1ms(1);E = 1; /写入时序Lcd1602_Delay1ms(5);E = 0;P0 = dat 0) LcdWriteData(*s); s+; #ifndef _lcd_1602_H#define _lcd_1602_H#include pbdata.hsbit E = P27;sbit RW = P25;sbit RS = P26;void Lcd1602_Delay1ms(uint c); /误差 0usvoid LcdWriteCom(uchar com);void LcdWriteData(uchar dat);void LcdInit();void lcm_w_word(unsigned char *s)附录3：实物图