地铁自动门控制器的设计

本科毕业设计(论文)题目： 地铁自动门控制器的设计院 系： 电子信息工程系 专 业： 电子信息工程1202班 学 号： 1209151048 姓 名： 呼彦旭 指导教师： 黄文准 司开波 2015年12月摘要随着社会的发展，科学技术的进步和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是其中的一个。本文设计了基于单片机的地铁自动门，以单片机系统为主体，以直流电机转速测量为核心，实现对地铁车站门的自动控制。本设计以8051为核心的直流电机控制系统，红外传感器，磁力开关组合。直流伺服电机的正反转，用单片机逆旋转控制程序，打开和关闭控制，直流电机由桥驱动。充分发挥单芯片的性能。该电路的优点是简单，软件功能完善，控制系统可靠，价格高，具有一定的使用和参考价值。关键词：地铁自动门；直流电机；红外传感器；转速测量AbstractWith the development of society, the progress of science and technology and peoples life level 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 motor, speed measurement as the core, realize the automatic control to iron.This design is mainly used the 8051 as control core, combin of DC motors, infrared sensors, magnetic switch.Making full use of the microcontroller performance. Through the microcontroller program control the dc servo motor 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: Metro automatic door；DC motor；Infrared sensors；Speed measurement目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 研究的意义11.3 研究的目的11.4 国内外相关研究情况22 自动门系统方案32.1 设计思想和整体框图32.2 器件选型33 自动门系统的硬件设计63.1 系统硬件整体逻辑设计63.2 控制器单元的硬件设计63.3 直流电机驱动模块123.4 检测模块163.5 转速测量模块174 软件设计204.1 整体程序流程图204.2 功能模块设计204.2.1 PWM信号发生程序设计204.2.2 转速测量模块程序设计234.2.3 检测开关程序设计255 设计仿真与分析265.1 仿真软件介绍265.2 整体分析275.3 软件调试285.4 硬件仿真29总 结30致 谢31参考文献321 绪论1.1 课题背景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，人们不断追求舒适、方便的生活环境。因此相应的电子产品，智能自动门也出现在人们的生活中。随着技术的日益成熟和完善，自动门的性能越来越成熟，广泛应用于政府机关、银行、医院、商业、工业等不同行业，提高了人们的生产生活条件。自动门的工作人员不仅给我们带来了方便和节能空调、防风、防尘、防噪音等好处，也让建筑增添了不少的优雅。1.2 研究的意义 自动门不但能给人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。 21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。同时也几乎成为了银行，写字楼、酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。 大中型公共场所，为这些建筑増添了亮丽、时尚的姿彩，人们根据需要改善和完善自动门的相对功能，从理论上应该是理解的延伸，使用价值观。所以对自动门的理解应该是从人们对功能要求的开始。作为建筑的一部分，从最基本的意义上讲，要满足外部环境的需要和人的隔离要求。因此，门本身应该是坚定的和密封的。1.3 研究的目的随着电子科技的不断发展, 各种智能控制系统进入人们的生活。自动门控制系统成为地铁、超市等人流密集地疏导人流、控制出入的首选。自动门能实现入门授权的自动识别控制和防挤压等功能。为了使地铁自动门能够更好的为地铁服务, 得到一种电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高的地铁自动门系统，本文研究一种双翼对开式自动门控制系统, 实现了入门授权的识别控制和防挤压等功能。该系统以8051作为控制核心，直流电机、红外传感器、磁开关相结合的系统。充分发挥了单片机的性能。具有一定的使用和参考价值。1.4 国内外相关研究情况在国外，进入九十年代以来，自动门技术发展很快，技术已经成熟 ，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。在现在，人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防尘、防风，同时可以使出入口显得很庄重高端，因此应用非常广泛。在国内全自动旋转门技术来源于荷兰、瑞典、日本等国。九十年代后期旋转门开始在国内建筑领域中得到迅速推广和广泛的使用。 从本世纪开始，国内进入了全面建设小康社会的新阶段，创造美好生活环境是装饰业发展的巨大推动力。现代城市建筑物装饰装修中，将高科技应用到建筑物的外观形象上，使城市建筑的入口体现出智能化。对门的选择由单一的功用型向个性化、品位化发展，旋转门以其全新的概念，宽敞开放的门面和高格调的设计，自然成为当代的建筑装饰的主流，无可质疑的必选设施。堪称建筑物的点睛之笔。北京引龙对自动门产品质量、安全性、节能性、噪音、施工质量、售后服务拥有统一的标准，规范着自动门市场的管理有序状态。372 自动门系统方案2.1 设计思想和整体框图本设计主要应用单片机程序对直流伺服电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。在门的两侧各有一个感应器，分别感应从里面出去和从外面进来的人。感应探测器探测到有人靠近，脉冲信号传给主控制器，主控制器判断注意电机运行后，在监测电机的速度，及时通知并进入加力电机运行速度慢。直流电动机用桥驱动。红外传感器探测人体的传感器。下图2-1是自动门系统整体框图。图2-1 自动门系统整体框图2.2 器件选型单片机AT89C51各个引脚的作用：VCC/GND：供电电源。P0口：可以被定义为数据/地址的低八位，能够用于外部程序/数据存储器。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：标准输入输出I/O，P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：既可用于标准输入输出I/O，也可用于外部程序存储器或数据存储器访问时的高八位地址。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：既可以作标准输入输出I/O，也可作为AT89C51的一些特殊功能口， 管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）RST：复位输入。当振荡器复位装置，保持高水平的RST脚两个机器周期时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。8051单片机最早由Intel公司推出，其后，多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大,应用也最广泛，有人推测8051可能最终形成事实上的标准MCU芯片。对凌阳系列芯片相同的芯片模块的硬件功能都具有相同的资源特点；不同类型的芯片内资源被删除。最大特点是抗干扰能力强。广泛应用于家用电器、工业控制、仪器仪表、安防报警、电脑周边等领域。它在发音上的主要优势。8051作为系统控制器，单片机运算功能强大，软件编程灵活，可自由利用软件编程实现各种算法，具有低功耗、体积小、技术成熟、成本低等特点，在各个领域得到广泛应用。而且我们也比较熟悉这款芯片，因此采用8051构成系统控制部分。直流电机采用H桥驱动：单片机的一个引脚分别产生两种占空比不同的PWM（脉冲宽度调制）波形作为驱动信号，实现不同的转速和制动；另外由一个引脚产生转向控制信号，在门的中间及其两边设置磁开关，作为中断信号产生源，来判断电机是否应该转换速度或停止；有无人进出采用红外线来探测，有人时则产生中断，执行开门动作；转速测量采用在电机的转轴上设置一个带有相差180度且位于同一半径上的两小孔的圆盘，用红外线照射转动的圆孔，光透过小孔被光敏三极管接收，从而产生脉冲经整形电路后送到单片机内部定时计数测出频率。在感应器的选择方面是很灵活的，在高档酒店，办公楼应用到中央处理器，可以选择高灵敏度传感器；在人行道和银行的边缘，商店和其他经常有人通过，区域具体和有效的传感器选择；在医院手术室门前可以使用压力传感器；和车库门可以由固定的光传感器。现在广泛使用的传感器主要是微波传感器和红外传感器。微波传感器，也被称为微波雷达，物体运动反应，反应速度快，对步行速度正常的人员通过的地方，它是在附近的门的工作人员不想出去，不动，雷达将不再反应。自动门关上，可能出现夹现象。红外传感器，在响应对象的存在，无论是移动人员，只要传感器扫描范围，它会反应。红外感应器的反应速度比微波感应器慢。本系统首先要求的是安全，所以选用红外线传感器。3 自动门系统的硬件设计3.1 系统硬件整体逻辑设计数字控制伺服系统由计算机控制器、PWM功率驱动接口、传感器接口和电机本体四部分组成。计算机的作用是：设置信号的位置，根据传感器接口给出，绝对零位脉冲和电流反馈控制，脉冲宽度调制（脉宽调制）信号。最后，由脉宽调制的开关电源接口的电机的最终驱动力。在该系统中，通过软件实现反馈控制，因此，根据负载变化系统的性质，最佳匹配的参数。信号过滤也可以通过软件实现，它更可能是通过计算机补偿技术来补偿传感器的精度。计算机控制在可靠性、小型化、联网群控制等方面的优点都是经典模拟伺服系统无法比拟的。3.2 控制器单元的硬件设计控制器单元硬件电路图如图3-1所示：图3-1 控制器最小系统一片MCS-51单片机芯片内包含一个8位CPU、振荡器和时钟电路、至少128字节的内部数据存储器，可寻址外部程序存储器和数据存储器个64k字节，21个特殊功能寄存器，4个并行I/O接口，2个16位定时/计数器,至少5个中断源，提供两级中断优先级，可实现两级中断服务程序嵌套。具有有位寻址功能，有较强的布尔处理能力。各功能单元（包括IO端口和定时器/计数器等）都由特殊功能寄存器（SFR）集中管理。MCS-51单片机在物理结构上有四个存储空间：1、片内程序存储器2、片外程序存储器3、片内数据存储器4、片外数据存储器程序内存ROM的寻址范围：0000H FFFFH容量64KB。EA = 1,寻址内部ROM；EA = 0,寻址外部ROM。地址长度：16位。作用：存放程序及程序运行时所需的常数。七个具有特殊含义的单元是：0000H系统复位，PC指向此处；0003H外部中断0入口000BH T0溢出中断入口0013H外中断1入口001BH T1溢出中断入口0023H串口中断入口002BH T2溢出中断入口内部数据存储器RAM物理上分为两大区：00H 7FH即128B内RAM和 SFR区。作用：作数据缓冲器用。一个微处理器可以很聪明地完成一些任务，除了他们强大的硬件，还需要运行他们的软件，实际上，微处理器是不聪明，他们完全按照预先编写的程序和执行。因此，设计人员编写的程序存储在微处理器的程序存储器中，通常被称为只读存储器（只读存储器）。该程序相当于一系列的指令，用于处理微处理器的问题。事实上，同样的程序和数据，都是由机器码串组成的。只有代码被存储在程序存储器中。MCS-51具有64KB程序存储器寻址空间，它是用来存储用户程序。信息数据和表格等。8031单片机内部ROM，它必须是外部程序存储器，地址空间为64KB，在单片机端必须接地。从外部程序存储器读取程序的力量。对于内部只读存储器8051微控制器，在正常运行期间，你需要拿起高电平，先从内部程序存储器读取程序，当上位机的值超过了内部只读存储器的容量时，就要把外部程序存储器读写程序。8051片内有4kB的程序存储单元，其地址为0000H0FFFH,单片机启动复位后，程序计数器的内容为0000H,所以系统将从0000H单元开始执行程序。但在程序存储中有些特殊的单元，这在使用中应加以注意。其中一组特殊是0000H0002H单元，系统复位后，PC为0000H,单片机从0000H单元开始执行程序，如果程序不是从0000H单元开始，则应在这三个单元中存放一条无条件转移指令，让CPU直接去执行用户指定的程序。另一组特殊单元是0003H002AH,这40个单元各有用途，它们被均匀地分为五段，它们的定义如下：0003H000AH外部中断0中断地址区。000BH0012H定时/计数器0中断地址区。0013H001AH外部中断1中断地址区。001BH0022H定时/计数器1中断地址区。0023H002AH串行中断地址区。可见以上的40个单元是专门用于存放中断处理程序的地址单元，中断响应，根据中断类型，自动中断到各自的区域执行程序。从上面我们可以看到，每个中断服务程序都是8个字节单位的8个字节来存储一个中断服务程序显然是不可能的。因此，上述地址单元不能用于存储在程序中的其他内容，并且只能存储在中断服务程序中。但通常情况下，我们被放置在中断响应地址区的无条件跳转指令，指向的程序存储器的另一个真的存储中断服务程序的日常空间来执行，这样的中断响应，中央处理器读取此传输指令，他转向其他地方继续执行中断服务程序。0000h-0002h，只有三个存储单元，在程序三存储单元存储是存储在过程中没有实际意义，我们通常在实际编程是一个组织的指令，通过网站跳转指令的用户ROM区从0033h开始，再设置程序语言。从用户的只读存储器用户可以启动0033个区域通过组织命令任何安排，但在应用程序应注意，不超过实际存储空间，否则程序将不会找到。数据存储器数据存储器也称为随机存取数据存储器。数据存储器分为内部数据存储和外部数据存储。片内数据存储器为8位地址，所以最大可寻址的范围为256个单元地址，对片外数据存储器采用间接寻址方式，R0、R1和DPTR都可以做为间接寻址寄存器，R0、R1是8位的寄存器，即R0、R1的寻址范围最大为256个单元，而DPTR是16位地址指针，寻址范围就可达到64KB。也就是说在寻址片外数据存储器时，寻址范围超过了256B,就不能用R0、R1做为间接寻址寄存器，而必须用DPTR寄存器做为间接寻址寄存器。8051单片机片内RAM共有256个单元(00H-FFH),这256个单元共分为两部分。其一是地址从00H7FH单元(共128个字节)为用户数据RAM。从80HFFH地址单元(也是128个字节)为特殊寄存器(SFR)单元。MCS-51系列单片机有四个双向的8位并行口P0P3，每个口各有一个8位的口锁存器，复位后它们的初态全为1。P1口为准双向口，P1口的每一位都能独立地定义为输出线或输入线。作为输入线的位，口锁存器的相应位必须为1状态。P3口是一个双功能口，作为第一功能使用时，其功能和P1口相同。作为第二功能使用时，其口锁存器状态必须为1。P3口的每一位可独立地定义为第一功能的输入输出和第二功能的输入输入。P2口也是准双向口，并且是双功能口，它既可作为第一功能的输入输出口使用，也可作为第二功能的系统扩展地址总线口，输出高8位地址AB8AB15。P0口也是双功能口，既可可作为第一功能的输入输出口使用，也可作为第二功能的系统扩展地址/数据总线口，分时输出低8位地址AB0AB7和收发数据信息D0D7。P1、P2、P3都能驱动3个TTL门，且不需要外加电阻就能直接驱动MOS电路。P0作为I/O时需外接上拉电阻才能驱动MOS电路。如果MCS-51本身的I/O口数量和种类或存储器容量不能满足用户需求时，可扩展I/O接口或外数据存储器，外部数据存储器和外部扩展接口统一编址，CPU对它们的操作指令也相同。在外部64k的数据空间（存储类型XDATA）内，可以各划出一个区域作为扩展I/O地址空间和外部数据存储器地址空间。MCS-51系列单片机至少有5个中断请求源，提供2个中断优先级，可实现2级中断服务程序嵌套。每个中断源可程控为高优先级中断或低优先级中断。和中断系统相关的特殊功能寄存器有中断优先级控制寄存器IP，中断使能控制寄存器IE，以及定时/计数器控制寄存器TCON、串行通信口控制寄存器SCON的相关位。MCS-51系列单片机的5个中断请求源中，有通过P3.2、P3.3输入的二个外部中断源和，片内两个定时器/计数器 (T/C0、T/C1) 的溢出中断请求源TF0和TF1，还有一个片内串行通信口发送或接收中断请求源TI或RI。这些中断请求源分别由特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位所锁存。1、 定时器/计数器（T/C）控制寄存器TCONTCON的高4位控制定时/计数器，低4位控制外部中断。其格式如表3-1所示。表3-1 定时器/计数器控制寄存器TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0定时/计数器控制外部中断控制IT0、IT1：外部中断0、1触发方式选择位，由软件设置。置1为下降沿触发 (即当外部中断请求源信号有从1电平到0电平的变化时，外部中断请求标志IE0或IE1才会置1 )，设置0 为低电平触发 (即只要外部中断请求源信号为0时，外部中断请求标志IE0或IE1就置1 )。IE0、IE1：外部中断0、1请求标志位。产生中断请求时，硬件置位，CPU响应中断后，硬件清零。TF0、TF1：T/C0、T/C1计数溢出中断请求标志位。产生中断时，硬件置位，CPU响应中断后，硬件清零。TR0、TR1：T/C0、T/C1启动标志位。其操作方法将在定时器/计数器章节中介绍。2、 串行通信控制寄存器SCONSCON中与串行通信中断有关的位是SCON.1和SCON.0。格式如表3-2所示。表3-2 中断服务程序入口地址表编号中断源入口地址硬件优先级0外部中断00003H最高1T/C0中断000BH高2外部中断10013H中3T/C1中断001BH低4串行通信口中断0023H最低通常在中断入口安排一条相应的无条件跳转指令，以当CPU响应中断后，可从中断入口跳转到用户设计的相应中断处理程序入口。与中断系统相关的特殊功能寄存器有以下几个：1、TCON：涉及的位标志IE0、TF0、IE1、TF12、IE：设及的位标志EX0、ET0、EX1、ET1、ES3、IP：涉及的位标志PX0、PT0、PX1、PT1、PS4、SCON：涉及的位标志RI、TI定时器/计数器是单片机的一个重要功能部件，可用来实现定时、计数、频率测量、脉冲宽度测量、产生信号、信号检测等。MCS-51系列单片机中有至少有2个定时器/计数器T/C0和T/C1，它们既可以编程为定时器使用，也可编程为计数器使用。若是内部晶振驱动时钟，则是定时器；若是对外部输入的脉冲信号计数，则是计数器。当T/C以定时器方式工作时，在每个机器周期计数加1，计数频率 = fosc / 12。如晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，每隔1s计数值加1。当T/C以计数器方式工作时，计数脉冲来自外部输入管脚T0 (P3.4) 或T1 (P3.5) ，当外部脉冲信号负跳变时计数值加1。假如外部信号是周期性连续脉冲信号，则每过一个振荡周期，计数器进行一次加1计数。因计算机识别输入信号的负跳变需两个机器周期，所以可计数外部脉冲的最高频率为fosc / 24。当晶振为12MHz时，最高计数频率为500kHz，假如外部脉冲频率高于此频率，计数将出错。和T/C有关的特殊功能寄存器有TH0、TL0、TH1、TL1、TCON和TMOD，其中TH0和TL0为T/C0的计数寄存器，TH1和TL1为T/C1的计数寄存器。TCON中高4位用于控制定时/计数器的启停以及产生计数溢出中断标志，其各位的定义如下表3-3所示。表3-3 定时器/计数器控制寄存器TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TF0TR0TF1TR1IE1IT1IE0IT0TR0、TR1：T/C0、T/C1启动控制位，需软件控制。1启动计数；0停止计数。TF0、TF1：T/C0、T/C1计数溢出中断请求标志位。产生中断时，硬件置位；CPU响应中断时，硬件清零。TCON上电复位时清零。TMOD用于设置定时器/计数器的工作模式，其各位的定义如表3-4所示。表3-4 定时器/计数器方式控制寄存器TMODD7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/M1M0GATEC/M1M0T/C1T/C0其中高4位对应于T/C1，低4位对应于T/C0。C/：计数器或定时器选择位。0定时器；1计数器。GATE：门控信号位。0T/C的启停仅受TR0或TR1的控制；1T/C的启停受到双重控制，即TR0和P3.2或TR1和P3.3同时为1才能启动T/C0或TC1。M1、M0：工作方式选择位。定时器定时时间和计数初值之间的关系：定时时间 = (满计数值 计数初值) 机器周期机器周期 = 12 / fosc满计数值：16位计数：216 = 65536 8位计数： 28 = 256 定时/计数器编程操作步骤：1、确定工作模式：编程TMOD；2、计算定时器计数初值，并装载到THx和TLx中，或THx和TLx清零；3、在中断方式工作时，开CPU中断和源中断：编程IE。必要时设置中断优先级：编程IP；4、启动T/C：置位TCON中的TR0、TR1。3.3 直流电机驱动模块微处理器取代模拟电路作为电动机控制器有如下特点：1、使电路更简单为了实现控制逻辑，模拟电路需要大量的电子元器件，使得电路复杂。采用微处理器后，绝大多数的控制逻辑可以通过该软件。2、可以实现较复杂的控制微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，具有大容量存储单元，因此具有实现复杂控制的能力，如优化控制等。3、灵活性和适应性因为控制器的控制方式是由软件完成的，如果你要修改控制律，一般不需要改变硬件电路，只能修改程序即可。在系统的调试和升级，可以继续试着选择最佳的参数，很方便。4、无零点漂移，控制精度高数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控制量的大小如何，都可以保证足够的控制精度。5、可提供人机界面，多机联网工作因此现在普遍采用单片机作为电动机的控制器。本设就是由单片机控制产生PWM信号，通过H桥驱动直流电机。电机的驱动方法可以分为：可关断晶闸管的门极驱动、功率晶体管的驱动、和功率场效应管的驱动等。此次设计我采用的方法是由功率场效应管来组成驱动电路。直流电机是第一个电机，也是第一个实现电机转速的。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的主导地位。由于它具有良好的电流速度特性，简单的控制性能，效率高，动态特性优异；虽然近年来受到了其他电机的挑战，但迄今为止仍是最速控制电机的最为首选的选择。近年来，直流电机的结构和控制方式发生了很大的变化。随着计算机和新型电力电子器件的出现，脉宽调制控制模式已成为绝对主流。这种控制方法很容易实现在单片机控制中，这为直流电机控制提供了一个机会。众所周知，直流电机转速n的表达式为：n=（U-IR)K （3-1）(3-1)中，U-电枢端电压；I-电枢电流：R-电枢电路总电阻；-每极磁通量；K-电动机结构参数。现在，大多数应用场合都是用电枢控制法。下面介绍在励磁恒定不变的情况下，如何通过调节电枢电压来实现调速。绝大多数的直流电动机是由开关驱动的。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制脉宽调制来控制电机的电枢电压，实现转速。当开关管导通时，电机两端响电压Us。PWM信号的周期为T，其中高电平时间为tl，低电平时间为t2。当开关管截止时电机电枢两端的电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管动作重复前面的过程。这样，直流电动机电枢绕组两端的电压平均值U0为：U0=(tlUs+0）/（t1+t2）=t1Us/T= a Us (3-2)式中，a为占空比，a=tlT。占空比a表示了在一个周期T里，开关管道通的时间与周期的比值。a的变化范同为0a1。由（3-2）可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比a的大小，改变a值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速的原理。在PWM调速时，占空比a是一个重要参数。以下三种方法都可以改变占空比的值：1、定宽调频法：这种方法是保持tl不变，只改变t2，这样使周期T(或频率)也随之改变。2、调宽调频法：这种方法是保持t2不变，只改变tl，这样使周期T(或频率)也随之改变。3、定频调宽法：这种方法是使周期T(或频率)保持不变，而同时改变t1和t2。前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时将会引于控制脉冲的频率，且考虑到程序设计的方便性问题，仍是用的第二种方法。目前，在直流电机的控制中，主要使用定频调宽法。PWM控制信号的产生方法有四种：分立电子元件组成的PWM信号发生器：这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。他是最早期的方式。现在已被淘汰了。软件模拟法：利用单片机的一个I/O引脚，该软件具有输出电平，实现脉宽调制输出。这种方法需要大量的时间处理器，单片机不能进行其他的工作，所以现在也使用较少。但是由于自动门系统的设计在脉宽调制输出信号中不需要做其它的动作，同时考虑到实验室模拟器没有特殊的脉宽调制端口，所以使用这种方法。专用PWM集成电路：从PWM控制投术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区”调节功能、保护功能等。在单片机控制直流电动机中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作更可靠。单片机的PWM口：新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干涉。直流电动机的PWM驱动又分为可逆与不可逆、双极性与单极性之分。本设计采用了单极性驱动可逆PWM系统，下面作一下详细介绍。单极性驱动方式是指住一个PWM周期内，电动机的电枢制成收单极性的电压。单极性驱动也有T型和H型之分，以H型最多。H型又可以分为多种控制方式，此设计采用受限单极性驱动方式和受限倍频单极性驱动方式。首先单极性驱动可逆PWM驱动系统的驱动电路如下图3-2所示。图3-2 受限单极可逆PWM驱动系统电机止转时，开关管Ql受PWM控制信号的控制，开关管Q2施加高电半使其常开；开关管Q3、Q4施加低电平，使它们全都截止。如图3-2的状态。在要求电动机反转时，开关管Q1受PWM控制信号的控制，开关管V2施加高电平使其常开；开关管Q1、Q2施加低电平，使它们全都截止。当要求电动机正转时，在每个PWM周期的0-tl区间，Ql导通，电动机工作在电动状态。在每个PWM周期的tl-t2区间，Q1截止，电流在自感电动势的作用下，经Q2和D4型重新流回路，如图3-1的虚线2所示，电动机继续工作在电动状态。电动机正转时的电流波形如图3-3(a)所示。占空比比仍可按式3-1计算。当电动机制动时，PWM 信号的占空比减小，使电枢两端的平均电压小于反电动势。在反电动势的作用下，电流产生制动转矩，但是由于V2处十截止状态，使耗能制动电流通路受到限制，所谓“受限”因此而得名。当电动机工作在轻载时，在每个PWM周期的tl-t2区间，当续流电流衰减到零后，由于V2的截止使反电动势不能建立反向电流，电枢电流出现断流现象，如图3-3（b)所示。 (a) 正转 （b）轻载 图3-3 受限单极可逆PWM电流波形首先单极性驱动方式在轻载时会出现断流现象，这是这种方式不利的一面，可以通过提高开关频率或改进电路设计来克服；但是由于能够避免开关管直通，可以大大提高系统的可靠性，所以得以普遍使用。单片机实现受限单极性控制具体方法如下：下图3-4是用单片机控制受限单极性可逆PWM驱动系统的原理图。图中单片机将PWM定向到P0.0引脚，另外通过P1.0引脚发出转向控制信号，规定其中高电平代表正转，低电平代表反转。从单片机输出的PWM信号和转向信号先经过2个与门和l个非门在各个开关管的栅极相连。当单片机要求正转时，单片机Pl.0输出高电平信号，该信号分成3路：第1路接与门Yl的输入端，使与门Yl的输出由PWM决定，所以开关管vl栅极受PWM控制。第2路直接与开关管Q2栅极相连，使Q2导通。第3路经非门Fl连接到与门Y2的输入端，使与门Y2输出为0，这样使开关管Q4截止。从非门Fl输出的另一路与开关管Q3的栅极相连，其低电平信号也使Q3截止.同样电动机要求反转，单片机P1.0输出低电平信号，经过两个与门和一个非门组成逻辑电路后，使开关管Q4受PWM信号的控制，Q3导通，Q1、Q2截止。图3-4 单片机控制受限单极性可逆PWM系统原理图3.4 检测模块检测有无人进出采用对射主动红外探测器。限位开关则由磁开关来实现。下面介绍一下具体实现方法及原理。生活中有很多种保护装置，如被动红外传感器、电子围栏、红外探测器等，可由人体或其他物体检测。其中，最广泛使用的红外探测器是最广泛使用的，因为它易于安装，价格低，市场接受了大量的消费者。它由2部分组成，发射机和接收机。该发射器发射了一个特定波长的红外光，当然，人眼看不到，但可以通过一个特定的设备检测，也可以成像。通常情况下，接收器接收接收器，但如果发射器被该对象阻挡，则会发出报警信号。每一个火灾探测器的某个高度门自动门的设计。并通过导管将发射管和接收管捕获，确保发射的光是一束光，不受其它光干扰。高电平信号传输接收管光被阻塞。这两个接收器的输出连接到一个门，然后通过门到INT0引脚。所以无论是一门或一个人出去，会有一个低电平信号输入INT0端口，使单片机得到某人的信息，调用相应的程序来执行适当的行动打开大门。限位开关分别设置在门开启的限位位置，关闭门的限位位置，以及半位置的位置。此开关是这样一种装置：在其附近的一半的磁铁，磁性开关被吸入封闭状态，输出高电平。输出低电平。将两小块磁铁分别置于门的右上角位置，则当自动门移到限位开关处时，此开关就会被吸合，发出高电平信号，分别输出给P0.4、P0.5、P0.6这三个引脚，单片机经过查询这三个引脚来判断到那个限位开关，再执行变速或停止的相应动作。限位开关的安装方法如下图3-5所示。图3-5 检测有无人进出及限位开关模块3.5 转速测量模块转速测量的方法是用一个圆盘固定在电机轴上，圆盘上相同半径的圆环上相隔180度的两个位置钻两个小圆孔，用于透光。有红外发光二极管从圆盘一侧照射到小孔上，红外光透过小孔照射到圆盘那一侧的光敏三极管上，于是光敏二极管发出脉冲。再经过脉冲整形送入T1计数。从而测得电机的转速。常用的红外发光二极管(如SE303-PH303)，其外形和发光一极管LED相似，发出红外光(近红外线约0.93,um)。管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，回路中常串有限流电阻。光敏三极管是具有放大能力的光-电转换三极管，广泛应用于各种光控电路中。在无光照射时，光敏三极管处于截止状态，无电信号输出。当光信号照射其基极(受光城口)时，光敏三极管将导通，从发射极或集电极输出放大后的电信号。电路如下图3-6所示：图3-6 转速测量模块的电路设计当光敏三极管无光照射时是截止的，所以输出为高电平5V，当接受光照后导通，于是集电极输出为低电平。形成一个窄的脉冲信号。下面介绍一下脉冲整形的原理：1.单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。 2.在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。 3.由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。利用单稳态触发器的这些特性可以实现脉冲整形、脉冲定时、延时等功能。单稳态触发器的暂稳态通常都是靠RC电路的充放电过程来维持的。根据RC电路的不同接法(即接成微分电路形式或积分电路形式)又把单稳态触发器分为微分型和积分型两种。微分型单稳态触发器如图3-7所示。图3-7 微分型单稳态触发器当触发脉冲V1加到输入端时，在Rd和Cd组成的微分电路输出端得到很窄的正、负脉冲Vd。当Vd上升到Vth以后，将引发以下的正反馈过程接通电源VDD不触发时，U I0，而U I 2VDD1，所以U O20。故有自然稳态：UO=0。这时U I，0，U O11VDD ，自然稳态时，电容C两端均为VDD ，C中无电荷。C中无电荷，是稳态的标志。触发时，UI1，UO10，由于电容C两端的电压在触发瞬间不能突变，所以UI20，使UO21。故有暂态：UO=1。接下来，C充电，充电回路为：VDDRCUO1 ，充电使UI2上升。当UI2上升到等于G2门的阈值电平VTH时，UO2突跳为0，电路返回到自然稳态：UO=0。当UO=0时，UI，0，UI0（因为触发高电平已经消逝），所以UO1从“0”突跳为“1”（即上升了VDD）；由于电容C两端的电压瞬间不能突变，所以UI2也应该从VTH突跳为UI2VTHVDD；但实际上由于G2门输入端有钳位二极管，所以UI2实为UI2VDD0.7。接下来，C放电，放电回路为：UI2VDDUO1CUI2 ，放电使UI2下降，当UI2下降到等于VDD时（此时，C两端均为VDD，C中无电荷），电路稳定，保证UO=0。根据以上的分析，即可画出电路中各点的电压波形，如图3-8所示。由图3-7可知，TW等于UI2从0上升到VTH所对应的时间。这里，电容C的充电时间常数=RC，起始值UI2（0+）=0，稳定值UI2（）=VDD，转换值UI2（TW）=VTH，带入RC过渡过程计算公式进行计算可得：4 软件设计4.1 整体程序流程图本设计程序以汇编语言编写，因为汇编语言易于读写、易于调试和修改，同时汇编语言用来编制系统软件和过程控制软件，其目标程序占用内存空间少，运行速度快。本程序的设计主要由PWM信号发生程序、转速测量模块程序和检测开关程序组成。整体程序流程图如下页图4-1所示。4.2 功能模块设计本软件主要是采用查询的方法来实现。虽然中断方法查询实时和节省时间，但根据系统的要求，因为如果人们进入INT0中断服务程序和服务程序不易确定自动门到底部的快门速度。检查适当的设置是否完全可能。4.2.1 PWM信号发生程序设计PWM信号就是脉冲宽度信号，一定时间的高电平和一定时间的低电平的循环即可形成PWM信号。于是本程序采用将P0.0清0和置l的方法来实现。首先在程序开始初始化的时候将P0.0清0，调用PWM信号产生程序时，先将P0.0置1，然后经定时程序延时一段时间后再将P0.0清0。然后判断有没有中断要执行，如到达限位开关或是有人进出时。如果以上情况都没发生就继续调用这一个方波的发生程序。直至有中断打断时，执行清0 P0.0或调用另一个方波发生程序实施变速。图4-1 整体程序流程图变速是根据程序的顺序执行顺序而判断门所处的位置来实现的。此程序严格按照自动门开关一次的顺序来编写的，考虑了各阶段可能遇到的所有问题，因此根据程序执行的控制器可判断自动门是该快速还是慢速。图4-2 快速开门流程图具体程序如下：KSLOW:CLR P1.0 SETB P0.0 LCALL DEL LCALL DEL CLR P0.0 LCALL DEL JB P3.2,GFAST JB P0.4,STOP1 AJMP KSLOW其中DEL所标号的子程序就是基本的延时程序，实现延时0.1秒。它的设计采用了多重循环定时。循环是一个过程可以反复执行的程序，那么你可以使用周期结构，这有助于缩短进程，提高程序的质量。一个圆形程序由以下三个部分组成：循环体：就是要求某一段程序重复执行的程序部分。循环结束条件：在循环程序中必须给出循环结束条件。常见的循环是计数循环，循环了一定次数后就结束循环。循环初值：用于循环过程的工作单元，在循环开始往往要置以初态。即分别赋其一初始值。多重循环定时加长了定时时间，最简单的多重循环为由DJNZ指令构成的软件延时程序，他是较为常用的程序之一。DJNZ指令的机器周期为2，则如果单片机的晶振频率为l2MHz则一个机器周期是l us，因此执行一条DJNZ指令的时间为2us。定时0.1 s的程序如下：DEL: MOV R7，#200DEL1: MOV R6，#250DEL2: DJNZ R6，DEL2 DJNZ R7，DEL1 RET其中R6、R7是两个8位的寄存器，分别装有两次的循环初值，250和200执行内循环时，执行时间为250*2us=5000us=0.5ms。外层循环执行时间为200*0.5ms=100ms=0.1s。在基本延时程序的基础上，通过调用它可以实现多种定时。 MOV R0，#14H LOOPl：CALL DEL DJNZ R0，LOOPI就实现了20*0.1s=2s的定时。4.2.2 转速测量模块程序设计本程序采用定时和技术结合的方法来实现。其中定时没有采用定时器计数器。因为前边已经有了基本延时程序，为了使程序更简便并且有更高的利用率，因而仍采用软件延时的方法。具体程序如下：T10: MOV TMOD,#50H; T1为方式1计数器 MOV TL1，#0 MOV TH1，#0 MOV R0,#10; 测试一秒内的转速 SETB TR1LOOP2:LCALL DEL DJNZ R0，LOOP2 CLR TR1 MOV A,TL1 CJNE A，#0,JIXU1JIXU1:JB P0.6,GSLOW AJMP GFAST当调用关门程序的过程中才有必要测速，另一部分不需要设置此程序。在呼叫中的闭合信号的过程中，调用速度程序。TL。第一个计数器TL启动计数器计数设置初始值为0，然后开始计时，计时l秒计数器的数值传递给登记，在两倍的最小速度数值和电机正常状态相比（因为盘上设置有两个孔，因此最低转速两倍）。如果值是小于2倍的最小值表示一个障碍，从而打开门到程序的执行。其中TMOD是定时器计数器的工作方式寄存器。它用于选择定时器计数器的工作模式和工作方式，它的字节地址为89H，不能进行位寻址。其格式如下图4-1所示图4-1 TMOD格式当GATE位为0时，仅由运行控制位TRX(x=0，1)=1来启动定时器计数器运行。M1、M0为工作方式选择位。本程序中将其设置为01，表示定时器计数器工作在方式l，为l6位定时器计数器。C/T=1时为计数器模式，计数器对外部输入引脚TO(P34脚)或Tl(P35脚)的外部脉冲(负跳变)计数。TRl为计数器控制位，TRl为1启动定时器计数器工作(GATE为0的时候仅由它来控制定时器计数器)。该位可由软件置l或清0。4.2.3 检测开关程序设计检测器检测是否有人接到INT0引脚，由于需要实现系统的功能，查询方法的设计中采用。因为如果在中断服务程序中使用中断方式，打开速度是很难确定的，因为不管是什么状态，都很有可能有人在不需要执行的情况下进行公开动作。如果不能准确地确定自动门最近的位置，就不能正确调用相应的脉宽调制信号，从而使电机达到不同的转速。查寻方法如下：JNB P3.2，KSLOW还有JB P0.6，GSLOW等语句。JNB指令意思是：如果P3.2为高电平，则跳转到KFAST执行。JB指令是当此引脚为高电平时进行跳转。系统中有多个请求源，均采用了对输入引脚查询的方式。这有助于准确的判断所应执行的动作。5 设计仿真与分析单片机应用系统的开发过程，一般都包括如下几个过程：首先设计硬件电路，并在Multisim上仿真，仿真好了就完成硬件组装工作，然后进入软件设计、调试和硬件调试阶段。5.1 仿真软件介绍本设计的仿真软件采用Multisim和Keil uVision3软件相结合的方法。Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入，电路硬件描述语言输入法，具有丰富的仿真分析。工程师可以使用Multisim搭建的电路原理图，以及电路仿真。Multisim提炼的复杂内容的SPICE仿真，使工程师不需要知道香料技术的深度可以快速捕捉，新设计的仿真和分析，这使得它更适合于电子教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim以库的形式管理元器件，经菜单Tools/ Database Management打开Database Management（数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。在Database Management窗口中的Daltabase列表中有两个数据库：Multisim Master和User。其中Multisim Master库中存放的是软件为用户提供的元器件，User是为用户自建元器件准备的数据库。用户对Multisim Master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而变成灰色。但用户可以通过这个对话窗口中的Button in Toolbar显示框，查找库中不同类别器件在工具栏中的表示方法。据此用户可以通过选择User数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有。本设计主要是针对Multisim的原理图设计和利用Multisim实现单片机的仿真。软件部分采用Keil软件进行汇编语言编程，Keil uVision3是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机汇编语言的软件开发系统。本设计仿真步骤