李玉豪 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

基于單片機(jī)的車庫(kù)門自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李玉豪 遼寧錦州渤海大學(xué)工學(xué)院

隨著人們對(duì)車庫(kù)門要求的提高，車庫(kù)自動(dòng)門開(kāi)始出現(xiàn)。控制系統(tǒng)是車庫(kù)自動(dòng)門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，本文就是基于單片機(jī)的車庫(kù)自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件部分選用AT89C51單片機(jī)作為主控芯片，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)最小系統(tǒng)使單片機(jī)能夠正常工作。軟件部分主要是用C語(yǔ)言編程的，自動(dòng)門程序包括三個(gè)部分，主程序、自動(dòng)模式門運(yùn)行程序和手動(dòng)模式門運(yùn)行程序。

自動(dòng)門 單片機(jī) 控制系統(tǒng)

1 引言

單片機(jī)是一種實(shí)用的芯片，很多的日常用品都有單片機(jī)的身影，漸漸成為人們生活中不可缺少的一部分。單片機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，輕便、小巧、價(jià)格便宜，非常的實(shí)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(yīng)用到了單片機(jī)，車庫(kù)自動(dòng)門在現(xiàn)代生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，通過(guò)單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)車庫(kù)自動(dòng)門控制系統(tǒng)是很有必要且有重要意義。本次基于單片機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，用的都是一些比較常見(jiàn)的器件，所以花費(fèi)也比較少。這次設(shè)計(jì)是用AT89C51作為主控器件，直流電機(jī)和熱釋電紅外傳感器為核心，具有門行程檢測(cè)，聲光報(bào)警，手自動(dòng)切換等功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件框圖及其組成原理

本次設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于單片機(jī)顧名思義是要用到單片機(jī)的，所以應(yīng)用AT89C51作為本次設(shè)計(jì)的核心。自動(dòng)門的控制系統(tǒng)還包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路、熱釋紅外檢測(cè)電路、直流電機(jī)控制電路、門行程檢測(cè)電路、光電檢測(cè)電路、聲光報(bào)警電路以及手自動(dòng)控制切換電路。當(dāng)熱釋紅外電路接收到車輛信號(hào)后送入單片機(jī)處理，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制自動(dòng)門的開(kāi)與關(guān)。同時(shí)，當(dāng)關(guān)門過(guò)程中遇到障礙物時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，控制電動(dòng)機(jī)開(kāi)門。本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了手自動(dòng)切換電路，來(lái)處理一些特殊情況。自動(dòng)門控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示：

圖1 紅外自動(dòng)門的硬件框圖

2.2 紅外檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

車庫(kù)自動(dòng)門控制系統(tǒng)需要接收汽車發(fā)出的信號(hào)才能夠進(jìn)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(yīng)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(shí)，熱釋電傳感器能夠24小時(shí)工作，不受黑夜的影響，所以它的應(yīng)用十分廣泛。熱釋電傳感器的靈敏度比價(jià)低，所以它的檢測(cè)范圍也不是很遠(yuǎn)。在傳感器前面添加一個(gè)菲涅爾透鏡能夠很好地解決這一問(wèn)題，菲涅爾透鏡不僅能增加傳感器的檢測(cè)范圍，而且能夠提高傳感器的反應(yīng)速率。熱釋電紅外傳感器由三個(gè)部分組成，分別是探測(cè)元件、濾光片和場(chǎng)效應(yīng)管阻抗變換器。圖2是熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)熱釋電紅外傳感器檢測(cè)到范圍內(nèi)有汽車進(jìn)入時(shí)，有兩種不相等的能量照射到兩個(gè)電容上，這時(shí)電流在回路中是不能抵消的，所以傳感器上是會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的，從而達(dá)到檢測(cè)和報(bào)警的作用。同時(shí)，紅外傳感器能夠很好地避免檢測(cè)出錯(cuò)，因?yàn)樗荒軝z測(cè)汽車或者溫度和汽車不多的移動(dòng)物體。而當(dāng)熱釋電紅外傳感器沒(méi)有在有效范圍內(nèi)檢測(cè)到有汽車或者在有效范圍內(nèi)檢測(cè)到到有靜止物體時(shí)，照射到兩個(gè)電容上的能量是相等的，它們會(huì)相互抵消，從而致使回路中沒(méi)有電流產(chǎn)生，傳感器也不會(huì)檢測(cè)到信號(hào)。

圖2 熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖

2.3 直流電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)

直流電動(dòng)機(jī)是一種將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。構(gòu)成直流電動(dòng)機(jī)的器件十分常見(jiàn)，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(jī)的自動(dòng)門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行自動(dòng)門的開(kāi)關(guān)控制，并不需要很精密的控制，所以選擇直流電動(dòng)機(jī)完成本次設(shè)計(jì)。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(lái)調(diào)速，通過(guò)改變電源電壓的占空比，可以改變電機(jī)的脈沖電壓，這時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也會(huì)改變。用一個(gè)PWM直流電機(jī)調(diào)速器可以很好地完成調(diào)速的任務(wù)。

本次設(shè)計(jì)要使用直流電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)門開(kāi)關(guān)控制，自動(dòng)門的開(kāi)與關(guān)可以通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，自動(dòng)門實(shí)現(xiàn)開(kāi)門的動(dòng)作，而當(dāng)單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，自動(dòng)門實(shí)現(xiàn)關(guān)門的動(dòng)作。所以控制電路的主要任務(wù)是用單片機(jī)控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，而要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能也是很容易的，我選用兩個(gè)繼電器來(lái)完成正反轉(zhuǎn)的操作。而調(diào)速方面主要是選用一個(gè)PWM直流調(diào)速器來(lái)完成，直流電機(jī)的控制電路如圖3所示。

圖3 直流電機(jī)的控制電路圖

2.4 光電檢測(cè)電路

手動(dòng)模式下，需要一個(gè)光電開(kāi)關(guān)來(lái)處理特殊情況。比如要關(guān)門時(shí)，若有車接近時(shí)，關(guān)門動(dòng)作是實(shí)施不了的。光電開(kāi)關(guān)可以完成檢測(cè)有無(wú)車接近的任務(wù)。自動(dòng)模式下也需要用到光電傳感器來(lái)處理特殊情況。

光電傳感器是一個(gè)檢測(cè)有沒(méi)有車接近的裝置。當(dāng)有車接近時(shí)，光電傳感器就可以接收到信號(hào)并傳給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的程序。在即將關(guān)門時(shí)，使關(guān)門動(dòng)作實(shí)施不了，在關(guān)門途中，停止關(guān)門動(dòng)作。圖4是光電開(kāi)關(guān)電路，光電傳感器共有3個(gè)引腳，輸出、電源和接地，輸出口OUT接單片機(jī)引腳P2.0。當(dāng)紅外接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到有車靠近時(shí)，它會(huì)給單片機(jī)引腳P2.0低電平信號(hào)，使電機(jī)停轉(zhuǎn)，停止關(guān)門。

圖4 光電接近開(kāi)關(guān)電路圖

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

3.1 主程序的設(shè)計(jì)

自動(dòng)門控制系統(tǒng)的主程序主要完成定時(shí)器的初始化、中斷開(kāi)關(guān)、故障的判斷、自動(dòng)門模式的判斷等工作。自動(dòng)門程序開(kāi)始后會(huì)自動(dòng)初始化，打開(kāi)中斷，在判斷沒(méi)有故障后便開(kāi)始運(yùn)行。在進(jìn)入模式選擇后，程序又會(huì)有所差別。在自動(dòng)模式下，需要用到定時(shí)器T0來(lái)完成自動(dòng)操作，而手動(dòng)模式則不需要，所以在自動(dòng)模式下需打開(kāi)外部中斷T0。因?yàn)閮烧叨夹枰玫絋I來(lái)實(shí)現(xiàn)報(bào)警的功能，所T1定時(shí)器在兩種模式下都需要打開(kāi)。

3.2 自動(dòng)模式門運(yùn)行程序的設(shè)計(jì)

自動(dòng)模式下，門的運(yùn)行方式主要包括開(kāi)門和關(guān)門，還有一些突發(fā)狀況的處理。當(dāng)紅外裝置檢測(cè)到車時(shí)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出開(kāi)門信號(hào)，自動(dòng)門自動(dòng)進(jìn)入開(kāi)門狀態(tài)，而當(dāng)自動(dòng)門觸碰到開(kāi)門限位開(kāi)關(guān)時(shí)就會(huì)停下。在檢測(cè)到?jīng)]車的情況下延時(shí)5s后開(kāi)始關(guān)門，若是中途來(lái)車時(shí)立即開(kāi)門。熱釋電紅外傳感器故障時(shí)，有個(gè)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(dòng)模式門運(yùn)行程序的設(shè)計(jì)

手動(dòng)模式也是包括開(kāi)門和關(guān)門兩個(gè)動(dòng)作，還有一些防夾車功能。首先把按鈕按到手動(dòng)模式，按下開(kāi)門按鈕，開(kāi)始開(kāi)門，到達(dá)開(kāi)門極限時(shí)，門停止。然后按下關(guān)門按鈕，按下即開(kāi)始關(guān)門，當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到有車時(shí)，關(guān)門按鈕是無(wú)效的，同時(shí)關(guān)門途中有車時(shí)，關(guān)門也會(huì)中途停止，若一直沒(méi)車，門到達(dá)關(guān)門極限會(huì)自動(dòng)停下。

4 系統(tǒng)調(diào)試

完成電路板的焊接后，首先就需要進(jìn)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(wàn)用表?yè)艿綔y(cè)通斷的那一檔，之后檢查電源和地有沒(méi)有短路，萬(wàn)用表兩端接在單片機(jī)的40腳和20腳，若萬(wàn)用表不響則沒(méi)有短路。之后還要檢查所有的電源和地有沒(méi)有接到，在確保都接到后，就可以開(kāi)始給電路板通電了。通電后，按下自鎖開(kāi)關(guān)，若是電路板一點(diǎn)反應(yīng)都沒(méi)有，馬上要檢查芯片有沒(méi)有發(fā)熱的現(xiàn)象，以防元器件燒壞。在通電后電路沒(méi)反應(yīng)時(shí)，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(diǎn)幾伏是正確的，若是5V則是不正確的。單片機(jī)正常工作時(shí)，30腳會(huì)輸出一個(gè)脈沖，這個(gè)信號(hào)是晶振的1/6，一般是在1點(diǎn)幾伏。若是沒(méi)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，就要檢查晶振電路和復(fù)位電路有沒(méi)有接錯(cuò)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。

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