基于單片機(jī)的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng),基于,單片機(jī),自動(dòng)門(mén),控制系統(tǒng) 4本科畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng) 性質(zhì)：精選 專(zhuān)業(yè)：自動(dòng)化 日期：2005 年 6 月 4摘 要現(xiàn)如今自動(dòng)化、信息化程度越來(lái)越高，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也就越來(lái)越廣，成為人們生活不可或缺的一部分。隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生活的自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)就是其中之一。同時(shí)也標(biāo)志了自動(dòng)控制領(lǐng)域成為了數(shù)字化時(shí)代的一員。它實(shí)用性強(qiáng)，功能齊全，技術(shù)先進(jìn)，使人們相信這是科技進(jìn)步的成果。它更讓人類(lèi)懂得，數(shù)字時(shí)代的發(fā)展將改變?nèi)祟?lèi)的生活，將加快科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。通過(guò)對(duì)“自動(dòng)門(mén)單片機(jī)控制系統(tǒng)”的研究和設(shè)計(jì)，我精心撰寫(xiě)了微機(jī)控制自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)論文。本論文著重闡述了以單片機(jī)為主體，直流電機(jī)、轉(zhuǎn)速測(cè)量為核心的系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用 8051 作為控制核心，直流電機(jī)、紅外傳感器、磁開(kāi)關(guān)結(jié)合的系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。其優(yōu)點(diǎn)硬件電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性?xún)r(jià)比較高等特點(diǎn)，具有一定的使用和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞　 單片機(jī) 自動(dòng)門(mén) 直流電機(jī) 紅外傳感器 轉(zhuǎn)速測(cè)量4AbstractAs it becomes more and more automatic and informational nowadays, the application of microcontroller also becomes more and more extensively. Progress of with the development of the society, science and technology and gradual improvement of people's living standard, various kinds of help automatic control system in life begin to enter people's life, the system of automatically-controlled door taking one-chip computer as the core is one of them. Indicate too that the automatic controlled field became a member in digitized era at the same time. Its practicability is strong, multiple functional, modern techniques, make people believe this is an achievement of scientific and technological progress. It lets the mankind understand even more, the development in digital era will change human’s life, will quicken the development of science and technology.Through the research and design to the thing that "the system of single chip controlled auto-door", I have written the computer and controlled the systematic thesis of automatically controlled door meticulously. Thesis this is it rely mainly on one-chip computer to explain emphatically, DC motor and the measure of rotate speed central systems. It is uses 8051 as core of controlling, the DC motor, infrared sensor and electromagnetic switch combine together mainly to design originally. Give full play to the performance of the one-chip computer. Its advantage hardware circuit is simple, the software is with perfect function, the control system is reliable, higher characteristic of the sex price, and it has certain use and reference value.Keywords　Microcontroller Auto-door DC motor Infrared sensor Rotate speed- measure4目 錄摘 要 ...........................................................................................................34Abstract .......................................................................................................35第 1 章 緒論 .............................................................................................371.1 課題背景 ..............................................................................................371.1.1 單片機(jī)的介紹和發(fā)展概況 ...............................................................371.1.2 電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展 ...................................................391.2 課題研究的意義和目的 ......................................................................401.3 課題的功能概述 ..................................................................................411.4 課題研究的方案 ..................................................................................41第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .............................................................................422.1 系統(tǒng)硬件總體邏輯設(shè)計(jì) ......................................................................422.2 8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 ...........................................................422.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 ..............................................................................482.4 檢測(cè)有無(wú)人進(jìn)出和纖維開(kāi)關(guān)模塊 ......................................................532.5 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊 ......................................................................................54第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .............................................................................573.1 功能模塊設(shè)計(jì) ......................................................................................573.1.1 PWM 信號(hào)發(fā)生程序設(shè)計(jì) .................................................................573.1.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊的程序設(shè)計(jì) ...............................................................583.1.3 檢測(cè)開(kāi)關(guān)程序設(shè)計(jì) ...........................................................................593.2 整體程序設(shè)計(jì)流程圖 ..........................................................................60第 4 章 系統(tǒng)調(diào)試 .....................................................................................614.1 總體調(diào)試 ..............................................................................................614.2 軟件調(diào)試 ..............................................................................................614.3 硬件調(diào)試 ..............................................................................................62第 5 章 結(jié)論 .............................................................................................625.1 硬件電路設(shè)計(jì)部分 ..............................................................................625.2 軟件設(shè)計(jì)部分 ......................................................................................63參考文獻(xiàn)： .................................................................................................65源程序 .........................................................................................................66protel 整體電路圖 .......................................................................................69致謝： .........................................................................................................70畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 成績(jī)?cè)u(píng)定表 ......................................................................334第 1 章 緒論1.1 課題背景1.1.1 單片機(jī)的介紹和發(fā)展概況 什么是單片機(jī)?單片機(jī)有什么用?單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器或單片微型計(jì)算機(jī),它自 20 世紀(jì) 70 年代問(wèn)世以來(lái)，以其高的性能價(jià)格比受到人們的重視和歡迎。所以應(yīng)用很廣，發(fā)展很快。它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。它集成了微處理器（CPU）存儲(chǔ)器（RAM、ROM 、EPROM）和各種輸入輸出接口（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，并行 I/O口，A/D 轉(zhuǎn)換器以及脈沖調(diào)制器 PWM 等） ，概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的位數(shù)可分為：1 位、4 位、8 位、16 位和32 位單片機(jī)。單片機(jī)的發(fā)展歷史可以分為四個(gè)階段：第一階段（1974 年-1976 年）單片機(jī)初級(jí)階段?？梢哉f(shuō)，二十世紀(jì)跨越了三個(gè)“電”的時(shí)代，即電氣時(shí)代、電子時(shí)代和現(xiàn)已進(jìn)入的電腦時(shí)代。不過(guò)，這種電腦，通常是指?jìng)€(gè)人計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng) PC 機(jī)。它由主機(jī)、鍵盤(pán)、顯示器等組成（如圖 1 所示） 。還有一類(lèi)計(jì)算機(jī)，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計(jì)算機(jī)就是把智能賦予各種機(jī)械的單片機(jī)（亦稱(chēng)微控制器） 。顧名思義，這種計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)算和控制。因?yàn)樗w積小，通常都藏在被控機(jī)械的“肚子”里。它在整個(gè)裝置中，起著有如人類(lèi)頭腦的作用，它出了毛病，整個(gè)裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機(jī)的使用領(lǐng)域已十分廣泛，如智能儀表、實(shí)時(shí)工控、通訊設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品一旦用上了單片機(jī)，就能起到使產(chǎn)品升級(jí)換代的功效，常在產(chǎn)品名稱(chēng)前冠以形容詞——“智能型” ，如智能型洗衣機(jī)等?，F(xiàn)在有些工廠的技術(shù)人員或其它業(yè)余電子開(kāi)發(fā)者搞出來(lái)的某些產(chǎn)品，不是電路太復(fù)雜，就是功能太簡(jiǎn)單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機(jī)或其它可編程邏輯器件上。單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域 ：1.單片機(jī)在智能儀器儀表中的應(yīng)用； 2.單片機(jī)在工業(yè)測(cè)控中的應(yīng)用； 43.單片機(jī)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)中的應(yīng)用； 4.單片機(jī)在日常生活及家電中的應(yīng)用；5.單片機(jī)在辦公自動(dòng)化方面。 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒(méi)有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能 IC卡，民用豪華轎車(chē)的安全保障系統(tǒng)，錄相機(jī)、攝相機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)，自動(dòng)門(mén)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。更不用說(shuō)自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機(jī)是一種在線(xiàn)式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線(xiàn)式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線(xiàn)式計(jì)算機(jī)的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó) 50 年代開(kāi)發(fā)的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列這些純硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的話(huà)，電路一定是一塊大 PCB 板！但是如果要是用美國(guó) 70 年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫(xiě)的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！由于單片機(jī)對(duì)成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級(jí)匯編語(yǔ)言，它是除了二進(jìn)制機(jī)器碼以上最低級(jí)的語(yǔ)言了，既然這么低級(jí)為什么還要用呢？很多高級(jí)的語(yǔ)言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡(jiǎn)單，就是單片機(jī)沒(méi)有家用計(jì)算機(jī)那樣的 CPU，也沒(méi)有像硬盤(pán)那樣的海量存儲(chǔ)設(shè)備。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的小程序里面即使只有一個(gè)按鈕，也會(huì)達(dá)到幾十 K 的尺寸！對(duì)于家用 PC 的硬盤(pán)來(lái)講沒(méi)什么，可是對(duì)于單片機(jī)來(lái)講是不能接受的。 單片機(jī)在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計(jì)算機(jī)上的操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件拿到家用 PC 上來(lái)運(yùn)行，家用 PC 的也是承受不了的。單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是向著大容量、高性能化，外圍電路內(nèi)裝化等方面發(fā)展。為滿(mǎn)足不同的用戶(hù)要求，各公司競(jìng)相推出能滿(mǎn)足不同需要的產(chǎn)品。包括以下幾個(gè)方面：（1） CPU 的改進(jìn)，是指采用雙 CPU 結(jié)構(gòu)，以提高處理能力；增加數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度，指單片機(jī)內(nèi)部都采用 16 位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，其數(shù)據(jù)處理能力明顯4優(yōu)于一般 8 位單片機(jī)；采用流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，意思是指令以隊(duì)列形式出現(xiàn)在 CPU 中，且具有很快的運(yùn)算速度；串行總線(xiàn)結(jié)構(gòu)，即用三條數(shù)據(jù)線(xiàn)代替現(xiàn)行的 8 位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，從而大大的減少了單片機(jī)引線(xiàn)降低了單片機(jī)的成本。目前許多公司都在積極地開(kāi)發(fā)此類(lèi)產(chǎn)品。（2） 存儲(chǔ)器的發(fā)展包括加大存儲(chǔ)容量，片內(nèi) EPROM 采用 PROM 或閃2E爍(Flash)存儲(chǔ)器。閃速存儲(chǔ)器（Flash Memory）是一類(lèi)非易失性存儲(chǔ)器 NVM（Non-Volatile Memory）即使在供電電源關(guān)閉后仍能保持片內(nèi)信息；而諸如 DRAM、SRAM 這類(lèi)易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)供電電源關(guān)閉時(shí)片內(nèi)信息隨即丟失。 Flash Memory 集其它類(lèi)非易失性存儲(chǔ)器的特點(diǎn)：與 EPROM 相比較，閃速存儲(chǔ)器具有明顯的優(yōu)勢(shì)——在系統(tǒng)電可擦除和可重復(fù)編程，而不需要特殊的高電壓（某些第一代閃速存儲(chǔ)器也要求高電壓來(lái)完成擦除和/或編程操作） ；與 EEPROM 相比較，閃速存儲(chǔ)器具有成本低、密度大的特點(diǎn)。其獨(dú)特的性能使其廣泛地運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括嵌入式系統(tǒng)，如 PC 及外設(shè)、電信交換機(jī)、蜂窩電話(huà)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、儀器儀表和汽車(chē)器件，同時(shí)還包括新興的語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)產(chǎn)品，如數(shù)字相機(jī)、數(shù)字錄音機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理（PDA） 。（3）有程序的保密化，即對(duì) EPROM 或 EEPROM 采用加鎖方式。1.1.2 電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)的性能越來(lái)越高，價(jià)格也越來(lái)越便宜。此外電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍地應(yīng)用微機(jī)來(lái)控制各類(lèi)電機(jī)，完成各種新穎的、高性能的控制策略，是電機(jī)的各種潛在能力得到充分發(fā)揮，是電機(jī)的性能更符合使用要求，還可以制造出便于控制的新型電機(jī)，使電機(jī)出現(xiàn)新的面貌。比較簡(jiǎn)單的電機(jī)微機(jī)控制，例如在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻讓電機(jī)啟動(dòng)、制動(dòng)或反轉(zhuǎn)之類(lèi)，只要讓微機(jī)控制繼電器或電子開(kāi)關(guān)元件使電路開(kāi)通或關(guān)斷就可以了。在各種機(jī)床設(shè)備及生產(chǎn)流水線(xiàn)中，現(xiàn)在已普遍采用危機(jī)的可編程控制器，按一定的規(guī)律控制各類(lèi)電機(jī)的動(dòng)作。至于復(fù)雜的控制，則要用微機(jī)控制電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角等等，使電機(jī)按給定的指令準(zhǔn)確工作。通過(guò)微機(jī)控制，電機(jī)的性能有很大的提高。例如傳統(tǒng)的直流電集合交流電機(jī)各有優(yōu)缺點(diǎn)，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能好，但帶有機(jī)械換向器，有機(jī)械磨損及換向火花等問(wèn)題；交流電動(dòng)機(jī)，不論是異步電動(dòng)機(jī)還是同步電動(dòng)機(jī)，結(jié)構(gòu)都比直流電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單，工作也比直流電動(dòng)機(jī)可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上4運(yùn)行時(shí)，他們的速度不能方便而又經(jīng)濟(jì)的調(diào)節(jié)。交流電動(dòng)機(jī)采用正弦脈寬調(diào)制方式進(jìn)行變頻調(diào)速是比較理想的，但若要用普通的模擬電路或數(shù)字電路完成這一任務(wù)，電路相當(dāng)復(fù)雜，用微機(jī)控制就簡(jiǎn)單多了。若要進(jìn)一步調(diào)速精度及動(dòng)態(tài)性能，可采用矢量控制方案，它的調(diào)速性能將與直流電動(dòng)機(jī)相當(dāng)。但矢量控制比較復(fù)雜，用傳統(tǒng)的模擬電路或數(shù)字電路很難做到，而應(yīng)用微機(jī)控制，則能方便的實(shí)現(xiàn)。目前，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床等自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，其中電動(dòng)機(jī)都是由微機(jī)控制的。為了提高性能，在先進(jìn)的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，已采用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片（Digital Signal Processor簡(jiǎn)稱(chēng) DSP） ，指令執(zhí)行速度達(dá)到每秒數(shù)百兆以上，且具有適合于矩陣運(yùn)算的指令。復(fù)雜的電機(jī)微機(jī)控制主要用于以下兩個(gè)方面：（1）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的控制。用以保證正常工作時(shí)發(fā)電機(jī)電壓穩(wěn)定，發(fā)生故障后盡可能保持穩(wěn)定，達(dá)到優(yōu)化控制的目的。（2）電動(dòng)機(jī)調(diào)速及其位置伺服控制。用于鼓風(fēng)機(jī)或水泵的調(diào)速節(jié)能、數(shù)控機(jī)床、微型計(jì)算機(jī)磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人等控制系統(tǒng)。在電機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)中，微機(jī)主要完成下列工作：(1)實(shí)時(shí)控制。根據(jù)給定的要求及控制規(guī)律，對(duì)發(fā)電機(jī)的典雅，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速等物理量實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)控制。(2)監(jiān)控。完成事故報(bào)警、事故處理、系統(tǒng)診斷及管理等。（3）數(shù)據(jù)處理 完成必要的數(shù)據(jù)采集、分析處理、計(jì)算、顯示、記錄等。1.2 課題研究的意義和目的畢業(yè)設(shè)計(jì)是獲得本科畢業(yè)證書(shū)及學(xué)位證書(shū)的必要的一環(huán)。畢業(yè)設(shè)計(jì)是課堂知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)踐技術(shù)的手段，是理論結(jié)合實(shí)際、 提高綜合能力的必經(jīng)之路同時(shí)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文是對(duì)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程的總結(jié)，通過(guò)撰寫(xiě)論文我們可以學(xué)會(huì)分析，獲得將技術(shù)上升到理論認(rèn)識(shí)的能力。而且既然單片機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而且我們所學(xué)的既是本學(xué)科，將來(lái)既有可能就是從事這方面的工作，為了讓自己在走向工作崗位之前得到充分的鍛煉，畢業(yè)設(shè)計(jì)必須認(rèn)真完成。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，復(fù)習(xí)并進(jìn)一步掌握單片機(jī)的原理與應(yīng)用及模擬數(shù)字電路的有關(guān)知識(shí)，復(fù)習(xí)匯編指令的應(yīng)用，更深層地了解匯編言的思想，鍛煉自己的實(shí)際操作及創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用有關(guān)的基礎(chǔ)理論課、專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課的知識(shí)和技能去分析和解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的能力。4對(duì)我們進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)基本能力的初步訓(xùn)練，使我們能掌握解決一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一個(gè)軟件的一般程序和基本方法。畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)論文是本科生培養(yǎng)方案中的重要環(huán)節(jié)。我們通過(guò)畢業(yè)論文，綜合性地運(yùn)用幾年內(nèi)所學(xué)知識(shí)去分析、解決一個(gè)問(wèn)題，在作畢業(yè)論文的過(guò)程中，所學(xué)知識(shí)得到疏理和運(yùn)用，它既是一次檢閱，又是一次鍛煉。使我們?cè)谧魍戤厴I(yè)設(shè)計(jì)后，能夠感到自己的實(shí)踐動(dòng)手、動(dòng)筆能力得到了鍛煉，增強(qiáng)了即將跨入社會(huì)去競(jìng)爭(zhēng)、去創(chuàng)造的自信心。1.3 課題的功能概述本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)門(mén)單片機(jī)控制系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)的功能主要有三個(gè)：（1） 無(wú)論門(mén)當(dāng)前處于何狀態(tài)，一旦有人進(jìn)出門(mén)時(shí)，門(mén)必須打開(kāi)。（2） 在門(mén)運(yùn)行的時(shí)候?yàn)榱送瑫r(shí)考慮速度和安全問(wèn)題，關(guān)門(mén)過(guò)程前一半快速，后一半慢速；開(kāi)門(mén)的過(guò)程是前一半快速后一半慢速。這樣既可以保證有人來(lái)時(shí)立即開(kāi)門(mén)沒(méi)人時(shí)立即關(guān)門(mén)，又可以避免關(guān)門(mén)時(shí)兩門(mén)相沖撞或開(kāi)門(mén)時(shí)各個(gè)門(mén)的碰撞。（3） 由轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，當(dāng)自動(dòng)門(mén)遇到障礙是電機(jī)速度變慢時(shí)，轉(zhuǎn)為開(kāi)門(mén)，以免使電流過(guò)大燒毀電機(jī)。1.4 課題研究的方案本設(shè)計(jì)采用 8051 單片機(jī)為核心控制芯片；直流電機(jī)采用 H 橋驅(qū)動(dòng)；單片機(jī)的一個(gè)引腳分別產(chǎn)生兩種占空比不同的 PWM（脈沖寬度調(diào)制）波形作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速和制動(dòng)；另外由另一個(gè)引腳產(chǎn)生轉(zhuǎn)向控制信號(hào)；在門(mén)的中間及兩邊位置設(shè)置磁開(kāi)關(guān)，作為中斷信號(hào)產(chǎn)生源，來(lái)判斷電機(jī)是否應(yīng)該轉(zhuǎn)換速度或停止；有無(wú)人進(jìn)出用紅外線(xiàn)來(lái)探測(cè)，有人士則產(chǎn)生中斷，執(zhí)行開(kāi)門(mén)動(dòng)作；轉(zhuǎn)速測(cè)量采用在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上設(shè)置一個(gè)帶有相差 180 度且位于同一半徑上的兩小孔的圓盤(pán)，用紅外線(xiàn)照射轉(zhuǎn)動(dòng)的圓孔，光透過(guò)小孔被光敏三極管接收，從而產(chǎn)生脈沖經(jīng)整形電路后送到單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)出頻率。4第 2 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 系統(tǒng)硬件總體邏輯設(shè)計(jì)數(shù)字控制伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖 1 所示。它由計(jì)算機(jī)控制器、PWM 功率驅(qū)動(dòng)接口、傳感器接口和電機(jī)本體四部分組成。計(jì)算機(jī)的作用是：完成位置信號(hào)的設(shè)置，根據(jù)傳感器接口給出的絕對(duì)零位脈沖和電流反饋控制，產(chǎn)生PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，最后由 PWM 功率開(kāi)關(guān)借口對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行最終的功率驅(qū)動(dòng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，由于反饋控制是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的，故可以根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)改變系統(tǒng)的參數(shù)，求得最佳匹配。信號(hào)濾波也可以通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，更有可能通過(guò)計(jì)算機(jī)補(bǔ)償技術(shù)使傳感器精度得以補(bǔ)償提高。計(jì)算機(jī)控制在可靠性、小型化、聯(lián)網(wǎng)群控制等方面的優(yōu)點(diǎn)都是經(jīng)典模擬伺服系統(tǒng)無(wú)法比擬的。位置 電流反饋信號(hào)給定正/負(fù)位置反饋脈沖絕對(duì)零位脈沖圖 1 數(shù)字控制伺服系統(tǒng)2.2 8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理8051 是在 8031 的基礎(chǔ)上，片內(nèi)又集成有 4K ROM，作為程序存儲(chǔ)器，是一個(gè)程序不超過(guò) 4K 字節(jié)的小系統(tǒng)。ROM 內(nèi)的程序是公司制作芯片時(shí)，代為用戶(hù)燒制的，出廠的 8051 都是含有特殊用途的單片機(jī)。所以 8051 適合于應(yīng)用在程序已定，且批量大的單片機(jī)產(chǎn)品中。8051 是 INTEL 公司 MCS-51 系列單片機(jī)中最基本的產(chǎn)品，它采用INTEL 公司可靠的 CHMOS 工藝技術(shù)制造的高性能 8 位單片機(jī)，屬于標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 的 HCMOS 產(chǎn)品。它結(jié)合了 HMOS 的高速和高密度技術(shù)及 CHMOS的低功耗特征，它繼承和擴(kuò)展了 MCS-48 單片機(jī)的體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。8051 內(nèi)置中央處理單元、128 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM、32 個(gè)雙向輸計(jì)算機(jī)控制器(CPU,ROM, RAM,I/O,A/D)PWM功率接口 電 動(dòng) 機(jī)負(fù)載傳感器接口（光電碼盤(pán)）4入/輸出(I/O)口、2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器和 5 個(gè)兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路。此外，8051 還可工作于低功耗模式，可通過(guò)兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存 RAM 數(shù)據(jù)，時(shí)鐘振蕩停止，同時(shí)停止芯片內(nèi)其它功能。8051 有 PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)兩種封裝形式。主要功能特性：· 標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 內(nèi)核和指令系統(tǒng) · 4kB 內(nèi)部 ROM（外部可擴(kuò)展至64kB） · 32 個(gè)可編程雙向 I/O 口 · 128x8bit 內(nèi)部 RAM(可擴(kuò)充 64kB 外存) · 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 · 時(shí)鐘頻率 0-16MHz · 5 個(gè)中斷源 · 5.0V 工作電壓 · 可編程全雙工串行通信口 · 2 層優(yōu)先級(jí)中斷結(jié)構(gòu) · 電源空閑和掉電模式 · 快速脈沖編程 · 2 層程序加密位 · PDIP 和 PLCC 封裝形式 · 兼容 TTL 和 CMOS 邏輯電平引腳功能介紹：MCS-51 是標(biāo)準(zhǔn)的 40 引腳，雙列直插式集成電路芯片，引腳分布請(qǐng)參照單片機(jī)引腳圖：圖 2 8051 引腳圖P0.0~P0.7 P0 口 8 位雙向口線(xiàn)（在引腳的 39~32 號(hào)端子） 。 P1.0~P1.7 P1 口 8 位雙向口線(xiàn)（在引腳的 1~8 號(hào)端子） 。 P2.0~P2.7 P2 口 8 位雙向口線(xiàn)（在引腳的 21~28 號(hào)端子） 。 4P3.0~P3.7 P2 口 8 位雙向口線(xiàn)（在引腳的 10~17 號(hào)端子） 。這 4 個(gè) I/O 口具有不完全相同的功能，P0 口有三個(gè)功能：1.外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作數(shù)據(jù)總線(xiàn)（如圖 1 中的 D0~D7 為數(shù)據(jù)總線(xiàn)接口）2、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線(xiàn)（如圖 1 中的 A0~A7 為地址總線(xiàn)接口）3、不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的 I/O 使用，但內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，作為輸入或輸出時(shí)應(yīng)在外部接上拉電阻。P1 口只做 I/O 口使用：其內(nèi)部有上拉電阻。P2 口有兩個(gè)功能：1、擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線(xiàn)使用2、做一般 I/O 口使用，其內(nèi)部有上拉電阻；P3 口有兩個(gè)功能：除了作為 I/O 使用外（其內(nèi)部有上拉電阻） ，還有一些特殊功能，由特殊寄存器來(lái)設(shè)置，具體功能請(qǐng)參考我們后面的引腳說(shuō)明。有內(nèi)部 EPROM 的單片機(jī)芯片，為寫(xiě)入程序需提供專(zhuān)門(mén)的編程脈沖和編程電源，這些信號(hào)也是由信號(hào)引腳的形式提供的，即：編程脈沖：30 腳（ALE/PROG）編程電壓（25V）：31 腳（EA/Vpp） 。在介紹這四個(gè) I/O 口時(shí)提到了一個(gè)“ 上拉電阻” 那么上拉電阻又是一個(gè)什么呢？他起什么作用呢？當(dāng)作為輸入時(shí)，上拉電阻將其電位拉高，若輸入為低電平則可提供電流源；所以如果 P0 口如果作為輸入時(shí)，處在高阻抗?fàn)顟B(tài)，只有外接一個(gè)上拉電阻才能有效。P0 端口總線(xiàn) I／O 端口，雙向，三態(tài)，數(shù)據(jù)地址分時(shí)復(fù)用，該端口除用于數(shù)據(jù)的輸入／輸出外，在 8031 單片機(jī)外接程序存儲(chǔ)器時(shí)，還分時(shí)地輸出／輸入地址／指令。由 Po 端口輸出的信號(hào)無(wú)鎖存，輸入的信息有讀端口引腳和讀端口鎖存器之分。單片機(jī)在對(duì)端口 P0—P3 的輸入操作上，有如下約定：為此，8031 單片機(jī)在對(duì)端口 P0-P3 的輸入操作上，有如下約定：凡屬于讀-修改-寫(xiě)方式的指令，從鎖存器讀入信號(hào)，其它指令則從端口引腳線(xiàn)上讀入信號(hào)。P0 端口是 8031 單片機(jī)的總線(xiàn)口，分時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù) D7—D0、低 8 位地址 A7—AO，以及三態(tài)，用來(lái)接口存儲(chǔ)器、外部電路與外部設(shè)備。P0 端口是使用最廣泛的 I／O 端口。單片機(jī)復(fù)位后，各個(gè)端口已自動(dòng)地被寫(xiě)入了 1，此時(shí)，可直接作輸入操作。如果在應(yīng)用端口的過(guò)程中，已向 P1—P3 端口線(xiàn)輸出過(guò) 0，則再要輸入時(shí)，必須先 Pl 端口是 803l 單片機(jī)中唯一僅有的單功能 I／O 端口，并且沒(méi)有特定的專(zhuān)用功能，輸出信號(hào)鎖存在引腳上，故又稱(chēng)為通用靜態(tài)口。P0 端口能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LSTTL 負(fù)載。如需增加負(fù)載能力，可在 P0 總線(xiàn)上增加總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器。P1 ，P2 ， P3 端口各自能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。4前邊已經(jīng)講述，由于 P0-P3 端口已映射成特殊功能寄存器中的 P0—P3端口寄存器，所以對(duì)這些端口寄存器的讀／寫(xiě)就實(shí)現(xiàn)了信息從相應(yīng)端口的輸入／輸出。例如：MOV A， P1 ；把 Pl 端口線(xiàn)上的信息輸入到 AMOV P1， A ；把 A 的內(nèi)容由 P1 端口輸出MOV P3， #0FFH ；使 P3 端口線(xiàn)各位置 l寫(xiě) 1 后再讀引腳，才能得到正確的信息。8051 和 MCS－51 系列的單片機(jī)指令系統(tǒng)相同。概述如下：一個(gè)單片機(jī)所需執(zhí)行指令的集合即為單片機(jī)的指令系統(tǒng)。單片機(jī)使用的機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言及高級(jí)語(yǔ)言，但不管使用是何種語(yǔ)言，最終還是要“翻譯” 成為機(jī)器碼，單片機(jī)才能執(zhí)行之?，F(xiàn)在有很多半導(dǎo)體廠商都推出了自己的單片機(jī)，單片機(jī)種類(lèi)繁多，品種數(shù)不勝數(shù)，值得注意的是不同的單片機(jī)它們的指令系統(tǒng)不一定相同，或不完全相同。但不管是使用機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言還是高級(jí)語(yǔ)言都是使用指令編寫(xiě)程序的。所謂機(jī)器語(yǔ)言即指令的二進(jìn)制編碼，而匯編語(yǔ)言則是指令的表示符號(hào) 。在指令的表達(dá)式上也不會(huì)直接使用二進(jìn)制機(jī)器碼，最常用的是十六進(jìn)制的形式。但單片機(jī)并不能直接執(zhí)行匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言，都必須通過(guò)匯編器“翻譯”成為二進(jìn)制機(jī)器碼方能執(zhí)行，但如果直接使用二進(jìn)制來(lái)編寫(xiě)程序，那將十分不便，也很難記憶和識(shí)別，不易編寫(xiě)、難于辨讀，極易出錯(cuò)，同時(shí)出錯(cuò)了也相當(dāng)難查找。所以現(xiàn)在基本上都不會(huì)直接使用機(jī)器語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)單片機(jī)的程序。最好的辦法就是使用易于閱讀和辨認(rèn)的指令符號(hào)來(lái)代替機(jī)器碼，我們常稱(chēng)這些符號(hào)為助記符，用助記符的形式表示的單片機(jī)指令就是匯編語(yǔ)言，為便于記憶和閱讀，助記符號(hào)通常都使用易于理解的英文單詞和拼音字母來(lái)表示。每種單片機(jī)都有自己獨(dú)特的指令系統(tǒng)，那么指令系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)廠商定義的，如要使用其單片機(jī)，用戶(hù)就必須理解和遵循這些指令標(biāo)準(zhǔn)，要掌握某種（類(lèi)）單片機(jī)，指令系統(tǒng)的學(xué)習(xí)是必須的。MCS-51 共有 111 條指令，可分為 5 類(lèi)：[1].數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令（共 29 條）[2].算數(shù)運(yùn)算類(lèi)指令（共 24 條）[3].邏輯運(yùn)算及移位類(lèi)指令（共 24 條）[4].控制轉(zhuǎn)移類(lèi)指令（共 17 條）[5].布爾變量操作類(lèi)指令（共 17 條）一些特殊符號(hào)的意義：Rn——當(dāng)前選中的寄存器區(qū)的 8 個(gè)工作寄存器 R0—R7（n=0-7） 。4Ri——當(dāng)前選中的寄存器區(qū)中可作為地址寄存器的兩個(gè)寄存器 R0 和R1（i=0,1）direct—內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的 8 位地址。包含 0—127(255)內(nèi)部存儲(chǔ)單元地址和特殊功能寄存地址。#data—指令中的 8 位常數(shù)。#data16—指令中的 16 位常數(shù)。addr16—用于 LCALL 和 LJMP 指令中的 16 目的地地址，目的地址的空間為 64kB 程序存儲(chǔ)器地址。rel—8 位帶符號(hào)的偏移字節(jié)，用于所有的條件轉(zhuǎn)移和 SJMP 等指令中，偏移字節(jié)對(duì)于下一條指令的第一個(gè)字節(jié)開(kāi)始的-128——+127 范圍內(nèi)。@—間接寄存器尋址或基址寄存器的前綴。DPTR—數(shù)據(jù)指針。bit—內(nèi)部 RAM 和特殊功能寄存器的直接尋址位。A—累加器。B—累加器 B。用于乘法和除法指令中。C—進(jìn)位標(biāo)志位。MCS-51 的尋址方式：尋址的“地址 ”即為操作數(shù)所在單元的地址，絕大部分指令執(zhí)行時(shí)都需要用到操作數(shù)，那么到哪里去取得操作數(shù)呢？最易想到的就是告訴 CPU 操作數(shù)所在的地址單元，從那里可取得響應(yīng)的操作數(shù)，這便是“尋址” 之意。MCS-51的尋址方式很多，使用起來(lái)也相當(dāng)方便，功能也很強(qiáng)大，靈活性強(qiáng)。這便是MCS-51 指令系統(tǒng)“好用”的原因之一。下面我們分別討論幾種尋址方式的原理。[1].直接尋址 指令中操作數(shù)直接以單元地址形式出現(xiàn)，例如：MOV A, 68H這條指令的意義是把內(nèi)部 RAM 中的 68H 單元中的數(shù)據(jù)內(nèi)容傳送到累加器 A 中。值得注意的是直接尋址方式只能使用 8 位二進(jìn)制地址，因此這種尋址方式僅限于內(nèi)部 RAM 進(jìn)行尋址。低 128 位單元在指令中直接以單元地址的形式給出。對(duì)于特殊功能寄存器可以使用其直接地址進(jìn)行訪問(wèn)，還可以以它們的符號(hào)形式給出，只是特殊功能寄存器只能用直接尋址方式訪問(wèn)，而無(wú)其它方法。[2].寄存器尋址寄存器尋址對(duì)選定的 8 個(gè)工作寄存器 R0-R7 進(jìn)行操作，也就是操作數(shù)在4寄存器中，因此指定了寄存器就得到了操作數(shù)，寄存器尋址的指令中以寄存器的符號(hào)來(lái)表示寄存器，例如：MOV A, R1這條指令的意義是把所用的工作寄存器組中的 R3 的內(nèi)容送到累加器 A中。值得一提的是工作狀態(tài)寄存器的選擇是通過(guò)程序狀態(tài)字寄存器來(lái)控制的，在這條指令前，應(yīng)通過(guò) PSW 設(shè)定當(dāng)前工作寄存器組。[3].寄存器間接尋址寄存器尋址方式，寄存器中存放的是操作數(shù)，而寄存器間接尋址方式，寄存器中存放的則為操作數(shù)的地址，也即操作數(shù)是通過(guò)寄存器指向的地址單元得到的，這便是寄存器間接尋址名稱(chēng)的由來(lái)。例如指令：MOV A, @R0這條指令的意義是 R0 寄存器指向地址單元中的內(nèi)容送到累加器 A 中。假如 R0=#56H，那么是將 56H 單元中的數(shù)據(jù)送到累加器 A 中。寄存器間接尋址方式可用于訪問(wèn)內(nèi)部 RAM 或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。訪問(wèn)內(nèi)部 RAM 或外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的低 256 字節(jié)時(shí)，可通過(guò) R0 和 R1 作為間接寄存器。然而有必要指出，內(nèi)部 RAM 的高 128 字節(jié)地址與專(zhuān)用積存器的地址是重疊的，所以這種尋址方式不能用于訪問(wèn)特殊功能寄存器。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的空間為 64kB，這時(shí)可采用 DPTR 作為間址寄存器進(jìn)行訪問(wèn)，指令如下：MOVX A, @DPTR這條指令的意義是與上述類(lèi)似，不再贅述。[4].立即尋址立即尋址就是把操作數(shù)直接在指令中給出，即操作數(shù)包含在指令中，指令操作碼的后面緊跟著操作數(shù)，一般把指令中的操作數(shù)稱(chēng)為立即數(shù)，因此而得名。為了與直接尋址方式相區(qū)別，在立即數(shù)前加上“#”符號(hào)，例如：MOVX A, #0EH這條指令的意義是將 0EH 這個(gè)操作數(shù)送到累加器 A 中。[5].變址尋址變址尋址是以 DPTR 或 PC 作為基址寄存器，以累加器 A 作為變址寄存器，將兩寄存器的內(nèi)容相加形成 16 位地址形成操作數(shù)的實(shí)際地址。例如：MOV A,@A+DPTRMOVX A,@A+PCJMP @A+DPTR4在這三條指令中，A 作為偏移量寄存器，DPTR 或 PC 作為變址寄存器，A 作為無(wú)符號(hào)數(shù)與 DPTR 或 PC 的內(nèi)容相加，得到訪問(wèn)的實(shí)際地址。其中前兩條是程序存儲(chǔ)器讀指令，后一條是無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令。[6].位尋址在 MCS-51 單片機(jī)中，RAM 中的 20H—2FH 字節(jié)單元對(duì)應(yīng)的位地址為00H—7FH，特殊功能寄存器中的某些位也可進(jìn)行為尋址，這些單元既可以采用字節(jié)方式訪問(wèn)它們，也可采用位尋址的方式訪問(wèn)它們。[7].相對(duì)尋址相對(duì)尋址方式是為了程序的相對(duì)轉(zhuǎn)移而設(shè)計(jì)的，其夜里是以 PC 的內(nèi)容為基址，加上給出的偏移量作為轉(zhuǎn)移地址，從而實(shí)現(xiàn)程序的轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移的目的地址可參見(jiàn)如下表達(dá)式：目的地址=轉(zhuǎn)移指令地址 +轉(zhuǎn)移指令字節(jié)數(shù)+偏移量值得注意的是，偏移量是有正負(fù)號(hào)之分的，偏移量的取值范圍是當(dāng)前 PC值的-128 —+127 之間。2.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 微處理器取代模擬電路作為電動(dòng)機(jī)控制器有如下特點(diǎn)。（1） 使電路更簡(jiǎn)單模擬電路為了實(shí)現(xiàn)控制邏輯需要許多電子元件，使電路復(fù)雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)。（2）可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制微處理器有更強(qiáng)的邏輯功能，運(yùn)算速度快、精度高、有大容量的存儲(chǔ)單元，因此有能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，如優(yōu)化控制等。（3）靈活性和適應(yīng)性為控制器的控制方式是由軟件完成的。如果必須要修改控制規(guī)律，一般不必改動(dòng)硬件電路，只需修改程序即可。在系統(tǒng)調(diào)試和升級(jí)時(shí)，可以不斷嘗試選擇最優(yōu)參數(shù)，非常方便。（4）無(wú)零點(diǎn)漂移，控制精度高數(shù)字控制不會(huì)出現(xiàn)模擬電路中經(jīng)常遇到的零點(diǎn)漂移問(wèn)題。無(wú)論被控制量的大小如何，都可以保證足夠的控制精度。（5）可提供人機(jī)界面，多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作因此現(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為電動(dòng)機(jī)的控制器。本設(shè)計(jì)即由單片機(jī)控制產(chǎn)生 PWM 信號(hào)，通過(guò) H 橋驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法可以分為：可關(guān)斷晶閘管的門(mén)極驅(qū)動(dòng)、功率晶體管的驅(qū)動(dòng)、和功率場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)等。此次設(shè)計(jì)我采用的方法是由功率場(chǎng)效應(yīng)管，來(lái)組成驅(qū)動(dòng)電路。4在此介紹一下功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的性能和應(yīng)用。功率場(chǎng)效應(yīng)管（metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET） ，產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 70 年代。功率場(chǎng)效應(yīng)管有與可關(guān)斷晶閘管、功率晶體管完全不同的特點(diǎn)。首先，它不是那種由多數(shù)載流子和少數(shù)載流子共同導(dǎo)電的雙極型器件。而是只有一種載流子導(dǎo)電的單極型器件；其次，它要求的柵極驅(qū)動(dòng)電流很小，因此可以看成是電壓控制型器件。由于具有這些特點(diǎn)，使得功率場(chǎng)效應(yīng)管具有速度快、損耗低、驅(qū)動(dòng)功率小、無(wú)二次擊穿的優(yōu)點(diǎn)，目前已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。功率場(chǎng)效應(yīng)管有 3 個(gè)引腳：柵極 G、源極 S、漏極 D。柵極 G 相當(dāng)于晶體管的基極 B，源極 S 相當(dāng)于晶體管的發(fā)射極 E，漏極 D 相當(dāng)于晶體管的集電極 C。根據(jù)載流子性質(zhì)，功率場(chǎng)效應(yīng)管可分為 N 溝道和 P 溝道兩種類(lèi)型，其符號(hào)如下圖 3 所示（注意，目前符號(hào)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，本符號(hào)取自于多數(shù)參考書(shū)中） ，箭頭表示流子移動(dòng)的方向。其中，N 溝道型類(lèi)似于 NPN 型晶體管，柵源極間加正向電壓時(shí)，MOSFE 導(dǎo)通；P 溝道型類(lèi)似于 PNP 型晶體管，柵源極間加反向電壓時(shí)，MOSFET 導(dǎo)通。(a)N 溝道型 (b)P 溝道型圖 3　　MOSFET 的符號(hào)接下來(lái)介紹一下 PWM 調(diào)速的原理。直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)直流電機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的現(xiàn)行調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性；盡管近年來(lái)不斷受到其他電機(jī)的挑戰(zhàn)，但到目前為止仍是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)先選擇。近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)以及新型電力電子功率器件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)4行脈寬調(diào)制（pulse width modulation 簡(jiǎn)稱(chēng) PWM）控制方式已成為絕對(duì)主流。這種控制方式很容易在單片機(jī)控制中實(shí)現(xiàn)，從而為直流電動(dòng)機(jī)控制數(shù)字化提供了契機(jī)。眾所周知，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速 n 的表達(dá)式為n=(U-IR)/KФ 式中，U-電樞端電壓； I-電樞電流； R-電樞電路總電阻； Ф-每極磁通量；K-電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)?，F(xiàn)在，大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都是用電樞控制法。下面介紹在勵(lì)磁恒定不變的情況下，如何通過(guò)調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制 PWM 來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)兩端有電壓 Us。PWM 信號(hào)的周期為 T，其中高電平時(shí)間為 t1，低電平時(shí)間為 t2。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)電機(jī)電樞兩端的電壓為0。t2 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_(kāi)關(guān)管動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。這樣，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 UO 為：UO=(t1Us+0)/(t1+t2)=t1/TUs=аUs ①式中，а 為占空比， а=t1/T。占空比 а 表示了在一個(gè)周期 T 里，開(kāi)關(guān)管道通的時(shí)間與周期的比值。а 的變化范圍為 0≤а≤1。由式①可知，當(dāng)電源電壓 Us 不變的情況下，點(diǎn)數(shù)的端電壓的平均值 UO 取決于占空比 а 的大小，改變 а 紙就可以改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的，這就是 PWM 調(diào)速的原理。在 PWM 調(diào)速時(shí)，占空比 а 是一個(gè)重要參數(shù)。以下三種方法都可以改變占空比的值。(1)定寬調(diào)頻法：這種方法是保持 t1 不變，只改變 t2，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。(2)調(diào)寬調(diào)頻法：這種方法是保持 t2 不變，只改變 t1，這樣使周期 T（或頻率）也隨之改變。(3)定頻調(diào)寬法：這種方法是使周期 T（或頻率）保持不變，而同時(shí)改變t1 和 t2。前兩種方法由于在調(diào)速時(shí)改變了控制脈沖的周期，當(dāng)控制脈沖的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)將會(huì)引起振蕩開(kāi)因此這兩種方法用得較少。但是由于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)高于控制脈沖的頻率，且考慮到程序設(shè)計(jì)的方便性問(wèn)題，仍是用得第二種方法。目前，在直流電機(jī)的控制中，主要使用定頻調(diào)寬法。4PWM 控制信號(hào)的產(chǎn)生方法有四種。分立電子元件組成的 PWM 信號(hào)發(fā)生器：這種方法是用分立的邏輯電子元件組成 PWM 信號(hào)電路。他是最早期的方式?，F(xiàn)在已被淘汰了。軟件模擬法：利用單片機(jī)的一個(gè) I/O 引腳，通過(guò)軟件不斷地輸出高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn) PWM 波輸出。這種方法要占用 CPU 大量的時(shí)間，使單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行其他的工作，因此現(xiàn)在用得也較少了。但是由于本設(shè)計(jì)的自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)在輸出 PWM 信號(hào)時(shí)也就不需要作其他什么工作，況且考慮到實(shí)驗(yàn)室的仿真器沒(méi)有專(zhuān)用的 PWM 口，因而采用了這種方法。專(zhuān)用 PWM 集成電路：從 PWM 控制技術(shù)出現(xiàn)之日起，就有芯片制造商生產(chǎn)專(zhuān)用的 PWM 集成電路芯片，這些芯片除了有 PWM 信號(hào)發(fā)生功能外，還有“死區(qū)”調(diào)節(jié)功能、保護(hù)功能等。在單片機(jī)控制直流電動(dòng)機(jī)中，使用專(zhuān)用 PWM 集成電路可以減輕單片機(jī)負(fù)擔(dān)，工作更可靠。單片機(jī)的 PWM 口：新一代的單片機(jī)增加了許多功能，其中包括 PWM功能。單片機(jī)通過(guò)初始化設(shè)置，使其能自動(dòng)地發(fā)出 PWM 脈沖波，只有在改變占空比時(shí) CPU 才進(jìn)行干涉。直流電動(dòng)機(jī)的 PWM 驅(qū)動(dòng)又分為可逆與不可逆、雙極性和單極性之分。本設(shè)計(jì)采用了單極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 系統(tǒng)，下面作一下詳細(xì)介紹。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè) PWM 周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的電樞制成收單極性的電壓。單極性驅(qū)動(dòng)也有 T 型和 H 型之分，以 H 型最多。H 型又可以分為多種控制方式，此設(shè)計(jì)采用受限單極性驅(qū)動(dòng)方式和受限倍頻單極性驅(qū)動(dòng)方式。首先單極性驅(qū)動(dòng)可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路如下圖 4 所示圖 4 受限單極可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4在要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)管 V1 受 PWM 控制信號(hào)控制，開(kāi)關(guān)管 V4 施加高電平使其常開(kāi)；開(kāi)關(guān)管 V2、V3 施加低電平，使它們?nèi)冀刂?。如圖 4 的狀態(tài)。在要求電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)管 V3 受 PWM 控制信號(hào)的控制，開(kāi)關(guān)管 V2施加高電平使其常開(kāi)；開(kāi)關(guān)管 V1、V4 施加低電平，使它們?nèi)冀刂?。黨要求電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，在每個(gè) PWM 周期的 0-t1 區(qū)間，V1 導(dǎo)通，電流沿圖 4 所示虛線(xiàn) 1 流經(jīng)電樞繞組，方向是從 A 到 B，電動(dòng)機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)。在每個(gè) PWM 周期的 t1-t2 區(qū)間，V1 截止，電流在自感電動(dòng)勢(shì)的作用下，經(jīng)V4 和 D2 型程序流回路，如圖 4 的虛線(xiàn) 2 所示，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)工作在電動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的電流波形如圖 5(a)所示。占空比仍可按式①計(jì)算。當(dāng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)時(shí)，PWM 信號(hào)的占空比減小，使電樞兩端的平均電壓小于反電動(dòng)勢(shì)。在反電動(dòng)勢(shì)的作用下，電流的路線(xiàn)應(yīng)該是從 A 點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)V2、D4 到 B 來(lái)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖 4 的虛線(xiàn) 3；但是由于 V2 處于截止?fàn)顟B(tài)，使耗能制動(dòng)電流通路受到限制，所謂“受限”因此而得名。當(dāng)電動(dòng)機(jī)工作在輕載時(shí)，在每個(gè) PWM 周期的 t1-t2 區(qū)間，當(dāng)續(xù)流電流沿圖 4 虛線(xiàn) 2 流動(dòng)并衰減到零后，由于 V2 的截止使反電動(dòng)勢(shì)不能建立反向電流，點(diǎn)數(shù)電流出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，如圖 5(b)所示。圖 5 受限單極可逆 PWM 電流波形首先單極性驅(qū)動(dòng)方式在輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，這是之中方式不利的一面，可以通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率或改進(jìn)電路設(shè)計(jì)來(lái)克服；但是由于能夠避免開(kāi)關(guān)管直4通，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，所以得以普遍使用。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)受限單極性控制具體方法如下：下圖 6 是用單片機(jī)控制受限單極性可逆 PWM 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理圖。圖中單片機(jī)將 PWM 定向到 P0.0 引腳，另外通過(guò) P1.0 引腳發(fā)出轉(zhuǎn)向控制信號(hào)，規(guī)定其中高電平代表正轉(zhuǎn)，低電平代表反轉(zhuǎn)。從單片機(jī)輸出的 PWM 信號(hào)和轉(zhuǎn)向信號(hào)先經(jīng)過(guò) 2 個(gè)與門(mén)和 1 個(gè)非門(mén)在于各個(gè)開(kāi)關(guān)管的柵極相連。當(dāng)單片機(jī)要求正轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī) P1.0 輸出高電平信號(hào)，該信號(hào)分成 3路：第 1 路接與門(mén) Y1 的輸入端，使與門(mén) Y1 的輸出由 PWM 決定，所以開(kāi)關(guān)管 V1 柵極受 PWM 控制。第 2 路直接與開(kāi)關(guān)管 V4 柵極相連，使 V4 導(dǎo)通。第 3 路經(jīng)非門(mén) F1 連接到與門(mén) Y2 的輸入端，使與門(mén) Y2 輸出為 0，這樣使開(kāi)關(guān)管 V3 截止。從非門(mén) F1 輸出的另一路與開(kāi)關(guān)管 V2 的柵極相連，其低電平信號(hào)也使 V2 截止。同樣電動(dòng)機(jī)要求反轉(zhuǎn)時(shí)，單片機(jī) P1.0 輸出低電平信號(hào)，經(jīng)過(guò) 2 個(gè)與門(mén)和一個(gè)非門(mén)組成的邏輯電路后，使開(kāi)關(guān)管 V3 受 PWM 信號(hào)的控制，V2 導(dǎo)通，V1、V4 全都截止。圖 6 單片機(jī)控制受限單極性可逆 PWM 系統(tǒng)原理圖2.4 檢測(cè)有無(wú)人進(jìn)出和纖維開(kāi)關(guān)模塊檢測(cè)有無(wú)人進(jìn)出采用對(duì)射主動(dòng)紅外探測(cè)器。限位開(kāi)關(guān)則由磁開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面介紹一下具體實(shí)現(xiàn)方法及原理。生活中的防范裝置有很多種，如能感應(yīng)人體或其他物品所發(fā)射的紅外線(xiàn)的被動(dòng)紅外傳感器、電子圍欄、對(duì)射紅外探測(cè)器等。其中以對(duì)射紅外探測(cè)器4的應(yīng)用最為廣泛，因?yàn)樗装惭b、價(jià)格低、上市早，被廣大的消費(fèi)者所接受。它由發(fā)射器和接收器兩部分組成。其中發(fā)射器發(fā)射出一定波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)，當(dāng)然人眼是看不到的但可以通過(guò)特定的裝置檢測(cè)到，也可以成像。平時(shí)狀態(tài)下由接收器接收，但如果發(fā)射器所發(fā)射的紅外線(xiàn)被物體擋住，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。本設(shè)計(jì)在自動(dòng)門(mén)的門(mén)內(nèi)門(mén)外一定高度處各設(shè)置一個(gè)對(duì)射探測(cè)器。并由導(dǎo)向管套