家用車庫門電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計說明

./家用車庫門電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計黃美琪〔理工學(xué)院〔物電學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)2012級723000指導(dǎo)教師：宋衛(wèi)星[摘要]家用車庫門主要分為遙控車庫門、感應(yīng)車庫門、電動車庫門、手動車庫門幾種,其中遙控、感應(yīng)、電動車庫門都可統(tǒng)稱為自動車庫門。車庫門自動升降裝置,其特征在于有設(shè)置車庫與車庫外的主控制器。本文基于AT89C51單片機(jī)設(shè)計了一款家用車庫卷簾門控制器,采用單片機(jī)控制直流管狀電動機(jī),達(dá)到開、關(guān)車庫卷簾門及暫停的效果,實現(xiàn)了車庫門的便捷安全的管理。[關(guān)鍵詞]家用車庫門控制器C51單片機(jī)直流電動機(jī)HouseholdgaragedoordesignofelectroniclcontrolsystermAuthor:HuangMeiqiGrade12,Class03,MajorElectronicinformationscienceandtechnology,InstituteofphysicalelectricalDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,ShaanxiTutor:SongWeixingAbstract:Householdgaragedoorismainlydividedintoremotecontrolgaragedoors,inductionofgaragedoors,garagedoorseveralmanually,includingremotecontrol,induction,manualcanbereferredtoasautomaticgaragedoor.Andgaragedoorautomaticliftingdevice,itscharacteristicistohavesetthegaragewithmaincontrolleroutsidethegarage.Garagedoorcontrollerismainlyintroducedinthispaper,basedonAT89C51isdesignedasahouseholdgaragedoorscontroller,basedonthesinglechipmicrocomputercontroldctubularmotor,garagedoorsopenandcloseandtheeffectofthesuspension,garagedoorconvenientsafemanagementisrealized.Keywords:HouseholdgaragedoorControllerC51microcontrollersDCmotor目錄TOC\o"1-3"\h\u11471引言 115971車庫門控制器設(shè)計要求及意義 1296511.1車庫門設(shè)計意義 1290891.2設(shè)計要求 2184181.3總體設(shè)計方案 2111372車庫門電氣控制系統(tǒng)的平面圖 231323車庫門狀態(tài)信號采集 3192064車庫門執(zhí)行裝置的選用 387434.1選擇電動機(jī) 3325024.2直流電動機(jī) 3112374.2.1直流電動機(jī)的工作原理 3238644.2.2直流電動機(jī)的機(jī)械特性 4231204.3直流電動機(jī)控制系統(tǒng) 4172835車庫卷簾門控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計5274935.1車庫門控制軟件設(shè)計 5313585.2車庫門控制硬件設(shè)計 6259555.2.1單片機(jī)的選擇658465.2.2C51單片機(jī)介紹 6153635.3各部分電路介紹8123145.3.1時鐘電路8144465.3.2復(fù)位電路88575.3.3電機(jī)驅(qū)動電路94685.3.4限位開關(guān)電路9214645.3.5按鈕開關(guān)電路1064365.4整體電路圖1050976車門控制器模擬仿真11139956.1proteus軟件介紹11192236.2車庫門軟件調(diào)試12258367安裝調(diào)試13272768實物展示1358899結(jié)束語1430096致146730參考文獻(xiàn)1526196附錄168512附錄1車庫控制器電路及其原理圖1627218附錄2車庫控制器仿真圖1723755附錄3程序1810942附錄4元器件清單 20.引言隨著人們經(jīng)濟(jì)收入的增高,隨之而來的生活水平的提高,人們?yōu)榱朔奖愠鲂?便會購買一輛適合自己出行的代步工具,汽車更是很多人都首選。在汽車快速增長的同時,"停車難"出現(xiàn),且問題越來越嚴(yán)重。停車泊位的現(xiàn)狀及發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上客觀發(fā)展的需求。在中國,發(fā)展快速的各個城市,停車難問題隨著城市經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和汽車數(shù)量的激增接踵而至。最新資料顯示,全國36個大中城市的停車位的滿足率不足20%。國車輛數(shù)激增,而其中私家車就占了將近70%的比例。因此要解決停車難的問題,家用車庫是一個很好地選擇,對應(yīng)的車庫門問題也就應(yīng)運(yùn)而生,使得對于好的車庫門的需求也在直線上升。家用車庫門主要有電動、手動、遙控、感應(yīng)幾種,其中感應(yīng)、遙控、電動都可稱為自動車庫門。自動車庫門與手動車庫門最主要的區(qū)別是,自動車庫門的系統(tǒng)中有電動機(jī),而手動類車庫門僅僅使用手動[4]。早期的自動化控制系統(tǒng)是依靠繼電-接觸器來實現(xiàn)的,其特點(diǎn)是：價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾的能力強(qiáng),可以實現(xiàn)集中的控制和遠(yuǎn)距離的控制。但是,如果使用遠(yuǎn)距離的接線,通用性和靈活性差；如果采用觸電的開關(guān)工作,觸點(diǎn)易損壞、工作頻率低、成本高、可靠性差,由于長期的使用,再加上元器件的不斷老化,控制的精度自然也就會達(dá)不到剛開始的標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī)出現(xiàn)后,我們將控制這些電路系統(tǒng)變成智能化系統(tǒng)。我們只需要在單片機(jī)的外圍接一簡單的接口電路,核心部分只是由人為控制,寫入程序來完成[9]。這樣做下來,產(chǎn)品的體積變小,成本也降低了,即使長期使用,也不用擔(dān)心精度達(dá)不到要求。據(jù)資料統(tǒng)計,我們國家的單片機(jī)年容量已達(dá)1～3億片,且每年以大約16%的速度增長。相對于世界市場,我國的單片機(jī)占有率還不到1%。本設(shè)計主要闡述了對車庫卷簾門的控制系統(tǒng)的具體說明,在控制系統(tǒng)的設(shè)計中運(yùn)用了單片機(jī)對電動機(jī)控制、紅外傳感等多種控制方法,實現(xiàn)了自動門的各種功能。針對家用型車庫自動卷簾門的自動開關(guān)控制而論,這個車庫自動門控制系統(tǒng)主要由51單片機(jī)、傳感器、電動機(jī)構(gòu)成。在這次設(shè)計中,對于主控制器我采用了AT89C51單片機(jī),來控制車庫卷簾門上升或者下降。按下‘up’按鈕,單片機(jī)系統(tǒng)接收到上升的信號,控制電機(jī)開始正轉(zhuǎn),到達(dá)上限位位置,傳感器監(jiān)測到卷簾門上升至頂部,輸出信號給單片機(jī),單片機(jī)傳達(dá)庫門需要停止的信號,電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動；車庫自動卷簾門若要下降,按下按鈕‘down’按鈕,單片機(jī)系統(tǒng)接收到下降的信號,控制電機(jī)反轉(zhuǎn),傳感器監(jiān)測到卷簾門到達(dá)上限位的位置,傳達(dá)信號給單片機(jī),電機(jī)停止轉(zhuǎn)動；卷簾門上升或者下降的過程中,如需立即停止,按下‘stop’按鈕,單片機(jī)發(fā)出信號控制電機(jī)立即制動,卷簾門停止。1車庫門控制器設(shè)計要求及意義1.1車庫門設(shè)計意義現(xiàn)在,大部分新型小區(qū)都有車庫,而大部分的車庫基本都配有車庫防盜門。在我國,車庫門是于上個世紀(jì)的七十年代末出現(xiàn)的,當(dāng)時的生產(chǎn)水平和技術(shù)水平有限,車庫門主要是木板做成的,開啟方式也主要是平開和上翻門為主。上翻門兩側(cè)掛有較重的鐵質(zhì)配件,而且只能手動,給人留下比較笨重的印象。在那個年代,上翻的平板車庫門屬較好的車庫門,它給人的一個比較好的印象是這種門不占地面空間,總比平開的好了很多。八十年代初,中西方文化交流漸漸多了起來,在當(dāng)時的工業(yè)產(chǎn)品展覽會上,就有瑞典生產(chǎn)的車庫門,而且是上滑道車庫門。那時,有超前意識的某些企業(yè)開始研制車庫門。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的同時,車庫門也在不斷地更新?lián)Q代,人們對于好的車庫門的需求也在不斷增加。國外先進(jìn)的車庫門不斷地占領(lǐng)中國市場,單片機(jī)對電動機(jī)控制和紅外傳感、霍爾傳感器等多種控制方法,實現(xiàn)了自動門的各種功能,并且有利于自動車庫門的國產(chǎn)化,大大降低了生產(chǎn)的成本。由于技術(shù)方面的原因,家用車庫防盜門的技術(shù)含量低,基本上仍在使用機(jī)械的防盜鎖,使用起來并不方便。因此,研制具有安全可靠、使用方便的車庫門邏輯控制系統(tǒng)是很有必要的。1.2設(shè)計要求1本設(shè)計要求設(shè)計并制作一個基于單片機(jī)的車庫門控制電路,所有的控制按鈕均為按鈕式開關(guān)；當(dāng)按下上升的按鈕時卷簾電機(jī)正轉(zhuǎn),卷簾門升起,到達(dá)最高位置處電機(jī)停轉(zhuǎn),卷簾門停止上升；當(dāng)按下下降按鈕時卷簾電機(jī)反轉(zhuǎn),卷閘門下降,到達(dá)最低位置時電機(jī)停轉(zhuǎn),卷閘門下降停止。無論卷閘門在哪種狀態(tài),只要按下停止按鈕,卷閘門都將處于靜止?fàn)顟B(tài)。2選擇電路方案,完成對確定方案電路的設(shè)計。計算電路元件參數(shù)與元件選擇,并畫出總體電路原理圖,闡述基本原理。3安裝調(diào)試,最終完成一份設(shè)計報告、原理圖、所用元器件清單、電路實體套。1.3總體設(shè)計方案本設(shè)計是基于51單片機(jī)對于信號的高敏感度和可控制性,利用基于AT89C51單片機(jī)來控制直流管狀電動機(jī)轉(zhuǎn)動的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)由單片機(jī)及其他外圍所需電路,信號檢測、驅(qū)動電路、系統(tǒng)軟件等部分構(gòu)成,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1.1所示。圖1.1圖1.1系統(tǒng)總體框圖本設(shè)計的設(shè)計過程由信號采集、信號分析、信號處理三個部分組成。信號采集由按鈕開關(guān)完成；信號分析由51單片機(jī)置的A/D及單片機(jī)完成；信號執(zhí)行由驅(qū)動電路和電動機(jī)來完成。2車庫門電氣控制系統(tǒng)的平面圖車到達(dá)車庫卷簾門前,手動按下up按鈕,電機(jī)間接接收到來自51單片機(jī)的控制信號,電動機(jī)正轉(zhuǎn),車庫卷簾門隨之打開<上升>,卷簾門順利到達(dá)上限位并碰上限位輕觸開關(guān),電動機(jī)停止正轉(zhuǎn)；停車完畢之后,按down按鈕,電機(jī)間接收到來自51單片機(jī)的控制信號,電動機(jī)反轉(zhuǎn),卷簾門順利打開<下降>至下限位開關(guān),碰到下限位輕觸開關(guān)后,電機(jī)停止反轉(zhuǎn)。若中間出任何問題,可按暫停stop鍵暫停,電機(jī)立刻停止轉(zhuǎn)動；若要電機(jī)啟動,根據(jù)需要直接按up或down按鈕都可以,具體的的效果示意圖如圖2.1所示。圖圖2.1車庫門電氣控制系統(tǒng)平面示意圖3車庫門狀態(tài)信號采集為了實現(xiàn)監(jiān)控并采集車庫卷簾門狀態(tài)的目的,本設(shè)計是在車庫卷簾門的上端和下端各自加一個輕觸開關(guān)。在正常狀態(tài)下,輕觸開關(guān)處于斷開狀態(tài)。在按下‘up’按鈕之后,車庫卷簾門上升至頂部,碰到頂部的輕觸開關(guān),使輕觸開關(guān)導(dǎo)通,這一信號即被傳送給單片機(jī),單片機(jī)經(jīng)過信號處理,將控制電動機(jī)停止的信號傳送給驅(qū)動電路,以此來達(dá)到控制車庫卷簾門到達(dá)上限位位置并停止的目的；同樣,在按下‘down’按鈕后,車庫卷簾門下降至底部,底部輕觸開關(guān)被碰觸后導(dǎo)通,將信號傳送給單片機(jī),單片機(jī)經(jīng)過信號處理,將控制電動機(jī)停止的信號傳送給驅(qū)動電路,以此達(dá)到了控制車庫卷簾門到達(dá)下限位位置并停止的目的[7]。4車庫門執(zhí)行裝置的選用4.1選擇電動機(jī)交流電動機(jī)<ACMotor>可以在易燃、高溫的環(huán)境下進(jìn)行工作,需要不定期地清理碳刷的污物。交流電動機(jī)中的電刷,和換向器相配合,來實現(xiàn)電機(jī)電流的換向。交流電動機(jī)在速度控制方面比較困難,因為控制其電壓只會影響電動機(jī)的扭力。直流電動機(jī)<DCMotor>的優(yōu)勢是在速度控制方面比較容易操作,只需要控制電壓大小,就可以控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速,但是有一點(diǎn)就是,直流電動機(jī)不宜在高溫、易燃等環(huán)境下操作,而且直流電動機(jī)中只需要用碳刷來作為電流變換器的部件,所以必須定期清理由于碳刷摩擦所產(chǎn)生的污物,使電動機(jī)保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在直流電動機(jī)中,電刷擔(dān)負(fù)著對電樞繞組中感應(yīng)的交變電動勢,進(jìn)行換向〔整流的任務(wù)[11]。在車庫門的實際應(yīng)用中,兩種電動機(jī)進(jìn)行比較,由于門的移動距離小,電動機(jī)在啟動時,需要較大的轉(zhuǎn)矩；而在快關(guān)上門或者開門時,需要將運(yùn)動速度降下來,所以速度控制需要把握的很好,則選擇直流電動機(jī)作為本設(shè)計的執(zhí)行裝置是最好的選擇。直流電動機(jī)控制卷簾門可分為兩種：管狀類和外掛鏈條類,為了方便起見,本設(shè)計選擇了管狀直流電動機(jī)。由于實際電壓一般為交流220V,為了能夠帶動起車庫卷簾門,在實際應(yīng)用中,需要選擇大功率的直流電動機(jī)。在本設(shè)計中,考慮到答辯演示的實際需求,將會用12V的直流電動機(jī)來代替大功率的直流電動機(jī)來進(jìn)行操作。4.2直流電動機(jī)直流電動機(jī)的工作原理電動機(jī)按類型分,可分為直流有刷電動機(jī)和直流無刷電動機(jī)。圖圖4.1直流電動機(jī)工作原理圖假設(shè)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)子不使用原動機(jī)來拖動,而在轉(zhuǎn)子的電刷A、B兩端接在電壓為U的直流電源上,如圖4.1所示,從圖上的顯示可以看出,電刷A處于正電位的,B對應(yīng)負(fù)電位的,在N極圍之的導(dǎo)體ab中的電流是從a點(diǎn)方向流向b點(diǎn)方向,在S極圍的導(dǎo)體cd中的電流是從c點(diǎn)方向流向d點(diǎn)方向。我們都知道,載流導(dǎo)體在磁場中受到了電磁力的作用,那么ab和cd兩導(dǎo)體都會受到電磁力F的作用[10]。依據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流的方向,運(yùn)用電動機(jī)左手定則判定得悉,ab邊受力的方向是向左,而cd邊是向右。因為磁場是平均的,導(dǎo)體中流過的又是同向的電流,則ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣,線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針標(biāo)的方向轉(zhuǎn)動了。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時,線圈中的電流等于零,電磁力等于零,然而因為慣性作用,線圈持續(xù)轉(zhuǎn)動。線圈轉(zhuǎn)過半圈之后,盡管ab與cd地位調(diào)換了,ab邊轉(zhuǎn)到S極圍,cd邊轉(zhuǎn)到N極圍,但是因為換向片和電刷的作用,轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中電流標(biāo)的目的也變了,是從d流向c,在S極下的ab邊中電流則是從b點(diǎn)方向流向a點(diǎn)方向[10]。因而,電磁力F的方向仍舊不變,線圈依然受力按逆時針方向轉(zhuǎn)動?？梢?分別處在N、S極圍的導(dǎo)體中的電流方向總是穩(wěn)定的,線圈兩個邊的受力方向也不變,這樣,線圈就可以按照受力方向不斷地旋轉(zhuǎn),經(jīng)過齒輪或皮帶等機(jī)構(gòu)的傳動,就能夠帶動車庫卷簾門做直線運(yùn)動,從而能夠?qū)崿F(xiàn)車庫門的開啟與閉合。4.2.2直流電動機(jī)的機(jī)械特性圖4.2直流電動機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖4.2所示,是改變電樞回路電壓的調(diào)速特性。改變電樞供電電壓可得到人為機(jī)械特性,從機(jī)械特性可以看出,在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下,加上不同的電壓的話,就可以得到有差別的轉(zhuǎn)速,即理想空載的轉(zhuǎn)速n0隨電壓U升降而發(fā)生對應(yīng)的升降變更。有差別的電樞電壓的機(jī)械特性曲線彼此平行,說明硬度不隨電壓的變換而變換,電動機(jī)帶負(fù)載的能力恒定。只需要有規(guī)律地調(diào)整直流電動機(jī)兩端的電壓,就可以完成電動機(jī)的無極調(diào)速。4.3直流電動機(jī)控制系統(tǒng)直流電動機(jī)具有容易控制轉(zhuǎn)動速度,啟動、制動性能良好,在一定的寬度圍可以平滑地調(diào)速等特點(diǎn)。而常用的直流電動機(jī)控制轉(zhuǎn)速的措施有兩種,即歷次控制法與電樞電壓控制法[10]。隨著電力電動機(jī)技術(shù)的提高,呈現(xiàn)出了許多新的電樞電壓控制方法,其中PWM<脈寬調(diào)制>是經(jīng)常用的一種調(diào)速方法。其基本調(diào)速原理是用改變電動機(jī)電樞〔定子電壓的接通和斷開的時間比〔占空比來控制馬達(dá)的速度。由于本設(shè)計的重點(diǎn)是車庫卷簾門的電氣控制系統(tǒng),則直流電動機(jī)的具體工作原理就不贅述。如圖4.3所示,在脈寬調(diào)速的系統(tǒng)中,是電樞電壓的占空比與平均電壓的關(guān)系圖,當(dāng)電動機(jī)通電時,其速度增加；電動機(jī)斷電時,其速度減低。只需要依照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間,即可使電動機(jī)的速度達(dá)到并保持一個不動搖的穩(wěn)定值。假設(shè)電動機(jī)始終保持接通,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速最大為Vmax,設(shè)占空比為D=t1/T,則電動機(jī)的平均速度為Vd=Vmax<4.1>在式中,Vd——電動機(jī)的平均速度Vmax——電動機(jī)全通時的速度D=t1/T——占空比圖圖4.3電樞電壓占空比與平均電壓關(guān)系圖最大值Vmax平均值Vd0脈沖信號由公式<4.1>可知,若改變占空比的數(shù)值,就可得到不同的電動機(jī)的平均速度數(shù)值,進(jìn)而達(dá)到調(diào)速的目的。5車庫卷簾門控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計5.1車庫門控制軟件設(shè)計圖圖5.1車庫門控制軟件設(shè)計流程圖這次設(shè)計系統(tǒng)軟件由信號采集、數(shù)據(jù)通信[8]、電動機(jī)等幾個部分組成。程序設(shè)計總體思路[12]：1對51單片機(jī)各個部分進(jìn)行初始化,使單片機(jī)能夠正常工作；2通過復(fù)位鍵對現(xiàn)場控制信號進(jìn)行設(shè)定,設(shè)置按鈕開關(guān)的初始狀態(tài)；3通過按鈕開關(guān)對車庫卷簾門的狀態(tài)進(jìn)行檢測,傳輸信號給51單片機(jī),51單片機(jī)進(jìn)行實時數(shù)據(jù)的處理,并將處理結(jié)果進(jìn)行反饋；451單片機(jī)輸出信號給驅(qū)動電路模塊,進(jìn)而使得電動機(jī)正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn),實現(xiàn)車庫門上升或者下降的目的；卷簾門上升或者下降的過程中,如需要車庫卷簾門暫停,按‘stop’按鈕,單片機(jī)收到信號并進(jìn)行處理；6暫停之后,可以按up按鈕或者down按鈕,51單片機(jī)接收到信號,使電動機(jī)啟動。5.2車庫門控制硬件設(shè)計5.2.1單片機(jī)的選擇單片機(jī)<Microcontrollers>是一種集成電路芯片,它是采取超大規(guī)模集成電路技術(shù),把中央處理器CPU<具備數(shù)據(jù)處理能力的控制核心>、只讀存儲器ROM、隨機(jī)存儲器RAM、中斷系統(tǒng)和多種I/O口、計數(shù)器/定時器等功能<可能還包含脈寬調(diào)制電路、顯示驅(qū)動電路、A/D轉(zhuǎn)換器等電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器>集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機(jī)系統(tǒng),在工業(yè)控制領(lǐng)域具有廣泛的使用[9]。從上世紀(jì)80年代,由當(dāng)時的4位、8位單片機(jī),發(fā)展到了現(xiàn)在的300M的高速單片機(jī)。圖5.2AT89C51單片機(jī)引腳單片機(jī)由運(yùn)算器、存儲器、控制器、輸入輸出設(shè)備構(gòu)成,具備功耗低、體積小、控制性能強(qiáng)、微型化、擴(kuò)展靈敏和應(yīng)用方便等優(yōu)勢,普遍應(yīng)用于儀器儀表中,聯(lián)結(jié)有差異類型的傳感器,可完成諸如功率、頻率、電壓、電流、濕度、厚度、角度、溫度、流量、硬度、元素、速度、長度、壓力等物理量的測量。采納單片機(jī)控制使得儀器儀表微型化、數(shù)字化、智能化,且性能比起采用電子或數(shù)字電路愈加強(qiáng)大[13]。根據(jù)本設(shè)計的設(shè)計要求及前期的資料查詢,C51單片機(jī)操作簡單、編程容易,可選擇AT89C51作為主控制計算機(jī)。5.2.2C51單片機(jī)介紹AT89C51單片機(jī)是一種帶4K字節(jié)閃動、可編程又可擦除的只讀存儲器<FPEROM>的低電壓,高性能CMOS8位微處理器。這種元器件采納ATMEL高密度的非易失存儲器制造技術(shù)制作,與工業(yè)的M規(guī)CS-51指令集和輸出管腳相兼容。多功能的8位CPU和閃爍存儲器被組合在一個單個的芯片里,ATMEL的AT89C51單片機(jī)是一種高效的微控制器,為很多嵌入式的控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價格低廉的計劃和方案[6]。主要特性<1>與MCS-51兼容<2>4K字節(jié)可編程的閃爍存儲器

<3>壽命：1000寫/擦循環(huán)

<4>數(shù)據(jù)保留時間：10年

<5>全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz

<6>三級程序存儲器鎖定

<7>128*8位部RAM

<8>32可編程I/O線

<9>兩個16位定時器/計數(shù)器

<10>5個中斷源

<11>可編程串行通道

<12>低功耗的閑置和掉電模式

<13>片振蕩器和時鐘電路管腳說明VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每個引腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被部上拉為高電平,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將用作輸出電流,這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時,P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當(dāng)P2口被寫"1"時,其管腳被部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時,P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時,P2口輸出地址的高八位。在給出地址"1"時,它利用部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時,P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。表5.1P3口的特殊功能口管腳備選功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2INT0外部中斷0P3.3INT1外部中斷1P3.4T0計時器0外部輸入P3.5T1計時器1外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入"1"后,它們被部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流〔ILL這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如表5.1所示。P3口同時為閃動編程和編程校驗接納一些控制信號。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器進(jìn)行復(fù)位時,要保持RST管腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部的存儲器時,輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié),而這個輸出電平是被地址鎖存允許的。在FLASH的編程期間,此引腳被用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時的目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將會跳過一個ALE脈沖。如果想禁止ALE的輸出,可以在SFR8EH地址上置0。此時,ALE只有在執(zhí)行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被稍微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,那么置位無效。

PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取值的過程中,每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器的過程時,這兩次有效的/PSEN信號將不會出現(xiàn)。

EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH,不管是否有部的程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時,此間部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及部時鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向的放大器的輸入和輸出引腳。片振蕩器、石晶振蕩和瓷振蕩均可以采用該反向放大器。如果采用外部時鐘源驅(qū)動器件,XTAL2不應(yīng)該接。有數(shù)據(jù)輸入到部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器,因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求,但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可以通過正確的控制信號組合在一起,并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中,代碼陣列全被寫"1"且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前,該操作都必須被執(zhí)行。

此外,AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯,可以在低到0頻率的條件下進(jìn)行靜態(tài)邏輯,支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下,CPU停止工作。但RAM、定時器、計數(shù)器、串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下,保存RAM的容并且凍結(jié)振蕩器,禁止所用其他芯片功能,直到下一個硬件復(fù)位為止。5.3各部分電路介紹5.3.1時鐘電路AT89C51的引腳XTAL0和XTAL1與晶振Y1及電容C2、C3及片與非門〔作為反饋、放大元件構(gòu)成了電容的三點(diǎn)式振蕩器[2],振蕩信號頻率與晶振頻率及電容C2、C3的容量有關(guān),但主要由晶振頻率來決定,圍在0～33MHz之間,電容C2和C3相連組成一個時鐘信號源,晶振的頻率決定了該系統(tǒng)的時鐘頻率,如圖5.2所示。圖圖5.2時鐘電路圖5.3.2復(fù)位電路復(fù)位電路如圖5.3所示,該電路圖由手動開關(guān)S3、一個電阻R7和一個電容C1組成。一般單片機(jī)在啟動時都需要重新復(fù)位,51單片機(jī)是在高電平的情況下復(fù)位,復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài),讓程序從起點(diǎn)開始運(yùn)行,并在這個初始狀態(tài)下開始工作[2]。這個復(fù)位電路在最簡單的自動上電復(fù)位電路的基礎(chǔ)上增加了手動上電復(fù)位按鈕。自動復(fù)位就是在接通電源的開始,電容C1上的電壓很小,而RST為高電平,在給電容C1充電的過程中,電阻R7上會產(chǎn)生一個高電平,隨后當(dāng)電容C1逐漸充滿時,RST端電壓開始慢慢下降,單片機(jī)隨后便進(jìn)入工作狀態(tài)。其中RST高電平有效時間大于24個振蕩周期時,CPU能夠準(zhǔn)確的復(fù)位。圖5圖5.3復(fù)位電路圖AT89C51手動復(fù)位按鍵的設(shè)計是為了避免單片機(jī)出現(xiàn)死機(jī)時無法可靠復(fù)位。當(dāng)復(fù)位按鍵S3按下后電容通過R7放電,R7立刻得到一個高電平電壓。由于R7,因此RST為高電平,CPU處于復(fù)位狀態(tài),松手后電容C1充電,RST端電位下降,CPU脫離復(fù)位狀態(tài),單片機(jī)因此進(jìn)入工作狀態(tài)。R7的作用在于限制按鍵按下瞬間電容C1的放電電流,避免產(chǎn)生火花,以保護(hù)按鍵觸點(diǎn)。以上就是本設(shè)計的復(fù)位電路原路,包括自動復(fù)位和手動復(fù)位。5.3.3電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路如圖5.4所示,Q1、Q4導(dǎo)通時,VCC的電流從電機(jī)正極流入,負(fù)極流出到地GND,電機(jī)正轉(zhuǎn)；Q2、Q3兩個三極管導(dǎo)通時,VCC的電流從電動機(jī)的負(fù)極流入,正極流出到地GND,電動機(jī)即可反轉(zhuǎn)；Q1、Q2、Q3及Q4四個三極管均不導(dǎo)通時,電流不能流通,電動機(jī)即會停止轉(zhuǎn)動。P1排阻是10k的上拉電阻,是將一個不確定的信號鉗位在高電平,并且電阻起到了限流的作用。P0口是集電極開路輸出,它沒有輸出高電平的能力,相當(dāng)于一個一端接地的開關(guān),所以必須接上一個上拉電阻,來確保高電平可以順利輸出到電動機(jī)處。圖圖5.4電機(jī)驅(qū)動電路圖5.3.4限位開關(guān)電路限位開關(guān)電路如圖5.5所示,開關(guān)S1、S2分別控制上限位和下限位,運(yùn)行過程中,在車庫卷簾門上升到上限位位置,按S1即可使電機(jī)制動；在卷簾門下降到下限位位置,按S2即可使電機(jī)制動。電阻R1、R2在電路中起到限流的作用,保證開關(guān)在沒按下時候,輸入信號為"1"。在按下開關(guān)之后,P1引腳輸入為"0",單片機(jī)收到停止信號,進(jìn)而控制電機(jī)制動。圖5.5限位開關(guān)電路圖圖5.5限位開關(guān)電路圖5.3.5按鈕開關(guān)電路圖5.6所示,S4、S5、S6分別是電路中控制車庫門上升、下降及暫停的按鈕,即通過控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及暫停來控制車庫門的狀態(tài)[1]。電阻R8、R9、R10的作用是保證在按鈕開關(guān)按下來前,輸入單片機(jī)的信號均為"1"。按下按鈕開關(guān),其具體狀態(tài)顯示如表5.2所示。圖5.6按鈕開關(guān)電路圖5.6按鈕開關(guān)電路表5.2狀態(tài)對應(yīng)表電機(jī)狀態(tài)狀態(tài)卷簾門狀態(tài)S4S5S6正轉(zhuǎn)上升100反轉(zhuǎn)下降010暫停停止001至此,本設(shè)計的硬件電路部分就基本完成。家用車庫門電氣控制系統(tǒng)完整電路圖如圖5.7所示〔見附錄1。6車門控制器模擬仿真6.1Proteus軟件介紹Proteus是主流的EDA工具,即電子電路自動設(shè)計軟件。原理圖布圖、代碼調(diào)試、單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真,可以一鍵切換到PCB設(shè)計,從來真正實現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計。這個軟件是目前功能較強(qiáng)的電路仿真軟件、PCB設(shè)計軟件和虛擬模型仿真軟件這三個軟件三合一的設(shè)計平臺,其處理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,在20XX又增加了Cortex和DSP系列處理器。在編譯方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。Proteus軟件包含有其它的EDA工具軟件〔例如：multisim的功能。這些功能是：1原理布圖2PCB自動或人工布線3SPICE電路仿真比較有創(chuàng)新性的、革命性的特點(diǎn)：〔1可以互動的電路仿真。用戶甚至可以實時采用諸如RAM、ROM、鍵盤、馬達(dá)、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件。〔2仿真處理器及其外圍電路。可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流單片機(jī)。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程,再配合顯示以及輸出,就能看到輸入輸出等運(yùn)行后的效果。若是配合系統(tǒng)配置的虛擬邏輯分析儀、示波器等,Proteus就建立了完備的電子設(shè)計開發(fā)環(huán)境。6.2車庫門軟件調(diào)試單片機(jī)軟件調(diào)試主要是調(diào)試本次設(shè)計的主程序,是用Protues進(jìn)行仿真的,其調(diào)試過程如下:1新建一個工程。單擊Project菜單,在彈出的下拉菜單中選中NewProject；2選擇你要保存的路徑,輸入工程文件名字<例如:車庫卷簾門控制器設(shè)計程序>,點(diǎn)擊保存；3新建一個工程文件后彈出一對話框,根據(jù)自己需要選擇使用的單片機(jī)型號<如:Atmel下拉菜單里面選擇AT89C51>,然后點(diǎn)擊確定；4單擊Project菜單,在彈出的下拉菜單中選OptionsforTarget"target1",選擇output,在CreateHEXfile選項前打鉤。接著選擇Debug,在Debug選項下選擇use[ProteusVSMSimulator]和Gotillman<如圖6.1Debug選項卡設(shè)置對話框>,最后點(diǎn)擊setting<如圖6.2VDM選項設(shè)置對話框>,確定；5單擊‘File’,選擇‘New’,新建文件并在其中輸入程序代碼,然后保存為*.c文件；6回到編輯界面后,單擊"Target1"前面的"+"號,然后在‘SourceGroup1’單擊右鍵選擇"AddFileToGroup‘SourceGroup1’",選中*.c文件；圖6.1Debug選項卡設(shè)置對話框7單擊"Project"菜單,選中"BuiltTarget",完成程序的編譯,在工程文件夾中找到圖6.1Debug選項卡設(shè)置對話框圖圖6.2VDM選項設(shè)置對話框7安裝調(diào)試在整個設(shè)計過程中,使用模塊化調(diào)試及集合調(diào)試兩種方法結(jié)合進(jìn)行。在車庫門控制器原理圖畫成之后,用proteus軟件仿真成功,進(jìn)行硬件搭建,并進(jìn)行測試和調(diào)試。完成了復(fù)位電路、時鐘電路、電機(jī)電路等,實現(xiàn)了對車庫卷簾門控制器的設(shè)計。本設(shè)計在完成過程中也遇到了一些問題。軟件方面是程序編寫過程中,由于電路圖的不斷修改,程序出現(xiàn)一些失誤,導(dǎo)致后期仿真出現(xiàn)問題；硬件方面是電機(jī)信號接收方面,在焊接過程中出現(xiàn)了個別焊點(diǎn)虛焊、線路接錯的情況,導(dǎo)致單片機(jī)與電機(jī)之間信號中斷。車庫門控制器的原理圖在本設(shè)計報告的附錄1中,仿真圖在附錄2中,單片機(jī)中所用到的程序在附錄3中給出,本設(shè)計所用到的元器件在附錄4里面。車庫門控制系統(tǒng)電路實體如圖6.3所示。圖6.3車庫門控制系統(tǒng)電路實體圖6.3車庫門控制系統(tǒng)電路實體,結(jié)束語隨著微型計算機(jī)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展,車門控制領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化,車庫門的自動控制方面的研究有了明顯的進(jìn)展。本文闡述了家用車庫控制器的設(shè)計,該車庫門控制器核心部件為AT89C51單片機(jī),由輕觸開關(guān)采集信號,由51單片機(jī)處理信號并控制直流管狀電動機(jī),達(dá)到開、關(guān)車庫卷簾門及暫停的效果,實現(xiàn)了車庫門的便捷安全的設(shè)計和管理。在本設(shè)計中,主要做了以下工作：1>采用按鈕開關(guān)實現(xiàn)了車庫卷簾門狀態(tài)信號的采集；2>通過51單片機(jī)來處理信號,并將處理后的信號反饋給驅(qū)動電路,驅(qū)動電路驅(qū)使電動機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)；3>通過對直流、交流電動機(jī)的對比和了解,選用大功率的直流電動機(jī)作為本次設(shè)計的驅(qū)動裝置,來完成帶動車庫卷簾門的目的。為了方便演示需求,選用12v的直流電動機(jī)。4>利用Proteus軟件進(jìn)行仿真,并完成了電路實物的搭建,能夠基本完成卷簾門上升、下降、暫停等功能。通過以上的工作,本設(shè)計基本實現(xiàn)了基于51單片機(jī)的家用車庫門控制器的設(shè)計,該控制器能夠控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和暫停,以實現(xiàn)車庫卷簾門的上升、下降及暫停。由于個人的知識和能力水平有限,本設(shè)計還有很多不足之處,敬請各位老師指出。致這次畢業(yè)設(shè)計在宋衛(wèi)星老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下業(yè)已完成,從課題選擇、方案論證到具體設(shè)計和調(diào)試,無不凝聚著宋老師的心血和汗水,在四年的本科學(xué)習(xí)和生活期間,也始終感受著老師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷,我受益匪淺。在此向宋衛(wèi)星老師表示深深的感和崇高的敬意。不積跬步,無以至千里,沒有這四年的知識積累,本設(shè)計可能也沒有這么順利完成。因為各位任課老師的認(rèn)真負(fù)責(zé),使我能夠很好的掌握和運(yùn)用專業(yè)知識,并在設(shè)計中得以體現(xiàn)。歷時兩個月的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)結(jié)束,作為一個本科生,經(jīng)過四年的大學(xué)生活,積累了一定的專業(yè)知識,但畢竟不夠熟練,并且經(jīng)驗匱乏,仍然有很多的不足之處,在此再一次感宋老師對我的幫助以及督促,讓我能夠順利完成這次的畢業(yè)設(shè)計。畢業(yè)設(shè)計,也許是我大學(xué)生涯交上的最后一個作業(yè)了。想借此機(jī)會感四年以來給過我?guī)椭乃欣蠋煛⑼瑢W(xué),你們的友誼是我人生的財富,是我生命中不可或缺的一部分。大學(xué)生活即將匆匆忙忙地過去,但我卻能無悔地說："我曾經(jīng)來過"。在這所學(xué)校的生活和學(xué)習(xí)給我的影響絕不能僅僅用時間來衡量,這四年以來,經(jīng)歷過的所有事,所有的人,都將是我以后生活回味的一部分,使我為人處事的指南針。就要離開學(xué)校,走上工作崗位了,這是我人生歷程的又一個起點(diǎn),在這里祝福大學(xué)里跟我風(fēng)雨同舟的朋友們,前程似錦,未來絢爛繽紛。參考文獻(xiàn)[1]戴樹春.車庫電動卷簾門報警系統(tǒng)設(shè)計[J].職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2006,<4>:34-36.[2]惠明,陸榮鑑,甘晶.車庫門邏輯控制系統(tǒng)的研究[J].電子工程師,2003,<8>:38-40.[3]風(fēng),儲鍵,暉.基于單片機(jī)的車庫門遙控器的設(shè)計[J].電子技術(shù)與軟件工程,2013,<10>:69-70.[4]敬濤.我國多功能戶門、車庫門、自動門發(fā)展?fàn)顩r[J].中國建筑金屬結(jié)構(gòu),2006,<02>:11-12.[5]全勝,豪.自動車庫的設(shè)計及實現(xiàn)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2008,<12>:86-88.[6]白駒銜,雷曉平.單片計算機(jī)及應(yīng)用[M].電子科技大學(xué),2003.7,15-20[7]宋文緒,帆.傳感器與檢測技術(shù)[M].高等教育,2004.6,45-48.[8]石東海.單片機(jī)數(shù)據(jù)通信技術(shù)從入門到精通[M].電子科技,2003.4