基于單片機與傳感器的實用多功能自動門設計

周伯齊　董銳華　歐思儀　陳建澤　鄭君彬　葉常青

摘 要：隨著經濟的發展，自動門的應用也越來越廣泛。國外生產的自動門性能比較優良，但是價格偏高；國內的同類產品價格便宜，但是功能還比較單一，故障率較高。本設計研究一種基于ATmega16的自動門控制系統，該系統功能強大，運行可靠，而且成本適中。ATmega16是一種基于RISC結構的8位低功耗CMOS微控制器，具有速度快、功耗低、抗干擾能力強等優點，并且集成了四通道PWM、8路10位ADC、SPI、TWI、USART等常用資源，提高了系統的靈活性和可靠性，使得系統硬件結構更加簡單，在一定程度上降低了成本。

關鍵詞：AVR單片機；脈沖寬度調制；TWI總線；低成本

引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，自動門的應用也越來越廣泛。國外生產的自動門性能比較優良，但是價格偏高；國內傳統的自動門雖然便宜，但是功能還比較簡單，故障率較高，未能實現與火災和防盜報警系統，智能語音提示系統等其它系統模塊的整合。因此，利用有限的成本，增強自動門系統功能的多樣性和可靠性是國內自動門開發中需要考慮的重要問題。

1 系統方案設計

本設計以AVR單片機作為系統控制的核心器件，結合多個具有不同功能的傳感器和模塊，實現系統的主要功能和輔助功能，分別對應自動門系統的主系統和輔助系統，主系統和輔助系統之間的通信采用TWI串行通信接口。

2 系統硬件

本設計由主系統和輔助系統組成，主系統包含的硬件電路有主系統控制模塊電路、直流電機驅動電路、防夾傳感器模塊電路；輔助系統包含的硬件電路防盜震動傳感器模塊電路、智能語音提示模塊等電路。主系統采用TWI串行總線通信接口與輔助系統進行數據傳輸，主系統傳輸給輔助系統的數據有熱釋電紅外檢測模塊和防火傳感器模塊的輸出信號，輔助系統給主系統傳輸的信號有時間信號。

2.1 主系統模塊硬件電路設計

主系統模塊硬件電路有AVR單片機最小系統電路、直流電機驅動電路、防夾傳感器模塊電路、熱釋電紅外探測電路和防夾傳感器模塊電路，主系統與輔助系統的TWI串行總線通信電路也放在這部分描述。

2.1.1 ATmega16單片機最小系統。本設計選用了AVR單片機ATmega16，單片機的最小系統包括時鐘電路、復位電路和下載電路，其中復位電路可以不加。由于本設計需進行多機通信，因此，晶振頻率選為7.3728MHz，用以產生精確的波特率。

2.1.2 直流電機驅動電路。本設計使用的是9V有刷直流電機，驅動直流電機時，需要加驅動電路，提供足夠大的驅動電流。使用不同的直流電機，其驅動電流也不同。由于本設計需要驅動電機的電流較大，故選用達林頓驅動器L9110，其內部為達林頓管組成的單個H橋電機驅動集成電路。集成電路L9110是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件。

2.1.3 防夾傳感器探測電路。本設計使用的是NPN常開型漫反射式光電開關，型號為E18-D80NK，探測距離3cm～80cm可調。漫反射光電開關是一種集發射器和接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經過時，將光電開關發射器發射的足夠量的光線反射到接收器，光電開關就產生了開關信號。

2.1.4 熱釋電紅外探測電路。熱釋電紅外探測技術成熟，穩定可靠，成本也較低。當人進入到熱釋電紅外探測電路的感應范圍時，會輸出高電平脈沖。通過設置BISS0001的第1引腳，可以設置模塊是否為“可重復觸發方式”，本設計將該引腳接到VCC即選擇可重復觸發方式，當在設定的時間范圍內，如果連續有人進入探測范圍，模塊會聯系輸出高電平，這樣才符合自動門系統的實際應用需求。

2.1.5 火焰探測傳感器電路。火焰測器除要求對火焰有很高的靈敏度外，還必須要求能夠鑒別和減少非火災背景光的影響，包括太陽輻射和人為的輻射，如熱源、螢光燈、白熾燈、電弧焊等。經過測試，所設計火災報警器能輸出穩定的高低電平，能與單片機直接相連。

2.1.6 TWI總線主系統與輔助系統通信電路。本設計中，主系統控制器需要將檢測到的熱釋電模塊、防火傳感器模塊的信號變化情況通過TWI總線發送給輔助系統的控制器，然后輔助系統控制器需要將時間信息和人流量信息發送給主系統控制器。ATmega16本身集成了TWI串行總線接口，因此系統的連接將變得非常簡單，只需要將對應的接口直接相連即可。

2.2 輔助系統模塊硬件電路設計

2.2.1 防盜震動傳感器模塊電路。該電路核心器件為彈簧式震動開關，當感應到震動力并且達到一定強度時，傳感器內置彈簧會擺動，在擺動過程中會碰觸地線，從而產生“1→0→1”的低電平脈沖。由于輸出的信號偶爾存在毛刺，輸出信號由低電平上升到高電平時會緩慢經過臨界電平狀態，容易造成單片機的誤判斷。將輸出信號經過光耦后再連接到單片機，可以消除部分毛刺和臨界電平干擾后，產生較純凈的“0→1→0”高電平脈沖。

2.2.2 智能語音模塊電路。模塊的核心器件為專用的錄音播音芯片ISD4004系列中的ISD4004-8M，能夠錄放8分鐘的音頻信號，音質好，適用于移動電話及其他便攜式電子產品中。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，ATmega16使用自帶的SPI同步串行通信接口與ISD4004進行通信。

2.2.3 人流量統計模塊電路。該模塊的核心器件為6組光電開關，ATmega16利用6個I/O口對6組光電開關進行信號的檢測，如果從自動門由內到外出現連續6個低電平脈沖，則認為有人走了出來；如果從自動門由外到內連續出現6個高電平脈沖，則認為有人進入室內。

2.2.4 電源供電模塊電路。本設計使用的直流電機需要+9V電壓供電，而單片機及其他芯片需要+5V電壓供電，ISD4004語音模塊需要+3.3V供電。所以需要設計電源轉換電路進行+9V到+5V和+5V到+3.3V的電壓轉換。

3 系統軟件設計

3.1 主系統模塊程序設計

主系統的軟件設計主要是根據外部相關器件的信號變化情況來控制電機的運轉。

上電后首先初始化系統，然后檢測火災報警信號是否有“1→0”的信號變化，如果有則緊急開啟自動門，保持開門狀態直到人工處理完畢現場。然后檢測系統時間，如果時間在非營業時間段內，則保持關門狀態，直到第二天早上8：00。如果不是這個時間段，則先檢測門下是否有障礙物，如果有障礙物，則打開自動門，如果沒有則檢測熱釋電模塊，先內后外，一旦檢測到信號也啟動電機，打開自動門。

3.2 輔助系統模塊程序設計

系統上電后首先初始化。然后系統讀取時間信息并發送給主系統，同時檢測熱釋電模塊，如果門外熱釋電紅外檢測模塊輸出高電平，則啟動語音系統播放“謝謝光臨”的語音，如果是門內，則播放“多謝惠顧”的語音，并且門外紅外信號變化優先觸發。人流量統計模塊和時間模塊的信息也會適時發到液晶模塊顯示。

4 結束語

通過對系統的測試和調試，本次設計已基本達到預期設計要求：主系統和輔助能實現各自的獨立功能，主系統和輔助系統通信成功，可以實現多功能自動門系統的各項功能，所制作的樣品運行良好。

參考文獻

[1]姜軍，王振剛.淺談自動門[J].實踐與探索，2004：320.

[2]梁春英，孫裔心，懷寶付.基于AVR單片機的自動門控制系統設計[J].信息科技，2010：125.

[3]孟迪，劉明敏.自動門應用于智能家居[J].實踐與探索，2008：312.

[4]馬潮.AVR單片機嵌入式系統原理與應用實踐[M].第2版.北京：北京航空航天大學出版社，2011：20-494.

[5]Atmel官方網站AVR單片機datasheet：http：//www.atmel.com/.

[6]郭天翔.51單片機C語言教程-入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009：418-450.