基于單片機的車庫門自動控制系統設計

李玉豪 遼寧錦州渤海大學工學院

基于單片機的車庫門自動控制系統設計

李玉豪 遼寧錦州渤海大學工學院

隨著人們對車庫門要求的提高，車庫自動門開始出現。控制系統是車庫自動門設計的關鍵，本文就是基于單片機的車庫自動門控制系統設計，設計包括硬件和軟件兩個部分。硬件部分選用AT89C51單片機作為主控芯片，同時設計一個最小系統使單片機能夠正常工作。軟件部分主要是用C語言編程的，自動門程序包括三個部分，主程序、自動模式門運行程序和手動模式門運行程序。

自動門 單片機 控制系統

1 引言

單片機是一種實用的芯片，很多的日常用品都有單片機的身影，漸漸成為人們生活中不可缺少的一部分。單片機有很多優點，輕便、小巧、價格便宜，非常的實用，很快便得到了普及。在我們的日常生活中，各種各樣的產品都應用到了單片機，車庫自動門在現代生活中的應用越來越廣泛，通過單片機來設計車庫自動門控制系統是很有必要且有重要意義。本次基于單片機的自動門控制系統設計簡單可靠，用的都是一些比較常見的器件，所以花費也比較少。這次設計是用AT89C51作為主控器件，直流電機和熱釋電紅外傳感器為核心，具有門行程檢測，聲光報警，手自動切換等功能。

2 硬件設計

2.1 系統硬件框圖及其組成原理

本次設計是基于單片機的自動門控制系統設計，基于單片機顧名思義是要用到單片機的，所以應用AT89C51作為本次設計的核心。自動門的控制系統還包括單片機的最小系統電路、熱釋紅外檢測電路、直流電機控制電路、門行程檢測電路、光電檢測電路、聲光報警電路以及手自動控制切換電路。當熱釋紅外電路接收到車輛信號后送入單片機處理，單片機發出控制信號控制直流電機正反轉控制自動門的開與關。同時，當關門過程中遇到障礙物時，單片機發出信號，控制電動機開門。本系統還設計了手自動切換電路，來處理一些特殊情況。自動門控制系統的硬件框圖如圖1所示：

圖1 紅外自動門的硬件框圖

2.2 紅外檢測電路的設計

車庫自動門控制系統需要接收汽車發出的信號才能夠進行下一步操作，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原理的傳感器，它能夠很好地接收汽車發出的紅外線。同時，熱釋電傳感器能夠24小時工作，不受黑夜的影響，所以它的應用十分廣泛。熱釋電傳感器的靈敏度比價低，所以它的檢測范圍也不是很遠。在傳感器前面添加一個菲涅爾透鏡能夠很好地解決這一問題，菲涅爾透鏡不僅能增加傳感器的檢測范圍，而且能夠提高傳感器的反應速率。熱釋電紅外傳感器由三個部分組成，分別是探測元件、濾光片和場效應管阻抗變換器。圖2是熱釋電傳感器的結構圖，當熱釋電紅外傳感器檢測到范圍內有汽車進入時，有兩種不相等的能量照射到兩個電容上，這時電流在回路中是不能抵消的，所以傳感器上是會產生信號的，從而達到檢測和報警的作用。同時，紅外傳感器能夠很好地避免檢測出錯，因為它只能檢測汽車或者溫度和汽車不多的移動物體。而當熱釋電紅外傳感器沒有在有效范圍內檢測到有汽車或者在有效范圍內檢測到到有靜止物體時，照射到兩個電容上的能量是相等的，它們會相互抵消，從而致使回路中沒有電流產生，傳感器也不會檢測到信號。

圖2 熱釋電傳感器結構圖

2.3 直流電機控制電路的設計

直流電動機是一種將直流電能轉換成機械能的電動機。構成直流電動機的器件十分常見，制作也是非常地方便，轉子和定子是它的主要構成部分。本次基于單片機的自動門控制系統設計應用電動機進行自動門的開關控制，并不需要很精密的控制，所以選擇直流電動機完成本次設計。選用PWM調速，PWM調速是一種很成熟的調速方法，它是一種調節電樞電壓調速法。PWM調速的本質是改變脈沖寬度來調速，通過改變電源電壓的占空比，可以改變電機的脈沖電壓，這時電機的轉速也會改變。用一個PWM直流電機調速器可以很好地完成調速的任務。

本次設計要使用直流電機進行自動門開關控制，自動門的開與關可以通過電機的正反轉來實現。當單片機控制電動機正轉時，自動門實現開門的動作，而當單片機控制電動機反轉時，自動門實現關門的動作。所以控制電路的主要任務是用單片機控制直流電機的正反轉，而要實現這個功能也是很容易的，我選用兩個繼電器來完成正反轉的操作。而調速方面主要是選用一個PWM直流調速器來完成，直流電機的控制電路如圖3所示。

圖3 直流電機的控制電路圖

2.4 光電檢測電路

手動模式下，需要一個光電開關來處理特殊情況。比如要關門時，若有車接近時，關門動作是實施不了的。光電開關可以完成檢測有無車接近的任務。自動模式下也需要用到光電傳感器來處理特殊情況。

光電傳感器是一個檢測有沒有車接近的裝置。當有車接近時，光電傳感器就可以接收到信號并傳給單片機，單片機會執行相應的程序。在即將關門時，使關門動作實施不了，在關門途中，停止關門動作。圖4是光電開關電路，光電傳感器共有3個引腳，輸出、電源和接地，輸出口OUT接單片機引腳P2.0。當紅外接近開關檢測到有車靠近時，它會給單片機引腳P2.0低電平信號，使電機停轉，停止關門。

圖4 光電接近開關電路圖

3 系統軟件的設計

3.1 主程序的設計

自動門控制系統的主程序主要完成定時器的初始化、中斷開關、故障的判斷、自動門模式的判斷等工作。自動門程序開始后會自動初始化，打開中斷，在判斷沒有故障后便開始運行。在進入模式選擇后，程序又會有所差別。在自動模式下，需要用到定時器T0來完成自動操作，而手動模式則不需要，所以在自動模式下需打開外部中斷T0。因為兩者都需要用到TI來實現報警的功能，所T1定時器在兩種模式下都需要打開。

3.2 自動模式門運行程序的設計

自動模式下，門的運行方式主要包括開門和關門，還有一些突發狀況的處理。當紅外裝置檢測到車時，單片機就會發出開門信號，自動門自動進入開門狀態，而當自動門觸碰到開門限位開關時就會停下。在檢測到沒車的情況下延時5s后開始關門，若是中途來車時立即開門。熱釋電紅外傳感器故障時，有個安全限位，關門前或關門途中有車，停止關門。

3.3 手動模式門運行程序的設計

手動模式也是包括開門和關門兩個動作，還有一些防夾車功能。首先把按鈕按到手動模式，按下開門按鈕，開始開門，到達開門極限時，門停止。然后按下關門按鈕，按下即開始關門，當光電傳感器檢測到有車時，關門按鈕是無效的，同時關門途中有車時，關門也會中途停止，若一直沒車，門到達關門極限會自動停下。

4 系統調試

完成電路板的焊接后，首先就需要進行電路板的調試工作。在電路板通電之前，要檢查電路是否焊接正確。先把萬用表撥到測通斷的那一檔，之后檢查電源和地有沒有短路，萬用表兩端接在單片機的40腳和20腳，若萬用表不響則沒有短路。之后還要檢查所有的電源和地有沒有接到，在確保都接到后，就可以開始給電路板通電了。通電后，按下自鎖開關，若是電路板一點反應都沒有，馬上要檢查芯片有沒有發熱的現象，以防元器件燒壞。在通電后電路沒反應時，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點幾伏是正確的，若是5V則是不正確的。單片機正常工作時，30腳會輸出一個脈沖，這個信號是晶振的1/6，一般是在1點幾伏。若是沒發現問題，就要檢查晶振電路和復位電路有沒有接錯了。檢查完成通電后，電路正常工作的情況下，可以繼續調試。

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