基于超聲波處理的智能門控系統設計

黃俊學+譚科華

摘 要：以智能、便捷為核心，以STC89C52RC的芯片作為主控芯片，將超聲波傳感器作為信號檢測源，通過繼電器實現對電機Futaba S3010的正、反轉的自動控制，實現自動開關門，并通過顯示器顯示相關信息。

關鍵詞：STC89C52RC 超聲波 繼電器 Futaba S3010

隨著人民生活的日益提高和物聯網、智能家居的快速發展，人們逐漸感受到傳統設備的局限性，而智能設備正逐漸出現在人們的眼前。本文以智能門作為詳細闡述對象。從理論上理解智能門應該是門的概念的延伸，是門的功能根據人的需要所進行的發展和完善。智能門是將人接近門的動作（或將某種入門授權）識別為開門信號的控制單元，通過驅動系統將門開啟，在人離開后再將門自動關閉，并對開啟和關閉的過程實現控制的系統。

一、系統設計

本設計由STC89C52RC為核心電路進行系統的整體控制，由電源電路、超聲波電路、顯示電路、按鍵電路及電機控制電路組成、系統設計總體圖如圖1所示。由單片機產生超聲波的發射信號并對其傳播時間進行測量，依據超聲波在空氣中的傳播特性，換算出距離數據，實現測量實際距離。當距離由大變小時，單片機控制電機正轉控制開門，當距離由小變大時，單片機控制電機反轉控制關門，并且超聲波電路具有遠距離的測量特點，檢測距離能夠達到三至四米。電源電路采用lm7805芯片對9V電源適配器提供的電壓進行5V穩壓。本設計使用兩個lm7805芯片進行兩路5V輸出，一路接電機，一路接系統其他電路，有效防止了電機對其他電路的影響。

1.單片機最小系統

單片機最小系統由單片機、晶振電路、復位電路、按鍵電路、下載電路組成。晶振電路為單片機工作提供時鐘信號；復位電路用于對單片機進行復位；按鍵電路的作用是當照明開關發生錯誤時用于手動啟動照明和禁用智能控制；下載電路采用串口下載方式，通過單片機P3.0、P3.1口、利用CH340進行下載與調試，單片機最小系統電路如圖2所示。

2.電源電路

該電路由濾波電容C6、C7，防止自激電容C8、C9和一只固定式三端穩壓器（7805）極為簡捷方便的搭成，電源電路如圖3所示。供電電壓經過9V適配器輸入到LM7805的輸入端。在固定式三端穩壓器lm7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發生變化）。此直流電壓經過LM7805的穩壓和C3的濾波便在穩壓電源的輸出端產生了精度高、穩定度好的直流5V輸出電壓。

同時本設計使用兩個lm7805芯片進行兩路5V輸出，一路接電機，一路接系統其他電路，有效防止了電機轉動時，拉低其他電路電壓的不利影響，很好地起到了不同電路之間隔離的作用。

3.超聲波電路

設計的超聲測距模塊由超聲波發射單元、超聲波接收單元、溫度測量單元、液晶顯示單元和ISP下載單元等部分構成。

（1）單片機單元

單片機是整個系統的控制核心，本文選用STC89C52RC，測量時，由單片機輸出40 kHz左右的脈沖信號，驅動超聲波發射器發出超聲波脈沖，同時啟動單片機計時器，開始計時。超聲波達到目標時回傳，經空氣傳播被超聲波接收器接收，此時計時停止，經計算可得超聲波從發射到接收的時間間隔t，從而得到距離數據。

（2）超聲波發射單元

由單片機產生40kHz的方波，并通過單片機的P1.0口接到 CD4069，而后面的CD4069 則對40kHz頻率信號進行調理，使超聲波傳感器產生諧振。

（3）超聲波接收單元

為了順利接收回波信號，采用索尼公司生產的集成芯片CX20106，如圖4所示，CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調節，范圍為30～60 kHz，因此采用它來做接收電路。

4.顯示電路

LCD1602顯示電路如圖5所示，LCD1602采用標準的14腳接口，其中VSS為地電源，VDD接5V正電源，V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。RS為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。D0～D7為8位雙向數據線。

5.按鍵電路

按鍵電路較為簡單，一端接地，一端接P3.2。無論超聲波電路是否檢測到信號，只要按鍵按下就能實現開門或關門，以預防自動開關門出現失效的特殊情況。

6.電機

電機采用Futaba S3010，為模擬電路控制舵機，屬于電機中的一種。由功率運算放大器等接成惠斯登電橋，根據接收到模擬電壓控制指令和機械連動位置傳感器（電位器）反饋電壓之間比較產生的差分電壓，驅動有刷直流伺服電機正/反運轉到指定位置。舵機需要三根線，一根為電源線，一根為地線，還有一根為信號線。在本設計中信號線接單片機引腳P1.7，當該引腳產生高電平時間為1520us時，舵機齒輪處于中間位置；高電平為920us時，舵機齒輪處于最左邊位置；高電平為2120us時，舵機齒輪處于最右邊位置。

二、控制方法

本設計的控制器為STC89C52RC，主要任務是對超聲波電路輸出信息進行處理和判斷，達到實現對電機的正轉或反轉控制從而實現門的開與關；當傳感電路失效時，能手動開、關門。

三、程序設計流程圖

程序設計流程圖如圖6所示。在程序剛開始時進行相應的初始化，通過兩種條件判斷門的開啟和閉合：1.超聲波檢測到的距離；2.key_flag的數值。第一種情況當超聲波檢測到物體與門之間的距離小于10cm時，電機正轉（開門）；當超聲波檢測到物體與門之間的距離大于10cm時，電機反轉（關門）。第二種情況當key_flag的數值為1時，說明手動進行按鍵進行開門，防止超聲波檢測出現故障而致使無法開門的情況發生，此時電機正轉（開門）；當key_flag的數值為2時，說明再次進行手動按鍵，此時電機反轉（關門），并且key_flag此時清零。通過以上兩種模式實現門的開啟和閉合，達到了智能、自動控制門的目的。

四、結語

本項目為基于STC89C52RC單片機的超聲波處理的智能門控系統設計。整體方案采用光超聲波電路檢測信息，具有精度高、檢測時間短的特點。使用Futaba S3010舵機能夠很形象地轉動一定角度模擬開關門的狀態，而不像普通電機只能實現正反轉。LCD1602能夠顯示門開與閉不同狀態的信息，很好地起到了提示的作用。經過長時間的測試，該系統具有良好的穩定性與實用性。

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作者簡介：

黃俊學（1996-），男，學生，就讀于攀枝花學院電氣信息工程學院電子信息工程專業。

譚科華（1966-），男，副教授，主要從事電類課程的理論及實驗教學工作。