基于高性能單片機(jī)的自動門控制器設(shè)計(jì)

基于高性能單片機(jī)的自動門控制器設(shè)計(jì)

0自動門控制器的種類單一且相關(guān)研究少目前，各種酒店、酒店和智能樓對大門的要求很高。市場上的幾輛自動門大多來自國外。性能穩(wěn)定，價格高，從幾萬元到幾十萬元。中國制造的幾輛自動門的質(zhì)量略有不同。雖然價格很低，但總體性能的可靠性很低，功能不足，恢復(fù)率很高。自動門系統(tǒng)的核心部分是控制器,該部分對系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要,然而目前市場上自動門控制器的種類單一且相關(guān)的研究也較少。新近研制成功的基于單片機(jī)的自動門控制器具有性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)、成本低且易擴(kuò)展的特點(diǎn)。1快速進(jìn)入視角,保護(hù)電機(jī)裝置整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)如下:a)可隨時測量門的開關(guān)距離長(即門距)并記憶;b)門的整個運(yùn)行狀態(tài)按以下模式進(jìn)行:傳感器信號→開門高速運(yùn)行→制動→低速→開門到位?！訒r→關(guān)門高速運(yùn)行→制動→低速→關(guān)門到位?！鷶D壓;c)門的速度變換時,速度要有斜率(否則電機(jī)反電勢小,導(dǎo)致電源跌落);d)關(guān)門受阻時能快速打開,再次關(guān)門時能記住原位置,如無受阻時,則下一次運(yùn)行恢復(fù)原狀態(tài);e)關(guān)門到位時,位置記憶要準(zhǔn)確,不能有碰撞;f)關(guān)門時,如果檢測到門沒有關(guān)到位但是受阻,門應(yīng)該快速打開,防止擠壓人的事故發(fā)生;g)在門的半開位置,門沒有關(guān)到位而傳感器信號到,這種情況如果持續(xù)5次,門應(yīng)全開且延時一定時間(說明人流量大,門要大開)。系統(tǒng)工作原理如圖1所示?？刂破魃想姇r,首先進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)的初始化,控制器查詢設(shè)定板,是否要進(jìn)行門距測量和參數(shù)設(shè)定計(jì)算等;系統(tǒng)初始化后,傳感器等待人來,當(dāng)人或者其他異物進(jìn)入雷達(dá)傳感器的檢測區(qū)域內(nèi)時,雷達(dá)傳感器產(chǎn)生響應(yīng)信號傳輸至控制器中,控制器馬上驅(qū)動電機(jī)把門打開。實(shí)際運(yùn)行的自動門是玻璃門,因此對于門的速度要求較高?？刂破鞑捎昧?級調(diào)速:高速、中速、低速和擠壓速度,其中,在進(jìn)行門距測量時采用低速,正常運(yùn)行時采用高速、中速和擠壓速度,這幾種速度通過精確電位器調(diào)節(jié)。在控制器研制過程中,一個重要的問題就是速度的調(diào)節(jié)問題。本設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)法進(jìn)行速度調(diào)節(jié):電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動時由霍耳傳感器檢測電機(jī)狀態(tài)而發(fā)出脈沖,電機(jī)每轉(zhuǎn)動一圈,電機(jī)驅(qū)動板就能夠提供兩個TTL電平的脈沖信號;如果電機(jī)停轉(zhuǎn),就不會產(chǎn)生脈沖,這樣可以判斷電機(jī)是否停轉(zhuǎn),即可以判斷門是不是已經(jīng)開到位,該方法可以節(jié)省兩個門到位檢測電路?，F(xiàn)把整個門距的長度化為3段進(jìn)行調(diào)速:在開始的1/4部分內(nèi)門為高速,在接下來的3/4部分內(nèi)為門為中速,在最后的1/4部分內(nèi)門按照擠壓速度前進(jìn)。因此,電機(jī)的調(diào)速步驟如下:a)正常情況下,在開門時,把電機(jī)產(chǎn)生的脈沖數(shù)送至單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)并不斷累加,根據(jù)累加的計(jì)數(shù)值進(jìn)行調(diào)速;b)在關(guān)門時要記憶門走過的距離,并按照整個門距進(jìn)行調(diào)速;c)如果傳感器信號到,那么門要迅速打開,這時,門要按照上次關(guān)門時走過的距離進(jìn)行調(diào)速。系統(tǒng)具有顯示功能,可以實(shí)時顯示門的開關(guān)次數(shù),顯示功能由設(shè)定板完成。2電機(jī)驅(qū)動板和設(shè)定板整個硬件電路部分可以分為控制板、設(shè)定板和電機(jī)驅(qū)動板3部分?？刂瓢迨钦麄€硬件的核心,負(fù)責(zé)雷達(dá)信號處理、速度轉(zhuǎn)換、發(fā)出電機(jī)驅(qū)動信號等功能;設(shè)定板主要負(fù)責(zé)數(shù)碼管顯示、4擋速度設(shè)定、雷達(dá)和關(guān)門靈敏度設(shè)定等,該板也嵌有一顆CPU,還配有一片串行EEPROM芯片24LC01B,其作用是記憶開關(guān)門的次數(shù);電機(jī)驅(qū)動板的主要功能是驅(qū)動直流無刷電機(jī),通過齒輪嚙合和皮帶傳輸帶動玻璃門以一定速度運(yùn)行,該板還配有霍耳傳感器,收集電機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的脈沖信號,送至控制板處理。整個控制器需要兩種電源,由專門的電源板進(jìn)行供電。整個硬件的連接見圖2。2.1處理和自動門控制器整個控制器的硬件電路共分為雷達(dá)信號處理電路、速度切換電路和數(shù)字信號控制電路3部分。自動門系統(tǒng)采用先進(jìn)的感應(yīng)雷達(dá)作為移動目標(biāo)的檢測傳感器,與其他檢測方法(例如紅外線或者微波檢測)相比具有檢測范圍廣、可靠性高和安裝方便等特點(diǎn)。為方便進(jìn)出時都可啟動自動門,采用了兩個雷達(dá)實(shí)現(xiàn)信號傳輸。單個雷達(dá)通過一個4芯電纜與控制器相連,其中2根電源線,2根信號線。正常情況下,信號線兩端產(chǎn)生50Hz正弦調(diào)制信號;一旦雷達(dá)檢測到有物體在檢測區(qū)域內(nèi)移動,信號線兩端的相對電勢立刻變?yōu)?V。為了方便處理雷達(dá)信號,需要把信號進(jìn)行變換,即把正弦信號變?yōu)樘幚砥骺梢越邮艿腡TL電平,處理電路把正弦信號變?yōu)橹绷鞣€(wěn)壓信號,當(dāng)雷達(dá)檢測到有移動物體時,直流穩(wěn)壓信號變?yōu)?V。為了去除電壓毛刺和提高可靠性,使用了兩個非門處理。雷達(dá)信號的變換過程如圖3所示。雷達(dá)信號變換電路見圖4。VS1、RS1和DZ1用來限制調(diào)制信號的幅度并進(jìn)行半波整流;U5是一個電壓比較器,把半波正弦信號變?yōu)榉讲ㄐ盘?其輸出端電容C52與VS2則完成限壓功能并把方波變?yōu)橹绷鞣€(wěn)壓信號,幅度約為3.5V;U1和U2為兩個非門電路,主要作用是延時、電壓去噪和整形。經(jīng)過最后處理的信號送至CPU的外部中斷進(jìn)行處理?？刂破鞯牧硪徊糠譃樗俣惹袚Q電路,本設(shè)計(jì)采用多路選擇開關(guān)CD4051進(jìn)行模擬電壓切換,共分為4擋,這4擋電壓全部來自設(shè)定板。現(xiàn)在有的自動門控制器的速度設(shè)定開關(guān)直接安裝在控制板上,這樣進(jìn)行調(diào)試和調(diào)速極為不方便。在速度切換時,CD4051的輸出接驅(qū)動板上的速度控制端子以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,切換方式由CPU的3個I/O端口共同控制。另外,CD4051其他不用的引腳全部接地,這樣既可以起到抗干擾的作用,也可以提高門的運(yùn)行安全性。自動門控制器的核心器件是單片機(jī),設(shè)計(jì)中采用Atmel公司的AT89S51單片機(jī)。AT89S51與傳統(tǒng)的MCS-51單片機(jī)相兼容,具有4kB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器和128字節(jié)RAM,具有片內(nèi)WDT(看門狗定時器),全雙工的UART串行接口通道和ISP編程模式等,功能強(qiáng)且使用靈活。CPU和各種外設(shè)信號的連接方式如圖5所示。圖5中,CPU和串行EEPROM通過I2C進(jìn)行通信,EEPROM采用Microchip公司的24LC01B芯片,該芯片具有1024個存儲位,設(shè)計(jì)中用來存儲門距值;CPU和雷達(dá)通過中斷進(jìn)行信號處理,使用單片機(jī)的外部中斷1;CPU與設(shè)定板之間通過RS-232通信,主要進(jìn)行門的移動方向、門的各種開關(guān)次數(shù)等信息傳遞;另外,CPU與電機(jī)驅(qū)動板之間通過7芯電纜進(jìn)行信號對接,為了實(shí)現(xiàn)抗干擾功能,使用了一片CD40106進(jìn)行信號濾波。2.2撥碼開關(guān)設(shè)定設(shè)定板主要完成各種參數(shù)的板上設(shè)定和門的開關(guān)次數(shù)顯示。就參數(shù)設(shè)定而言,使用4個高精度的金屬電位器進(jìn)行速度的電壓調(diào)節(jié),為了限制每一種速度的最大值,調(diào)壓電路內(nèi)部都串聯(lián)了一定數(shù)目的電阻。雷達(dá)靈敏度和關(guān)門靈敏度的調(diào)節(jié)通過兩個紅色撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn),每個開關(guān)共有8種靈敏度可調(diào),門距測量設(shè)定也是由一個撥碼開關(guān)設(shè)定,如果兩個位全部為“On”,程序開始時必須進(jìn)行門距測量,否則,程序初始化時跳過門距測量程序,直接從EEPROM內(nèi)提取舊的門距值。設(shè)定板CPU采用一片AT89S51單片機(jī)與24LC01B進(jìn)行通信,24LC01B主要作用是存儲開關(guān)門的次數(shù),如果門連續(xù)開關(guān)10次,CPU才寫一次EEPROM,這是因?yàn)檫^于頻繁的擦寫會導(dǎo)致串行存儲器的損壞。設(shè)定板采用8片共陰極數(shù)碼管進(jìn)行開關(guān)門的次數(shù)顯示,通過一片CD4056和74LS138進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼和選擇,輪流顯示需要的數(shù)據(jù);門每開關(guān)一次,數(shù)碼管顯示數(shù)值就會加1。一般,門的開關(guān)壽命次數(shù)不會超過200萬次,采用8個數(shù)碼管已足夠。電機(jī)驅(qū)動板設(shè)計(jì)采用了專用的直流無刷電機(jī)驅(qū)動芯片,通過霍耳傳感器采集電機(jī)的旋轉(zhuǎn)信號并轉(zhuǎn)換為TTL電平信號送至控制板。驅(qū)動板上還設(shè)有5個電機(jī)控制信號分別控制電機(jī)的啟動、停止、速度大小、正反轉(zhuǎn)和剎車;另外,驅(qū)動板還具有過流、過壓檢測和保護(hù)功能,性能可靠。3門距并行控制控制器軟件包括控制板軟件和設(shè)定板軟件。控制板軟件主要包括主程序、雷達(dá)中斷子程序、開門和關(guān)門子程序、調(diào)速子程序等,這些程序完成雷達(dá)信號的檢測和開、關(guān)門速度調(diào)節(jié)等系統(tǒng)主要功能。控制板的主程序流程如圖6所示。主程序首先進(jìn)行各種參數(shù)的初始化,包括雷達(dá)靈敏度和關(guān)門靈敏度計(jì)算等,并判斷是否進(jìn)行門距測量。如果要進(jìn)行門距測量,那么電機(jī)控制門以低速開門和關(guān)門,關(guān)門的全程測量門距大小,關(guān)門完畢后門距測量結(jié)束,然后計(jì)算門距大小、門距的1/4大小、門距的2/4大小等參數(shù),測量的門距值存入EEPROM中。在進(jìn)行門距測量時,雷達(dá)傳感器不起作用。程序初始化后,如果沒有進(jìn)行門距測量,那么電機(jī)控制門向兩邊以低速移動,等檢測到門到位后,電機(jī)控制門以門距長度進(jìn)行調(diào)速并關(guān)門(注意:關(guān)門時打開雷達(dá)中斷,以防止擠壓到人),這樣做的好處是防止系統(tǒng)上電之前門沒有處在中央位置而以高速移動,提高了門的防撞安全系數(shù)。門關(guān)到位后,軟件延時等待雷達(dá)中斷,如果在屬于雷達(dá)檢測的區(qū)域內(nèi)有移動物體被檢測到,那么中斷就會發(fā)生;在雷達(dá)的中斷子程序內(nèi),程序執(zhí)行開門子程序并關(guān)閉雷達(dá)中斷,直到門運(yùn)行到兩端并設(shè)定關(guān)門標(biāo)志,然后中斷返回,這樣在主程序內(nèi)就會執(zhí)行關(guān)門子程序。在進(jìn)行關(guān)門程序設(shè)計(jì)時要注意,因?yàn)樾枰蜷_雷達(dá)中斷,同時T0計(jì)數(shù)器和T1計(jì)時器也需要中斷,故涉及到一個中斷的優(yōu)先級問題,要小心處理。另外,為了進(jìn)一步提高人的安全系數(shù),防止在關(guān)門時出現(xiàn)擠壓人的現(xiàn)象,特別考慮了防擠壓問題。例如:有的小孩會在關(guān)門處停留不動,造成雷達(dá)檢測失敗,這樣關(guān)門時產(chǎn)生的力矩可能會擠傷小孩。為了盡量避免發(fā)生此類嚴(yán)重事件,軟件會在門沒有完全關(guān)斷但受阻的情況下進(jìn)行檢測并模擬雷達(dá)迅速打開門,此類措施提高和完善了系統(tǒng)的可靠性。設(shè)定板軟件主要完成數(shù)碼管譯碼和數(shù)據(jù)顯示、開關(guān)門次數(shù)存儲等功能,其主程序流程如圖7所示。