基于單片機(jī)與傳感器的實(shí)用多功能自動(dòng)門設(shè)計(jì)

周伯齊　董銳華　歐思儀　陳建澤　鄭君彬　葉常青

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自動(dòng)門的應(yīng)用也越來越廣泛。國外生產(chǎn)的自動(dòng)門性能比較優(yōu)良，但是價(jià)格偏高；國內(nèi)的同類產(chǎn)品價(jià)格便宜，但是功能還比較單一，故障率較高。本設(shè)計(jì)研究一種基于ATmega16的自動(dòng)門控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，運(yùn)行可靠，而且成本適中。ATmega16是一種基于RISC結(jié)構(gòu)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)的靈活性和可靠性，使得系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)更加簡單，在一定程度上降低了成本。

關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)；脈沖寬度調(diào)制；TWI總線；低成本

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，自動(dòng)門的應(yīng)用也越來越廣泛。國外生產(chǎn)的自動(dòng)門性能比較優(yōu)良，但是價(jià)格偏高；國內(nèi)傳統(tǒng)的自動(dòng)門雖然便宜，但是功能還比較簡單，故障率較高，未能實(shí)現(xiàn)與火災(zāi)和防盜報(bào)警系統(tǒng)，智能語音提示系統(tǒng)等其它系統(tǒng)模塊的整合。因此，利用有限的成本，增強(qiáng)自動(dòng)門系統(tǒng)功能的多樣性和可靠性是國內(nèi)自動(dòng)門開發(fā)中需要考慮的重要問題。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以AVR單片機(jī)作為系統(tǒng)控制的核心器件，結(jié)合多個(gè)具有不同功能的傳感器和模塊，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的主要功能和輔助功能，分別對應(yīng)自動(dòng)門系統(tǒng)的主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)之間的通信采用TWI串行通信接口。

2 系統(tǒng)硬件

本設(shè)計(jì)由主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成，主系統(tǒng)包含的硬件電路有主系統(tǒng)控制模塊電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、防夾傳感器模塊電路；輔助系統(tǒng)包含的硬件電路防盜震動(dòng)傳感器模塊電路、智能語音提示模塊等電路。主系統(tǒng)采用TWI串行總線通信接口與輔助系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主系統(tǒng)傳輸給輔助系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(tǒng)給主系統(tǒng)傳輸?shù)男盘栍袝r(shí)間信號。

2.1 主系統(tǒng)模塊硬件電路設(shè)計(jì)

主系統(tǒng)模塊硬件電路有AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(tǒng)與輔助系統(tǒng)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(jī)最小系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用了AVR單片機(jī)ATmega16，單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和下載電路，其中復(fù)位電路可以不加。由于本設(shè)計(jì)需進(jìn)行多機(jī)通信，因此，晶振頻率選為7.3728MHz，用以產(chǎn)生精確的波特率。

2.1.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)使用的是9V有刷直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，需要加驅(qū)動(dòng)電路，提供足夠大的驅(qū)動(dòng)電流。使用不同的直流電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電流也不同。由于本設(shè)計(jì)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流較大，故選用達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器L9110，其內(nèi)部為達(dá)林頓管組成的單個(gè)H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路。集成電路L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)使用的是NPN常開型漫反射式光電開關(guān)，型號為E18-D80NK，探測距離3cm～80cm可調(diào)。漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時(shí)，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。

2.1.4 熱釋電紅外探測電路。熱釋電紅外探測技術(shù)成熟，穩(wěn)定可靠，成本也較低。當(dāng)人進(jìn)入到熱釋電紅外探測電路的感應(yīng)范圍時(shí)，會輸出高電平脈沖。通過設(shè)置BISS0001的第1引腳，可以設(shè)置模塊是否為“可重復(fù)觸發(fā)方式”，本設(shè)計(jì)將該引腳接到VCC即選擇可重復(fù)觸發(fā)方式，當(dāng)在設(shè)定的時(shí)間范圍內(nèi)，如果連續(xù)有人進(jìn)入探測范圍，模塊會聯(lián)系輸出高電平，這樣才符合自動(dòng)門系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求。

2.1.5 火焰探測傳感器電路?；鹧鏈y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(zāi)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(jīng)過測試，所設(shè)計(jì)火災(zāi)報(bào)警器能輸出穩(wěn)定的高低電平，能與單片機(jī)直接相連。

2.1.6 TWI總線主系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)通信電路。本設(shè)計(jì)中，主系統(tǒng)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(fā)送給輔助系統(tǒng)的控制器，然后輔助系統(tǒng)控制器需要將時(shí)間信息和人流量信息發(fā)送給主系統(tǒng)控制器。ATmega16本身集成了TWI串行總線接口，因此系統(tǒng)的連接將變得非常簡單，只需要將對應(yīng)的接口直接相連即可。

2.2 輔助系統(tǒng)模塊硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 防盜震動(dòng)傳感器模塊電路。該電路核心器件為彈簧式震動(dòng)開關(guān)，當(dāng)感應(yīng)到震動(dòng)力并且達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，傳感器內(nèi)置彈簧會擺動(dòng)，在擺動(dòng)過程中會碰觸地線，從而產(chǎn)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(shí)會緩慢經(jīng)過臨界電平狀態(tài)，容易造成單片機(jī)的誤判斷。將輸出信號經(jīng)過光耦后再連接到單片機(jī)，可以消除部分毛刺和臨界電平干擾后，產(chǎn)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(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片設(shè)計(jì)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(jìn)行通信。

2.2.3 人流量統(tǒng)計(jì)模塊電路。該模塊的核心器件為6組光電開關(guān)，ATmega16利用6個(gè)I/O口對6組光電開關(guān)進(jìn)行信號的檢測，如果從自動(dòng)門由內(nèi)到外出現(xiàn)連續(xù)6個(gè)低電平脈沖，則認(rèn)為有人走了出來；如果從自動(dòng)門由外到內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)6個(gè)高電平脈沖，則認(rèn)為有人進(jìn)入室內(nèi)。

2.2.4 電源供電模塊電路。本設(shè)計(jì)使用的直流電機(jī)需要+9V電壓供電，而單片機(jī)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(shè)計(jì)電源轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行+9V到+5V和+5V到+3.3V的電壓轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主系統(tǒng)模塊程序設(shè)計(jì)

主系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)外部相關(guān)器件的信號變化情況來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

上電后首先初始化系統(tǒng)，然后檢測火災(zāi)報(bào)警信號是否有“1→0”的信號變化，如果有則緊急開啟自動(dòng)門，保持開門狀態(tài)直到人工處理完畢現(xiàn)場。然后檢測系統(tǒng)時(shí)間，如果時(shí)間在非營業(yè)時(shí)間段內(nèi)，則保持關(guān)門狀態(tài)，直到第二天早上8：00。如果不是這個(gè)時(shí)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(dòng)門，如果沒有則檢測熱釋電模塊，先內(nèi)后外，一旦檢測到信號也啟動(dòng)電機(jī)，打開自動(dòng)門。

3.2 輔助系統(tǒng)模塊程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后首先初始化。然后系統(tǒng)讀取時(shí)間信息并發(fā)送給主系統(tǒng)，同時(shí)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(dòng)語音系統(tǒng)播放“謝謝光臨”的語音，如果是門內(nèi)，則播放“多謝惠顧”的語音，并且門外紅外信號變化優(yōu)先觸發(fā)。人流量統(tǒng)計(jì)模塊和時(shí)間模塊的信息也會適時(shí)發(fā)到液晶模塊顯示。

4 結(jié)束語

通過對系統(tǒng)的測試和調(diào)試，本次設(shè)計(jì)已基本達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求：主系統(tǒng)和輔助能實(shí)現(xiàn)各自的獨(dú)立功能，主系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)通信成功，可以實(shí)現(xiàn)多功能自動(dòng)門系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，所制作的樣品運(yùn)行良好。

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