车库门控及报警设计

第一章 绪论
1.1课题研究背景
在世界上销售的第一个自动门控系统是由DOORMX设计出来的，与国内生产相比之下要早很多。早在1802年8月，世界上第一台感应式自动门由德标公司设计研发，为了使自动门能够在顺畅、平稳的情况下安全运行，实现多样化的设计秉着创新的理念进行了反复的设计与改进，最终生产了品质高实用性强的产品，并且提供完整的问题解决方案，但这样的产品价格相当昂贵。
目前国内自动门控系统生产规模一般，产品的自主研发性低，导致新产品的实用性能以及安全稳定性方面不足以与进口产品相竞争。而本身国内的标准很少，所以要明确一个标准才能体现一个产品的完整严密。近年来由于技术的引进，国内出现了许多制造相关零部件的生产厂家，致使自动门生产变得相对容易，然而竞争也越来越激烈。目前国内生产的自动门基本上都有改进，并且有了较为完善的功能，但是生产工艺还处于不成熟阶段， 导致产品质量不过硬，与国外同行业产品相比要承受相当大的竞争压力，主要面向中低端市场推广，为填补国内空缺，新厂品的开发势在必行。
日后的自动门技术的发展方向将会是：
多功能，人性化：今后的自动门控系统还将加入更多新功能，比如用手机远程控制；车牌号识别，人脸（指纹）识别，提高安全性能等等。
免维护：采用先进的优化措施，降低在使用过程中的检查和维护工作。
多样性：将会有功能更加齐全、适应性更强的产品出现，满足不同环境不同群体的更多需求。
安全性：安全第一，无论在哪个时代人身安全永远摆在第一位的，这必将是一项重要指标。
1.2自动车库门发展现状
随着改革开放政策的实施，我国与世界接轨，不断深化合作与交流，除了经济合作之外，更促进了文化的交流，技术共享，我国的企业可以从中吸取经验，加快我国的现代化建设。早在上世纪80年代初，瑞典在展览会上展出了自动门，当时应用滑道技术对门进行设计；随后有人意识到车辆越来越多，需要研制自动车库门来改善停车环境。在当时市场上已经了卷帘门，但是这种门在运作过程长身很大的噪音，即便如此，在当时的社会条件下，这种卷帘门也得到了广泛的应用。
上世纪末，由美国为首的发达国家对自动门市场的大开放，自动门应运而生。作为该领域领跑者的多玛公司，早在1945年就涉及自动门的研究，并且取得客观的成果，研发和生产第一代自动门系统。由于时代的局限性，主要生产气动式和液压式两种结构的自动门为主，起初适用于公司正门和厂房等地。到1962年，随着电气化的飞速发展，电气式自动门顺应

时代的发展应运而生。城市化进程推动了电气式自动门的快速发展。起初实用电机带动的自动门很难控制器运行速度 ，效率不高没有达到理想目的，后来经过反复推敲和尝试，确定了还是以液压和气压的控制方式来实现门控，但这种设计能耗高，结构复杂，维修困难。到上世纪90年代末，随着电子技术领域的不断开发应用，单片机也越来越多的被用于软件的开发和市场应用当中，由传统的8位单片机提高到现在的32位单片机，其主频也得到了更大的扩展，容量更大执行速度更快,现在的单片机已经不仅仅局限于裸机条件下进行开发应用了，越来越多的的嵌入式系统被应用到单片机中。在各个领域皆有涉及。现代单片机都设有串口通信，方便了与计算机设备连接和控制。随着电气控制技术应用的不断成熟和发展，由电器化控制电机的自动门设计在该领域成为主流。
1.3课题研究的目的和意义
大部分自动门都是在门的内外两侧安装探测器，有车辆进出则探测器响应给处理器信号，处理器控制电机运行实现开门，无车辆的情况下处理器控制关门，自动车库门适合于商场、无人看守的停车场、酒店、社区等，应用十分广泛。自动车库门除了方便我们出入，还可以解放劳动力实现无人化管理，很大程度上提高我们的生活品质。随着我国现代化发展进程，人们生活水平提高了，车辆越来越多，泊车是人们要面对的为题，各类停车场所对自动车库门的功能要求提高，高端场所为了提升豪华程度也对自动门功能有了更高的要求。现有的一些自动门功能比较简单，使用不够人性化，而且安全系数不高，所以设计出一套既安全效率又高的自动门控系统迫在眉睫。门。由于自动化程度较高可以实现无人管理，于是在市场上得到了大范围应用。在本次毕业设计课题中我选择的是采用单片机为主要控制器、红外模块与门相互结合的产物——车库门控系统。
1.4课题设计研究内容
需要开发一套完整的控制系统，首先要明确该系统的基本要求，明确系统要实现怎样的功能，需要怎样的信号以及对该信号的输入输出的控制和分析等。红外线感应自动车库门，即用热释电红外线传感器来感应门前有无车辆进出，并将信号发送给控制器，由控制器控制电机转动以达到自动车库门开闭门的目的。这是最基本的要求，还需要加入其它人性化的功能，例如自动门自动调速、防夹、指示灯信息等等。
根据系统要求实现的功能，设计中要注意以下几个问题：
一、智能化设计
自动车库门选择配置智能化控制系统，可手动控制门开关，调节方便。使自动门始终保持在最佳运行状态。并具

有提示警示功能，在开关门之前有信号提示。
二、安全性设计
电机能实现随时正转反转，意外情况可以反向开门，避免夹车夹人现象出现。使用优良的原器件，保证安全性，延长运行寿命。
三、稳定性设计
自动门采用步进电机驱动，相对传统交流伺服电机来说具有省电、高扭矩、低噪音、不过热等优点。
四、具体场合使用设计
1．安全辅助装置
如在私人场所加装指纹（人脸)识别系统，或者实现蓝牙无线连接认证等，在便捷的基础上大大增强了安全性。
2．备用电源
在大型商场等地方必须做好安全疏散工作，用备用电源可以保证在停电情况下，自动门能依然能够正常的发挥作用。
3.超声波距离传感器
在需要的地方，可以通过确定目标距离来有效防止门误开误关。
本次课题的中心部分就是使用红外传感器产生信号，单片机控制步进电机的红外感应自动门控系统，关键部分分别为红外传感器、步进电机、单片机控制芯片、led灯、蜂鸣器等，完成的是一个安全可靠，并且效率兼备的自动门控系统。
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第二章 系统设计思想和控制方法
2.1设计的基本设计思路
1.当有车辆来时（进门或出门）开门。热释电红外传感器检测到车辆的信号之后，电机将启动运转通过传动系统打开门。
2.当无车辆时延迟关门。热释电红外模块没有信号输出，系统保持保持原来的状态不变，等待下一个信号的输入；假如检测到外来车辆靠近的信号时，则系统要延迟进入等待状态。
3．关门中途有车辆进入，立即反向开门。准备关门时检测到有车辆则不关门等待。
4．开关门之前伴随提示信号，起报警提示作用。
2.2系统控制核心的对比及选择
自动门控制系统的开关门功能是运用电机带动机械结构带动的。由于在不同环境下对自动车库门系统要求的特殊性，所以该系统必须满足开关门时要快速、运动过程要平稳、冲击力小并且能够安全可靠的运行。所以，系统需要采用数字化控制结构，由此看来有多种控制芯片可供我们选择，目前市场提供的控制芯片有PLC、单片机以及DSP等。这里我对单片机和PLC这两种主流控制芯片的功能以及实用性做了一个对比。
起初PLC我们也称之为PC，由于IBM-PC模块的应用越来越广泛，最终才将其更名为PLC。PLC作为一个可编程控制器，是目前市场上应用比较广泛，技术比较成熟的一种核心控制器，由于其MPU是由许多复杂的集成电路构成，拿Z80 MPU这个型号的MPU来说，其需要Z80MPU、PIO、CTC、SIO、EPROM、SRAM等结构，在最初的单板计算机就是将这些电路统一设计在一块电路板上。这种设计方案本身存在很多不足之处，导致生产成本过高，体积大不灵活，能

耗高不环保无法满足现代要求。
由以上分析和对比可得出结论：无论是微型还是中小型甚至是大型的控制系统都可以用单片机作为核心控制器，PLC作为单片机应用的一个特殊存在，在成本造价和功耗方面与单片机相比要高得多，不符合现代要求。单片机系统具有良好的的互换性，运用技术熟练,无质量问题，正是因为单片机与PLC相比有如此多的优点，单片机才得以运用得如此广泛，这就是我选择单片机来作为主要控制器的理由。
最终谈谈PLC与单片机系统在工程方面的选用：
（1）对于一些单项工程课题，或者重复数较少的项目，由于PLC具有较高可靠性，易调试的优点，选用PLC是比较合理的，但成本高造价贵。
（2）从批量生产角度分析，单片机系统造价相对低廉，能为企业创造更高的经济效益。单片机的扩展性能也很好，较稳定，其兼容性也很强具有较高的适应能力，可适应市场的苛刻要求。
故此，针对本次设计参考工业量产的自动车库门标准，并且考虑到资金的缘故，我采用单片机作为系统的核心控制器。
AT89C51单片机的可塑性强，能适应各种环境，在后期对系统的改进中可充分体现；其还具有执行快的特点，能高效快捷的的执行各个操作步骤；而且它还具备一个计算器完整的基础组成部分，指令系统强大。
本课题采用的核心控制器是改进版的STC89C52芯片，它是在上一代单片机的基础上增加了数据存储器，扩展了程序数据存储器的大小，除此之外还增加了一个计时器，能和MCS51指令系统完美兼容，造价低廉节省成本。
2.3无刷电机和步进电机的对比以及选择
在本设计中执行单元也就是电机部分是重要的组成部分，车库门的运作需要电机来带动，所以电机的选择也尤为重要。而平时开关门只是直线运动，更要求电机完成直线运动的稳定。这样，我们选择电机的时候就必须在多个方面考虑，比如从电机的稳定性和安全性方面来选择，同时也要考虑电机的高效性，实用性以及造价方面考虑。这里我们分析步进电机和无刷电机的对比。
步进电机是目前市场上应用的主流电机之一，其工作原理是把电磁脉冲信号转换成角位移，从而达到驱动的目的。当传感器将感应信号传达到核心控制器时，控制器给电机驱动模块下达指令，该模块将将到信号对电机进行控制，转动一个设定值的角度，对应一个脉冲信号转动一个角度。单片机是通过控制电磁脉冲信号的个数来控制旋转角度从而实现精准定位的；持此之外也可以控制信号输出频率来控制电机的转速，实现控制出库门行进速度的目的。步进电机具有角度控制的功能，由于它没有积累误差等特点，

因此被广泛的应用在各种开源控制中。
直流无刷电动机具有良好的线形机械特性，启动扭矩大可以承受更多的负载，基本上用设计简单的电路就能驱动，不需要复杂的电机驱动模块，可降低工程的复杂性，避免因结构混乱造成不必要的麻烦，除此之外它还有调速范围大的特点，在市场应用在特别广泛，是目前使用的主流电机之一，倍受青睐。但是，该电机的电刷和换向器却成为了它发展的障碍。目前市场上的无刷电机其转子是做成的永磁体的，在结构上和普通的直流电机恰恰相反，不会出现步进电机出现磁性减弱的现象。去掉了电刷这部分换成电子换向器，也是为了让电机更加稳定有效的运行。
本次设计中，考虑到能够更加有效的控制车库门的行程，能够平稳的带动系统运行，还需要满足轻松控制门转动固定角度的要求，步进电机都是首选。其次步进电机的驱动电压较低，与单片机作为核心控制器的设计思路相符，而且控制电机能瞬间反转需要提供较大的力矩，步进电机都能满足上列要求，所以选择步进电机作为核心输出装置。
2.4传感器的选择
根据目前国内自动车库门行业发展情况来看，采用的传感器主要有超声波传感器、红外传感器和微波传感器等。微波传感器反应速度快，可以对物体的移动进行反馈，比较适合车辆进出频繁的场所，微波感应器的工作原理是建立在多普勒原理之上的传感器，整机关键元件均为进口器件，确保了产品可靠性。
微波感应器是使用10.525GHz的频率来收发信号的，微波感应器的探测方式有以下优点：
1.非接触感应，方便快捷实用。
2.不受温度、湿度、噪音。
红外传感器反应很灵敏，只要处于它的探测范围内，都会有反应。根据不同的场合所设计的车库门控制系统的运用中，对不同功能的要求和环境的苛刻性有良好的适应能力，是车库门控系统的关键部分，其性能的好坏直接影响到自动门控系统的正常运作，以在高档酒店和高档商业社区为例，可以选用灵敏度较高的传感器，提升稳定性和安全性能，在一些普通场所，只需实用适当的传感器，实现自动化效果即可，这样可以适当降低产品造价，带来更高的经济效益。
热释电红外传感器是根据热释电效应的原理来工作的，该传感器的作用是将接收到的红外辐射信号转变成电信号，经放大器放大后输出。由于在不同场合对传感器的灵敏度要求不同，通常在探测器的前方加装菲涅尔透镜，目的在于增加传感器的探测范围，除此之外，也可以外加一个放大电路模块，也可以达到提高传感器灵敏度的功效。当车辆进入检测区时，因车辆与环境辐射温度有差别，