基于单片机与传感器的实用多功能自动门设计

周伯齐　董锐华　欧思仪　陈建泽　郑君彬　叶常青

摘 要：随着经济的发展，自动门的应用也越来越广泛。国外生产的自动门性能比较优良，但是价格偏高；国内的同类产品价格便宜，但是功能还比较单一，故障率较高。本设计研究一种基于ATmega16的自动门控制系统，该系统功能强大，运行可靠，而且成本适中。ATmega16是一种基于RISC结构的8位低功耗CMOS微控制器，具有速度快、功耗低、抗干扰能力强等优点，并且集成了四通道PWM、8路10位ADC、SPI、TWI、USART等常用资源，提高了系统的灵活性和可靠性，使得系统硬件结构更加简单，在一定程度上降低了成本。

关键词：AVR单片机；脉冲宽度调制；TWI总线；低成本

引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛。国外生产的自动门性能比较优良，但是价格偏高；国内传统的自动门虽然便宜，但是功能还比较简单，故障率较高，未能实现与火灾和防盗报警系统，智能语音提示系统等其它系统模块的整合。因此，利用有限的成本，增强自动门系统功能的多样性和可靠性是国内自动门开发中需要考虑的重要问题。

1 系统方案设计

本设计以AVR单片机作为系统控制的核心器件，结合多个具有不同功能的传感器和模块，实现系统的主要功能和辅助功能，分别对应自动门系统的主系统和辅助系统，主系统和辅助系统之间的通信采用TWI串行通信接口。

2 系统硬件

本设计由主系统和辅助系统组成，主系统包含的硬件电路有主系统控制模块电路、直流电机驱动电路、防夹传感器模块电路；辅助系统包含的硬件电路防盗震动传感器模块电路、智能语音提示模块等电路。主系统采用TWI串行总线通信接口与辅助系统进行数据传输，主系统传输给辅助系统的数据有热释电红外检测模块和防火传感器模块的输出信号，辅助系统给主系统传输的信号有时间信号。

2.1 主系统模块硬件电路设计

主系统模块硬件电路有AVR单片机最小系统电路、直流电机驱动电路、防夹传感器模块电路、热释电红外探测电路和防夹传感器模块电路，主系统与辅助系统的TWI串行总线通信电路也放在这部分描述。

2.1.1 ATmega16单片机最小系统。本设计选用了AVR单片机ATmega16，单片机的最小系统包括时钟电路、复位电路和下载电路，其中复位电路可以不加。由于本设计需进行多机通信，因此，晶振频率选为7.3728MHz，用以产生精确的波特率。

2.1.2 直流电机驱动电路。本设计使用的是9V有刷直流电机，驱动直流电机时，需要加驱动电路，提供足够大的驱动电流。使用不同的直流电机，其驱动电流也不同。由于本设计需要驱动电机的电流较大，故选用达林顿驱动器L9110，其内部为达林顿管组成的单个H桥电机驱动集成电路。集成电路L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件。

2.1.3 防夹传感器探测电路。本设计使用的是NPN常开型漫反射式光电开关，型号为E18-D80NK，探测距离3cm～80cm可调。漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，光电开关就产生了开关信号。

2.1.4 热释电红外探测电路。热释电红外探测技术成熟，稳定可靠，成本也较低。当人进入到热释电红外探测电路的感应范围时，会输出高电平脉冲。通过设置BISS0001的第1引脚，可以设置模块是否为“可重复触发方式”，本设计将该引脚接到VCC即选择可重复触发方式，当在设定的时间范围内，如果连续有人进入探测范围，模块会联系输出高电平，这样才符合自动门系统的实际应用需求。

2.1.5 火焰探测传感器电路。火焰测器除要求对火焰有很高的灵敏度外，还必须要求能够鉴别和减少非火灾背景光的影响，包括太阳辐射和人为的辐射，如热源、萤光灯、白炽灯、电弧焊等。经过测试，所设计火灾报警器能输出稳定的高低电平，能与单片机直接相连。

2.1.6 TWI总线主系统与辅助系统通信电路。本设计中，主系统控制器需要将检测到的热释电模块、防火传感器模块的信号变化情况通过TWI总线发送给辅助系统的控制器，然后辅助系统控制器需要将时间信息和人流量信息发送给主系统控制器。ATmega16本身集成了TWI串行总线接口，因此系统的连接将变得非常简单，只需要将对应的接口直接相连即可。

2.2 辅助系统模块硬件电路设计

2.2.1 防盗震动传感器模块电路。该电路核心器件为弹簧式震动开关，当感应到震动力并且达到一定强度时，传感器内置弹簧会摆动，在摆动过程中会碰触地线，从而产生“1→0→1”的低电平脉冲。由于输出的信号偶尔存在毛刺，输出信号由低电平上升到高电平时会缓慢经过临界电平状态，容易造成单片机的误判断。将输出信号经过光耦后再连接到单片机，可以消除部分毛刺和临界电平干扰后，产生较纯净的“0→1→0”高电平脉冲。

2.2.2 智能语音模块电路。模块的核心器件为专用的录音播音芯片ISD4004系列中的ISD4004-8M，能够录放8分钟的音频信号，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，ATmega16使用自带的SPI同步串行通信接口与ISD4004进行通信。

2.2.3 人流量统计模块电路。该模块的核心器件为6组光电开关，ATmega16利用6个I/O口对6组光电开关进行信号的检测，如果从自动门由内到外出现连续6个低电平脉冲，则认为有人走了出来；如果从自动门由外到内连续出现6个高电平脉冲，则认为有人进入室内。

2.2.4 电源供电模块电路。本设计使用的直流电机需要+9V电压供电，而单片机及其他芯片需要+5V电压供电，ISD4004语音模块需要+3.3V供电。所以需要设计电源转换电路进行+9V到+5V和+5V到+3.3V的电压转换。

3 系统软件设计

3.1 主系统模块程序设计

主系统的软件设计主要是根据外部相关器件的信号变化情况来控制电机的运转。

上电后首先初始化系统，然后检测火灾报警信号是否有“1→0”的信号变化，如果有则紧急开启自动门，保持开门状态直到人工处理完毕现场。然后检测系统时间，如果时间在非营业时间段内，则保持关门状态，直到第二天早上8：00。如果不是这个时间段，则先检测门下是否有障碍物，如果有障碍物，则打开自动门，如果没有则检测热释电模块，先内后外，一旦检测到信号也启动电机，打开自动门。

3.2 辅助系统模块程序设计

系统上电后首先初始化。然后系统读取时间信息并发送给主系统，同时检测热释电模块，如果门外热释电红外检测模块输出高电平，则启动语音系统播放“谢谢光临”的语音，如果是门内，则播放“多谢惠顾”的语音，并且门外红外信号变化优先触发。人流量统计模块和时间模块的信息也会适时发到液晶模块显示。

4 结束语

通过对系统的测试和调试，本次设计已基本达到预期设计要求：主系统和辅助能实现各自的独立功能，主系统和辅助系统通信成功，可以实现多功能自动门系统的各项功能，所制作的样品运行良好。

参考文献

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