基于超声波处理的智能门控系统设计

黄俊学+谭科华

摘 要：以智能、便捷为核心，以STC89C52RC的芯片作为主控芯片，将超声波传感器作为信号检测源，通过继电器实现对电机Futaba S3010的正、反转的自动控制，实现自动开关门，并通过显示器显示相关信息。

关键词：STC89C52RC 超声波 继电器 Futaba S3010

随着人民生活的日益提高和物联网、智能家居的快速发展，人们逐渐感受到传统设备的局限性，而智能设备正逐渐出现在人们的眼前。本文以智能门作为详细阐述对象。从理论上理解智能门应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。智能门是将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

一、系统设计

本设计由STC89C52RC为核心电路进行系统的整体控制，由电源电路、超声波电路、显示电路、按键电路及电机控制电路组成、系统设计总体图如图1所示。由单片机产生超声波的发射信号并对其传播时间进行测量，依据超声波在空气中的传播特性，换算出距离数据，实现测量实际距离。当距离由大变小时，单片机控制电机正转控制开门，当距离由小变大时，单片机控制电机反转控制关门，并且超声波电路具有远距离的测量特点，检测距离能够达到三至四米。电源电路采用lm7805芯片对9V电源适配器提供的电压进行5V稳压。本设计使用两个lm7805芯片进行两路5V输出，一路接电机，一路接系统其他电路，有效防止了电机对其他电路的影响。

1.单片机最小系统

单片机最小系统由单片机、晶振电路、复位电路、按键电路、下载电路组成。晶振电路为单片机工作提供时钟信号；复位电路用于对单片机进行复位；按键电路的作用是当照明开关发生错误时用于手动启动照明和禁用智能控制；下载电路采用串口下载方式，通过单片机P3.0、P3.1口、利用CH340进行下载与调试，单片机最小系统电路如图2所示。

2.电源电路

该电路由滤波电容C6、C7，防止自激电容C8、C9和一只固定式三端稳压器（7805）极为简捷方便的搭成，电源电路如图3所示。供电电压经过9V适配器输入到LM7805的输入端。在固定式三端稳压器lm7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流5V输出电压。

同时本设计使用两个lm7805芯片进行两路5V输出，一路接电机，一路接系统其他电路，有效防止了电机转动时，拉低其他电路电压的不利影响，很好地起到了不同电路之间隔离的作用。

3.超声波电路

设计的超声测距模块由超声波发射单元、超声波接收单元、温度测量单元、液晶显示单元和ISP下载单元等部分构成。

（1）单片机单元

单片机是整个系统的控制核心，本文选用STC89C52RC，测量时，由单片机输出40 kHz左右的脉冲信号，驱动超声波发射器发出超声波脉冲，同时启动单片机计时器，开始计时。超声波达到目标时回传，经空气传播被超声波接收器接收，此时计时停止，经计算可得超声波从发射到接收的时间间隔t，从而得到距离数据。

（2）超声波发射单元

由单片机产生40kHz的方波，并通过单片机的P1.0口接到 CD4069，而后面的CD4069 则对40kHz频率信号进行调理，使超声波传感器产生谐振。

（3）超声波接收单元

为了顺利接收回波信号，采用索尼公司生产的集成芯片CX20106，如图4所示，CX20106是一款红外线检波接收的专用芯片，由于红外遥控常用的载波频率38kHz与超声波频率40kHz比较接近，而且CX20106内部设置的滤波器中心频率f0可由其5脚外接电阻调节，范围为30～60 kHz，因此采用它来做接收电路。

4.显示电路

LCD1602显示电路如图5所示，LCD1602采用标准的14脚接口，其中VSS为地电源，VDD接5V正电源，V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0～D7为8位双向数据线。

5.按键电路

按键电路较为简单，一端接地，一端接P3.2。无论超声波電路是否检测到信号，只要按键按下就能实现开门或关门，以预防自动开关门出现失效的特殊情况。

6.电机

电机采用Futaba S3010，为模拟电路控制舵机，属于电机中的一种。由功率运算放大器等接成惠斯登电桥，根据接收到模拟电压控制指令和机械连动位置传感器（电位器）反馈电压之间比较产生的差分电压，驱动有刷直流伺服电机正/反运转到指定位置。舵机需要三根线，一根为电源线，一根为地线，还有一根为信号线。在本设计中信号线接单片机引脚P1.7，当该引脚产生高电平时间为1520us时，舵机齿轮处于中间位置；高电平为920us时，舵机齿轮处于最左边位置；高电平为2120us时，舵机齿轮处于最右边位置。

二、控制方法

本设计的控制器为STC89C52RC，主要任务是对超声波电路输出信息进行处理和判断，达到实现对电机的正转或反转控制从而实现门的开与关；当传感电路失效时，能手动开、关门。

三、程序设计流程图

程序设计流程图如图6所示。在程序刚开始时进行相应的初始化，通过两种条件判断门的开启和闭合：1.超声波检测到的距离；2.key_flag的数值。第一种情况当超声波检测到物体与门之间的距离小于10cm时，电机正转（开门）；当超声波检测到物体与门之间的距离大于10cm时，电机反转（关门）。第二种情况当key_flag的数值为1时，说明手动进行按键进行开门，防止超声波检测出现故障而致使无法开门的情况发生，此时电机正转（开门）；当key_flag的数值为2时，说明再次进行手动按键，此时电机反转（关门），并且key_flag此时清零。通过以上两种模式实现门的开启和闭合，达到了智能、自动控制门的目的。

四、结语

本项目为基于STC89C52RC单片机的超声波处理的智能门控系统设计。整体方案采用光超声波电路检测信息，具有精度高、检测时间短的特点。使用Futaba S3010舵机能够很形象地转动一定角度模拟开关门的状态，而不像普通电机只能实现正反转。LCD1602能够显示门开与闭不同状态的信息，很好地起到了提示的作用。经过长时间的测试，该系统具有良好的稳定性与实用性。

参考文献

[1]郭天祥. 51单片机C语言教程[M]. 北京：电子工业出版社，2013

[2]胡启明.葛祥磊. Proteus从入门到精通100例[M]. 北京：电子工业出版社，2012

[3]燕庆明. 电路分析教程 第三版[M]. 北京：高等教育出版社，2013

[4]杨欣.莱·诺克斯.王玉凤.刘湘黔. 电子设计从零开始（第2版）[M] 北京：清华大学出版社：2015

作者简介：

黄俊学（1996-），男，学生，就读于攀枝花学院电气信息工程学院电子信息工程专业。

谭科华（1966-），男，副教授，主要从事电类课程的理论及实验教学工作。