基于单片机的智能门控制系统设计与故障报警实现

基于单片机的智能门控制系统设计与故障报警实现

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系统总体功能说明

本设计旨在构建一种基于单片机的智能门控制系统，系统通过自动与手动两种控制方式实现门体的开关管理，并结合多种传感器完成实时状态监测与故障报警。该系统不仅支持自动检测人员靠近并执行开门动作，也能在手动模式下通过按键来控制开合。为确保门体运行安全与可靠，系统增加了多项安全保护功能，包括：开关门未在指定时间内完成、转速异常、旋转角超限等报警机制。同时，通过LED灯提供状态显示，使用户能够直观掌握当前门体与系统的运行情况。

系统整体分为功能模块、电路设计与程序设计三个主要部分。电路设计部分主要包括单片机最小系统、人靠近检测模块、门体开关驱动模块、位置确认模块、转速检测模块、角度检测模块以及LED状态指示部分。程序设计部分包括主程序流程、状态机控制逻辑、自动模式逻辑、手动模式逻辑、故障检测逻辑、LED 显示控制逻辑及动作超时检测等内容。

在实际设计中，系统采用结构化方式，将感知层、控制层与执行层分离，使各个功能模块互不干扰，提升系统的可靠性与可扩展性。以下将从功能、电路设计及程序设计角度对整套系统进行详细阐述。

功能介绍

3.1 自动与手动模式互斥控制

系统通过模式选择按键实现自动或手动模式切换。自动模式下，当人体红外传感器检测到人员靠近时，系统自动驱动电机执行开门动作；当人员离开一段时间后，系统执行关门操作。手动模式则完全依赖按键操作，用户主动控制开门与关门指令。两种模式互斥，确保系统逻辑简单且避免冲突。

3.2 动作到位确认与反馈机制

门体开关动作通过行程开关或光电传感器进行到位检测。当门体到达设定的开门或关门角度时，系统会接收到到位信号，并进入稳定保持状态，同时停止电机驱动以避免机械损伤。

3.3 故障报警功能

系统模拟多种异常场景，用户能及时获知潜在故障。例如：
- 若开门或关门动作在设定时间内未完成，系统将触发超时报警；
- 如果监控到电机转速超出最大或小于最小阈值，也会触发转速异常报警；
- 若累计旋转角度超过物理限制，则触发角度超限报警。
报警机制同时会驱动 LED 或蜂鸣器发出提醒。

3.4 LED 指示功能

系统设置多个 LED 显示不同状态，包括：系统工作指示灯、门开启指示灯、门关闭指示灯及运行中状态灯等，确保操作人员能直观了解系统状态。

电路设计

电路系统由多个模块组成，每个模块均执行不同的功能，共同组成完整的智能门控制架构。

4.1 单片机最小系统模块

单片机作为整个系统的核心，负责采集传感器数据、判断逻辑并输出控制信号。最小系统包括电源模块、复位电路、晶振时钟电路。
- 电源接口：提供稳定的 +5V 或 +3.3V 供电。
- 复位电路：保证系统上电后自动初始化。
- 晶振电路：稳定系统运行频率。
单片机 I/O 口连接按键、传感器、电机驱动及 LED 指示灯。

4.2 红外人体检测模块

自动模式依赖人体接近检测，此模块一般采用 PIR 红外传感器。
- 输出高电平表示检测到人体移动；
- 输出低电平表示无人。
单片机读取该信号，决定是否执行开门动作。

4.3 电机驱动模块

门体开关依赖电机执行，因此需要 H 桥驱动（如 L298N、DRV8833）。
- 方向控制引脚控制门体开与关；
- PWM 调速输出控制速度；
- 电机端配合限位开关实现动作终止保护。
4.4 动作到位检测模块

动作到位通过行程开关或霍尔传感器检测：
- 开门到位信号
- 关门到位信号
模块作为数字输入连接至单片机，确保动作安全停止。

4.5 电机转速检测模块

电机转速可通过霍尔转速传感器实现，通过计数单片机捕获输入信号脉冲频率来测转速。

系统将转速与预设上限、下限比对，判断是否超过安全范围。

4.6 角度检测模块

累计旋转角度可通过编码器实现，如光电编码器：
- 编码器每转产生多个脉冲；
- 单片机累加计数获得相对角度；
- 达到物理极限触发报警。
4.7 LED 显示模块

多个 LED 灯指示不同状态，例如：
- 系统运行灯（闪烁方式表示健康状态）；
- 开门指示灯（亮表示开门中或已开）；
- 关门指示灯（亮表示关门中或已关）；
- 故障报警灯（红色常亮或闪烁）。
LED 通常通过限流电阻连接至 I/O 口。

程序设计

程序采用模块化设计，核心思想是基于状态机进行控制，并通过定时器进行实时监控。以下将各模块中的代码逻辑分章节说明。

5.1 主程序整体结构

主程序负责系统初始化、状态机管理及周期性任务调用。

c 复制代码

void main() {
    System_Init();          // 初始化系统
    while(1) {
        Mode_Check();       // 检查模式切换按键
        Sensor_Update();    // 更新传感器状态
        Fault_Check();      // 检查故障状态
        Door_Control();     // 控制门的开关动作
        LED_Update();       // 刷新LED显示状态
    }
}

5.2 模式控制模块

程序检测按键判断系统是否切换模式：

c 复制代码

void Mode_Check() {
    if(Key_Auto_Pressed()) {
        mode = AUTO_MODE;
    }
    if(Key_Manual_Pressed()) {
        mode = MANUAL_MODE;
    }
}

模式互斥，进入一种模式时另一种禁用。

5.3 自动模式逻辑模块

自动模式下的开关门流程：

c 复制代码

void Auto_Mode_Control() {
    if(PIR_Detected()) {
        Open_Door();        // 检测到人执行开门
    } else {
        Start_Close_Timer();
        if(Close_Timer_Expired()) {
            Close_Door();   // 超时无人体自动关门
        }
    }
}

自动模式的逻辑依赖人体检测模块与定时器进行判断。

5.4 手动模式逻辑模块

手动模式通过按键直接触发开门与关门指令：

c 复制代码

void Manual_Mode_Control() {
    if(Key_Open_Pressed()) {
        Open_Door();
    }
    if(Key_Close_Pressed()) {
        Close_Door();
    }
}

程序确保用户按键直接控制执行，不受自动逻辑干扰。

5.5 动作控制模块

动作模块负责真正驱动电机执行开门或关门动作，同时监测到位信号。

c 复制代码

void Open_Door() {
    Motor_SetDir(OPEN);
    Motor_Start();
    Start_Action_Timer();

    while(!Open_Limit_Triggered()) {
        if(Action_Timer_Expired()) break;   // 超时保护
    }

    Motor_Stop();
}

void Close_Door() {
    Motor_SetDir(CLOSE);
    Motor_Start();
    Start_Action_Timer();

    while(!Close_Limit_Triggered()) {
        if(Action_Timer_Expired()) break;
    }

    Motor_Stop();
}

此模块是系统动作的核心之一。

5.6 转速检测模块

程序通过定时器捕获脉冲计算转速：

c 复制代码

void Speed_Calc() {
    speed = Pulse_Count / Time_Window;
    if(speed > SPEED_MAX || speed < SPEED_MIN) {
        speed_fault = 1;
    }
}

超速或低速即判断为异常。

5.7 角度累积模块

编码器脉冲累加角度，通过如下逻辑计算：

c 复制代码

void Angle_Update() {
    angle += Read_Encoder_Pulse();
    if(angle > ANGLE_MAX) {
        angle_overflow = 1;
    }
}

超过允许角度限制则触发报警。

5.8 故障检测模块

三类故障统一管理并报警：

c 复制代码

void Fault_Check() {
    if(Action_Timer_Expired()) {
        timeout_fault = 1;
    }
    if(speed_fault || angle_overflow || timeout_fault) {
        fault_flag = 1;
    }
}

程序统一触发报警灯或蜂鸣器。

5.9 LED 状态指示模块

LED 显示逻辑如下：

c 复制代码

void LED_Update() {
    System_LED_Toggle();          // 系统灯闪烁
    Door_Open_LED = door_opened;
    Door_Close_LED = door_closed;

    if(fault_flag) Fault_LED = 1;
    else Fault_LED = 0;
}

总结

本系统将机械结构、电子控制与智能逻辑紧密结合，通过单片机实现智能门的自动与手动开合控制，同时加入多种安全保护机制如动作超时、转速异常、角度超限等故障报警。系统采用模块化电路设计，便于扩展与维护；程序设计基于状态机管理，使控制逻辑清晰可靠。LED 状态指示提高用户交互体验，使系统运行状态一目了然。整体设计结构清晰、可靠性强，适用于各种智能门管理场景。