基于嵌入式MCGS的自动门控制系统设计
基于嵌入式MCGS的自动门控制系统设计[20191215172142]
摘 要
随着科学技术的发展，智能控制技术的应用越来越广泛，几乎深透到社会生活的各个领域。日臻成熟的智能控制技术给人们的生活带来了极大的方便。自动门就是智能控制技术应用的典型代表。
本课题主要研究了对于自动门系统的监控，针对目前自动门系统监控难度较大，精度不高等问题，提出了采用MCGS触摸屏的监控方法，设计了一套基于嵌入式MCGS的自动门控制系统。系统主要包括以下模块：热释电红外检测模块，基于Modbus通信模块，直流无刷电机控制模块，直流无刷电机测速模块，嵌入式MCGS触摸屏监控模块等。系统的软件部分包括了单片机的初始化程序，D/A数模转化程序以及Modbus通信协议等部分。经过测试，该系统能够实现对自动门系统的控制，并且能够通过MCGS触摸屏显示自动门的运动状态，实现了通过MCGS触摸屏对自动门控制系统的监控。
本课题综合运用了单片机技术、嵌入式技术、通信技术、自动控制技术，实现了对于自动门的实时监控功能，达到了数据通信，实时监控等功能，对于工业控制方面具有较强的借鉴性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:单片机；MCGS触摸屏；Modbus通信协议;
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 课题研究的现状及发展趋势 2
1.3 课题研究的主要内容 3
1.4 论文的结构 4
第二章 基于嵌入式MCGS的自动门系统设计原理及总体设计 5
2.1 组态软件分析与选型 5
2.1.1 主流组态软件概述及性能比较. 5
2.1.2 MCGS触摸屏的应用 8
2.2 直流无刷电机控制方法研究 8
2.3 基于嵌入式MCGS的自动门系统总体设计 12
第三章 基于嵌入式MCGS的自动门系统硬件设计 15
3.1 STC89C52单片机最小系统设计 15
3.2 电源模块电路设计 16
3.3 自动门热释电红外检测电路设计 17
3.4 直流无刷电机驱动电路设计 20
3.4.1 直流无刷电机控制电路设计 20
3.4.2 直流无刷电机测速电路设计 23
3.5 直流无刷电机调速电路设计 24
3.6 串口电路设计 24
第四章 自动门控制器软件设计 26
4.1 直流无刷电机调速模块软件设计 27
4.2 热释电红外检测模块软件设计 29
4.3 直流无刷电机控制模块软件设计 29
第五章 嵌入式MCGS触摸屏软件设计 31
5.1 用户界面设计 31
5.1.1 实时数据库设计 31
5.1.2 用户窗口设计 32
5.2 运行策略设计 33
5.3 设备窗口设计 35
5.4 MCGS与单片机通信设计 36
第六章 基于嵌入式MCGS的自动门系统整机调试 39
6.1 自动门系统硬件调试 39
6.1.1 热释电红外线检测模块调试 39
6.1.2 直流无刷电机控制模块调试 39
6.2 基于嵌入式MCGS的自动门系统软件调试 39
6.3 基于嵌入式MCGS的自动门系统调试过程 41
第七章 工作总结与展望 45
7.1 总结 45
7.2 展望 45
参考文献 46
致谢 49
附录一：自动门部分实物图 50
附录二：自动门部分源程序 51
一、D/A模块程序： 51
二、Modbus RTU程序 52
三、自动门手动程序 58
四、自动门自动程序 60
附录三：英文资料翻译 62
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
在科技技术快速发展的今天，人们对于自动门的要求也越来越高以至于要求苛刻，性能稳定、节能环保以及使用人性化已经成为人们选择自动门首先考虑的问题。同时挖掘建筑艺术的潜在美感，强调门与周围环境的协调、和谐[1]。
自动门最先出现在欧美国家，大规模专业化生产并且安装在大型建筑物上大约150年前，随着科技的进步以及智能控制技术的不断发展完善，一大批自动门专业制造商迅速成长发展壮大。同时形成了种类多样、功能强大、做工精良的自动门产品。
现在，一些大型公共场所，大型建筑物，自动门被广泛使用，它不仅满足了与外部环境隔离和便于人的通行这两种要求，而且为这些建筑增添了时尚的姿态，
同时自动门在人们日常生活中应用越来越广泛，不知不觉中改变着人们的安全防护意识，对以人们安全观念的提升作用也日渐显现。日常生活中我们最常见到的自动门是主要由自动门机以及门两侧的红外线传感器组成，当人们靠近自动门时，红外线传感器接收到的红外线能量发生变化，将转化成电信号传递到控制器，控制器经过处理判断，驱动装置控制自动门的开关。
本设计是基于嵌入式MCGS的自动门系统设计，MCGS嵌入版组态软件是在工控场合应用较多的一款软件，以其操作简单，易学易用的特点得到大多数专业认识到的认可，普通工程人员经过短时间的培训或者自我学习就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作[2]。MCGS嵌入版组态软件能够巧妙避开涉及到嵌入式计算机软、硬件问题编程问题，而将工作的重点集中于工程本身,对工业现场的数据进行采集和处理，以界面显示、报警提醒、策略控制和数据报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。同时MCGS软件具有简单灵活的可视化操作界面，并且实时性强和良好的并行处理能力[3]。MCGS触摸屏能够将MCGS软件中的画面生动的表现出来，还能够与多种嵌入式设备进行通信，从而既能够达到对工业现场进行监视，也能够进行控制和实时数据进行存储、处理。本设计将用MCGS触摸屏作为主机，对自动门控制系统进行监控，从而配置出性能高、可靠性强和专业化含量足的自动门控制监控系统。
1.2自动门的研究现状和发展趋势
自动门刚刚出现之时主要用于军事仓库、重要工厂，为的是防火、防弹及开门方便[4]。随着智能自动化的发展，使自动门的功能和智能程度得到大大提升，人们也越来越青睐于将它运用于银行、宾馆、酒店、大型建筑物上，不仅提高了建筑物的现代化品位，而且增强了建筑物的审美效果，使得自动门与建筑物相匹配，交辉相应，相得益彰。从此人们争先恐后采用自动门，从而大大促进了自动门行业的迅速发展。由于国外自动门技术发展起步较早，技术也较为成熟，一大批独具规模的企业逐渐在国际社会站稳脚跟，并且声誉远扬。如德国BLASL、DOMAR，日本National，瑞士TORMAX，美国史丹利。这些厂商生产的自动门功能完备、性能可靠而且工作寿命长、种类齐全。松下自动门的特点[5]：
（1）安全系数较高、工作安全可靠
（2）新技术马达运用改善了自动门的电机系统
（3）控制器程序优化使电机运行更平稳
（4）高强度滑轮大大降低了滚动摩擦噪音
（5）采用全新研发传感器。
由于比较方式不同，人们对于自动门的分类也不相同，按照自动门的开门方式可以分为推拉式、平开式、重叠式、折叠式、弧形式和旋转式[6]。这些都是在日常生活中比较常见的类型而且各有其特点。例如推拉门可以最大限度的节省门体使用空间、提高空间利用率，适合需要设置门禁、人员流动较小、流动频率较低的场所；平开门通常使用在商场、学校医院等人流密度较大的场所，提高了通行效率和空间利用率[7]；折叠门即能节省空间，又能缩短运行时间、提高通行效率。据市场供求统计，我们日常生活中提到的自动门是指自动平移门，它具有简单易控，操作方便，便于维护等特点。自动门有很多种控制方式，从控制方式的的不同来考虑，有继电器控制，即通过按钮和复杂的界限来安装控制，具有稳定性高，安全等优点，但是继电器控制也存在一些固有的缺点，正在逐渐被智能控制器自动门代替。
由于人们起初对于自动门的认识不足和国内智能化技术能力不足，自动门在我国的发展和应用时间较短，主要通过利用外国的设备和技术进行满足我国对自动门的需求。同时我国和西方发达国家在自动门行业实力相差悬殊，随着自动门的应用越来越广泛，我国的市场需求缺口也越来越大。最近研究表明，现在我国已经成为全球最大的自动门生产制造中心及最大的销售市场，自动门行业发展前景可观，但是核心技术成为我国自动门行业发展的瓶颈，提升自动门核心技术已经成为一种必然要求。但是我国自动门发展也存在一些问题，性能层次不齐，其稳定性、操作效能以及人机交互方式合理性。感应门行业市场发展混乱，国家没有统一的自动门技术标准和准许进入市场界限，安全隐患时时存在并且日渐突出。同时我国自动门的应用和生产也主要集中于我国的长三角、珠三角和一些大城市，积极促进我国自动门行业想经济欠发达地区发展和转移，不仅有利于我国自动门行业的发展，而且可以缩小我国自动门技术与国外的差距。
由于我国自动门行业从起步到发展只有二十几年的历史，并且国内市场缺口巨大，市场发展处于一种无序状态，未来我国将在自动门行业的工程施工安全以及设计生产制定标准，将自动门行业的各项设计、生产、安装和使用标准化，此项措施将有利于市场的有序发展，对于国内自动门行业的发展提供了标准和保障。虽然自动门在建筑的投资比例中只是占据了很小的一部分，但是在日常建筑物的使用、管理、安全方面却有着举足轻重的作用，是建筑智能化水平的重要指标。
1.3 课题研究的主要内容
本次课题旨在研究和开发一个基于嵌入式MCGS的自动门控制系统，在此基础上实现基于Modbus协议的自动门系统监控。主要有以下几个方面的研究内容：
（1）自动门控制系统设计
自动门传感器在接收到物体接近自动门的信号时，向自动门主控制发送脉冲信号，控制自动门的开关。
（2）自动门控制系统速度控制的实现
在自动门系统中，由于在自动门开关的过程中都经历减速的过程，对于自动门系统有保护作用。在设计中主要通过数模转换模块的输出电压不同控制电机速度大小，从而达到保护自动门系统的功能。
（3）工业自动化信息传输协议Modbus的实现
Modbus协议时各种系统之间的通信提供了依据，并且能够按照主机的请求完成相应的操作功能。
（4）基于嵌入式MCGS自动门系统设计
与日常生活中的控制方式相比，嵌入式MCGS触摸屏具有很强的可视性和监控性，并且容易对系统进行扩展，大大节省了硬件成本和管理维护成本。
1.4 论文的结构
论文共分为七章。第一章 绪论，介绍了课题研究的背景及意义、自动门研究的现状及发展趋势和课题研究的主要内容；第二章 基于嵌入式MCGS的自动门系统设计原理及总体分析，通过对嵌入式MCGS触摸屏原理及设计的分析和直流无刷电机控制方法研究，提出了自动门系统总体设；第三章 基于嵌入式MCGS的自动门系统硬件设计，分析和研究了电机控制和速度控制的硬件设计；第四章 自动门控制器的软件设计，分析和设计了自动门控制器各个模块的软件实现；第五章 嵌入式MCGS触摸屏软件设计，分析了嵌入式MCGS触摸屏与单片机的通信，设计出基于Modbus通信协议的程序实现；第六章 基于嵌入式MCGS的自动门系统整机调试，对自动门控制器的精度和稳定性进行了测试，并且对自动门系统与嵌入式MCGS触摸屏通信和监控功能进行了测评；第七章 工作总结与展望，对课题的研究成果进行了总结，并提出了下一步的研究工作构想。
摘 要
随着科学技术的发展，智能控制技术的应用越来越广泛，几乎深透到社会生活的各个领域。日臻成熟的智能控制技术给人们的生活带来了极大的方便。自动门就是智能控制技术应用的典型代表。
本课题主要研究了对于自动门系统的监控，针对目前自动门系统监控难度较大，精度不高等问题，提出了采用MCGS触摸屏的监控方法，设计了一套基于嵌入式MCGS的自动门控制系统。系统主要包括以下模块：热释电红外检测模块，基于Modbus通信模块，直流无刷电机控制模块，直流无刷电机测速模块，嵌入式MCGS触摸屏监控模块等。系统的软件部分包括了单片机的初始化程序，D/A数模转化程序以及Modbus通信协议等部分。经过测试，该系统能够实现对自动门系统的控制，并且能够通过MCGS触摸屏显示自动门的运动状态，实现了通过MCGS触摸屏对自动门控制系统的监控。
本课题综合运用了单片机技术、嵌入式技术、通信技术、自动控制技术，实现了对于自动门的实时监控功能，达到了数据通信，实时监控等功能，对于工业控制方面具有较强的借鉴性。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:单片机；MCGS触摸屏；Modbus通信协议;
目录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 课题研究的现状及发展趋势 2
1.3 课题研究的主要内容 3
1.4 论文的结构 4
第二章 基于嵌入式MCGS的自动门系统设计原理及总体设计 5
2.1 组态软件分析与选型 5
2.1.1 主流组态软件概述及性能比较. 5
2.1.2 MCGS触摸屏的应用 8
2.2 直流无刷电机控制方法研究 8
2.3 基于嵌入式MCGS的自动门系统总体设计 12
第三章 基于嵌入式MCGS的自动门系统硬件设计 15
3.1 STC89C52单片机最小系统设计 15
3.2 电源模块电路设计 16
3.3 自动门热释电红外检测电路设计 17
3.4 直流无刷电机驱动电路设计 20
3.4.1 直流无刷电机控制电路设计 20
3.4.2 直流无刷电机测速电路设计 23
3.5 直流无刷电机调速电路设计 24
3.6 串口电路设计 24
第四章 自动门控制器软件设计 26
4.1 直流无刷电机调速模块软件设计 27
4.2 热释电红外检测模块软件设计 29
4.3 直流无刷电机控制模块软件设计 29
第五章 嵌入式MCGS触摸屏软件设计 31
5.1 用户界面设计 31
5.1.1 实时数据库设计 31
5.1.2 用户窗口设计 32
5.2 运行策略设计 33
5.3 设备窗口设计 35
5.4 MCGS与单片机通信设计 36
第六章 基于嵌入式MCGS的自动门系统整机调试 39
6.1 自动门系统硬件调试 39
6.1.1 热释电红外线检测模块调试 39
6.1.2 直流无刷电机控制模块调试 39
6.2 基于嵌入式MCGS的自动门系统软件调试 39
6.3 基于嵌入式MCGS的自动门系统调试过程 41
第七章 工作总结与展望 45
7.1 总结 45
7.2 展望 45
参考文献 46
致谢 49
附录一：自动门部分实物图 50
附录二：自动门部分源程序 51
一、D/A模块程序： 51
二、Modbus RTU程序 52
三、自动门手动程序 58
四、自动门自动程序 60
附录三：英文资料翻译 62
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
在科技技术快速发展的今天，人们对于自动门的要求也越来越高以至于要求苛刻，性能稳定、节能环保以及使用人性化已经成为人们选择自动门首先考虑的问题。同时挖掘建筑艺术的潜在美感，强调门与周围环境的协调、和谐[1]。
自动门最先出现在欧美国家，大规模专业化生产并且安装在大型建筑物上大约150年前，随着科技的进步以及智能控制技术的不断发展完善，一大批自动门专业制造商迅速成长发展壮大。同时形成了种类多样、功能强大、做工精良的自动门产品。
现在，一些大型公共场所，大型建筑物，自动门被广泛使用，它不仅满足了与外部环境隔离和便于人的通行这两种要求，而且为这些建筑增添了时尚的姿态，
同时自动门在人们日常生活中应用越来越广泛，不知不觉中改变着人们的安全防护意识，对以人们安全观念的提升作用也日渐显现。日常生活中我们最常见到的自动门是主要由自动门机以及门两侧的红外线传感器组成，当人们靠近自动门时，红外线传感器接收到的红外线能量发生变化，将转化成电信号传递到控制器，控制器经过处理判断，驱动装置控制自动门的开关。
本设计是基于嵌入式MCGS的自动门系统设计，MCGS嵌入版组态软件是在工控场合应用较多的一款软件，以其操作简单，易学易用的特点得到大多数专业认识到的认可，普通工程人员经过短时间的培训或者自我学习就能迅速掌握多数工程项目的设计和运行操作[2]。MCGS嵌入版组态软件能够巧妙避开涉及到嵌入式计算机软、硬件问题编程问题，而将工作的重点集中于工程本身,对工业现场的数据进行采集和处理，以界面显示、报警提醒、策略控制和数据报表输出等多种方式向用户提供解决实际工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。同时MCGS软件具有简单灵活的可视化操作界面，并且实时性强和良好的并行处理能力[3]。MCGS触摸屏能够将MCGS软件中的画面生动的表现出来，还能够与多种嵌入式设备进行通信，从而既能够达到对工业现场进行监视，也能够进行控制和实时数据进行存储、处理。本设计将用MCGS触摸屏作为主机，对自动门控制系统进行监控，从而配置出性能高、可靠性强和专业化含量足的自动门控制监控系统。
1.2自动门的研究现状和发展趋势
自动门刚刚出现之时主要用于军事仓库、重要工厂，为的是防火、防弹及开门方便[4]。随着智能自动化的发展，使自动门的功能和智能程度得到大大提升，人们也越来越青睐于将它运用于银行、宾馆、酒店、大型建筑物上，不仅提高了建筑物的现代化品位，而且增强了建筑物的审美效果，使得自动门与建筑物相匹配，交辉相应，相得益彰。从此人们争先恐后采用自动门，从而大大促进了自动门行业的迅速发展。由于国外自动门技术发展起步较早，技术也较为成熟，一大批独具规模的企业逐渐在国际社会站稳脚跟，并且声誉远扬。如德国BLASL、DOMAR，日本National，瑞士TORMAX，美国史丹利。这些厂商生产的自动门功能完备、性能可靠而且工作寿命长、种类齐全。松下自动门的特点[5]：
（1）安全系数较高、工作安全可靠
（2）新技术马达运用改善了自动门的电机系统
（3）控制器程序优化使电机运行更平稳
（4）高强度滑轮大大降低了滚动摩擦噪音
（5）采用全新研发传感器。
由于比较方式不同，人们对于自动门的分类也不相同，按照自动门的开门方式可以分为推拉式、平开式、重叠式、折叠式、弧形式和旋转式[6]。这些都是在日常生活中比较常见的类型而且各有其特点。例如推拉门可以最大限度的节省门体使用空间、提高空间利用率，适合需要设置门禁、人员流动较小、流动频率较低的场所；平开门通常使用在商场、学校医院等人流密度较大的场所，提高了通行效率和空间利用率[7]；折叠门即能节省空间，又能缩短运行时间、提高通行效率。据市场供求统计，我们日常生活中提到的自动门是指自动平移门，它具有简单易控，操作方便，便于维护等特点。自动门有很多种控制方式，从控制方式的的不同来考虑，有继电器控制，即通过按钮和复杂的界限来安装控制，具有稳定性高，安全等优点，但是继电器控制也存在一些固有的缺点，正在逐渐被智能控制器自动门代替。
由于人们起初对于自动门的认识不足和国内智能化技术能力不足，自动门在我国的发展和应用时间较短，主要通过利用外国的设备和技术进行满足我国对自动门的需求。同时我国和西方发达国家在自动门行业实力相差悬殊，随着自动门的应用越来越广泛，我国的市场需求缺口也越来越大。最近研究表明，现在我国已经成为全球最大的自动门生产制造中心及最大的销售市场，自动门行业发展前景可观，但是核心技术成为我国自动门行业发展的瓶颈，提升自动门核心技术已经成为一种必然要求。但是我国自动门发展也存在一些问题，性能层次不齐，其稳定性、操作效能以及人机交互方式合理性。感应门行业市场发展混乱，国家没有统一的自动门技术标准和准许进入市场界限，安全隐患时时存在并且日渐突出。同时我国自动门的应用和生产也主要集中于我国的长三角、珠三角和一些大城市，积极促进我国自动门行业想经济欠发达地区发展和转移，不仅有利于我国自动门行业的发展，而且可以缩小我国自动门技术与国外的差距。
由于我国自动门行业从起步到发展只有二十几年的历史，并且国内市场缺口巨大，市场发展处于一种无序状态，未来我国将在自动门行业的工程施工安全以及设计生产制定标准，将自动门行业的各项设计、生产、安装和使用标准化，此项措施将有利于市场的有序发展，对于国内自动门行业的发展提供了标准和保障。虽然自动门在建筑的投资比例中只是占据了很小的一部分，但是在日常建筑物的使用、管理、安全方面却有着举足轻重的作用，是建筑智能化水平的重要指标。
1.3 课题研究的主要内容
本次课题旨在研究和开发一个基于嵌入式MCGS的自动门控制系统，在此基础上实现基于Modbus协议的自动门系统监控。主要有以下几个方面的研究内容：
（1）自动门控制系统设计
自动门传感器在接收到物体接近自动门的信号时，向自动门主控制发送脉冲信号，控制自动门的开关。
（2）自动门控制系统速度控制的实现
在自动门系统中，由于在自动门开关的过程中都经历减速的过程，对于自动门系统有保护作用。在设计中主要通过数模转换模块的输出电压不同控制电机速度大小，从而达到保护自动门系统的功能。
（3）工业自动化信息传输协议Modbus的实现
Modbus协议时各种系统之间的通信提供了依据，并且能够按照主机的请求完成相应的操作功能。
（4）基于嵌入式MCGS自动门系统设计
与日常生活中的控制方式相比，嵌入式MCGS触摸屏具有很强的可视性和监控性，并且容易对系统进行扩展，大大节省了硬件成本和管理维护成本。
1.4 论文的结构
论文共分为七章。第一章 绪论，介绍了课题研究的背景及意义、自动门研究的现状及发展趋势和课题研究的主要内容；第二章 基于嵌入式MCGS的自动门系统设计原理及总体分析，通过对嵌入式MCGS触摸屏原理及设计的分析和直流无刷电机控制方法研究，提出了自动门系统总体设；第三章 基于嵌入式MCGS的自动门系统硬件设计，分析和研究了电机控制和速度控制的硬件设计；第四章 自动门控制器的软件设计，分析和设计了自动门控制器各个模块的软件实现；第五章 嵌入式MCGS触摸屏软件设计，分析了嵌入式MCGS触摸屏与单片机的通信，设计出基于Modbus通信协议的程序实现；第六章 基于嵌入式MCGS的自动门系统整机调试，对自动门控制器的精度和稳定性进行了测试，并且对自动门系统与嵌入式MCGS触摸屏通信和监控功能进行了测评；第七章 工作总结与展望，对课题的研究成果进行了总结，并提出了下一步的研究工作构想。
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