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- 基于单片机的智能门控制系统设计与故障报警实现
点击链接下载设计资料：https://download.csdn.net/download/m0_51061483/92081485 - 系统功能概述
随着智能化技术在日常生活环境中的深入应用，传统的机械式门禁系统逐渐向自动化、智能化方向发展。智能门控制系统不仅需要实现基本的开关门功能，还应具备自动感应、状态显示、安全防护、故障报警等能力，以满足住宅、办公楼、大型商场、医院等场所的安全性与便捷性需求。
本设计基于单片机构建智能门控制系统，实现自动与手动两种开关门方式，自动模式可通过人体靠近检测自动开门，并在无人时自动关门，手动模式通过按键控制，且两者互斥运行，避免逻辑冲突。系统还模拟多种门体故障情形，包括开关动作超时、速度异常、角度超限等情况，并实时触发报警。除此之外，系统通过 LED 指示灯显示门的开关状态与运行状态，使系统的工作过程对用户一目了然。
本工程设计采用模块化硬件电路与结构化程序设计，所有功能模块之间紧密协作，确保自动门能够可靠、安全、高效运作，适合作为智能家居设备开发、机电系统控制、传感器融合技术等课程的教学示例或实际工程项目。
- 系统功能详细说明
3.1 自动与手动模式开关门功能
系统包含自动与手动两种运行模式，互不干涉：- 自动模式：人体检测模块检测到人员靠近 → 自动开门；人员离开一段时间后 → 自动关门。
- 手动模式：用户通过“开门”“关门”按键实现人工控制，适用于特殊场景或故障自检时使用。
系统通过模式选择按键进行切换，单片机内部设置互斥逻辑，确保只有一种方式处于活动状态。
3.2 门体状态确认功能（开关到位）
门体开合到位通过限位按键信号确认，当门体达到开门极限或关门极限时限位开关触发，单片机据此停止电机运行，避免门体持续受到驱动力造成机械损坏。3.3 模拟门体故障检测功能
为提高系统安全性，设计模拟三类可能的门体故障并触发报警：- 开关门动作超时：电机运行超过设定最大时间仍未到位，视为动作失败。
- 转速异常：电机测速模块检测到转速超过最大阈值或低于运行描述的最小阈值。
- 角度超限：根据编码器计数累计旋转角度，若超过机械允许区间则触发角度异常报警。
3.4 LED 状态显示功能
为使系统直观可视，设计多个 LED 指示功能：- 门正在开时闪烁绿色灯；
- 门正在关时闪烁黄色灯；
- 门开到位亮绿灯，关到位亮红灯；
- 故障报警时红灯快速闪烁；
- 系统运行指示灯周期闪烁表示设备处于正常运行状态。
- 电路设计
本系统硬件模块包括单片机最小系统、电机驱动模块、人体检测模块、限位检测模块、转速检测模块、角度检测模块、LED 指示模块、按键输入模块与蜂鸣器报警模块，各模块依据功能进行协同工作。
4.1 单片机最小系统模块
单片机是系统控制的核心，通过其 I/O 接口实现：
- 人体检测输入
- 限位信号输入
- 电机驱动输出
- 转速采样输入
- 角度编码器输入
- 报警输出
- LED 状态控制
单片机同时使用内部定时器模块实现故障监测（如动作超时监测）。
4.2 人体检测模块（自动模式触发）
使用常见红外人体检测模块（PIR）。人体接近时输出高电平；无人时输出低电平。信号输入 MCU，用于自动模式下判断是否需开门。
4.3 电机驱动模块
包含：
4.4 限位检测模块
两个限位按键分别检测：
- 开门到位；
- 关门到位。
限位开关闭合时，MCU 立即停止电机，保护机构安全。
4.5 转速检测模块
使用霍尔转速传感器或光电编码盘：
- 输出脉冲信号；
- MCU 根据脉冲间隔计算转速；
- 用于判断电机运行是否正常。
4.6 角度检测模块
使用增量型编码器：
- 根据脉冲计数累计旋转角度；
- 超限立即触发报警。
4.7 LED 指示模块
LED 指示灯包括：
- 运行指示灯
- 开门指示灯
- 关门指示灯
- 故障报警灯
通过 I/O 控制高低电平点亮。
4.8 按键控制模块
按键包括：
- 自动模式选择按键
- 手动开门按键
- 手动关门按键
- 重置按键（清除报警）
按键由上拉电阻连接，MCU 软件消抖识别按键状态。
4.9 报警模块
配置蜂鸣器用于故障报警，蜂鸣器由三极管驱动，确保单片机 I/O 不被过流损坏。
- 程序设计
本系统程序逻辑采用“状态机 + 多任务轮询”结构，包含初始化模块、按键识别模块、自动模式判断模块、手动模式控制模块、限位处理模块、故障检测模块、LED 逻辑模块、电机动作模块等。
5.1 主程序结构
void main() { System_Init(); while(1) { Mode_Check(); // 自动/手动模式切换判断 Read_Sensors(); // 人体检测、限位检测、编码器、转速采集 Manual_Control(); // 手动模式动作控制 Auto_Control(); // 自动模式动作逻辑 Door_Action(); // 执行动作 Fault_Check(); // 故障检测 LED_Update(); // LED 状态刷新 Alarm_Control(); // 故障报警模块 } }主循环负责协调各功能模块的连续运行。
5.2 自动/手动模式判断模块
void Mode_Check() { if(Key_Auto_Pressed()) mode = AUTO_MODE; if(Key_Manual_Pressed()) mode = MANUAL_MODE; }手动与自动模式互斥。
5.3 自动模式逻辑
void Auto_Control() { if(mode == AUTO_MODE) { if(PIR_Detected()) { door_cmd = OPEN_DOOR; Start_Timer(); } else { if(Timer_Expired()) { door_cmd = CLOSE_DOOR; } } } }自动模式下通过人体检测决定开关门动作。
5.4 手动模式逻辑
void Manual_Control() { if(mode == MANUAL_MODE) { if(Key_Open()) door_cmd = OPEN_DOOR; if(Key_Close()) door_cmd = CLOSE_DOOR; } }手动模式下完全依赖按键控制。
5.5 电机动作执行模块
void Door_Action() { switch(door_cmd) { case OPEN_DOOR: Motor_Run(OPEN); break; case CLOSE_DOOR: Motor_Run(CLOSE); break; case STOP: Motor_Stop(); break; } }电机执行开门或关门动作。
5.6 故障检测模块（核心部分）
void Fault_Check() { // 动作超时 if(Action_Timer_Expired()) fault_timeout = 1; // 转速异常 if(speed > SPEED_MAX || speed < SPEED_MIN) fault_speed = 1; // 角度超限 if(angle > ANGLE_MAX) fault_angle = 1; fault_flag = (fault_timeout || fault_speed || fault_angle); }三类故障均可触发报警。
5.7 LED 显示逻辑模块
void LED_Update() { System_LED_Toggle(); if(door_opened) LED_OPEN = 1; else LED_OPEN = 0; if(door_closed) LED_CLOSE = 1; else LED_CLOSE = 0; if(fault_flag) LED_FAULT = Blink(); else LED_FAULT = 0; }LED 显示系统及门状态。
5.8 报警模块
void Alarm_Control() { if(fault_flag) Buzzer_On(); else Buzzer_Off(); }故障出现即刻发声报警。
