智能紅外自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc
《智能紅外自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc》由會(huì)員分享,可在線(xiàn)閱讀,更多相關(guān)《智能紅外自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc(39頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
。 1引言 1.1自動(dòng)門(mén)發(fā)展歷史 自動(dòng)門(mén)從理論上理解應(yīng)該是門(mén)的概念的延伸,是門(mén)的功能根據(jù)人的需要所進(jìn)行的發(fā)展和完善。自動(dòng)門(mén)是指:可以將人接近門(mén)的動(dòng)作(或?qū)⒛撤N入門(mén)授權(quán))識(shí)別為開(kāi)門(mén)信號(hào)的控制單元,通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將門(mén)開(kāi)啟,在人離開(kāi)后再將門(mén)自動(dòng)關(guān)閉,并對(duì)開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)。 自動(dòng)門(mén)開(kāi)始在建筑物上使用,是在二十世紀(jì)年以后。二十年代后期,美國(guó)的超級(jí)市場(chǎng)的開(kāi)放,自動(dòng)門(mén)開(kāi)始被使用,受此影響,世界第一自動(dòng)門(mén)品牌多瑪在1945年開(kāi)發(fā)出油壓式、空氣式自動(dòng)門(mén),新建大樓的正門(mén)也開(kāi)始使用了。到了1962年,電氣式開(kāi)始出現(xiàn),之后伴隨著城市的建設(shè),自動(dòng)門(mén)技術(shù)的領(lǐng)域每年都在增加。當(dāng)初,用供給建筑物用電源進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的速度控制很難,只好進(jìn)行油壓、空壓速度控制,轉(zhuǎn)換但因能源利用效率很低,然而伴隨著電氣控制的技術(shù)發(fā)展,現(xiàn)在電氣控制技術(shù)已經(jīng)成熟,直接控制電動(dòng)機(jī)的電氣式自動(dòng)門(mén)逐漸成為主流。例如:各種用可識(shí)別控制的自動(dòng)專(zhuān)用門(mén),如:感應(yīng)自動(dòng)門(mén)(紅外感應(yīng),微波感應(yīng),觸摸感應(yīng),腳踏感應(yīng))、刷卡自動(dòng)門(mén)等[1]。 21世紀(jì)的今天,門(mén)更加突出了安全理念,強(qiáng)調(diào)了有效性:有效地防范、通行、疏散,同時(shí)還突出了建筑藝術(shù)的理念,強(qiáng)調(diào)門(mén)與建筑以及周?chē)h(huán)境整體的協(xié)調(diào)、和諧。門(mén)大規(guī)模專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)始于150年前,在不斷發(fā)展和完善的過(guò)程中,涌現(xiàn)出大批獨(dú)具規(guī)模的專(zhuān)業(yè)制造商。門(mén)的高級(jí)形式--自動(dòng)門(mén)起源在歐美,迅速發(fā)展至今天,已經(jīng)形成了種類(lèi)齊全、功能完善、造工精細(xì)的自動(dòng)門(mén)家族。 整體來(lái)說(shuō)國(guó)外的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)性能比較優(yōu)良,但是價(jià)格偏高;國(guó)內(nèi)的同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格便宜但是性能較差,故障率較高。在國(guó)外,進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái),自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)很成熟,技術(shù)發(fā)展很快,并取得了驚人的成就,自動(dòng)門(mén)是自動(dòng)化技術(shù)的典型代表。但在國(guó)內(nèi),自動(dòng)門(mén)的自主研發(fā)技術(shù)尚不成熟。在自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保、安全及人性化是需要首先考慮的因素。 自動(dòng)門(mén)根據(jù)使用場(chǎng)合及功能的不同可分為自動(dòng)平移門(mén)、自動(dòng)平開(kāi)門(mén)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門(mén)、自動(dòng)圓弧門(mén)、自動(dòng)折疊門(mén)等,其中自動(dòng)平移門(mén)使用得最廣泛,我們通常所說(shuō)的自動(dòng)門(mén)、感應(yīng)門(mén)就是指自動(dòng)平移門(mén)。目前市場(chǎng)上流行的平移型自動(dòng)門(mén)一般是兩開(kāi),這種門(mén)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易控,維護(hù)方便。這里將研究的對(duì)象就是自動(dòng)平移門(mén)。 自動(dòng)平移門(mén)最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是自動(dòng)門(mén)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置和門(mén)內(nèi)外兩側(cè)紅外線(xiàn),當(dāng)人走近自動(dòng)門(mén)時(shí),紅外線(xiàn)感應(yīng)到人的存在,給控制器一個(gè)信號(hào),控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置將門(mén)打開(kāi)。當(dāng)人通過(guò)門(mén)之后,再將門(mén)關(guān)閉。由于自動(dòng)門(mén)在通電后可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人看管。給我們的日常生活帶來(lái)很多的好處,比如進(jìn)出方便、節(jié)約空調(diào)能源、還有利于人力資源的節(jié)省,更令我們的大門(mén)增添了不少高貴典雅的氣息,也顯示了一個(gè)國(guó)家的發(fā)展。 自動(dòng)門(mén)的控制方法有很多,從控制器的不同來(lái)說(shuō),有繼電器控制,即通過(guò)按鈕和復(fù)雜的接線(xiàn)安裝來(lái)控制;還有智能控制器控制,即通過(guò)運(yùn)行現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備來(lái)控制,它具有穩(wěn)定性高,安全等優(yōu)點(diǎn),因此被很多生產(chǎn)廠(chǎng)商所運(yùn)用。由于繼電器邏輯控制的自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)存在許多缺陷而逐步被智能控制器的自動(dòng)門(mén)所淘汰[2]。 對(duì)于智能控制器有多種方式: 第一,采用FPGA的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),以按鈕、無(wú)線(xiàn)遙控、紅外感應(yīng)三種驅(qū)動(dòng)方式,既可自動(dòng)控制又可人工控制,操作簡(jiǎn)單并且適用范圍廣;采用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,可軟件診錯(cuò);采用自動(dòng)復(fù)位以及電機(jī)專(zhuān)用控制芯片來(lái)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 第二,以單片機(jī)為核心,統(tǒng)一控制紅外傳感器和步進(jìn)電機(jī),并通過(guò)機(jī)械直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)玻璃門(mén)。在硬件上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)報(bào)普顯示,人員進(jìn)出信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換,監(jiān)控報(bào)等“看門(mén)狗”技術(shù),電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制以及光藕隔離技術(shù)。 第三,采用可編程控制器PLC控制的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng),PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。他采用可以編程的存儲(chǔ)器,用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、和算數(shù)運(yùn)算等操作指令,并能通過(guò)數(shù)字式和開(kāi)關(guān)量的邏輯控制的輸入和輸出,控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC具有可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),功能完善,適用性強(qiáng),系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小,維護(hù)方便,容易改造,體積小,重量輕,能耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此運(yùn)用PLC控制自動(dòng)門(mén)具有較高的可靠性,維修方便等優(yōu)點(diǎn)。 第四,運(yùn)用單片機(jī)作為自動(dòng)門(mén)的控制系統(tǒng),單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),軟件編程靈活,自由度大,可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法,并且具有功耗低,體積小,技術(shù)成熟,成本低廉等有點(diǎn),使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 在智能控制器的選擇上主要有體積小、安裝方便等特點(diǎn),目前有許多廠(chǎng)家采用此種方式生產(chǎn)自動(dòng)門(mén)。這里我將設(shè)計(jì)一種以AT89C52為核心的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng),包括硬件組成和軟件設(shè)計(jì),采用熱釋電紅外傳感器檢測(cè)信號(hào)變化利用開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行電路信號(hào)放大[3]。 1.2紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展 紅外探測(cè)技術(shù)在軍事技術(shù)、工業(yè)控制、安全保衛(wèi)、家用電器以及人們的日常生活等諸多領(lǐng)域中都有著非常廣泛的應(yīng)用,而一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)控系統(tǒng)也在教學(xué)中發(fā)揮了很大的作用。紅外探測(cè)技術(shù)利用紅外光波(又稱(chēng)紅外線(xiàn))作為載波來(lái)傳送測(cè)量信號(hào)或者控制指令,例如紅外遙控電視開(kāi)關(guān)、紅外報(bào)警器、自動(dòng)玻璃門(mén)等。之所以采用紅外光波作為測(cè)控光源,是由于紅外發(fā)射器件與紅外接收器件的發(fā)光與受光峰值波長(zhǎng)一般為0.88μm~0.94μm,落在近紅外波段內(nèi),而且二者的光譜恰好重和能夠很好地匹配,可獲得較高的傳輸效率及較高的可靠性。紅外測(cè)控系統(tǒng)一般包括發(fā)射、接收以及處理部分。在本設(shè)計(jì)中,紅外線(xiàn)探測(cè)器中的熱電元件檢測(cè)人體的存在或移動(dòng),并把熱電元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。然后,對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行波形分析。于是,只有當(dāng)通過(guò)波形分析檢測(cè)到由人體產(chǎn)生的波形時(shí),才輸出檢測(cè)信號(hào)。例如,在兩個(gè)不同的頻率范圍內(nèi)放大電壓信號(hào),且將被放大的信號(hào)用于鑒別由人體引起的信號(hào)[4]。 2系統(tǒng)總體方案 本章圍繞系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì),介紹系統(tǒng)組成框圖、主控芯片單片機(jī)的內(nèi)部硬件資源及其接口技術(shù)、整個(gè)自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)所用到的其它IC的介紹。 2.1系統(tǒng)總體規(guī)劃 本系統(tǒng)主要由單片機(jī)及其外圍電路、紅外檢測(cè)電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路等組成。正常工作時(shí),單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)紅外檢測(cè)電路輸出信號(hào),據(jù)此產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)控制信號(hào),電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)門(mén)運(yùn)行,當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到控制方式發(fā)生改變時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)式。如門(mén)在的控制方關(guān)門(mén)過(guò)程中遇到人或其他障礙物時(shí)門(mén)無(wú)條件朝相反方向打開(kāi)。其原理方框圖如2.1所示。 圖2.1 原理方框圖 硬件總體邏輯設(shè)計(jì): 感應(yīng)自動(dòng)門(mén)的種類(lèi)很多,在此,僅以平移型感應(yīng)自動(dòng)門(mén)作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先,平移式自動(dòng)門(mén)機(jī)組由以下部件組成: (1) 主控制器:它是自動(dòng)門(mén)的指揮中心,通過(guò)內(nèi)部編有指令程序的大規(guī)模集成塊,發(fā)出相應(yīng)指令,指揮馬達(dá)或電鎖類(lèi)系統(tǒng)工作;同時(shí)人們通過(guò)主控器調(diào)節(jié)門(mén)扇開(kāi)啟速度、開(kāi)啟幅度等參數(shù)。 (2) 感應(yīng)探測(cè)器:負(fù)責(zé)采集外部信號(hào),如同人們的眼睛,當(dāng)有移動(dòng)的物體進(jìn)入它的工作范圍時(shí),它就給主控制器一個(gè)脈沖信號(hào)。 (3) 動(dòng)力馬達(dá):提供開(kāi)門(mén)與關(guān)門(mén)的主動(dòng)力,控制門(mén)扇加速與減速運(yùn)行。 當(dāng)門(mén)扇要完成一次開(kāi)門(mén)與關(guān)門(mén),其工作流程如下: 感應(yīng)探測(cè)器探測(cè)到有人進(jìn)入時(shí),將脈沖信號(hào)傳給主控器,主控器判斷后通知馬達(dá)運(yùn)行。馬達(dá)得到一定運(yùn)行電流后做正向運(yùn)行,將動(dòng)力傳給同步帶,步帶轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后,馬達(dá)反轉(zhuǎn),自動(dòng)門(mén)關(guān)閉[6]。 2.2 AT89C52單片機(jī) AT89C52是一個(gè)低電壓,高性能CMOS 8位單片機(jī),片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元,AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 AT89C52的管腳及各管腳含義如下: 圖2.2 89C52管腳圖 各引腳功能說(shuō)明: VCC——電源電壓; GND——接地; P0口——P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口,也即地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用口。作為輸出口用時(shí),每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路,對(duì)端口P0寫(xiě)“1”時(shí),可作為高阻抗輸入端用; 在訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí),這組口線(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)復(fù)用,在訪(fǎng)問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻; 在FLASH編程時(shí),P0口接收指令字節(jié),而在程序校驗(yàn)時(shí),輸出指令字節(jié),校驗(yàn)時(shí),要求外接上拉電阻; P1口——P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時(shí)可作輸出口。作輸入口使用時(shí),因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流; 與AT89C51不同之處是,P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入(P1.0/T2)和輸入(P1.1/T2EX); FLASH編程和程序校驗(yàn)期間,P1接收低8位地址; P1.0和P1.1的第二功能: P1.0 T2(定時(shí)/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入),時(shí)鐘輸出 ; P1.1 T2EX(定時(shí)/計(jì)數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制); P2口——P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口P2寫(xiě)“1”,通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此時(shí)可作輸入口,作輸入口使用時(shí),因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流; 在訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪(fǎng)問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容; FLASH編程或校驗(yàn)時(shí),P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào); P3口——P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí),被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流; P3口除了作為一般的I/O口線(xiàn)外,更重要的用途是它的第二功能: P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外,P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào); RST——復(fù)位輸入 當(dāng)振蕩器工作時(shí),RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位; ALE/PROG 當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下,ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào),因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是:每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖; 對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間,該引腳還用于輸入編程脈沖(PROG); EA端為高電平(接Vcc端),CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。 PSEN 程序儲(chǔ)存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào),當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令(或數(shù)據(jù))時(shí),每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效,即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間,當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 EA/VPP 外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使CPU 僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000H—FFFFH0),EA 端必須保持低電平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1 被編程,復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接Vcc端),CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí),該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。 XTAL1 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端[7]。 2.3熱釋電紅外傳感器的原理和使用 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線(xiàn)而輸出電信號(hào)的傳感器,它能組成防入侵報(bào)警器或各種自動(dòng)化節(jié)能裝置。熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線(xiàn),并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),同時(shí),它還能鑒別出運(yùn)動(dòng)的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報(bào)警裝置,也可以用于自動(dòng)控制、接近開(kāi)關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域[8]。 本設(shè)計(jì)使用型號(hào)為:RE03B的熱釋電紅外傳感器。它的實(shí)物圖如下圖2.3所示 圖2.3 熱釋電紅外傳感器RE03B 熱釋電效應(yīng):自然界的任何物體,只要其溫度高于絕對(duì)零度(-273℃),總是不斷地向外發(fā)出紅外輻射,并以光的速度傳播能量。物體向外輻射紅外輻射的能量與物體的溫度和紅外輻射的波長(zhǎng)有關(guān)。物體的溫度越高,它所發(fā)射的紅外輻射的峰值波長(zhǎng)越小,發(fā)出紅外輻射的能量也越大。通常,電介質(zhì)的內(nèi)部是沒(méi)有載流子的,因此它沒(méi)有導(dǎo)電能力。但是任何電介質(zhì)毫無(wú)例外地都是由帶電粒子組成的,即自由電子和原子核組成的。在外加電壓的作用下,這些帶電粒子也要發(fā)生移動(dòng),帶正電荷的粒子趨向負(fù)極,帶負(fù)電荷的粒子趨向正極。其結(jié)果是使電介質(zhì)的一個(gè)表面帶正電,另一個(gè)表面帶負(fù)電,我們稱(chēng)這種現(xiàn)象為電極化。對(duì)于上述現(xiàn)象,某些鐵電體電介質(zhì)材料卻是個(gè)例外,像上述的幾種鐵電體材料,當(dāng)被極化后撤去外加電壓時(shí),這種極化現(xiàn)象仍然保留下來(lái),這種現(xiàn)象被稱(chēng)為自發(fā)極化。自發(fā)極化的強(qiáng)度與溫度相關(guān),當(dāng)溫度升高時(shí),極化強(qiáng)度降低。自發(fā)極化的鐵電體平時(shí)靠捕捉大氣中的浮游電荷保持平衡狀態(tài)。當(dāng)一些晶體受熱時(shí),在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷,這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象,被稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和,其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí),晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位,自發(fā)極化發(fā)生變化,晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡,電荷耗盡的狀況正比于極化程度,下圖表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。將釋放出的電荷通過(guò)放大器放大后就成了一種控制信號(hào),利用這一原理制成的紅外傳感器稱(chēng)為熱釋電紅外傳感器[9]。 紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件,這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡,向外釋放電荷,后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。由于系統(tǒng)檢知從物體放射出出來(lái)的紅外線(xiàn),所以不必直接接觸就能夠感知物體表面的溫度,故人體檢知以及移動(dòng)中物體的溫度當(dāng)然均能以非接觸之方式測(cè)得。熱電型紅外線(xiàn)傳感器系接受檢知對(duì)象物所發(fā)出的紅外線(xiàn),因此是被動(dòng)型,由于不是主動(dòng)型,所以并不需要校對(duì)投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業(yè)。熱電效果系溫度變化而產(chǎn)生的,這將在稍后說(shuō)明之,因此只接受因溫度變化之能量(Energy),而熱電型紅外線(xiàn)傳感器將電壓微分而輸出之。 如果紅外輻射持續(xù)下去,電介質(zhì)的溫度就會(huì)升到新的平衡狀態(tài),表面電荷也同時(shí)達(dá)到平衡。這時(shí)它就不再釋放電荷,也就不再有信號(hào)輸出了,如下圖2.4所示。因此,對(duì)于這類(lèi)熱釋電紅外傳感器,只有在紅外輻射強(qiáng)度不斷變化,它的內(nèi)部溫度隨之不斷升降的過(guò)程中,傳感器才有信號(hào)輸出,而在穩(wěn)定狀態(tài)下,輸出信號(hào)則為零。因此在應(yīng)用這類(lèi)傳感器時(shí),應(yīng)設(shè)法使紅外輻射不斷變化,這樣才能使傳感器不斷有信號(hào)輸出。為了滿(mǎn)足這一要求,通常在熱釋電傳感器的使用中,總是要在它的前面加裝一個(gè)菲涅爾透鏡。 圖 2.4 熱釋電效應(yīng)的形成原理 能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)之為熱釋電體或熱釋電元件,其常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。熱釋紅外線(xiàn)傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電路如下圖 2.5 所示。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng),是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成,元件兩個(gè)表面做成電極,當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí),熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ,即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高,所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失,當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí),ΔT=0,傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí),因人體溫度與環(huán)境溫度有差別,產(chǎn)生ΔT,則有信號(hào)輸出;若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng),則溫度沒(méi)有變化,傳感器也沒(méi)有輸出,所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見(jiàn)下圖所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其中,濾光片設(shè)置在窗口處,組成紅外線(xiàn)通過(guò)的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片,對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)(約5mm以下)可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm~12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),為了只對(duì)人體的紅外輻射敏感,在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片,使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用[10]。 圖 2.5 熱釋電紅外線(xiàn)傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路 圖2.5是一個(gè)雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí)D端接電源正極,G端接電源負(fù)極,S端為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起,目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償。對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射,熱釋電傳感器通過(guò)安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上,從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。 制造熱釋電紅外探測(cè)元的高熱電材料是一種廣譜材料,它的探測(cè)波長(zhǎng)范圍為0.2~20μm。為了對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的紅外輻射有較高的敏感度,該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射通過(guò)外,還能將燈光、陽(yáng)光和其它紅外輻射拒之門(mén)外[11]。 2.4 BISS0001芯片介紹和典型電路 BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號(hào)處理集成電路,它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)。它能自動(dòng)快速開(kāi)啟各類(lèi)白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門(mén)、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手池等裝置,特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過(guò)道、走廊等敏感區(qū)域,或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)警系統(tǒng)。它不僅能和熱釋電紅外傳感器的輸出良好地匹配,而且也能和其他多種傳感器進(jìn)行匹配。它的內(nèi)都是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、與門(mén)電路、狀態(tài)控制器、定時(shí)控制器、鎖定時(shí)間控制器和禁止電路等組成。 BISS0001采用16腳標(biāo)準(zhǔn)型塑料封裝結(jié)構(gòu)。①腳(A)為觸發(fā)方式控制端,當(dāng)A=1時(shí),電路可重復(fù)觸發(fā);當(dāng)A=0時(shí),電路不可重復(fù)觸發(fā)。②腳(V0)為控制信號(hào)輸出端,當(dāng)有傳感信號(hào)輸入時(shí),V0輸出高電平。③腳(RX)和④腳(CX)為輸出定時(shí)控制器T,的外接元件端,定時(shí)時(shí)間為:TX=50×103RXCX。⑤腳(Ri)和⑥腳Ci)為鎖定時(shí)間控制器Υi的外接元件,鎖定時(shí)間Ti=24RiCi。⑧腳(VRF)為參考電壓及復(fù)位端,使用時(shí)一般接VDD,若按ⅤSS,可使定時(shí)器復(fù)位。⑨腳(Vc)為觸發(fā)禁止端,當(dāng)VC<VR時(shí)禁止觸發(fā);當(dāng)VC>VR時(shí),允許觸發(fā),VR=0.2VDD.⑩腳(IB)為偏置電流設(shè)置端,由外接電阻RB接ⅤSS端,RB一般取1MΩ的電阻。12腳(OUT2)和13腳(IN2-)分別為第二級(jí)運(yùn)放的輸出端和反相輸人端。14腳(IN1+)和15凈(IN1-)分別為第一運(yùn)放的同相和反相輸入端。16腳(OUT1)為第一運(yùn)放的輸出端。11腳(VDD)和7腳(VSS)分別為電源正、負(fù)端[12]。 2.4.1 BISS0001芯片介紹 BISS0001的內(nèi)部電路 圖 2.6 熱釋紅外傳感器處理芯片BISS0001的內(nèi)部電路 上圖中,運(yùn)算放大器OPl將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大,然后由C3耦合給運(yùn)算放大器01:'2進(jìn)行第二級(jí)放大,再經(jīng)由電壓比較器COPl和ODP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后,檢出有效觸發(fā)信號(hào)vs去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器,輸出信號(hào)VO經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動(dòng)繼電器去接通負(fù)載。 BISS0001的特點(diǎn)*CMOS工藝,公耗低 *數(shù)模混合 *具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器 *內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾 *內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器 *采用16腳DIP封裝 * 內(nèi)置參考電源 *工作電壓范圍寬(3V~5V) BISS001管腳圖 圖2.7 BISS001管腳圖 表2.1 BISS001管腳說(shuō)明 引腳 名稱(chēng) I/O 能說(shuō)明 1 A I 可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng)A為“1”時(shí),允許重復(fù)觸發(fā);反之,不可重復(fù)觸。 2 VO O 控制信號(hào)輸出端。由VS的上跳變沿觸發(fā),使Vo輸出從低電平跳變到高電平時(shí)視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時(shí)間Tx之外和無(wú)VS的上跳變時(shí),Vo保持低電平狀態(tài)。 3 RR1 -- 輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端 4 RC1 -- 輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端 5 RC2 -- 觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端 續(xù)表2.1 BISS001管腳說(shuō)明 6 RR2 -- 觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端 7 VSS -- 工作電源負(fù)端 8 VRF I 參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接VDD,當(dāng)接“0”時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位 9 VC I 觸發(fā)禁止端。當(dāng)Vc- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
- 2.下載的文檔,不會(huì)出現(xiàn)我們的網(wǎng)址水印。
- 3、該文檔所得收入(下載+內(nèi)容+預(yù)覽)歸上傳者、原創(chuàng)作者;如果您是本文檔原作者,請(qǐng)點(diǎn)此認(rèn)領(lǐng)!既往收益都?xì)w您。
下載文檔到電腦,查找使用更方便
32 積分
下載 |
- 配套講稿:
如PPT文件的首頁(yè)顯示word圖標(biāo),表示該P(yáng)PT已包含配套word講稿。雙擊word圖標(biāo)可打開(kāi)word文檔。
- 特殊限制:
部分文檔作品中含有的國(guó)旗、國(guó)徽等圖片,僅作為作品整體效果示例展示,禁止商用。設(shè)計(jì)者僅對(duì)作品中獨(dú)創(chuàng)性部分享有著作權(quán)。
- 關(guān) 鍵 詞:
- 智能 紅外 自動(dòng)門(mén) 控制系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)
鏈接地址:http://weibangfood.com.cn/p-1524515.html