智能紅外自動門控制系統(tǒng)畢業(yè)設計.doc

《智能紅外自動門控制系統(tǒng)畢業(yè)設計.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《智能紅外自動門控制系統(tǒng)畢業(yè)設計.doc（39頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

。 1引言 1.1自動門發(fā)展歷史 自動門從理論上理解應該是門的概念的延伸，是門的功能根據人的需要所進行的發(fā)展和完善。自動門是指：可以將人接近門的動作（或將某種入門授權）識別為開門信號的控制單元，通過驅動系統(tǒng)將門開啟，在人離開后再將門自動關閉，并對開啟和關閉的過程實現(xiàn)控制的系統(tǒng)。 自動門開始在建筑物上使用，是在二十世紀年以后。二十年代后期，美國的超級市場的開放，自動門開始被使用，受此影響，世界第一自動門品牌多瑪在1945年開發(fā)出油壓式、空氣式自動門，新建大樓的正門也開始使用了。到了1962年，電氣式開始出現(xiàn)，之后伴隨著城市的建設，自動門技術的領域每年都在增加。當初，用供給建筑物用電源進行電動機的速度控制很難，只好進行油壓、空壓速度控制，轉換但因能源利用效率很低，然而伴隨著電氣控制的技術發(fā)展，現(xiàn)在電氣控制技術已經成熟，直接控制電動機的電氣式自動門逐漸成為主流。例如：各種用可識別控制的自動專用門，如：感應自動門(紅外感應，微波感應，觸摸感應，腳踏感應)、刷卡自動門等[1]。 21世紀的今天，門更加突出了安全理念，強調了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時還突出了建筑藝術的理念，強調門與建筑以及周圍環(huán)境整體的協(xié)調、和諧。門大規(guī)模專業(yè)化生產始于150年前，在不斷發(fā)展和完善的過程中，涌現(xiàn)出大批獨具規(guī)模的專業(yè)制造商。門的高級形式--自動門起源在歐美，迅速發(fā)展至今天，已經形成了種類齊全、功能完善、造工精細的自動門家族。 整體來說國外的自動門控制系統(tǒng)性能比較優(yōu)良,但是價格偏高；國內的同類產品價格便宜但是性能較差,故障率較高。在國外,進入20世紀90年代以來，自動化技術已經很成熟，技術發(fā)展很快，并取得了驚人的成就，自動門是自動化技術的典型代表。但在國內，自動門的自主研發(fā)技術尚不成熟。在自動門控制系統(tǒng)設計中，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。 自動門根據使用場合及功能的不同可分為自動平移門、自動平開門、自動旋轉門、自動圓弧門、自動折疊門等，其中自動平移門使用得最廣泛，我們通常所說的自動門、感應門就是指自動平移門。目前市場上流行的平移型自動門一般是兩開，這種門的特點是簡單易控，維護方便。這里將研究的對象就是自動平移門。 自動平移門最常見的結構形式是自動門機械驅動裝置和門內外兩側紅外線，當人走近自動門時，紅外線感應到人的存在，給控制器一個信號，控制器通過驅動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關閉。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管。給我們的日常生活帶來很多的好處,比如進出方便、節(jié)約空調能源、還有利于人力資源的節(jié)省,更令我們的大門增添了不少高貴典雅的氣息,也顯示了一個國家的發(fā)展。 自動門的控制方法有很多，從控制器的不同來說，有繼電器控制，即通過按鈕和復雜的接線安裝來控制；還有智能控制器控制，即通過運行現(xiàn)代自動化設備來控制，它具有穩(wěn)定性高，安全等優(yōu)點，因此被很多生產廠商所運用。由于繼電器邏輯控制的自動門系統(tǒng)存在許多缺陷而逐步被智能控制器的自動門所淘汰[2]。 對于智能控制器有多種方式： 第一，采用FPGA的自動門控制系統(tǒng)設計,以按鈕、無線遙控、紅外感應三種驅動方式,既可自動控制又可人工控制,操作簡單并且適用范圍廣；采用EDA技術設計主控制器的狀態(tài)轉換,可軟件診錯；采用自動復位以及電機專用控制芯片來保證系統(tǒng)的可靠運行。 第二，以單片機為核心,統(tǒng)一控制紅外傳感器和步進電機,并通過機械直線運動單元驅動玻璃門。在硬件上實現(xiàn)了系統(tǒng)報普顯示,人員進出信號的采集與轉換,監(jiān)控報等“看門狗”技術,電機驅動控制以及光藕隔離技術。 第三，采用可編程控制器PLC控制的自動門控制系統(tǒng)，PLC是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。他采用可以編程的存儲器，用來在其內部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、和算數(shù)運算等操作指令，并能通過數(shù)字式和開關量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強，功能完善，適用性強，系統(tǒng)的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點。因此運用PLC控制自動門具有較高的可靠性，維修方便等優(yōu)點。 第四，運用單片機作為自動門的控制系統(tǒng)，單片機算術運算功能強,軟件編程靈活,自由度大,可用軟件編程實現(xiàn)各種算法,并且具有功耗低,體積小,技術成熟,成本低廉等有點,使其在各個領域應用廣泛。 在智能控制器的選擇上主要有體積小、安裝方便等特點，目前有許多廠家采用此種方式生產自動門。這里我將設計一種以AT89C52為核心的自動門控制系統(tǒng)，包括硬件組成和軟件設計，采用熱釋電紅外傳感器檢測信號變化利用開關電路進行電路信號放大[3]。 1.2紅外探測技術的發(fā)展 紅外探測技術在軍事技術、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域中都有著非常廣泛的應用,而一些教學實驗的測控系統(tǒng)也在教學中發(fā)揮了很大的作用。紅外探測技術利用紅外光波(又稱紅外線)作為載波來傳送測量信號或者控制指令,例如紅外遙控電視開關、紅外報警器、自動玻璃門等。之所以采用紅外光波作為測控光源,是由于紅外發(fā)射器件與紅外接收器件的發(fā)光與受光峰值波長一般為0.88μm~0.94μm,落在近紅外波段內,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。紅外測控系統(tǒng)一般包括發(fā)射、接收以及處理部分。在本設計中，紅外線探測器中的熱電元件檢測人體的存在或移動，并把熱電元件的輸出信號轉換成電壓信號。然后，對電壓信號進行波形分析。于是，只有當通過波形分析檢測到由人體產生的波形時，才輸出檢測信號。例如，在兩個不同的頻率范圍內放大電壓信號，且將被放大的信號用于鑒別由人體引起的信號[4]。 2系統(tǒng)總體方案 本章圍繞系統(tǒng)的總體設計，介紹系統(tǒng)組成框圖、主控芯片單片機的內部硬件資源及其接口技術、整個自動門系統(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)主要由單片機及其外圍電路、紅外檢測電路、步進電機控制電路等組成。正常工作時,單片機循環(huán)檢測紅外檢測電路輸出信號，據此產生電動機控制信號，電動機帶動門運行，當系統(tǒng)檢測到控制方式發(fā)生改變時，系統(tǒng)進入相應式。如門在的控制方關門過程中遇到人或其他障礙物時門無條件朝相反方向打開。其原理方框圖如2.1所示。 圖2.1 原理方框圖 硬件總體邏輯設計: 感應自動門的種類很多，在此，僅以平移型感應自動門作為設計的重點。首先，平移式自動門機組由以下部件組成： （1） 主控制器：它是自動門的指揮中心，通過內部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應指令，指揮馬達或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控器調節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)。 （2） 感應探測器：負責采集外部信號，如同人們的眼睛，當有移動的物體進入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號。 （3） 動力馬達：提供開門與關門的主動力，控制門扇加速與減速運行。 當門扇要完成一次開門與關門，其工作流程如下： 感應探測器探測到有人進入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達運行。馬達得到一定運行電流后做正向運行，將動力傳給同步帶，步帶轉動一段時間后，馬達反轉，自動門關閉[6]。 2.2 AT89C52單片機 AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。 AT89C52的管腳及各管腳含義如下： 圖2.2 89C52管腳圖 各引腳功能說明： VCC——電源電壓； GND——接地； P0口——P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用； 在訪問外部數(shù)據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數(shù)據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻； 在FLASH編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻； P1口——P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流； 與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）； FLASH編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址； P1.0和P1.1的第二功能： P1.0 T2（定時/計數(shù)器2外部計數(shù)脈沖輸入），時鐘輸出 ； P1.1 T2EX（定時/計數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制）； P2口——P2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流； 在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據存儲器時，P2口送出高8位地址數(shù)據。在訪問8位地址的外部數(shù)據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容； FLASH編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號； P3口——P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，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/計數(shù)器0) P3.5 T1(定時/計數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據存儲器寫選通) P3.7 RD(外部數(shù)據存儲器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號； RST——復位輸入 當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復位； ALE/PROG 當訪問外部程存儲器或數(shù)據存儲器時，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仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據存儲器時將跳過一個ALE脈沖； 對FLASH存儲器編程期間，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)行內部程序存儲器的指令。 PSEN 程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據存儲器，將跳過兩次PSEN信號。 EA/VPP 外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（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，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當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部時鐘發(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人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成防入侵報警器或各種自動化節(jié)能裝置。熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉變?yōu)殡妷盒盘?，同時，它還能鑒別出運動的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報警裝置，也可以用于自動控制、接近開關、遙測等領域[8]。 本設計使用型號為：RE03B的熱釋電紅外傳感器。它的實物圖如下圖2.3所示 圖2.3 熱釋電紅外傳感器RE03B 熱釋電效應：自然界的任何物體，只要其溫度高于絕對零度（－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有關。物體的溫度越高，它所發(fā)射的紅外輻射的峰值波長越小，發(fā)出紅外輻射的能量也越大。通常，電介質的內部是沒有載流子的，因此它沒有導電能力。但是任何電介質毫無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，帶正電荷的粒子趨向負極，帶負電荷的粒子趨向正極。其結果是使電介質的一個表面帶正電，另一個表面帶負電，我們稱這種現(xiàn)象為電極化。對于上述現(xiàn)象，某些鐵電體電介質材料卻是個例外，像上述的幾種鐵電體材料，當被極化后撤去外加電壓時，這種極化現(xiàn)象仍然保留下來，這種現(xiàn)象被稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化的強度與溫度相關，當溫度升高時，極化強度降低。自發(fā)極化的鐵電體平時靠捕捉大氣中的浮游電荷保持平衡狀態(tài)。當一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應。晶體自發(fā)極化所產生的束縛電荷被來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。當溫度變化時，晶體結構中的正負電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，下圖表示了熱釋電效應形成的原理。將釋放出的電荷通過放大器放大后就成了一種控制信號，利用這一原理制成的紅外傳感器稱為熱釋電紅外傳感器[9]。 紅外感應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)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經檢測處理后就能產生報警信號。由于系統(tǒng)檢知從物體放射出出來的紅外線，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中物體的溫度當然均能以非接觸之方式測得。熱電型紅外線傳感器系接受檢知對象物所發(fā)出的紅外線，因此是被動型，由于不是主動型，所以并不需要校對投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業(yè)。熱電效果系溫度變化而產生的，這將在稍后說明之，因此只接受因溫度變化之能量(Energy)，而熱電型紅外線傳感器將電壓微分而輸出之。 如果紅外輻射持續(xù)下去，電介質的溫度就會升到新的平衡狀態(tài)，表面電荷也同時達到平衡。這時它就不再釋放電荷，也就不再有信號輸出了，如下圖2.4所示。因此，對于這類熱釋電紅外傳感器，只有在紅外輻射強度不斷變化，它的內部溫度隨之不斷升降的過程中，傳感器才有信號輸出，而在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號則為零。因此在應用這類傳感器時，應設法使紅外輻射不斷變化，這樣才能使傳感器不斷有信號輸出。為了滿足這一要求，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菲涅爾透鏡。 圖 2.4 熱釋電效應的形成原理 能產生熱釋電效應的晶體稱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）。熱釋紅外線傳感器內部結構與電路如下圖 2.5 所示。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應，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，元件兩個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷ΔQ，即在兩電極之間產生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產生ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。熱釋電紅外傳感器的結構及內部電路見下圖所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場效應管FET等組成。其中，濾光片設置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長在8mm~12mm之間的紅外信號的微弱變化轉變?yōu)殡娦盘?，為了只對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 熱釋電紅外線傳感器的結構及內部電路 圖2.5是一個雙探測元熱釋電紅外傳感器的結構示意圖。使用時D端接電源正極，G端接電源負極，S端為信號輸出。該傳感器將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的原理來使傳感器得到補償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號。 制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測波長范圍為0．2～20μm。為了對某一波長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范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外[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成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(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行匹配。它的內都是由運算放大器、電壓比較器、與門電路、狀態(tài)控制器、定時控制器、鎖定時間控制器和禁止電路等組成。 BISS0001采用16腳標準型塑料封裝結構。①腳（A）為觸發(fā)方式控制端，當A＝1時，電路可重復觸發(fā)；當A＝0時，電路不可重復觸發(fā)。②腳（V0）為控制信號輸出端，當有傳感信號輸入時，V0輸出高電平。③腳（RX）和④腳（CX）為輸出定時控制器T，的外接元件端，定時時間為：TX＝50×103RXCX。⑤腳（Ri）和⑥腳Ci）為鎖定時間控制器Υi的外接元件，鎖定時間Ti＝24RiCi。⑧腳（VRF）為參考電壓及復位端，使用時一般接VDD，若按ⅤSS，可使定時器復位。⑨腳（Vc）為觸發(fā)禁止端，當VC＜VR時禁止觸發(fā)；當VC＞VR時，允許觸發(fā)，VR＝0.2VDD.⑩腳（IB）為偏置電流設置端，由外接電阻RB接ⅤSS端，RB一般取1MΩ的電阻。12腳（OUT2）和13腳（IN2-）分別為第二級運放的輸出端和反相輸人端。14腳（IN1+）和15凈（IN1-）分別為第一運放的同相和反相輸入端。16腳（OUT1）為第一運放的輸出端。11腳（VDD）和7腳（VSS）分別為電源正、負端[12]。 2.4.1 BISS0001芯片介紹 BISS0001的內部電路 圖 2.6 熱釋紅外傳感器處理芯片BISS0001的內部電路 上圖中，運算放大器OPl將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器01：'2進行第二級放大，再經由電壓比較器COPl和ODP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號VO經晶體管T1放大驅動繼電器去接通負載。 BISS0001的特點*CMOS工藝，公耗低 *數(shù)?；旌? *具有獨立的高輸入阻抗運算放大器 *內部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾 *內設延遲時間定時器和封鎖時間定時器 *采用16腳DIP封裝 * 內置參考電源 *工作電壓范圍寬（3V～5V) BISS001管腳圖 圖2.7 BISS001管腳圖 表2.1 BISS001管腳說明 引腳 名稱 I/O 能說明 1 A I 可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端。當A為“1”時，允許重復觸發(fā)；反之，不可重復觸。 2 VO O 控制信號輸出端。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視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo保持低電平狀態(tài)。 3 RR1 -- 輸出延遲時間Tx的調節(jié)端 4 RC1 -- 輸出延遲時間Tx的調節(jié)端 5 RC2 -- 觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端 續(xù)表2.1 BISS001管腳說明 6 RR2 -- 觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端 7 VSS -- 工作電源負端 8 VRF I 參考電壓及復位輸入端。通常接VDD，當接“0”時可使定時器復位 9 VC I 觸發(fā)禁止端。當VcVR時允許觸發(fā)(VR≈0.2VDD) 10 IB -- 運算放大器偏置電流設置端 11 VDD -- 工作電源正端 12 2OUT O 第二級運算放大器的輸出端 13 2IN- I 第二級運算放大器的反相輸入端 14 1IN+ I 第一級運算放大器的同相輸入端 15 1IN- I 第一級運算放大器的反相輸入端 16 1OUT O 第一級運算放大器的輸出端 表2.2 BISS0001的參數(shù) 符號 參數(shù) 測試條件 參數(shù)范圍 單位 Vm 電源/電壓 —— —0.3~6.0 V V1/V0 輸入/輸出電壓 —— Vss-0.3~Vdd+0.3 V Im 最大輸出電流 Vm 10 MA Topr 工作溫度 —— —20~+70 ℃ Tstg 貯存溫度 —— —40~ +125 ℃ 表2.3 BISS0001直流特性參數(shù):（除特殊說明外，Tamb=25℃） 符號 參數(shù) 測試條件 最小值 最大值 單位 Vm 工作電壓范圍 —— 3 5 V Im 工作電流 無負載 Vm=3V 50 uA Vm=5V 100 Vos 輸入失調電壓 Vm=5V 50 mV Ios 輸入失調電流 Vm=5V 50 mA 續(xù)表2.3 BISS0001直流特性參數(shù):（除特殊說明外，Tamb=25℃） Avo 開環(huán)電壓增益 Vm=5V,RL=105M? 60 dB CMRR 工模抑制比 Vm=5V,RL=105M? 60 dB V?h 運放輸出高電平 Vm=5V Rl=500K?接1/2Vm 4.25V V V?l 運放輸出低電平 0.75 V Vrm Vc端輸入高電平 Vm=5V 1.1 V Vrl Vc端輸入低電平 0.9 V Voh Vc端輸出高電平 Vm=5V 4 V Vol Vc端輸出低電平 Vm=5V 0.4 V Vah A端輸入高電壓 Vm=5V 3.5 V Val A端輸入低電壓 Vm=5V 1.5 V 2.4.2 BISS0001工作原理 BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。以下圖所示的不可重復觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。 首先，根據實際需要，利用運算放大器OP1組成傳感信號預處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當VDD=5V時，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3是一個條件比較器。當輸入電壓VcVR時，COP3輸出為高電平，進入延時周期。 當A端接“0”電平時，在Tx時間內任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結束，即所謂不可重復觸發(fā)工作方式。當Tx時間結束時，Vo下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進入封鎖周期Ti。在Ti時間內，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負載切換過程中產生的各種干擾[13]。 1、不可重復觸發(fā)工作方式 以下圖2.8所示的不可重復觸發(fā)工作方式下的波形，來說明工作過程。 圖2.8 BISS0001不可重復觸發(fā)工作方式 以下圖2.9所示的可重復觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。 可重復觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內一直保持有效狀態(tài)。 在Tx時間內，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結束后Vo恢復為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。 2 、可重復觸發(fā)工作方式 以下圖2.9所示的可重復觸發(fā)工作方式下的波形，來說明工作過程。 圖 2.9 BISS0001可重復觸發(fā)工作方式 當熱釋電紅外傳感器接收到人體紅外輻射后輸出檢測信號，然后由14腳輸入BISS0001,經地內部電路處理，由2腳輸出探測信號（正向脈沖信號）。輸出脈沖信號的寬度由外接電阻R9和電容C6來決定。當2腳輸出控制脈沖后，電子開關被接通，數(shù)字編碼電路和無線電發(fā)射電路由于得到電源而開始工作。電源變壓器為5W/15V，E為12V免維護蓄電池，供停電使用。S1為鎖控電源開關，可根據需要安裝在適當處所，用來接通工作電源，無必要時可取消設置。SCR采用1A的單向可控硅。HFC9301為軟封裝發(fā)聲電路，發(fā)聲為“嘀、嘀”聲。電路的調試主要是主機與各分機之間的統(tǒng)調。將發(fā)射電路和接收電路組裝好后，先將發(fā)射機中C10的調至適當位置后固定不動，接著調整接收機中的C1，使接收機能收到發(fā)射機發(fā)出的信號。若為“一對多”或“多對一”報警系統(tǒng)，應先將主機“一”（可以是發(fā)射機，也可以是接收機 ）調好固定，然后調整各分機，使其與主機統(tǒng)調。BISS0001 應用線路圖如2.10所示： 圖 2.10 BISS0001的熱釋電紅外開關應用電路圖 上圖中，運算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器OP2進行第二級放大，再經由電壓比較器COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號Vo經晶體管T1放大驅動繼電器去接通負載。 上圖中，R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。SW1是工作方式選擇開關，當SW1與1端連通時，芯片處于可重復觸發(fā)工作方式；當SW1與2端連通時，芯片則處于不可重復觸發(fā)工作方式。圖中R6可以調節(jié)放大器增益的大小，原廠圖紙選10K，實際使用時可以用3K，可以提高電路增益改善電路性能。輸出延遲時間Tx由外部的R9和C7的大小調整，觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R10和C6的大小調整，R9/R10可以用470歐姆，C6/C7可以選0.1U。在BISS0001的內電路中，運放A是一個獨立的放大器，由它放大后輸出的信號電壓通過[14]。 2.5 菲涅爾透鏡原理 菲涅爾鏡片是根據法國光物理學家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應角度大，焦距遠；圓環(huán)線刻錄的深感應距離遠，焦距近。紅外光線越是靠進同心環(huán)光線越集中而且越強。同一行的數(shù)個同心環(huán)組成一個垂直感應區(qū)，同心環(huán)之間組成一個水平感應段。垂直感應區(qū)越多垂直感應角度越大；鏡片越長感應段越多水平感應角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應人體移動幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應人體移動幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場角度的制約，垂直和水平感應角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長形、方形、圓形，從功能分類為：單區(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段[15]。 2.5.1 鏡片主要有三種顏色： 聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。 白色主要用于適配外殼顏色。 三、黑色用于防強光干擾。鏡片還可以結合產品外觀注色，使產品整體更美觀。 　　菲涅爾透鏡是一種精密的光學系統(tǒng)，專門是用來與熱釋電紅外傳感器配套使用，其結構如圖2.11所示。 圖2.11 菲涅爾透鏡 它由經過特殊設計的透鏡組構成，上面的每個透鏡單元都只有一個不大的視場，相鄰兩個單元透鏡的視場即不連續(xù)也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。當熱源(比如人)在透鏡前運動時，順次從某一單元透鏡視場進入又退出，投射信號會出現(xiàn)一個接一個的斷續(xù)信號，但是熱源信號始終都是集中在透鏡中部的。將連續(xù)的熱源信號變成斷續(xù)的輻射信號，使熱釋電傳感器能正常工作。 菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上；第二個作用是將探測區(qū)域內分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號。 2.5.2菲涅爾透鏡的主要技術指標 ①外形尺寸，根據傳感器和探測摘要來設計和生產不同尺寸的透鏡。 ②水平視角和垂直視角，它表明透鏡的可監(jiān)視范圍。 ③焦距，它表明鏡片與傳感器的安裝距離[16]?！? 2.6步進電機 步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機：它將電脈沖信號轉變成角位移．即結一個脈沖信號，步進電動機就轉動一個角度．因此作常適合于單片機控制。近30年來．數(shù)字技術、計算機技術和水磁材料的迅速發(fā)展．推動廠步進電動機的發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣鬧的前景。 步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比具有良好的跟隨型。以由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽?。同時．它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉外數(shù)控系統(tǒng)。步進電動機的動態(tài)響應快。易于起停、正反轉及變速。速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)。低速低仍能保證獲很大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。步進電動機只能通過脈沖電源供電才能遠行。它不能直接使用交流電源和直流電源[17]。 3硬件設計 3.1單片機最小系統(tǒng)電路 AT89C52是自動門系統(tǒng)的控制核心， 一般情況下以單片機片內的基本硬件資源為主,，有必要時再擴展部分外部器件。在本設計中需要完成的控制比較簡單，以單片機片內的基本硬件資源完全可以實現(xiàn)， 因此不需擴展。其單片機最小電路圖如圖3.1。 圖3.1 單片機最小系統(tǒng)電路圖 3.2紅外檢測電路 紅外檢測電路主要由熱釋電紅外傳感器和檢測放大電路組成, 核心元件是熱釋電紅外傳感器, 它能以非接觸形式檢測人體輻射出的紅外線能量變化,并將此變化轉化為電壓信號輸出。不需要紅外線和電磁波發(fā)射源以及各種主動接觸開關由于敏感元件的輸出電壓極微弱且其阻抗很高, 故在傳感器內部設有場效應管及偏置厚膜電阻, 從而構成信號放大及阻抗變換電路, 一般熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低, 檢測距離僅2m 左右。當有人靠近自動門時,被熱釋電紅外傳感器接收下來, 并將其轉換成信號, 經檢測放大電路內部放大等處理后輸出給單片機[18]。其熱電釋紅外檢測電路如圖3.2所示。 圖3.2 熱電釋紅外檢測電路 3.3步進電機的鏈接 利用ULN2803以及AT89C52設計的步進電機驅動電路如圖3.3所示。 圖3.3步進電機的連接圖及故障報警電路 本設計所采用的步進電機是國產20BY-0型步進電機，它使用+5V直流電源，步距角為18度。電機線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，驅動方式為二相激磁方式。電機示意圖和各線圈通電順序如圖3.4和表3.1所示： 圖3.4 步進電機原理圖 表3.1 各線圈通電順序表 相順序 A B C D 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 0 0 1 1 3 1 0 0 1 相順序從0到1稱為一步，電機軸將轉過18度，0à1à2à3à4則稱為通電一周，轉軸將轉過72度，若循環(huán)進行這種通電一周的操作，電機便連續(xù)的轉動起來，而進行相反的通電順序如4à3à2à1將使電機同速反轉。通電一周的周期越短，即驅動頻率越高，則電機轉速越快，但步進電機的轉速也不可能太快，因為它每走一步需要一定的時間，若信號頻率過高，可能導致電機失步，甚至只在原步顫動。 此電機是通過芯片ULN2803來驅動的，下面介紹一下該芯片： ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封裝方式。8個NPN達林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路（諸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口。所有器件具有集電極開路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設計與標準TTL系列兼容。 該電路的特點如下： 具有達林頓管驅動器，高耐壓，大電流等特點。器件編號：ULN2803；封裝類型：AP=DIP18,AFW=SOL18；輸出擊穿電壓：50(V)；輸出電流：500(mA)；輸入電阻：2.7k(Ω)； 推薦輸入電壓：5(V)；溫度范圍:-40℃～+85℃；不要超過每個驅動器的電流的限制[19]。 圖3.5 ULN2803內部方框圖 3.4電源模塊設計 圖3.6 電源模塊電路圖 此電源模塊通過整流橋和7805芯片實現(xiàn)電壓的轉換，通過變壓器和整流橋先將220V交流電壓轉換成+/-8.8V的電壓。變壓器的匝數(shù)比N1:N2=1:0.04。轉換達到的電壓可用于供本設計中的AT89C52、BISS0001和國產的20BY-0型步進電機用電。 4系統(tǒng)軟件設計及調試 4.1系統(tǒng)軟件結構 整個系統(tǒng)軟件主要由主程序、開門子程序、關門子程序、T0中斷服務程序、T1中斷服務程序、外部中斷服務子程序組成。主程序主要是完成系統(tǒng)進行初始化、中斷設置等功能。程序設計中設置了一個外部中斷0，它保證紅外自動門能夠在無人操控情況下自動運行，主要功能是當檢測到有人出入門時，啟動電機，從而實現(xiàn)自動開關門的目的。 4.2各部分程序流程設計 在開門過程中首先進行門狀態(tài)檢測，根據所檢測到的信號判斷自動門上次停機所處位置。根據檢測結果確定門此刻應運行方式，如檢測出門是半開狀態(tài)，門直接轉入加速開門的過程。如檢測出門是全開狀態(tài)，門轉入延時開門過程。如檢測出門是全關狀態(tài)，那么在檢測到有人出人時，門會緩慢打開，之后加速運行，接著減速運行，最后電機停止運轉，門由于慣性緩慢關閉。自動門開門后暫停一段時間，然后關門。關門是開門的一個反過程，它經過慢速運行、加速運行、減速運行、慣性運動直至停止這幾個過程。在自動門關閉過程中當系統(tǒng)接收到由紅外線傳感器電路發(fā)出的有人出入的信號時，門會重新打開。與開門情況不同的是當在關門過程中檢測到故障信號時門會朝反方向運動，將門打開，這樣可以排除因自動門遇到障礙物或人身體而產生故障信號使整個系統(tǒng)停止工作的可能[20]。 為了運行過程可靠，在以不同速度運行過程中，對運行時間做了安全設置，當在開門狀態(tài)下檢測到運行時間超過安全時問或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，程序轉人故障處理程序。 各個部分程序如下所示： 系統(tǒng)主程序流程圖 Y N 開始 定時器T0、T1的設置 中斷優(yōu)先級設置 系統(tǒng)終止 開外部中斷1 開定時器T0 關外部中斷1 開定時器 開中斷 系統(tǒng)故障 手動方式 Y N 圖4.1 主程序流程圖 開門子程序流程圖 Y Y 返回 開門 電機減速 門狀態(tài)檢測 電機加速 電機停止 加速 減速 停止 N Y N N 圖4.2 開門子程序流程圖 開門中斷程序流程圖 開門子程序 中斷返回 裝載T0常數(shù) 開中斷 關門子程序 關T0中斷 讀按鍵操作 加速 開門否 Y Y N N 圖4.3 開門中斷程序流程圖 4.3門行程檢測及故障檢測 門行程檢測電路通過檢測門行程開關的閉合情況來發(fā)送不同的信號，使電機改變轉速，進而控制門運行的速度以提高運作效率，為了保護門不受到損害和保證門運行效率，在門行程檢測電路中設置了四個行程開關。它們分別代表開門極限、行程極限1、行程極限2、關門極限。門在開啟過程中，分別經過慢速、加速、減速和停止四個過程，門的關閉過程則與上述過程相反。門運行到極限位置時，限位開關動作，單片機根據接收到響應的信號，改變電機運行速度[15]。 在故障檢測電路中，配置了溫度和速度傳感器，用來監(jiān)測電機的工作情況，從而實現(xiàn)電機過熱保護和門運行障礙保護，同時還設置了電壓監(jiān)控電路，用于檢測系統(tǒng)異常情況。檢測電路首先將檢測到的信號轉換成電壓，然后經單片機內部的戶以轉換器變成數(shù)字信號，單片機定期讀取數(shù)據，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據異常，即馬上采取相應的緊急措施，向系統(tǒng)發(fā)出故障信號，系統(tǒng)停止工作，向故障顯示電路發(fā)出指令，發(fā)出報警信號并顯示故障類型[16]。 5設計工作總結 在此次有關自動門的控制系統(tǒng)的設計，讓我感覺到了單片機的復雜深度性，它很貼切我們的日常生活，無所不在，應用無處不有，它并不是想象中的那么簡單，也并非是無法克服的堡壘。 設計硬件之前，要首先收集好有關的基礎性資料，應備有良好的應用類參考書和專業(yè)類參考書。對于有關的科技期刊和專利文獻，也要經常閱讀以便了解最新的發(fā)展情況，借鑒現(xiàn)成的經驗，避免重復勞動。在設計中，要充分了解所用芯片的使用條件及輸入輸出的特性，這樣才能避免因使用錯誤而多走彎路。 電路設計部分應該有的精神就是廣集資料。只憑借自己頭腦中的知識是遠遠不夠的。哪里出現(xiàn)了問題，就要翻書本，或上網查資料。當然也要開動自己的腦筋怎樣使系統(tǒng)電路更完美。例如我的設計題目是智能紅外自動門控制系統(tǒng)。有自動門，自然會用到電動機，每種電機都有不同的特性和功能，你就要進行選擇了。例如對電機的選擇，你就要選擇你所熟悉的，所了解的。 在電路設計時，應充分發(fā)揮單片機的記憶運算、判斷控制能力，避免采用復雜的、穩(wěn)定性較差的模擬電路。 本設計程序以匯編語言語言編寫，易于讀寫、易于調試和修改，同時匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標程序占用內存空間少，運行速度快。 為了使微機控制系統(tǒng)各種硬件設備能夠正常運行，有效地實現(xiàn)電機各個控制環(huán)節(jié)的實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持。因此用匯編語言編寫電機單片機實施控制的應用程序，是整個系統(tǒng)中十分重要的內容。 最后我非常感謝學校和老師給我們這么好的學習機會，讓我親身去體會一個項目開發(fā)的艱難性，第一次站在一個設計者的角度去看，體會到了他們的艱辛，同時我也感受到了老師對我們的付出，對我們的精心指導，讓我順利完成這次學習任務。 附錄A：設計電路原理圖 附錄B：程序源代碼 主程序： 　 MOV R4，A 　　 INC R1 CLR R5，A SUBB A，R4 XCH A，R4 DEC R1 SJMP LP2 JB 00H，ROLE SPEED0 BIT P1.0 ； 門行程行狀1 SPEED1 BIT P1.1 ； 門行程行狀2 SPEED2 BIT P1.2 ； 門行程行狀3 SPEED3 BIT P1.3 ； 門行程行狀4 KEYDOOROPEN BIT P1.4 ； 手動門開按鈕 KEYDOORCLOSE BIT P1.5 ； 手動門關按鈕 MODE BIT P1.6 ； 手動/自動切換 DOOROPEN BIT P2.4 ； 門開驅動信號 DOORCLOSE BIT P2.5 ； 門關驅動信號 SIGNAL BIT P2.6 ； 紅外線傳感器信號 HSPEED BIT P2.7 ； 電機速度變換 DOORSTATE BIT 00H ； 門狀態(tài) RERROR BIT 01H ； 系統(tǒng)故障 ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP INT0 ORG 000BH AJMP T0 ORG 001BH AJMP T1 ORG 0050H START: CLR DOOROPEN ； 關電機驅動 CLR DOORCLOSE MOV TMOD, #11H ； 定時器工作方式 MOV TLO,#OFOH ； 置定時器常數(shù), MOV TH0,#08DH MOV TL1,#0E0H MOV TH1,#0B1H MOV TCON,#50H MOV IP,#08H ； 優(yōu)先級設置 MOV IE,#80H ； 開中斷 LOOP: ACALL SYSERROR ； 調用系統(tǒng)故障子程序 JB RERROR,WAIT ； 有故障等待處理 MOV A,P2 ANL A,#OFH JNZ WAIT ； 無按鍵等待 JB MODE,AUTO ； 運行方式判斷 CLR EXO SETB ETO SJMP LOOP AUTO: SETB ETO SJMP LOOP WAIT: SJMP $ ； 等待 開門子程序： DOOR_OPEN:JB DOORSTATE, LOOP3 ； 門已開退出 CLR HSPEED CLR DOORCLOSE SETR DOOROPEN ； 低速啟動 JNP SPEED1,$ SETB HSPEED ； 高速開門 JNB SPEED2,$ CLR HSPEED ； 低速運行 JNB SPEED3,$ CLR DOOROPEN ； 停機 SETB DOORSTATE ； 保存門狀態(tài) LOOP3：RET 關門子程序: DOOR_CLOSE:JNB DOORSTATE, LOOP4 ； 門已關退出 CLR HSPEED CLR DOOROPEN SETB DOORCLOSE ； 低速啟動 JB SPEED2,$ CLR HSPEED ； 高速關門 JB SPEED0,$ CLR DOORCLOSE ； 停機 CLR DOORSTATE LOOP4: RET T0中斷服務程序: T0： CLR ET0 ； 關中斷 JB KEYDOOROPEN， LOOP ； 開門否 ACALL DOOR_OPEN ； 調開門子程序 SJMP