毕业论文-3D电梯光幕保护系统44420.pdf

分类号： u d c ：密级： 学校代号： 学号： 广东工业大学硕士学位论文 ( 工学硕士) 3d 电梯光幕保护系统 李东 指导教师姓名、职称： 企业导师姓名、职称： 专业或领域名称： 学生所属学院： 论文答辩日期： 1 1 8 4 5 2 11 0 9 0 3 0 0 3 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e 3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i np r o t e c t i o ns y s t e m m a s t e rc a n d i d a t e ：l id o n g s u p e r v i s o r ：p r o f t a n gl u x i n m a y2 0 1 2 s c h o o lo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u g u a n g d o n g ，p r c h i n a 。5 1 0 0 0 6 摘耍 摘要 随着高层建筑的不断增加和人们对舒适性的要求越来越高，电梯应用越来越广 泛，电梯安全问题日益突出，人们对电梯门保护装置安全性与可靠性提出更高要求。 电梯门保护装置发展经历了机械式触板、光电眼、二维红外光幕。红外光幕存在一 定检测盲区，也没有预测，因此人们还在不断探索研究更加完善的保护装置。本文 提出一种高可靠性的3 d 电梯光幕保护系统，它由二维红外光幕与3 d 检测模块组合 而成，其中二维光幕是快速硬件电路检测厢门之间的区域，3 d 检测模块是根据热释 电红外传感器( p i r ) 对移动红外辐射的人体进行检测，从而实现对电梯门区域无盲 区三维检测和趋势检测。 论文首先分析国内外电梯光幕保护系统的技术现状和发展方向，利用可靠性理 论指导3 d 电梯光幕保护系统设计，从多个环节提高可靠性和实验寿命。其中二维红 外光幕是采用两个单片机分别控制发射和接收部分，由通信线完成两个单片机的同 步通信工作，无连接通信方式作为备用方式，提高系统可靠性。系统采用一对多的 红外发射和接收的方式，红外发射模块使红外发射管按照一定的顺序依次发光，红 外接收模块一次性快速移位接收信号、并行存储，再串行输出接收信号，提高了存 储速度和可靠性。二维红外光幕通过对系统位置距离状态检测分析，自适应控制发 射管发光强度，距离越近发光强度越小，从而提高了系统的可靠性和发射管寿命： 通过软件设计使系统具有差错冗余功能和休眠功能，提高可靠性，达到节能的效果； 另外通过电路与结构设计，使系统具有很强的抗电磁干扰和杂光干扰能力。3 d 检测 模块是对门外区域自上而下形成一种“光幕“ 保护，从而与二维红外保护区域形成 三维检测。3 d 检测模块利用p i r 进行被动式检测对移动的人进行检测，从而使系统 具备趋势检测功能。 通过测试表明，基于红外和热释电技术的3 d 电梯光幕系统具有趋势检测，可 靠性、灵敏度、响应时间等方面都有明显提高，其实验过程和结果都达到了设计要 求和目的。 关键词：电梯光幕，单片机，热释电红外，3 d 检测 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fh i g h r i s eb u i l d i n g sa n di n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n df o rc o m f o r t ， e l e v a t o ru s e dm o r ew i d e l y ，e l e v a t o rs a f e t yp r o b l e mi n c r e a s i n g l y ，p e o p l eo nt h ee l e v a t o r d o o rp r o t e c t i o nd e v i c es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t t h et h ed e v e l o p m e n to fe l e v a t o rd o o rp r o t e c t i o nd e v i c ee x p e r i e n c e d am e c h a n i c a lt o u c hp a n e l s ，p h o t o e l e c t r i ce y e ，t w o d i m e n s i o n a li n f r a r e dl i g h tc u r t a i n s t h e r ea r es o m ei n f r a r e dd e t e c t i o no fb l i n da r e a , a l s od i dn o tp r e d i c t ，s op e o p l ew i l lc o n t i n u et oe x p l o r em o r ep e r f e c tp r o t e c t i o nd e v i c er e s e a r c h t h i sp a p e rp r e s e n t sah i g hr e l i a b i l i t yo ft h e3d e l e v a t o rl i g h tc u r t a i n sp r o t e c t i o ns y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so f2da n d3do fi n f r a r e dt e s t i n gm o d u l e sa n d b e c o m e ，a m o n gt h e m2dl i g h tc u r t a i n si sf a s th a r d w a r ec i r c u i tt e s t i n gc o m p a r t m e n t sg a t eb e t w e e nt h ea r e a ，3dd e t e c t i o nm o d u l ei sa c c o r d i n gt op y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r ( p i r ) f o rm o b i l ei n f r a r e dr a d i a t i o no ft h eh u m a nb o d yf o rt e s t i n g ，s o 觞t oa c h i e v et h ee l e v a t o rd o o ra r e aw i t h o u tb l i n da r e a3dd e t e c t i o na n dt r e n dd e t e c t i o n t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h es t a t u sa n dd i r e c t i o no ft h ed o m e s t i ca n df o r e i g n e l e v a t o rl i g h tc u r t a i ns y s t e md e v e l o p m e n ta n dd e s i g nw i t hr e l i a b i l i t yt h e o r yt oi m p r o v e t h er e l i a b i l i t ya n dl i f ee x p e r i m e n t t h et w o - d i m e n s i o n a ll i g h tc u r t a i ni sac o n n e c t e d s i m p l ec o m m u n i c a t i o na n dr a p i ds h i f tt or e c e i v ei n f r a r e ds i g n a lo ft h el i g h tc u r t a i n p r o t e c t i o ns y s t e m t h es y s t e mu s e t w oc h i p so nb o t hs i d eo ft r a n s m i t i n ga n dr e c e i v e i n g p a r t i tt a k en o n - c o n n e c t e dc o m m u n i c a t i o na ss t a n d b ym e t h o d t h o s et w om e t h o db o t h c a r lc o m p l e t et h es y n c h r o n u sw o r k t h ee m i t t e rl i g h t e n e di na no r d e rw h i l et h er e c e v e r p a r ta b s o r bs i g n a l sd i s p o s a b l y , n a m e da sam o d eo f o n et om a n y w a sa d o p t e d t h e s i n g a l sw i l lb es t r o a g e dp a r a l l e l l ya n do u t p u ti nas e r i a l ，w h i c hc a ni m p r o v e st h es t o r a g e s p e e dh i g h l y f u n c t i o no fe r r o rr e d u n d a n c ya l s ob e i n gu s e di n t h es y s t e m ，s oi tc a n r e c o v e rt ot h en o r m a lc o n d i t i o nw h e na n yt w on o n a d ja c e n tt u b e sw e r eb l o c k e do rb r o k e n t h es y s t e mw i t ha d a p t i v ec o n t r o lf u n c t i o n ，i n f r a r e dl e dl u m i n o u si n t e n s i t yc 粗b e c o n t r o l l e da c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td e t e c t i o nd i s t a n c e ，i tc o i li m p r o v et h ec a p a c i t ya n d l i f e t i m eo ft h es y s t e m si n t e r f e r e n c e i th a sas l e e pf u n c t i o n , w h e nd e t e c t e dw i t h o u tt h e u s eo ft h ee l e v a t o r , t h es y s t e mi n t os l e e pm o d e ，t oi m p r o v et h el i f eo ft h es y s t e m b e s i d e s ， n 俩费 w ed e s i g n e ds p e c i f i cc i r c u i ta n ds t r u c t u r et oi m p r o v et h ea b i l i t yo fe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c ea n ds t r a yl i g h ti n t e r f e r e n c e w ea p p l i e dm a n yt e s t sa n dt h er e s u l ts h o w st h a t t h i ss y s t e mi so fh i g hs p e e da n dh i g hr e l i a b i l i t y 3 dd e t e c t i o nm o d u l eu s e sp i rp a s s i v e d e t e c t i o no u t s i d et h er e g i o nt of o r mat o p - d o w n ”l i g h ts c r e e n ”p r o t e c t i o n ，a n dt h u st h e f o r m a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a ld e t e c t i o nw i t ht w o - d i m e n s i o n a li n f r a r e dp r o t e c t e da r e a s 3dd e t e c t i o nm o d u l ew i t h o u ts t a t i ct r i g g e ro n l yw h e nt h em o v i n gi n t ot h e3d d e t e c t i o n z o n ew i l lt r i g g e rt h e3 dd e t e c t i o no ft h ep i r ，s ot h a tt h es y s t e mw i t ht r e n dd e t e c t i o n t h et e s t ss h o wt h a t ，b a s e do ni n f r a r e da n dt h e r m a l p y r o e l e c t r i c3 de l e v a t o rl i g h t c u r t a i ns y s t e mr e s p o n s e ，h i g hs e n s i t i v i t y , h i g hr e l i a b i l i t y ，r e s p o n s et i m ei n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y , t h ee x p e r i m e n t a lp r o c e s sa n dr e s u l t sh a v er e a c h e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s a n do b j e c t i v e s k e y w o r d s ：e l e v a t o rl i g h tc u r t a i n s ，m c u ，p y r o e l e c t r i ci n f r a r e ds e n s o r , 3 dd e t e c t i o n i ! i 广东工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 1i 目录lv c o n t e n t s v l 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 电梯光幕的国内外现状2 1 3 本课题研究的主要内容4 第二章3 d 电梯光幕工作原理与可靠性6 2 1 光幕的原理和应用6 2 23 d 电梯光幕的基本原理7 2 2 1 二维电梯光幕的基本原理8 2 2 23 d 检测模块工作原理1 1 2 3 模块同步通信原理1 2 2 4 光强调节与休眠功能1 4 2 53 d 电梯光幕的可靠性分析方法1 5 2 5 1 可靠性概述15 2 5 2 电梯光幕的可靠性设计1 6 2 5 3 论证电梯光幕的可靠性指标17 第三章3 d 电梯光幕系统硬件设计2 1 3 1 系统总体设计2 1 3 23 d 电梯光幕的硬件设计2 2 3 2 1 单片机系统2 2 3 2 2 红外发射模块设计2 3 3 2 3 红外接收模块设计2 7 3 2 43 d 检测模块设计3 0 3 3 硬件系统抗干扰设计3 2 目录 3 4 分析硬件可靠性并建立模型3 4 3 4 1 工艺与电路设计可靠性分析3 4 3 4 2 建立硬件可靠性分析3 4 第四章系统软件设计3 7 4 1 软件系统总体结构3 7 4 2 系统各模块的程序设计3 8 4 2 1发射模块程序设计3 8 4 2 2 接收模块程序设计+ 3 9 4 2 33 d 检测程序结构4 1 4 3 软件抗干扰措施4 1 第五章测试实验4 3 5 1 系统硬件测试4 3 5 2 系统总体性能测试，4 4 结论4 9 参考文献5 1 攻读学位期间发表的论文及其他科研成果5 4 独创性声明5 5 致谢5 6 附录a3 d 电梯光幕系统实物图5 7 v u 1 3r e s e a r c hf o u n d a t i o na n dc o n t e n t 4 c h a p t e rt w oo p e r t a t i n gp r i n c i p l eo f3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i na n dr e l i a b i l i t y a n a l y s i sm e t h o d s 2 1t h ep r i n c i p l ea n da p p l i c a t i o no fl i g h tc u r t a i n 6 2 2t h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h e3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i n s 7 2 2 1t h eb a i s i cp r i n c i p l eo ft h e t h et w o - d i m e n s i o n a le l e v a t o rl i g h tc u r t a i n s 8 2 2 23 dd e t e c t i o nm o d u l eo p e r a t i n gp r i n c i p l e 10 2 3s y n c h r o n i z a t i o np r i n c i p l eo ft h e3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i n 12 ：! 4l i g h ti n t e n s i t ya n ds l e e pf u n c t i o n 1 3 2 5t h er e l i a b i l i t yo f a n a l y t i c a lm e t h o d sf o r t h e3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i n 14 2 5 1t h eo v e r v i e wo ft h er e l i a b i l i t yt h e o r y 14 2 5 2t h ea n a l y s i so ft h ee l e v a t o rl i g h tc u r t a i n sr e l i a b i l i t y 15 2 5 3d e m o n s t r a t et h er e l i a b i l i t yi n d e xo ft h ee l e v a t o rl i g h tc u r t a i n 16 c h a p t e rt h r e e 3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i ns y s t e mh a r d w a r ed e s i g n 2 0 3 1t h eh o l i s t i cd e s i g no f3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i ns y s t e m 2 0 3 2h a r d w a r ed e s i g no f3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i n 21 3 2 1 s i n g l e c h i ps y s t e m 21 3 2 2i n f r a r e dt r a n s m i t t e rm o d u l ed e s i g n 2 2 3 2 3i n f r a r e dr e c e i v e rm o d u l ed e s i g n 2 6 ：i 2 43 dd e t e c t i o nm o d u l ed e s i g n 2 9 3 3d e s i g no f t h eh a r d w a r ea n t i - i n t e r f e r e n c eo f t h es y s t e m 一3 l 3 4a n a l y s i so fh a r d w a r er e l i a b i l i t ya n dm o d e l i n g 一3l c o n t c n t s 3 4 1t e c h n o l o g ya n dc i r c u i td e s i g nf o rr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ”3 2 3 4 2h a r d w a r er e l i a b i l i t ym o d e l 3 2 c h a p t e rf o u r 3 de l e v a t o rl i g h tc u r t a i ns y s t e ms o f t w a r ed e s i g n 3 5 4 1s y s t e ms o f t w a rh o l i s t i cs t r u c t u r e 3 5 4 2p r o g r a md e s i g no fe a c hm o d u l eo ft h es y s t e m 3 6 4 2 1t r a n s m i t t e rm o d u l ep r o g r a m m i n g 3 6 4 2 2r e c e i v e rm o d u l ep r o g r a m m i n g 3 7 4 2 33 dd e t e c t i o nm o d u l ep r o g r a m m i n g 3 9 4 3d e s i g no ft h es o f t w a r ea n t i - i n t e r f e r e n c eo ft h es y s t e m 3 9 c h a p t e r f i v et e s t i n gl a b o r a t o r y 4 1 5 1t e s tm e t h o d sa n dc a l c u l a t i o n s 41 5 23 d e l e v a t o rl i g h tc u r t a i no v e r a l ls y s t e mp e r f o r m a n c et e s t ：4 3 c o n c l u s i o n r e f e r e n c e s 4 7 4 9 t h e s i sp u b l i s h e dd u r i n gt h es t u d yf o rd e g r e e p r o m e t h e a nd e c l a r e a c k n o w l e d g e m e n t s 5 2 5 3 ：_ 5 4 a p p e n d i xa 3 dm a t e r i a lo b j e c tp i c t u r eo ft h ee l e v a t o rl i g h tc u r t a i ns y s t e m 5 5 v 第一童绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 据统计，电梯故障以及电梯对乘客的伤害事故，其中一部分是由电梯门造成的 i 。因此保证电梯门的安全运作成为电梯制造行业的重要课题。通常将电梯门保护 装置包括机械式和电气式两种【列。机械式安全触板通常由左右两条铝合金触板及其 联动机构、行程开关组成。但机械式安全触板只有被“撞”到时才起作用，对接触 不到的物体就无能为力，而且被“撞“ 一下，总有窘迫或不被尊重的感觉，也容易 磨损、受潮、生锈，近年逐渐被非接触式的红外光幕保护系统取代。二维电梯光幕 是一种光线式电梯门保护装置，用于保护乘客的安全。红外光幕具有检测距离长、 反应灵敏、与物体无接触等特点，系统安全可靠性高，所以目前广泛应用于各种客 梯、货梯中。随着电梯速度的越来越快和舒适性的要求越来越高，人们对这种安全 设施的可靠性提出了更高的要求。在二维电梯光幕中，当电梯门在关闭快要合拢的 期间，往往靠用手来遮挡电梯门，以至于使电梯光幕变得不安全，由此3 d 电梯光幕 的概念由此被人们提出来，3 d 是t h r e ed i m e n s i o n s 的简称，是三维的意思，3 d 电 梯光幕是指电梯光幕对电梯门的一个三维保护，对门外的人或物进行趋势检测，提 前输出控制信号，电梯为即将进入的乘客开门，使电梯系统更加智能化、人性化， 大大提升了电梯的安全性能，3 d 电梯光幕保护系统是电梯门保护装置的未来发展趋 势。 在中国电梯网上报道，2 0 11 年中国电梯销量达4 5 万部，与2 0 l0 年销量相比增 长2 3 ，电梯保有量约2 0 0 万部。每部电梯都要有一套电梯门保护系统，图1 l 是 中工研究报告网对2 0 0 7 年到2 0 1 1 年电梯光幕产量的总结报告，可见本课题具有很 大的市场前景。同时，在2 0 1 l 下半年国际知名品牌的电梯事故频发，引起了人们的 广泛关注，电梯的安全可靠性遭遇到了前所未有的挑战。虽然说电梯光幕只是电梯 系统的一部分，它对电梯系统的安全起着至关重要的作用，为此，对3 d 电梯光幕 系统进行可靠性理论指导和实验有着重大的意义。可靠性理论在西方的各行各业， 尤其是自动化工业和飞机制造业【2 1 。我国政府在1 9 7 8 年第一次重视可靠性理论， 由于消费者强烈要求，原国家工业局就对电视机等产品明确提出了可靠性、安全性 要求 3 0 0 0 1 2 根据最新 t ( 2 7 ) 其中，t 为产品的寿命、t 为规定的时间。当t = 0 时，r ( o ) = l ；当t = o o 时，r ( o o ) = 0 。 电梯光幕的可靠度是指在电梯光幕在工作的环境下能在设定时间内完成全部功 能的概率。 2 、失效率( 故障率) 九( t ) 失效率定义为当产品已工作至i jt 时亥l j 的条件下，在下阶段出的单位时间内发生 失效的条件概率( 取址一o 的极限值) 。其数学式为： ) = 慧群 ( 2 8 ) r 卜o 、一 - 、，一 失效率还可用曲线来形象表达，如图2 8 所示。失效率曲线两头高，中间低且 平坦，好像浴盆，俗称为浴盆曲线。 。、 早期f 禺然 失效 c ) 4失效失效 l 魄合试运 亍阶段 毽定运转阶段疲劳老化硷段 0ot ，t 图2 - 8 浴盆曲线 f i g 2 - 8t h eb a t h t u bc u r v e 从浴盆曲线来看，电梯光幕在寿命期内可靠性的变化可分为3 个阶段： ( 1 ) 早期失效期： 它位于曲线的左边的试运行阶段，即o t 。部分。电梯光幕在安装完毕并开始投 入运行时，发生初期失效的时期。在此期间失效率随电梯光幕运行时间的增长而下 降。例如：元器件烧坏、电路板上的锡焊不好等是造成初期失效的主要原因，加强 对元器件的选取，提高加工工艺，对进行整机测试和老化实验等方面提高电梯光幕 的可靠性。 1 8 第二章3 d 电梯光幕工作原理与可靠性 ( 2 ) 偶然失效期： 它位于曲线中部稳定运转阶段，即t 。t 。部分。该部分的特点是电梯光幕运行 时故障的机率较少比较稳定，失效率近似为常数，不随时间的变化而变化。而且这 个时期的失效多数是偶然因素引起的。偶然失效期是电梯光幕可靠工作的时期。 ( 3 ) 耗损失效期： 它位于曲线的右边疲劳老化阶段，即t 。之后的部分。这段时期是电梯光幕使用 的后期，主要产生耗损失效，其特点是失效率随时间的递增而上升，它的终点是指 电梯光幕经过一段时期的老化、疲劳和损耗后需要进行维修或更换的时刻。改善损 耗失效的方法是定期检查和更换光幕中电气寿命和机械寿命已达到极限的元器件。 以上谈到的三个时期，是电梯光幕使用寿命的大致情况。但是要注明的是，不 是所有时候电梯光幕的失效率与时间都一定符合图示曲线的形式。也并不是所有电 气部件都有3 个失效期，有的电气部件只有其中的1 个或2 个失效期。某些电气部 件质量低劣，则其偶然失效期很短，甚至在早期失效期后，紧接着就进入耗损失效 期f 2 3 1 。总之，保证电梯光幕的可靠性，第一步就是保证元器件的质量。 在设计研制研制的阶段需要做到对电梯光幕进行设计、试验及评估，包括可靠 性数据采集与分析、控制元器件的选择与使用，并由此建立可靠性模型进行分析。 据以往从技术上分析电梯光幕的故障，得出故障原因约6 0 7 0 是元器件的故 障，而元器件的故障多数是由于选用的不当，甚至是质量低下造成的。因而在设计 过程中，要提高电梯光幕的可靠性，就要对所涉及的各类元器件进行严格的筛选。 3 、有效寿命 产品的有效寿命定义为产品可有效工作的时间段，即因误操作等偶然因素而造 成的偶然失效期【2 5 1 。在图2 8 中可表达为：产品有效寿命= e t o ，t 1 。一般来说，电 梯光幕的有效寿命是3 年，即保证在正常使用的情况下，电梯光幕系统在3 年内不 应当出现故障。 可靠性模型是一种用来描述产品在执行任务过程中完成其规定功能的能力的模 型，包括一个可靠性框图及其有关的可靠性数学模型。可靠性模型按照建模方法可 分为：普通概率法、布尔真值表法、逻辑图法、蒙特卡罗模拟法。其中，逻辑图法 比较适合电梯光幕这样的产品，即利用逻辑图根据可靠性框图建立可靠性数学模型。 这种方法比普通概率法麻烦，但它是布尔真值表法的简化方法，通过各项合并来简 化任务可靠度公式。可靠性模型按照可靠性框图方式可分为串联和并联方式。串联 1 9 型，是一种“与”的关系。而并联模型是指所有元器件同时工作时，只要有一个元 件不发生故障，就不会引起电梯故障，是一种“或“ 的关系，这种模型也称为储备 模型。经过分析可以知道电梯光幕适用于建立串联模型。 建立可靠性模型一般遵循下列步骤： 1 、确定产品的完整定义，主要目的是确定目标任务； 2 、绘制可靠性框图，利用方框图表示产品各单元的独立性和相关性。需要注意 的是这些方框图只表示各单元的可靠性关系的连接，并不具有物理意义： 3 、建立可靠性模型，可以是单一串联、单一并联和串、并联组合的系统： 4 、计算系统可靠度。 第三章3 d 电梯光幕系统硬件设计 第三章3 d 电梯光幕系统硬件设计 本章主要结合了红外技术应用，对整个系统的硬件设计及实现进行详细的介绍， 硬件设计包括红外发射、红外接收以及3 d 检测。该3 d 电梯光幕系统以a t m e g a 8 l 为核心，由红外发射管、红外接收管、热释电传感器、信号处理电路构成3 d 电梯光 幕系统，最后介绍了相关的硬件抗干扰技术以及硬件可靠性分析。 3 1 系统总体设计 本文采用二维电梯光幕和热释电技术组合一套3 d 电梯光幕系统。根据系统整体 硬件结构图，如图3 - 1 示，可以分为以下几个部分： 1 、红发发射部分，主要负责调制出3 8 k 的信号，并且使红外发光管依次发光。 2 、红外接收部分，主要负责接收红外发光管发出来的信号以及3 d 检测模块传 递的信号，分析整合信号后输出一个开关门信号。 3 、3 d 检测模块，主要检测电梯门外的人或物，并告诉红外接收部分的单片机 检测结果。 图3 1 系统整体硬件结构框图 f i g 3 1h o l i s t i cs y s t e mh a r d w a r es t r u c t u r ed i a g r a m 2 i 广东工业大学硕士学位论文 3 2 3 d 电梯光幕的硬件设计 3 2 1 单片机系统 为了使系统在- 4 0 0 c - 7 0 0 c 之间还可以可靠的工作， 在0 0 c 以上，因此系统选择工业级处理器芯片；为了使 须选择一种特殊结构的处理器，其处理器的运行速度快；系统的数据处理模块的算 法比较复杂，因此系统选择具有大容量程序存储器的处理器：综合以上考虑因素， 本系统的硬件处理器是基于高性能、低功耗、a v rr i s c 结构的a t m e g a 8 l ，它是一种 c m o s 工艺的8 位单片机，是a v r 中高档产品，在功耗、接口功能、可靠性、抗干扰 等方面优于同系列其他产品。a t m e g a 8 l 的工作温度范围是- 4 0 0 c - 8 5 0 c ，其内部核心 将工作寄存器与指令级结合，这种独特的结构特点可以完成在一个时钟周期内执行 一条指令同时读写两个独立寄存器的操作，运行速度比普通的单片机高，使得大部 分指令的执行时间仅为一个时钟周期，其芯片内部集成了8 k b 的f l a s h 程序存储器， 还可以提供硬件接口电路，具有a v r m e g a 系列单片机的全部性能和特点【2 们，能够完 成系统设计的要求。近年来，a t m e g a 8l 单片机以稳定、优良的性能广泛应用到仪 器仪表、自动化控制中，降低了嵌入式测控应用案例的低成本。 a t m e g a 8 l 单片机的主要性能特点如下【2 7 1 ： l 、高性能、低功耗的8 位a v r 微控制器，先进的r i s c 精简指令集结构，1 3 0 条功能强大的指令，大多数为单周期指令，3 2 个8 位的通用工作寄存器，系统时钟 o 8 m h z 。 2 、片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器。可擦写次数大于1 0 0 0 0 次；5 1 2 b 的e 2 r r o m ，擦写次数至少1 0 0 0 0 0 次；支持可在线编程( i s p ) 和可应用自 编程( i a p ) ；可编程的程序加密位；1 k b 的内部s r a m 。 3 、丰富强大的外部接口。3 个p w m 通道，可实现任意1 6 位以内的、相位和频 率可调的p w m 脉宽调制输出：6 通道a d 转换；一个1 2 c 的串行接口，一个可编程 的u s a r t 接口：一个支持主从、收发的s p i 同步串行接口；2 个带预分频的8 位 定时计数器，1 个带预分频的1 6 位定时计数器：带片内r c 震荡器的可编程看门 狗定时器。其引脚配置如图3 - 1 所示。 4 、特殊的微控制器性能。上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路；内 部和外部共1 8 个中断源：5 种休眠模式( 空闲模式( i d l e ) 、a d c 噪声抑制模式、省 第三章3 d 电梯光幕系统硬件设计 电模式、掉电模式、待命模式) 。 5 、工作电压和功耗。a t m e g a 8 l 工作电压2 7 v 5 5 v ；在正常模式下，功耗为 3 6 m a ；在空闲模式下，功耗为1 o m a ；在掉电模式下，功耗为0 5 u a 。 f l 汀1 1p 0 3 x c 式m i p 卫 g 、： v 让 g 、3 v c c x 也下c 3 c ：匀基 x t ：2 下o s c 2 ：鼻石7 图3 - 2a t m e g a 8 l 的引脚封装 f i g 3 - 2t h ep i np a c k a g eo fa t m e g a 8 l 3 2 2 红外发射模块设计 传统的电梯光幕的红外发射模块靠读取接收端的信号作为发射下一位发光管 的依据，容易受到干扰信号的影响，本文提出一种全新的方式，红外发射模块按照 程序设定的时间和顺序工作，不受到接收端的影响，使发射模块的可靠性得到提高。 1 、电源设计 电源是单片机系统的能源中心，系统中所有器件的动作都需要电源来提供能 量，因此系统电源的质量在很大程度上影响到单片机系统的稳定性。电源设计主要 涉及到电源功耗、电源电压及稳压滤波3 方面的内容。 在红外发射模块中，电源要给单片机系统、发光管以及移位寄存器供电。据统 计，计算机故障9 0 是电源引起的，5 0 h z 正弦波上都有可能出现上千伏的尖峰电压， 给智能化设备正常运行带来严重干扰，因此电源是微型计算机的主要干扰源【2 引。如 图3 - 3 示，单片机系统的供电电压稳定维持在5 v ，可以防止单片机系统受到干扰信 号的影响而造成程序跑飞，进入到死循环。电源模块的设计还应当具有保护作用， 坩一强强 ；0a等茁；x芝 堆：一之孵iisii i = li毒霉暇： 甲 i ( 1 xt譬i 甜 10兰ii 口 q d d c 睢似7 p - _ 浮戮苫鬈器 p p g a p 暑1毒v五=一 一譬i，一善以_童 全宣i善e 一工i： 一鼍iiili= = i i z iiri一乏 l：_i一 广东工业大学硕士学住论文 防止电源反接，或者电源电压突然升高而使电梯光幕系统损坏。在3 d 电梯光幕系统 中发射模块通过单片机控制移位寄存器选通一路加载在红外发光管的电压，使发光 管一个一个依次工作，由于红外发光管的工作电压比较小，采用一个达林顿管的输 出脚