基于热释电传感器的自动门控系统设计-论文.doc

密 级 公 开 学 号201520513111 衡水学院毕业论文（设计）基于热释电传感器的自动门控系统设计论文作者：张卫波指导教师：侯晓云系别：物理与电子信息系专业电子信息工程年级：2015级提交日期：2017年4月18日答辩日期：2017年5月05日 毕业论文（设计）学术承诺本人郑重承诺：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不存在抄袭情况，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果，也不包含他人或其他教学机构取得的研究成果。作者签名： 日 期： 毕业论文（设计）使用授权的说明本人了解并遵守衡水学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定。即：学校有权保留或向有关部门送交毕业论文（设计）的原件或复印件，允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公开论文（设计）的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文（设计）及相关资料。作者签名： 指导教师签名： 日 期： 日 期： 2015级电子信息工程专业毕业论文（设计）论文题目：基于热释电传感器的自动门控系统设计摘 要：随着经济水平的提高和科技飞快的发展，红外检测行业也迅速的突起。自动门在人们进出门当中变得越来越重要。对它的使用要求变得越来越高。自动门控制设计是随着人们对生活水平的不断追求，科技和经济的不断发展才出现的高科技产品。由于单片机比较稳定，简单易操作，所以作为设计的控制器。本次设计的热释电传感器的自动门控制系统用AT89C51为主控芯片，步进电机作为门驱动装置。通过单片机来控制步进电机实现门的开关。主要利用热释电传感器实现信号检测和单片机控制系统两部分实现功能。因为在设计上比较简单，稳定性好，所以具有一定的使用价值。关键词：AT89C51；热释电红外传感器；BIS0001芯片；智能控制 窗体底端 2015级电子信息工程专业毕业论文（设计）TITLE：AUTOMATIC DOOR CONTRO SYSTEM DESIGN BASED ON PYROELECTRIC SENSORAbstract: With the improvement of economic level and rapid development of science and technology, infrared detection industry also rapidly swelled. Automatic door is becoming more and more important in the middle of the people to go out. The use of it is becoming more and more demanding. Automatic door control design is as people the pursuit of better living standards, the continuous development of science and technology and economic phenomenon of high-tech products. Because single chip microcomputer is stable, simple and easy to operate so as to design the controller.The automatic door control system of the electric sensor of this design is the main control chip of AT89C51, and the step motor is the door actuator. The switch of the step motor actuator is controlled by a single chip. The two parts of the system are realized by means of heat release sensor. Because the design is simpler, the stability is good, so have certain use value.Key words：AT89C51；Pyroelectric Infrared Sensor；BIS0001 Chip；Intelligent Control目 录摘 要Abstract1 绪论11.1课题背景11.2国内外研究现状11.3课题的设计目标22 系统硬件电路的设计32.1主控设计与电路分析32.2单片机引脚的介绍32.3单片机最小系统设计42.4热释电传感器设计52.4.1热释电原理介绍52.4.2 BISS0001介绍52.4.3电路分析62.5 步进电机电路设计62.5.1步进电动机的特点72.5.2 驱动控制系统的组成72.5.3 步进电机电路72.5.4 步进电机控制电路83 系统软件设计93.1整体软件设计93.2检测驱动设计103.2.1 系统驱动流程103.2.2 系统误差的调试114 系统调试12结语13参考文献14致谢15附录162015级电子信息工程专业毕业论文（设计）1 绪论1.1 课题背景今天，自动门在建筑设计中表现了较强的使用理念，为人们出入门时带来极大的便利。作为建筑物的组成部分，使得建筑物整体设计上变得越来越时尚。自动门因为在各大公共场所广泛的使用，在建筑整体的设计上添加了时尚的气息。以及对门的使用观念的改变，使得它的发展不断的提升和完善。从整体方面上讲，自动门作为建筑物组成的一部分，必须要达到阻止恶劣的环境和不能阻碍人通行这两种要求。经过不断的发展，也渐渐地改变了人们对防护的意识，对出入安全的考虑也因此增加。因为中国在自动门的制作方面没有统一要求，使得自动门的质量快速的下降。因此要在具有专业生产能力和提供高质量服务的厂家购买。自动门常见的组成部分是主控制器、检测电路、步进电机驱动电路。当人走近自动门时，热释电传感器检测到人体红外线，单片机给步进电机发出开关的信号。人离开后使得自动关闭。自动门不仅给人们的生活提供了巨大的便利，也展示了我国科技的进步。1.2 国内外研究现状国外各大厂商的研究对自动门的发展起了很大的作用。随着自动化技术飞速的发展，自动门技术已经相当成熟，国外的自动门已经走在世界的前端。自动化技术为自动门的发展提供了设计基础。现实生活中自动门的应用不仅给人们的出行带来了便利而且减少了建筑空间的使用，有效阻止噪音、粉尘对人类的影响。自动门也为酒店、公共地方彰显了高贵的气质。正是自动门作为新时代的产物，给人们的生活，社会良好的现状因为自动门在国外各种场所起到了画龙点睛的作用所以它的发展变得十分迅速。因为我国的技术手段比较落后，在自动化方面的研制和发展都处于起步阶段，一些技术性的问题没有解决。随着我国经济的腾飞和科技高速的发展下，国家对自动化产业的重视也越来越大。使得自动门得到了快速的发展。自动门的在各种公共场所广泛运用。1.3 课题的设计目标自动门控制系统在功能上具有如下功能：1、当有人靠近门时人体释放的红外线被热释电传感器检测到，把电信号传输给单片机。由单片机控制步进电机，实现门的开关。2、如果在关门的过程发现有人走进来。自动门要马上停止关门，立即开门。3、在自动门的运行过程中如果因为感应器的原因不能实现自动开门，可以利用手动开关来控制。根据检测装置的一些情况，此设计主要用来解决的问题有：1、硬件电路的设计以及电路的仿真。2、传感器程序的编写与调试问题。3、各功能模块的程序运行与系统的调试。4、温湿度检测过程中受其它因素影响而造成的测量误差。第 1页 共 16 页2015级电子信息工程专业毕业论文（设计）2 系统硬件电路的设计2.1 主控设计与电路分析系统硬件部分是单片机控制，检测电路和步进电机控制电路构成的。在运行的过程中，传感器保持持续检测，一旦检测到人体信号立刻传输到单片机中。单片机得到信息后发出步进电机的控制指令，实现运行。如果在关门的过程中有人再次走进门里面，那么自动门会停止关门并立刻重新开门。总体框图如图2-1。AT89C51单片机传感器检测电路步进电机电路电机驱动电路单片机外围电路传感器检测电路 图2-1 总体框图2.2 单片机引脚的介绍单片机是不仅可以编程还可以擦除的只读存储器，它的性能比较高，处理信息的速度快，抗干扰能力强。完整的最小的计算机系统就是单片机。CPU、内存、总线、外存、接口、定时器、实时时钟等都集成在一块芯片上。它的质量比较轻，体积小，开发便利，大大减轻了简单电路设计学习时的复杂程度。引脚功能如表2-1所示。表2-1引脚说明表编号符号引脚说明1-7P0.0P0.07输入/输出断口8P1.0P1.07标准I/O口9P2.0P2.07不仅可以作为输入/输出口，也可以作为高8位地址总线使用10P3.0/RXD串行输入口11P3.1/TXD串行输出口12P3.2/INT0外部中断013P3.3/INT外部中断114P3.4/T0记时器0外部输入15P3.5/T记时器1外部输入16P3.6/WR外部数据存储器写17P3.7/RD外部数据存储器读18ALE/PROG地址锁存输出/编程脉冲输入19EA内外存储器选择引脚20RST复位脚21VCC电源正极22GND电源负极23XTAL1内部时钟电路反相放大器输入端24XTAL2内部时钟电路反相放大器输出端2. 3单片机最小系统设计系统用的主控制器是AT89C51，该芯片有40个引脚。此设计由5V直流稳压电源来提供电。最小系统由复位和晶振电路构成。单片机的复位引脚上接电容图2-2 最小系统电路图和电阻。在复位操作中有自动和手动两种方式。晶振电路采用11.0592MHz无源晶振，用两个30pF电容起并联起来谐振作用。因为最小系统的外围电路精巧简单易行，所以普遍使用。最小系统如图2-2所示。2.4热释电传感器设计2.4.1 热释电原理介绍热释电传感器可靠性能强，灵敏度比较高，所以广泛应用在各种红外检测设备中。因为传感器由单电源供电，所以输出引脚与电源直接相连，另外两个引脚接电源和地。同时要注意灯光等干扰源反射到透镜上，从而产生错误的电信号。热释电传感器作为一种检测人体红外转换成电信号，通过和单片机连接实现检测。它采用单线串口，功耗小，体积小，使用方便。2.4.2 BISS0001介绍引脚名称I/O功能说明1AI触发方式2VOO控制信号输出端3RR1输出延迟时间TX的调节端4RC1输出延迟时间TX的调节端5RC2触发封锁时间Ti的调节端6RR2触发封锁时间Ti的调节端7VSS工作电源负端8VRFI参考电压及复位输入端9VCI触发禁止端。当VCVR时允许触发10IB电流设置端11VDD工作电源正端12OUTO/I运算放大器的输出输入端14INI运算放大器的同相输入端16OUTO运算放大器的反相输出端表2-2引脚功能BISS0001是热释电传感器和多种相关元件组成被动式的红外开关。作为一种传感信号处理的集成电路。不仅和热释电传感器的输出进行良好地匹配，也能和各种各样的传感器进行匹配。在企业、写字楼、商场等地方或者自动照明和报警系统等安防领域，有着广泛的应用。该元件不仅仅有独立的高阻输入阻抗，还有抑制干扰的作用。采用的是16脚的封装。引脚说明如表2-2所示。2.4.3 电路分析检测系统电路由热释电传感器及BISS0001芯片所组成的。接收到的信号在R8、C5去除交流干扰、限幅后，整流输入到BISS0001的14管脚上。在14管脚和15管脚经过一级的放大处理后由芯片的16管脚输出。通过双向鉴幅经过处理后由2管脚输出。8，11管脚接电源，7管脚接地。10管脚外接一个较大的电阻。3，4管脚为延迟端口，由R9，C7来完成延时。输出延迟时间TX由外部的R13和C12来调整，值为TX24576xR15C11；当VCVR时触发允许。环境照度的检测由光敏电阻实现。因为环境亮度低，R9阻值就会上升。将热释电和芯片结合组成HC-SR501模块，使检测的范围扩大，干扰能力加强。电路如图2-3所示。图2-3热释电红外检测电路2.5 步进电机电路设计步进电动机的转动角度有脉冲信号控制。所以说是一种由数字控制的电动机。在一些课题设计方面通常适合于单片机控制。因为科技和相关自动化技术的发展，使得步进电动机发展的十分迅速。通过单片机控制可以方便的进行实验设计，为以后各种自动设计提供了良好的条件。2.5.1 步进电动机的特点1、步进电动机可以容易的实现停止转动、正转和反转，价格便宜，干扰能力强。2、步进电机的速度可以进行非常方便的调整。在速度比较低的状态下依旧可以保持较高的转矩，直接驱动负载。3、步进电动机在交直流电源下不能工作。只有利用脉冲电源供电才能很好的工作。4、步进电动机因为有失步的问题，所以在电路设计上要采取相应的措施避免。5、步进电动机因为自身硬件的问题，所以它的带负载能力比较差。2.5.2 驱动控制系统的组成步进电机通过环形脉冲，功率放大电路来实现驱动控制。驱动电路如图2-4所示。信号分配脉冲信号负载步进电机功率放大图2-4驱动电路驱动电路是热释电传感器检测到人体的红外能量变化时，产生脉冲信号，经过功率放大转换成电信号传送到单片机上。单片机再根据检测信号来控制步进电机的运转。根据相应的状态发出驱动指令使步进电机工作。2.5.3 步进电机电路步进电机和驱动元件ULN2003A构成了自动门系统的运行电路。要想实现有效的实现相应的运转，必须通过驱动芯片连接步进电机。利用四个颜色不同的LED灯来显示的各自的运行情况。通过灯光的闪烁可以直观的发现在运行过程中可能出现的问题，并及时做出调整来保证电机的顺利运行。电路图如图2-5所示。图2-5步进电机电路图2.5.4 步进电机控制电路步进电机的控制方式手动和自动两种。其中手动控制由按键S1实现。按下按键S3控制正转开门，按键S4控制反转关门。当按S2时处在自动模式LED1亮绿灯，自动门正转是LED3亮黄灯，反转是LED4亮红灯。电路图如图2-6所示。图2-6步进电机控制电路图第 13 页 共 16页3 系统软件设计3.1整体软件设计软件设计也是重要的系统中组成部分，硬件只是实现模块的连接，软件编程部分才是系统的大脑支配。经过编写，运行，调试，软件部分基本可以实现所需要的部分功能。首先在软件上根据设置要求实现自动门的运行。在程序设计上考虑在单片机的控制下，可以使相关的指令有效的应用在各个状态之下。如果有人进入检测范围，根据检测的信息单片机给步进电机发出开门的指令。当人离开了检测范围信号消失，单片机发出关闭的指令。如果在关门的过程中，有人走到门前单片机立刻发出指令停止关门。为了防止出现自动门无法正常工作的现象，所以设置了手动操作的模式。通过手动操作可以及时的运行，避免影响正常的工作。工作流程图如图3-1所示。中途有人延时控制手动控制初始化开始信息采集有人电机正转 开门电机反转 关门无人 图3-1工作流程图3.2检测驱动设计3.2.1 系统驱动流程程序启动之后，会依次进行的执行代码，初始化程序之后。通过检测人体释放的红外线，进行选择如果检测到开信号则开启红外探头将其转化成数信号传输到单片机中。如果检测到时关信号则关闭红外探头，循环进行检测状态。程序流程如图3-2所示。是开启（关闭）红外探头工作定时将MAX设置为发送状态，发送中到高电平，设置为接受否检测是否有开关信号启动初始化图3-2程序流程3.2.2 系统误差的调试因为传感器的本身就存在误差。基于所需要的传感器的检测范围，精确度大小，传感器反应速度等一系列的问题考虑，最终选定相对稳定的了HC-SR501模块。在检测中要考虑到因为环境温度、热源、光源的干扰，造成检测短时失灵的问题。要进行反复的运行和调试，让检测误差缩到最小。4 系统调试在整个设计完成以后，需要对系统进行整体的测试和比对，发现其中的不正确加以改正。测试的主要部分分为软件和硬件，记录是否可以使软件所运行的功能在硬件上有效的实施。而且硬件部分主要是步进电机部分和传感器部分，是否可以正常运行，是否可以正常显示，也是要检测的关键。通过仿真测试，检查程序能否达到要求。首先初始化程序，检测单片机发出开门指令之后步进电机不能进行开门的指令。后来经过程序的改进，解决了此困难。观察程序是否跳出红外检测的程序实现信号的传输。测试中断程序是否在出发后能进入中断。软件测试完成之后对系统的硬件进行测试。首先对整体电路焊接的检查。有没有虚焊的地方。在硬件调试过程中步进电机没有运行，检测步进电机的各项电压值是正常的电路连接图正常，经过反复的查看发现步进电机没有和单片机的引脚连接好，有虚焊的地方导致运行失败。检查传感器模块能否在有效的距离内检测到人头红外并且转换成电信号传输到单片机上。经过软件和各个模块化的测试和调试，系统基本可以实现所需要的功能，并且达到预期的要求。测试的过程中并没有出现较大偏差的情况。经过严格的测试，系统并没有出现其他异常的情况。结语本课题主要研究的是基于热释电传感器的自动门控系统设计。利用AT89C51单片机进作为主控制。通过步进电机、热释电传感器等相关电路的结合组成实现设计要求。本次设计采用两个热释电传感器模块，一个放在门的前面，一个放在门的后面。人体的红外线被热释电传感器检测到后变成数字信号反馈给单片机。单片机得到红外检测电路发出的信号。步进电机得到指令控制电动机带动门运行。如果在关门的过程中遇到有人进来，自动门会停止关闭重新开门。此次系统在设计上比较简单，开发也容易。在实际的操作中十分方便，在性能方面比较好，也安全可靠。对以后的电子产品的开放也有很大的指导意义。在科技飞速发展的环境下，使得自动门在设计和实际应用中不断的升级。自动门的给人们带来巨大好处。正是因为热释电传感器在各个检测领域都有着重要的作用。使基于热释电传感器的自动门设计也将广泛的应用到每一个家庭中，提高人们生活质量，实现自动门的价值。2015级电子信息工程专业毕业论文参考文献1 龙小丽,唐东成,李欣雪.Keil与Proteus软件在单片机课程教学中的应用J.电子世界,2016,26:43 -44.2 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