自动平移门论文设计---高选.doc

平移型感应门设计烟台工程职业技术学院 机电 系 机电一体化 专业 08 级毕业设计（论文）题 目:平移型感应门设计 姓名 高选 学号 2008040080 指导教师（签名） 二一零 年十 月十六 日烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺：我所撰写的设计（论文）平移型感应门设计 是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日平移型感应门设计高选摘要：本设计的平移门是在门的内外两侧安装热释电红外传感器，当人走近自动门时，传感器感应到移动的、有能量的物体时，就给单片机一个信号使它驱动电机控制器控制电机转动将门打开，当人通过后，门将自动关闭。由于热释电红外传感器只能对移动的物体进行反应，只适用于行走速度正常的人通过场所，若在门附近的人员静止不动，传感器便不再反应则门自动关闭，有可能出现夹人现象。因此，本设计中给自动门安装上红外线传感器，红外传感器对静止的物体也能反应。因此只要处于红外线传感器的扫描范围内，传感器都有信号产生，所以具有防夹功能。目 录4前 言5第一章 系统的设计与开发61.1 系统的功能与技术指标61.2 系统的设计方案7第二章 系统部分82.1控制系统流程92.2原理图102.21单片机的选择112.22控制电机芯片的选择132.23电机控制电路142.24 热释电红外传感器152.25 红外线传感器控制电路172.26霍尔元件控制电路182.27 数码管显示电路192.28 石英晶体振荡电路202.29复位电路21第三章 执行机构的设计213.1 稳压电源设计223.2 无刷直流电机的应用23结 束 语28前 言经历了丰富多彩的大学时光，那些点滴往事至今也那以忘怀。而今我们将面对一项对自身所学理论和技能掌握的全面考验毕业设计。我相信，我一定会取得成功！门是伴随着人们的文明而诞生的，随着科学的发展，门的种类越来越多，技术也越来越复杂。自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的提升和完善。所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。在经济发展的中国，高楼耸立的大都市，自动门已经是随处可见。在大厦、宾馆、酒店、银行、商场、医院、写字楼等场所。自动门不但能给我们带来人员出入方便，节约能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的建筑增添了不少高贵典雅的气息。 自动门根据使用的场合及功能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中自动平移门使用得最广泛。因此，本次设计的是自动平移门。第一章 系统的设计与开发1.1 系统的功能与技术指标1.该系统的主要功能如下：（1）人靠近时自动开门（2）人离开时自动关门（3）门有防夹防卡功能（4）门在关闭的过程中，若再有人靠近，门再自动开启（5）在限定的范围内，门的重量可变（6）具有备用电源，保证停电时自动门也能正常工作（7）自动校正功能，防止齿轮带微小滑动带来的误差 2.设计要求（1）数码管显示开门时间，用于计算门开的速度（2）检查到有人时电机正转，没有人时电机反转（3）电机正转时间要与反转时间相同，不管什么时候检查到有人信号（4）在关门时检查到有人，要马上开门（5）当门被卡时，由电流传感器给单片机一个信号，自动控制电源的关断1.2 系统的设计方案工作原理框图：当有移动的物体靠近自动门时，热释电传感器感应后送给单片机一个信号，命令电机控制芯片控制电机的正反转（即门的开闭）。电机正转时，门开启，碰到门限开关时，单片机控制电机停止。我们所用到的热释电红外传感器只能对移动的物体进行反应，但其反应速度快，有可能出现夹人现象，因而我们在门上安装了红外线传感器。红外线传感器的反应速度比较慢，但只要有物体出现在扫描范围内，它就会产生信号让门自动开启，使门具有防夹人的功能。当门发生意外时，如：门被卡住，则电机停止电流增大，由电流传感器送给单片机一个信号，让它切断电源，起到保护电机的作用。 第二章 系统部分自动门,感应门机的种类很多，在此我们仅以平移型自动门,感应门机为例介绍一下自动门机的基本工作原理。 首先，平移式自动门机组由以下部件组成： （1）主控制器：它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。 （2）感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号； （3）动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。 （4）门扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。 （5）门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。 （6）同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。 （7）下部导向系统：是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。2.1控制系统流程当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下： 感应探测器探测到有人进入时，将冲信号传给主控器，主自动感应门控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；自动感应门门扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。自动门控制装置的硬件组成：自动门控制装置由门内光电探测开关K1、门外光电探测开关K2、开门到位限位开关K3、关门到限位开关K4、开门执行机构KM1（使直流电动机正转）、关门执行机构KM2（使直流电动机反转）等部件组成。光电探测开关为检测到人或物体ON，否则为OFF。 控制要求：（1）当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开门执行机构动作，电动机正转，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。（2）自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4位置时，电机停止运行。（3）在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。（4）在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关K2或K1时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。（1）SB7为启动键，按下SB7键，才可进行开锁工作；（2）SB1、SB2、SB5为可按压键。开锁条件为：SB1设定按压次数为2次，SB2设定按压次数为4次，SB5设定按压次数为3次。如果按照上述规定按压，则5秒后，密码锁自动打开；（3）SB3、SB4为不可按压键，一按压，警报器就发出报警；（4）SB6为复位键，按下SB6后，可重新进行开锁工作。如果按错键，则必须进行复位操作，所有的计数器都被复位；（5）SB8为停止键，按下SB8键，停止开锁作业；（6）除了启动键外，不考虑按键的顺序。（7）在密码输入正确的情况下或由内到外的光电传感器检测开关K1检测到输入时，开门执行机构动作，电动机正转，到达开门限位开关K3位置时，电机停止运行。（8）自动门在开门位置停留8秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4位置时，电机停止运行。（9）在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。（10）在门打开后的8秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关K2或K1时，必须重新开始等待8秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。2.2原理图本设计的硬件系统由AT89S51芯片、数码管、红外线传感器、热释电传感器、L298N电机控制芯片、直流电机、6MHZ石英晶振、44E霍尔元件、电源、电阻、电容等部分组成。原理图如下图所示： 电路说明及分析：2.21单片机的选择AT89S51集成了一名微型计算机的各个主要部分。其中主要CPU存储器，可编程I/O口，定时/计数器，串行口等。AT89S51内有4KB程序存储器，128B的RAM，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片内时钟振荡器，并设有看门狗，双DPTR和ISP编口，为很多潜入式控制应用提供了高速灵活且价格适宜的方案。还增加了零频下工作的外态逻辑，方式及两种软件可选的省电模式。其中在闲置模式下，CPU停止工作，在掉电模式下，只保存RAM的内容，震荡器停振，关闭芯片的所有功能，直到下一次硬件复位为止，所以其功能强大且价格低，能完成满足设计的要求。引脚的功能与连接Vcc：接+4V+5.5VGND：接地XTAL1和XTAL2引脚两端跨接一个6MB的石英晶体及两个30PF的电容构成稳定的自激震荡器，提供工作脉冲。P0口：8位的I/O端口。在访问片外存储器时，它分时提供位地址和8位数据，故这些I/O有地址/数据总线之称，简写作AD0AD7，在这里我们做接钮和门限开关用。当按钮接下时，管脚由高电平变为低电平表示调整或限制门移动宽度。P1口：通常作为通用的I/O口使用，当P1口输出高电平时，能向外提供拉电流负载，所以可不外接上拉电阻。在本设计中做控制电机运转和该各种传感器状况。以便控制门的各种运行状态。P2口：P2口也是一个内部上接电阻的8位双向I/O口。在这里我们将其用来当作驱动CED的输入口，显示电机在不同速度下的各个档次。AT89S51引脚图P3口：P3口也是一个内部上接电阻的8位双向I/O口。这8个引脚都具有专用的第二功能。其中P3.2与L298N的5引脚相连。这样可以利用中断0与定时器测量开门或关门的时间，以便控制门的速度。因为当IN1高电平及IN2为低电平时，电机正转，当IN1为低电平及IN2为高电平时，电机反转，所以只要测出IN1低电平的时间，就可知道电机开门的时间。PST：复位输入，当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。电路中，采用按键电平复位方式。RESET引脚通过5.1K、430欧电阻、10UF的电容和一个触发按钮连接，当按键接下超过2个机器周期时单片机复位到初始状态。 2.22控制电机芯片的选择 L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器。接收标准ITL逻辑电平信号，可驱动46V，2A以下的电机。从引脚图分析，1脚与15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。OUT1、OUT2可接电机。5，7，10，12脚输入控制电平，控制电机正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机停、转，L298N的逻辑功能如下表所示L298N引脚图ENA（B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2（IN4）同IN1（IN3）快速停止LXX停止2.23电机控制电路 电机控制电路图AT89S51单片机引脚P1.1、P1.2分别接L298的IN2、IN2控制电机的正反转，若P1.1、P1.2分别接输出高、低电平，电机正转，当P1.1、P1.2分别输出低、高电平，电机反转。ENA与单片机P1.3相连，控制电机的停、转，当P1.3输出为高电平时，电机转动方向由P1.1、P1.2控制，当P1.3输出为低电平无论P1.1、P1.2输出的是什么电平，电机都停止。Vss、Vs分别接5V、9V电源。通过AT89S51与L298N实现自动门的加速、减速、匀速与刹停。2.24 热释电红外传感器 热释电红外传感器控制电路图1热释电红外传感器选择与控制电路 本设计使用的是PZ288，分别装在门的两侧。热释电红外探测器是由热热释电红外传感器，菲耳透镜及电子电路组成的一种光电检测装置，它能不接触地检测人体运动时辐射出的红外并转换成电信号输出。其内部结构如图所示，敏感单元的制造材料对不同型号传感器有所不同。PZ288由LiTaO3制成，把这些材料制成很薄的薄片，每片薄片两端则构成一个等效小电容，见图中的P1、P2。而这两个薄片是做在一硅晶体片上的，它们形成的等效小电容能产生自极化，在两端产生微量的极化相反的正负电荷再把两个等效小电容极性相反地串联起来，构成了传感器的核心部分。当传感器没有检测到人体辐射的红外能时，P1、P2上自极化产生的等量电荷因它们的极化相反串联，而相互抵消。回路中无电流，传感器无输出。当人体静止在传感器检测区内时，照射到P1，P2上的红外光亮达到平衡，P1，P2上产生等号的光电流。此光电流在回路中抵消，传感器仍无信号输出。从原理上讲，任何发热体都会产生红外线，热释电传感器敏感单元对红外线的感应表现在敏感单元的温度变化，而温度的变化导致电信号的变化。环境与自身的温度变化由其内部结构决定了不向外输出信号，而传感器的低频响应（0.110HZ）和特定红外线长（515um）响应决定了传感器只对外界的红外辐射而引起本身的温度变化敏感，或者说只对人体的运动敏感。因而，传感可以抵抗可见光及大部份红外线的干扰。.2. 热释电红外线传感器的工作原理 热释电红外线传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出1020米范围内人的行动。 菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。 人体辐射的红外线中心波长为910-um，而探测元件的波长灵敏度在0.220-um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为710-um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器2.25 红外线传感器控制电路 红外线传感器控制电路图利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度 异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对云层进行监视，可 实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机正在运行的发动机的过热情况等。本设计中我们利用红外线传感器。2.26霍尔元件控制电路 霍尔元件控制电路图本设计中需要利用电机的转数计算出自动门的门宽，从而控制电机的加速、匀速、减速。因此我们利用霍尔元件与单片机的P1.0端相连，从而计算出电机圈数。其中霍尔式传感器是以霍尔元件作为敏感和转换元件的传感器，而霍尔元件则是利用某些半导体材料的霍尔效应原理制成的，霍尔元件是将一载流体置于磁场中静止不动，若载流体中的电流方向与磁场方向不相同，则在载流体中平行于由电流方向和磁场方向所组成平面的两个平行面上将产生电势的现象，其产生的电势模拟信号因此经施密特触发器74HC14整流输入P1.0一个数字信号。在电机转轴上安装一个永久磁铁。当电机转一圈霍尔元件受到磁场感应。即送给P1.0一个数字脉冲。因此只要计算出脉冲个数就知道电机转数。2.27 数码管显示电路 数码管显示电路图89系列单片机的应用中，通常要进行住处显示，而显示器件大多数是LED或LCD。对LED和LCD器来说，它们的接口方法是不同的。因为LED一般所需的电流较大，而显示器件很多是7段数字显示器，所以在显示时要求给出显示数字对应的显示码。对于LCD器件来说，现在已经配置了专门的驱动电器，在进行信号显示时，往往把信息写入驱动电路的存储器中，由于存储器和LCD显示屏是一种映射关系，只要写入其存储器的信息适当，就可以在LCD中显示出对应的正确信息。本设计中我们用到一个显示管，用来显示电机转的时间，通过时间可以计算出相应的速度。现在我们先完成必要的硬件部分，数码管有共阴和共阳的区分，单片机都可以进行驱动，但是驱动的方法是不同的，并且相应的17的显示代码正好相反。首先我们可以看到图所示的数码显示为共阳的，因此给数码管供+5V的电压，当相应的端正口变成低电平时，数码管显示数字。码表如下所示P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5P2.6字型111100011010010210110003100110041001001510000016111110072.28 石英晶体振荡电路 在自动感应门中，我们选用了36MHZ石英晶振提供工作脉冲。石英晶振的工作原理是利用石英晶体在外电场作用下可以产生压电效应而制成的。所谓压电效应是指石英晶体片两极间加有电场会产生机械变形。而单受到动机械压力又会产生电声的一种物理现象，按一定的方位将石英晶体切割成固定的形状薄片，并在两个对应表面上涂上金属层作装外壳就构成了石英晶振器。晶振的两端与单片机的XTAL1和XTAL2引脚相连，为单片机提供时钟脉冲。石英晶体振荡电路图2.29复位电路本设计中复位电路采用按键电平复位。复位操作有上电复位、按键复位、按键脉冲复位三种。按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图所示，复位电路虽然简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查能否复位成功。初步检查可用示波器探头监视RST引脚，按下复位键，观察能否有足够复位电路图幅度的波形输出（瞬时的），还可以通过改变复位电路阻容值进行实验。第三章 执行机构的设计3.1 稳压电源设计随着自动门的不断发展，被越来越多的应用于各建筑物，广泛的应用也使其安全变的越来越重要。对电源的影响因素是多方面的，其中主要干扰，来自噪声的影响。因此，为了提高自动门的运行稳定性，稳定的电压和较小的波纹是重点考虑的问题。较为普遍的稳压装置是变压器，因为它价格实惠，但有一定的弱点，对电源的稳压性能并不是很强。因此我们需要设计稳压电源并根据无刷直流电机供电要求选择合理的电路参数，同时需要合理设计交流滤波器以减少电磁干扰。由于自动门工作、时间长，安全性要求高，因此从电网电源开始，就应用了过流、过热保护以尽量避免意外发生。保护电路有多种形式，下面是一种保护电路的框图过压保护采用压敏电阻和瞬变电压抑制器，以防止雷击等意外事故产生的瞬间高压。交流EMI滤波器主要是用来抑制共模、共差干扰。如图所示，它主要包括两个输入端、两个输出端和一个接地端，电路包括共模扼流圈、差模滤波电容、共模滤波电容。31自动门的整流电路主要是把交变的交流电转换成稳定的直流电，使电源适合各种驱动装置（如无刷直流电机）的使用。全桥是由4只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构成的。全桥的正向电流有0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A等多种规格，耐压值（最高反向电压）有25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V、1000V等多种规格。图是其电路图形符号与内部电路。 3.2 无刷直流电机的应用一、目前自动门中的动力部分主要有无刷直流电机、交流变频电机及步进电机的使用。今以无刷直流电机为例来介绍自动门系统中执行机构的设计。下图是电机的主电路图： 无刷电机需要控制器来进行控制，MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。此外，MC33035还有欠锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。二、自动门控制要求。物体靠近门时传感器获得信号传给控制器，控制器根据门当前所在位置决定门的动作。有三种情况： 门处于关闭状态，控制器应驱动执行电机以最佳速度曲线打开门。 门处于半开状态，控制器应根据门当前所在位置，以适当的速度驱动执行电机开门。 门处于开启状态，控制器使门保持开启状态。无物体靠近门时：如果门处于开启状态，延时适当的时间后以最佳速度曲线关闭门；如果门处于关闭状态，维持相应的开、关门速度曲线如图l所示。关门时：OA段为加速段，AB段为稳速运行段，BC段为减速停止(门关到位)段。开门时：CB段为加速段，BA段为稳速运行段，AO段为减速停止(门开到位)段。根据自动门控制要求，系统原理框图如（图9）所示。开门门磁：检测门的最大开启位置，门开后驱动电机停止工作，并防止开门过量而损坏系统部件。 闭门门磁：检测门的关闭位置，门关后驱动电机停止工作。驱动器：扩大驱动功率以驱动150W的无刷直流电机。工作指示灯：(a)有电源指示灯；(b)正常、故障指示灯。超过预期时间门不到位即是故障状态。开门程序流程图 结 束 语在本次论文中，是本学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，我学习到了书本上没有的知识，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升，使我对机电一体化专业有了进一步了解，这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。本论文对我以后的学习或者工作都能起提示作用。本论文在仇清海老师的悉心指导和严格要求下已完成。在学习和生活期间，我也始终感受着老师们的精心指导和无私的关怀。在此向各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意。通过这次设计让我得到了许多经验和教训，现总结如下：1、面对困难要有战胜它的勇气和信心。2、不能蛮干，不懂