自动扶梯安全监测系统.doc

继续教育学院毕业设计 论文 继续教育学院毕业设计 论文 题目 自动扶梯安全检测系统设计题目 自动扶梯安全检测系统设计 院 系 站 机电工程系 学 科 专 业 机电一体化 学 生 学 号 指 导 教 师 2013 年 6 月 自动扶梯安全检测系统自动扶梯安全检测系统 摘摘 要要 随着社会的进步 世界经济的快速发展 自动扶梯已经广泛应用于我们的日常 生活中 它们在为我们带来方便的同时 也带来了安全问题 深深的伤害着我们 扶梯伤人事件新闻上时有报道 尽管各大厂家对自己产品都做了相应的技术改进 但是伤害依然存在 因其工作特性是以机械运输为主 其工作环境主要是在商场等 人流密集的公共场所 一旦出现意外肢体被夹 如果扶梯不能得到及时有效的控制 被夹着可能会面临残疾的危险 特别是在公共场所人们在极度恐惧和危险下可能会 做出不理智的判断 更加会引起次生危险的发生 给个人和家庭带来永远的伤害 更为国家和单位造成了许多不必要经济损失 另外 由于事故的频繁发生更加影响 了社会发展和稳定也引起我们深深的反思 因此 设计改造一种结构美观 电路 新颖 安全节能 安装方便的自动扶梯安全检测系统显得相当有必要 来减少对家 庭和个人的伤害 推动社会繁荣与稳定 使我们能真正的在科技的发展中快乐的生 活 能够实现远程控制 乘客无需触碰控制开关 危险时只需大声呼救 扶梯就 会停止工作 安全检测系统分为三大部分 监测部分 处理部分 控制部分 监测 部分有 红外线检测模块 声音检测模块 人体姿势识别系统三个模块 处理部分 主要是 PLC 和单片机 控制部分 继电器和接触器 本文主要介绍检测部分的工作 原理 检测部分中红外检测模块负责检测扶梯上有无乘客 有责运行 无责停止 声音检测模块和人体姿势识别模块负责扶梯运行全时间段内对乘客的时时检测 处 理模块处理检测的信息 控制模块将负责控制电机的运行 几大部分相互配合共 同完成对扶梯的监测工作 更加的安全可靠和节能环保 体现了以人为本和谐发展 道德思想 是我们现代公共生活不可或缺安全设施 关键词 关键词 隔音型钢化玻璃罩 红外线感应开关 声控开关 人体姿势识别系统 目录目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 综述 1 1 2 自动扶梯的发展方向概括 2 1 3 自动扶梯安全控制的必要性 2 2 2 设计流程设计流程 4 2 1 自动扶梯安全检测系统电路原理框图及监测部分原理图 5 2 2 人体红外线开关模块工作原理及电路图 5 2 3 声控开关模块电路原理框图及原理图 7 2 4 人体姿势识别系统 8 3 3 检测系统的信号收集检测系统的信号收集 10 3 1 热释电红外传感器的原理及应用 10 3 2 声音信号收集电路 11 4 4 人体红外线集成控制电路详解人体红外线集成控制电路详解 13 4 1 运算放大器 14 4 2 振荡器 15 4 3 电压比较器 17 4 4 集成电路芯片 18 4 5 可控硅 20 5 5 声控开关控制电路详解声控开关控制电路详解 24 5 1 电源模块的设计 24 5 2 芯片 TC4081BP 的介绍 24 5 3 延时模块 26 5 4 被控制模块的电路设计及相关参数 28 6 6 控制系统结构设计控制系统结构设计 32 6 1 现场级控制网络 32 6 2 远程控制网络 32 6 3 控制系统功能设计 32 6 4 控制系统可靠性设计 33 7 7 结构改进结构改进 18 7 1 隔音型钢化玻璃罩 34 7 2 隔音型钢化玻璃罩加装的意义 34 结结 论论 34 致致 谢谢 36 参考文献参考文献 37 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 1 1 1 绪论绪论 1 11 1 综述综述 自动扶梯的出现给人类的生活带来了极大的便利 它同时也成为现代文明的一 个重要标志 从第一台自动扶梯诞生以来 自动扶梯的发展迄今为止大约经历了 100 多年 我们回首历史不难发现 虽然自动扶梯给我们带来了很大的便利 但是 因其工作特性和特殊的工作环境 自动扶梯在发明之处就伴随着事故的频繁发生 特别是近几年来自动扶梯伤人事件频频发生 给我们带来巨大的心理压力 也影响 着社会的稳定和发展 虽然在扶梯的出入口处都有控制开关 厂家还特别加装了安 全毛刷 在一定程度上减少了事故的发生 但是还是因为控制系统的滞后性 扶梯 在发生危险的第一时间得不到有效的控制 不能及时关闭电梯 导致事故依然发生 所以设计和改进自动扶梯显得尤为重要 自动扶梯安全检测系统就是其中的一种 自动扶梯的结构改进是在扶梯上加装隔音型钢化玻璃罩将自动扶梯密封成只有 上下两个出口的密闭空间 这样既可以防止扶梯在运行时人的攀爬和翻越 防止在 楼层之间扶梯安装时形成的转换死角夹伤我们 防止高空坠物 更重要的是隔绝扶 梯外的噪音 给扶梯内创造一个安静的环境 利于声音检测系统更好的工作 自动 扶梯安全检测系统是利用红外线检测系统来检测扶梯上是否有乘客 如果有乘客 扶梯正常运行 如果没有乘客 扶梯将自动关闭或减速行进 这样既节能又环保 利用声音检测系统检测求救信号 因为声音检测系统的检测模块的接收能力是可以 调节的 我们正常的言语表达是不会被接收的 只有当我们肢体被夹发出高分贝的 求救信号时 声音检测系统才会检测的到 系统处理会由继电器输出高电平给 PLC 主机等待处理 同时人体姿势识别系统扫描乘客情况 系统将变化后的信息处理后 输出给 PLC 主机 但此时声音检测系统有高电平输出 两者信号同时存在 PLC 主 机将触发交流接触器动作 从而使电动机的立即停止运转 实现在人体发生危险是 能够快速及时准确的自我救护 尽可能的减轻或减少对我们的伤害 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 2 自动扶梯安全检测系统是集合了 光学 声学 智能识别系统 实现对自动扶 梯全部工作时间的时时安全监测 更加的安全可靠和节能环保 体现了以人为本和 谐发展道德思想 是我们现代公共生活不可或缺安全设施 1 1 2 2 自动扶梯的发展方向概括自动扶梯的发展方向概括 自动扶梯是由一台特种结构型式的链式运输机和两台特殊结构型式的胶带运输 机所组成的 用以在建筑物的不同层高间运载人员上下的一种连续运输机器 它的 出现给人类日常生活带来极大的便利 已经成为现代物质文明的一个重要标志 1899 年查尔斯 希伯格与奥的斯公司携手制造出第一台阶梯式自动扶梯 1991 年 三菱电机公司开发了带有中间水平的大提升高度自动扶梯 这种多坡度型自动 扶梯 在大提升高度时可以降低乘客对高度的恐惧感 并能与大楼楼梯结构协调配 置 20 世纪 90 年代末 富士达公司开发了变速式自动人行道 即自动人行道以分 段速度运行 乘客从低速段进入 然后进入高速平稳运行段 再后进入低速段离开 这样提高了乘客上下自动扶梯的安全性 缩短了长行程时的乘梯时间 2002 年 4 月 17 日到 20 日 三菱电机公司在第 5 届中国国际电梯展览会上展出了倾斜段高速 运行的自动扶梯模型 可铰接伸缩的驱动齿调结构在运行时可使梯级的间隔发生变 化 从而使电梯的速度发生变化 其倾斜段速度是出入口速度的 1 5 倍 这样既 缩短了乘客的乘梯时间 也提高了乘客上下扶梯的安全性和平稳性 自动扶梯经过 100 多年的研究发展 已经成为一种比较成熟的产品 但是目前世界上大型的电梯 公司 如 奥的斯 日立 迅达 三菱等依然投入大量的人力物力对对自动扶梯和 自动人行道进行研究开发 其研究重点主要集中于环保节能和安全 节能 采用自 动调节电压法的原理 根据电机负载量的大小 利用新型的节能器自动及时的调节 电动机工作电压 使之能耗降到最小 电机在 Y 型接法和三角型接法之间相互转换 采用变频驱动法 使用高性能变频器在 交 直 交 之间转换 实现节能的目的 环保 采用无润滑型自动扶梯 避免润滑油的污染 无重金属污染扶梯 安全 强 调安全性的扶梯以移动式裙板扶梯为代表 在扶梯上加装安全毛刷 在出入口设置 紧急开关 今后各大电梯厂家除了在节能 环保和安全上研究外 还会向高速方面 发展 总之 自动扶梯作为现代文明的一个重要标志之一 其发展水平也体现了当代 社会科技进步的方向 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 3 1 1 3 3 自动扶梯安全控制的必要性自动扶梯安全控制的必要性 2012 年 1 月 29 日 一名 9 岁男孩在北京西单新一代商城独自乘坐自动扶梯时 把头探出了扶梯 被夹在扶手和楼板的夹角处身死 2011 年 7 月 5 日 北京地铁 4 号线动物园东南出口一台自动扶梯发生倒转 造 成 30 人受伤 1 人死亡的惨剧 2010 年 12 月 14 日 深圳市地铁一号线国贸站上行 5 号自动扶梯突发事故 导 致 10 名乘客受伤 我国近年来频繁发生的自动扶梯事故虽然不是扶梯本身的质量问题 但是也暴 露出扶梯存在着安全隐患 扶梯运行过程中 乘客面对的不仅有静止部件 也有运 动部件 两者之间的相对运动是产生危险的重要原因 虽然自动扶梯也有很多安全 保护开关 但是 这些开关更多的是对设备自身的保护 如扶手带入口开关 梳齿 板保护开关 梯级下陷保护开关等 都要人受伤或物损伤坏到一定程度时才能动作 从而使自动扶梯停止 如果能设计一种保护系统 在事故即将发生或已经发生时 将扶梯关闭 尽可能避免或减少伤害 将事故的危害降到最低 也就不会出现将人 夹死或夹残或集体受伤的恶性事故 因此设计一种自动扶梯安全检测系统是非常必 要的 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 4 2 2 设计流程设计流程 此设计是为了实现自动扶梯发生事故时急时有效停止的功能 在有乘客时 扶梯自动运行 无乘客时扶梯自动关闭 因为利用双项监测技术乘客在扶梯上 的正常交际不会影响扶梯的正常运行 当发生危险时 乘客只需大声呼救 声音 检测系统和人体姿势识别系统将信息处理 实现在事故发生后 1 秒内停止自动 扶梯 所设计的安全检测系统分为三大部分 监测部分 处理部分 控制部分 监测部分有 红外线检测模块 声音检测模块 人体姿势识别模块三个检测模 块 处理部分 主要是 PLC 和单片机 控制部分 继电器和接触器 红外检测 模块负责检测扶梯上有无乘客 有责运行 无责停止 声音检测模块和人体姿 势识别模块负责扶梯运行全时间段内对乘客的时时检测 处理模块处理检测的 信息 控制模块将负责控制电机的运行 几大模块的相互配合共同工作下 达 到设计的目的 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 5 2 2 1 1 自动扶梯安全检测系统原理框图及监测部分原理图自动扶梯安全检测系统原理框图及监测部分原理图 检测高分 贝求救声 音 识别乘客 危险姿势 红 外 检 测 有 无 乘 客 继 电 器 断开 无 乘 客 继 电 器 吸 合 有 乘 客 数 字 量 输 出 模 块 图 2 1 自动扶梯安全监测系统原理框图 模 拟 量 输 入 模 块 P L C 主 机 信 号 处 理 控制输出报警输出复位控制 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 6 图 2 2 监测部分原理图 监测部分原理图介绍 人体红外感应开关 SB1 声控开关 SB2 人体姿势识别检测开关 SB3 控制开关 SB4 中间继电器 KM1 KM2 交流接触器 KM3 语音提示 B1 信号灯 H1 H2 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 7 2 2 2 2 人体红外开关模块工作原理及电路图人体红外开关模块工作原理及电路图 用热释电红外探头并对探头接收到的微弱信号加以放大 然后驱动继电器 可 以制成热释电人体感应开关 它可应用于电灯的节能自动开关 自动门 安全防护 防盗等设备中 人体会发射特定波长红外线 用专门设计的传感器就可以针对性的 检测这种红外线的存在与否 当人体红外线照射到传感器上后 因热释电效应将向 外释放电荷 后续电路经检测处理后就能产生控制信号 这种专门设计的探头只对 波长为 10 m 左右的红外辐射敏感 人体都有恒定的体温 一般在 37 度 会发射 10um 左右的特定波长红外线 所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作 探头 内包含两个互相串联或并联的热释电元 而且制成的两个电极化方向正好相反 环 境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用 使其产生释电效应相互抵消 于 是探测器无信号输出 一旦人侵入探测区域内 人体红外辐射通过部分镜面聚焦 并被热释电元接收 但是两片热释电元接收到的热量不同 热释电也不同 不能抵 消 于是输出检测信号 人体是一特定波长红外线的发射体 由红外传感器检测到 这种红外线的变化并予以放大选频处理后 可以推动适当的负载 此乃人体红外自 动开关 这一检测技术较之超声 哑声 微波方式更为灵敏与准确 它要求 PIR 热 释电人体红外传感器的信号放大处理电路有很高的灵敏度并要能准确鉴别生物体与 非生物体的运动 使误动作率降到最低 且体积小 自耗电微少 采用热释电红外 传感器及专用单片集成电路构成的这种开关能成为人到灯亮 人走灯灭 它安装方 便 可直接替换面板式开关 无需改动市电线路 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 8 图 2 3 人体红外感应开关 外围电路元件说明 PIR 感应信号经滤波进入芯片内部进行放大 与基准电压比较 如果判断有触发 运放输出高电平 这时候计时检测电路开始计时 计满一定内部时钟周期 跳变为 高 可避免误触发 上图中 运算放大器 OP1 将热释电红外传感器的输出信号作 第一级放大 然后由 C3 耦合给运算放大器 OP2 进行第二级放大 再经由电压比较 器 COP1 和 COP2 构成的双向鉴幅器处理后 检出有效触发信号 Vs 去启动延迟时间 定时器 输出信号 Vo 经晶体管 T1 放大驱动继电器去接通负载 上图中 R3 为光敏电阻 用来检测环境照度 当作为照明控制时 若环境较明 亮 R3 的电阻值会降低 使 9 脚的输入保持为低电平 从而封锁触发信号 Vs SW1 是工作方式选择开关 当 SW1 与 1 端连通时 芯片处于可重复触发工作方式 当 SW1 与 2 端连通时 芯片则处于不可重复触发工作方式 输出延迟时间 Tx 由外部的 R9 和 C7 的大小调整 值为 Tx 24576xR9C7 触发封锁时间 Ti 由外部的 R10 和 C6 的大小调整 值为 Ti 24xR10C6 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 9 2 2 3 3 声控开关模块电路原理框图及原理图声控开关模块电路原理框图及原理图 图 2 4 声控开关电路图 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 10 声音信号 RC 控制门 D1 延时 R8 C3二级整形 D3 D4 继电器 T PLC 整形 D2 图 2 5 声控开关原理图 2 2 4 4 人体姿势识别系统人体姿势识别系统 基于计算机视觉的人体行为分析与识别是一个非常活跃的研究领域 人体行为 识别目的在于 在成功实现人体捕捉 特征提取的基础上 通过分析获得的人体行 为的特征参数 自动识别人体行为类型 人体行为识别 技术在智能监控 高级人 机交互 运动分析等方面都具有重要的意义和广 阔的应用前景 2 1 智能监控 智能监控系统主要应用于那些对安全要求敏感的场合 如银行 商店 停车场等 目前监控摄像机在商业应用中已经普遍存在 但其仅仅是被动的 记录下已发生的情况 智能化程度还有待提高 智能的监控系统不仅能够在一定程 度感知环境中敏感事件的发生 并且能够做出正确的理解 如能够辨别出犯罪事件 或危险分子 在第一时间内向有关机构发出警告 在访问控制 Access Control 场 合 也可以利用人脸或者步态的跟踪识别技术以便确定来人是否有进入该安全领域 的权利 除了安全方面的应用外 智能监控还可用来测试公共场所人群的拥塞 购 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 11 物场所消费者的人口统计等 具体到本课题 基于人体姿势分析的智能监控系统研 究 智能监控系统可以监控人体的身体姿势 在人体摔倒时 可以自动向值班人 员报警 提示医护人员及时处理 该系统一方面降低了医护人员的工作负担 另一 方面也为病人的及时救护提供了宝贵的时间 2 运动分析 人体运动分析的高级阶段是运动识别 也是不可缺少的一部分 对人体运动进行分析识别 可以应用到很多方面 在体育方面 体育运动识别可以 用于创建个性化训练系统 用于体育运动视频的自动分析 评判 提供科学直观的 辅助分析手段 加速数字化体育运动训练进程 在医学方面 可以作为一种辅助 的诊断手段 如医学步态分析旨在提供诊断和治疗支持 通过将病人的步态与对正 常步态比较 分析 可为病人提供诊断的依据 3 高级人机交互 在未来的人机交互中 我们希望机器能像人一样 将视觉信 息作为语音和自然语言的有效补充来完成更加智能化的人机交互 这就需要计算机 除了传统的键盘鼠标外 还具备独立感知外部环境的能力 提取环境中的有效信息 如检测到人的存在 并进一步进行人体姿势的识别和行为理解 6 7 如我们现在 通过鼠标和键盘完成和计算机的交互工作 微软公司展示了智能化的计算机操作系 统 不再需要鼠标和键盘 使用者只需要通过语音和身体的运动姿势 如手势 面 部表情和眼球的运动方式 就能完成人机交流 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 12 3 3 检测系统的信号收集检测系统的信号收集 3 3 1 1 热释电红外传传感器原理及应用热释电红外传传感器原理及应用 人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列 依次为红 橙 黄 绿 青 蓝 紫 其中红光的波长范围为 0 62 0 76 m 紫光的波长范围为 0 38 0 46 m 比紫光光波长更短的光叫紫外线 比红光波长更长的光叫红外线 红外线简介 其波长比可见光长的电磁波 波长在 1 毫米到 770 纳米之间 在光谱 上位于红色光外侧 具有很强热效应 并易于被物体吸收 通常被作为热源 透过 云雾能力比可见光强 在通讯 探测 医疗等方面有广泛的用途 俗称红外光 热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器 早 在 1938 年 有人提出过利用热释电效应探测红外辐射 但并未受到重视 直到六 十年代 随着激光 红外技术的迅速发展 才又推动了对热释电效应的研究和对热 释电晶体的应用 热释电晶体已广泛用于红外光谱仪 红外遥感以及热辐射探测器 它可以作为红外激光的一种较理想的探测器 它正在被广泛的应用到各种自动化控 制装置中 除了在我们熟知的搂道自动开关 防盗报警上得到应用外 在更多的领 域应用前景看好 比如 在房间无人时会自动停机的空调机 饮水机 电视机能判 断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构 开启监视器或自动门铃上的应用 结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等 最广义地来说 传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件 红外传感器就是其中的一种 随着现代科学技术的发展 红外线传感器的应用已经 非常广泛 下面结合几个实例 简单介绍一下红外线传感器的应用 人体热释电红 外传感器和应用介绍 一般人体都有恒定的体温 一般在 37 度 所以会发出特定波长 10UM 左右的红 外线 被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10UM 左右的红外线而进行工作的 人体发射的 10UM 左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强后聚集到红外感应源上 红 外感应源通常采用热释电元件 这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就 会失去电荷平衡 向外释放电荷 电后续电路经检验处理后即可产生报警信号 热 释电人体红外线传感器 以下简称 传感器 由敏感单元 阻抗变换器和滤光窗等 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 13 三大部分组成 热释电效应同压电效应类似 是指由于温度的变化而引起晶体表面 荷电的现象 热释电传感器是对温度敏感的传感器 它由陶瓷氧化物或压电晶体元 件组成 在元件两个表面做成电极 在传感器监测范围内温度有 T 的变化时 热 释电效应会在两个电极上产生电荷 Q 即在两电极之间产生一微弱的电压 V 由于它的输出阻抗极高 在传感器中有一个场效应管进行阻抗变换 热释电效应所 产生的电荷 Q 会被空气中的离子所结合而消失 即当环境温度稳定不变时 T 0 则传感器无输出 当人体进入检测区 因人体温度与环境温度有差别 产 生 T 则有 T 输出 若人体进入检测区后不动 则温度没有变化 传感器也没 有输出了 所以这种传感器检测人体或者动物的活动传感 由实验证明 传感器不加光学透镜 也称菲涅尔透镜 其检测距离小于 2m 而 加上光学透镜后 其检测距离可大于 7m 3 3 2 2 声音信号收集电路声音信号收集电路 顾名思义 声控延时开关就是用声音来控制开关的 开启 若干分钟后延时 开关 自动关闭 因此 整个电路整个电路的功能就是将声音信号处理后 变为 电子开关的开动作 明确了电路的信号流程方向后 即可依据主要元器件将电路划 分为若干个单元 仿真电路原理如图 3 1 所示 在仿真当中 由于仿真软件的不熟 声音输入部 分我们用开关代替 同样电容 C2 具有通交流阻直流的作用 由于声音输入相当 于一个正弦信号输入 所以在仿真中 我们把麦克风用导线代替 电容也用开 关代替 当外界有声音发出时 开关闭合 可使三极管 VT 瞬间截止 集成电路 A 的 2 脚便通过电阻器 R4 连接 12V 电压正极 又因 A 的一脚在晚上也是高电压 便 相继使 A 的 3 脚输出低电压 5 脚和 6 脚也为低电压 4 脚则输出高电压 该电压 经二极管 VD1 正偏导通 向电容器 C2 充电 又使 A 的 8 脚和 9 脚为高电压 继续 控制 A 的 10 脚输出低电压 12 脚和 13 脚为低电压 11 脚输出高电压 使三极管 导通 便使继电器工作 开关闭合 当外界没有声音发出时 开关断开 三极管输入到集成电路 A 的 2 脚一个低电 平 又因 A 的一脚在晚上也是高电压 便相继使 A 的 3 脚输出高电压 5 脚和 6 脚 也为高电压 4 脚则输出低电压 该电压经二极管 VD1 正偏导通 又使 A 的 8 脚 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 14 和 9 脚为低电压 继续控制 A 的 10 脚输出高电压 12 脚和 13 脚为高电压 11 脚 输出低电压 三极管不工作 继电器无法产生电流 继而无法导通开关 图 3 1 声控开关信号收集电路 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 15 4 4 人体红外集成控制电路详解人体红外集成控制电路详解 虽然被动式热释电红外探头有些缺点 但是利用特殊信号处理方法后 仍然使 它在某些领域具有广阔的应用前景 因此 有很多生产商根据 PIR 传感器的特性设 计了专用信号处理器 比如 HOLTEK HT761X PTI PT8A26XXP WELTREND WT8072 BISS0001 图 3 4 阴影部分是 PIR 信号处理部分 有两个运算放大器 一 个窗口比较器 一个稳压器 一个系统振荡器和一个逻辑控制器 其它是依赖处理 结果的控制部分 这里重点介绍 PIR 信号处理部分 控制部分就简单略过 由于 PIR 信号变化缓慢 幅值小 针对该特点 专用信号处理器一般分为三步 a 滤波放大 普通 PIR 传感器输出信号幅值一般都很小 大约几百微伏到几毫伏 为了后续 电路能作有效的处理 考虑到传感器的信噪比 通常取增益 72 5dB 通带 0 3Hz 7Hz 同时 由于是处理模拟小信号 所以为了保证放大器的工作稳定可靠 电路中特别集成了一个稳压器用于给传感器 放大器和比较器供电 b 窗口比较器 经过放大后的信号通过窗口比较器后检出满足幅值要求的信号后 再转换成一 系列数字脉冲信号 c 噪声抑制数字信号处理 根据对人体运动特点以及传感器的特性的长期研究 用固定时间内计脉冲个数 和测脉冲宽度的方法来甄别有效的人体信号 这里由系统振荡器提供时钟源 16kHz 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 16 图 4 2 热释电红外探头 4 4 1 1 运算放大器运算放大器 集成运算放大器 简称运放 是一种高电压放大倍数的直接耦合放大器 它工 作在放大区时 输入和输出呈线性关系 所以它又被称为线性集成电路 集成运放是一种高放大倍数 高输入电阻 低输出电阻的直接耦合放大电路 1 集成运放的性能指标 1 开环差模电压放大倍数 Aod 它是指集成运放在无外加反馈回路的情况下的差模电压的放大倍数 2 最大输出电压 Uop p 它是指一定电压下 集成运放的最大不失真输出电压的峰 峰值 3 差模输入电阻 rid 它的大小反映了集成运放输入端向差模输入信号源索取电流的大小 要求它愈大愈 好 4 输出电阻 rO 它的大小反映了集成运放在小信号输出时的负载能力 图 4 1 人体感应开关方框图 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 17 5 共模抑制比 CMRR 它放映了集成运放对共模输入信号的抑制能力 其定义同差动放大电路 CMRR 越大 越好 2 集成运放的组成 它有四部分组成 1 偏置电路 偏置电路是提供各级静态工作电流的 2 输入级 其作用是提供与输出端成同相关系和反相关系的两个输入端 为了抑制 零漂 采用差动放大电路 3 中间级 其作用是提供较高的电压放大倍数 为了提高放大倍数 一般采用有源 负载的共射放大电路 4 输出级 其作用是提供一定的电压变化和电流变化 为了提高电路驱动负载的能 力 一般采用互补对称输出级电路 4 4 2 2 振荡器振荡器 振荡电路在测量 自动控制 通信 无线电广播和遥控等许多领域中有着广泛的 应用 甚至在收音机 电视机 和电子表等日常生活用品中也离不开它 振荡电路包括 正弦波振荡电路和非正弦波振荡电路 它们不需要输入信号便能产生各种周期性的 波形 如 正弦波 方波 三角波和锯齿波等 因为本课题涉及到系统时钟和定时电路 所以现介绍一下非正弦波振荡电路 矩形波振荡电路 矩形波有两种 一种是输出电压处于高电平时时间 TH 和输出电压处于低电平的 时间 TL 不相等 另一种是二者相等 人们常把 TH TL 的矩形波称为方波 下面介绍 方波发生电路 方波发生电路的构成 我们可选择滞回比较器作为开关 用电阻与电容相串联的 RC 电路作为具有延 迟作用的反馈网络 构成如图 4 3 所示 它的右边是滞回比较器 起开关作用 他 的左边是 RC 电路 起反馈和延时作用 滞回比较器 其开关作用 电路 起反馈 和延迟作用 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 18 图 4 3 滞回比较器 滞回比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定的状态 设接通电源时刻电容 两端的电压 UC 0 滞回比较器的输出电压 U0 UZ 则集成运放同相输入端此时的 电位为 U R2 R2 R3 UZ 而 U0 UZ 时电容充电 使集成运放反向输入端的电 位 U 它等于 UC 由零逐渐上升 在 U 低于 U 以前 U0 UZ 不变 当 U 上升到 略高于 U 时 U0 从高电平跳变为低电平 即变为 UZ 当 U0 UZ 时 U R2 R2 R3 UZ 同时电容经 R1 放电 使 U 逐渐下降 在 U 高于 U 以前 U0 UZ 不变 当 U 下降到略低于 U 时 U0 从 UZ 跳变为 UZ 又 回到初始状态 如此周而复始 产生振荡 输出方波 振荡周期 由图可知 UC 的值从 T1 时刻的 R2 R2 R3 UZ 下降到 T2 时刻的 R2 R2 R3 UZ 所需要的时间就是振荡周期的一半 即而 UC 的变化规律就是简单 的 RC 充放电规律 不难看出这里 RC 充放电的三要素是 1 时间常数 R1C 2 在 T1 时刻 UC 的初始值是 R2 R2 R3 UZ 3 若 T UC 的终了值是 UZ 根据一阶 RC 电路的三要素法可得 UC UZ R2 R2 R3 UZ 1 e t R1C R2 R2 R3 UZ 其中 T T T1 且 T1 T T2 当 T T 2 时 UC R2 R2 R3 UZ 将这些条件代如上面的式 得 R2 R2 R3 UZ UZ R2 R2 R3 UZ 1 e t R1C R2 R2 R3 UZ 解 之可得 T 2R1Cln 1 2R2 R3 通常将矩形波为高电平的时间与周期时间之比称为占空比 方波的占空比为 50 如果需要产生占空比小于或大于 50 的矩形波 可以利用电容充电的时间常数与放 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 19 电的时间常数不相等 利用二极管的单向导电性可以使电容充电与放电回路不同 因而可使电容充电与放电的时间常数不同 内部振荡器外接振荡电阻器引脚 个别需外接 RC 振荡元件 此时外接的 电阻器或电容器便可作为时间的调整元件 也有的集成电路将振荡元件全部集成在 芯片内部 不需要外接元器件 这时振荡频率就无法外调节 4 4 3 3 电压比较器电压比较器 电压比较器的功能 比较两个电压的大小 用输出电压的高或低电平 表示两 个输入电压的大小关系 电压比较器的作用 它可用作模拟电路和数字电路的接 口 还可以用作波形产生和变换电路等 注 电压比较器中的集成运放通常工作在非线性区 及满足如下关系 U U 时 UO UOL U 需要高峰值IG 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 25 2 由IG 触发到负载电流开始流动两者之间迟后时间较长 要求IG维持较长时间 3 低得多的dIT dt 承受能力 若控制负载具有高dI dt 值 例如白炽灯的冷灯 丝 门极可能发生强烈退化 4 高IL 值 1 工况亦如此 对于很小的负载 若在电源半周起始点导通 可 能需要较长时间的IG 才能让负载电流达到较高的IL 在标准的AC 相位控制电路 中 如灯具调光器和家用电器转速控制 门极和MT2 的极性始终不变 这表明 工 况总是在1 和3 象限 这里双向可控硅的切换参数相同 这导致对称的双向可控硅 切换 门极此时最灵敏 这是从双向可控硅的V I 特性图导出的代号 正的MT2相应正电流进入MT2 相 反也是 实际上 工作只能存在1 和3 象限中 上标 和 分别表示门极输入或输出 电流 图 4 10 双向可控硅 V I 特性曲线 本为零时 V1 才截止 当电源为负半周时 重复上述过程 如此循环 电热毯 的温度就逐渐升高 调节 RP 改变 C3 充电快慢 即可改变 V1 的导通角 也即改变 了 RL 的通电时间 因而实现了调温 ND 指示灯 LC1 高频滤波 R2C2 保护电路 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 26 5 5 声控开关控制电路详解声控开关控制电路详解 5 15 1 电源模块的设计电源模块的设计 电源电路采用降压 整流 滤波和稳压的组合电路 将 220V 的交流电压变为 5V 和 12V 的直流电压 模块图如图 5 1 电源 变压器 整流 电路 滤波 电路 稳压 电路 图 5 1 电源整流 降压过程是将 220V 单相交流电压直接输入有一定匝数比的变压器 得到降压 后的电压 然后将变压器副边的交流电压通过单相桥式整流电路 得到脉动系数较 大的直流电压 为了减小电压的脉动 将经过整流桥整流后的直流电压通入由滤波 电容构成的滤波电路 使输出较为平滑的电压 要得到稳定的直流电源需将滤波后 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 27 的电压输入稳压电路 稳压电路有电阻个稳压二极管构成 利用二极管的稳压特性 使得到不受电网电压波动和负载电阻变化影响的稳定性较高的直流电压 5 25 2 芯片芯片 TC4081BPTC4081BP 的介绍的介绍 TC4081BP 是一种将四个基本二输入与非门电路集合在一起制成的集成电路 因 此称为二输入四与非门集成电路 利用该集成电路既可以设计放大器 也可以设计 振荡器 还可以设计控制开关 因此被广泛应用于各种电子设备中 另外 TC4081BP 内部四个二输入与非门电路各自独立 实际中可选用其中一个 也可以四 个全用 还可进行并联 串联应用 这又给我们的设计带来了极大的方便 1 芯片 TC4081BP 的工作原理 TC4081BP 的外形如图所示 它是采用晶体管制造工艺在硅晶片上生产四个各自 独立的二输入与非门电路 然后采用 DIP 14 标准封装而成的双列 14 脚直插式结构 图 5 2 TC4081BP 外形图 图 5 3TC4081BP 内部结构 TC4081BP 的 14 个引脚的排列 引脚名称及内部结构如图 5 3 所示 可以很清 楚的看到四个二输入与非门相互独立 每个单独的与非门有两个输入端和一个输出 端 四个与非门被集成后 TC4081BP 的 1 脚 2 脚 3 脚属于第一个与非门电路 其中 1 脚的 1IN1 端为该与非门的输入端 2 脚的 1IN2 端为该与非门的另一个输入 端 3 脚的 1OUT 端为该与非门的输出端 4 脚 5 脚 6 脚属于第二个与非门电路 其中 4 脚的 2IN1 端为该与非门的输入端 5 脚的 2IN2 端为该与非门的另一个输入 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 28 端 6 脚的 2OUT 端为该与非门的一个输出端 8 脚 9 脚 10 脚属于第三个与非门 电路 其中 8 脚的 3IN1 端为该与非门的输入端 9 脚的 3IN2 端为该与非门的另一 个输入端 10 脚的 3OUT 端为该与非门的一个输出端 11 脚 12 脚 13 脚属于第 四个与非门电路 其中 11 脚的 4IN1 端为该与非门的输入端 12 脚的 4IN2 端为该 与非门的另一个输入端 13 脚的 4OUT 端为该与非门的一个输出端 7 脚 14 脚为 TC4081BP 的工作电源输入端 7 脚位电源的负极 Vss 14 脚为电源的正极 Vdd 在 TC4081BP 中 每个与非门的两个输入端与一个输出端之间所呈现的关系见 表 5 4 表 5 4 电位表 第一个输入端 1 脚 第二个输入端 2 脚 输出端 3 脚 011 101 001 110 表中以 TC4081BP 的第一个与非门为例 0 表示低电压 1 表示高电压 与非门集成电路是一种价格最低廉的集成电路 而且工作损耗小 适应电压范 围宽 可在 3 18V 的范围内正常工作 因此得到广泛应用 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 29 图 5 5 信号处理 5 35 3 延时模块延时模块 1 延时电路的设计及原理 根据电容的特性 电容两端的电压时缓慢变化的 譬如说 灯泡要通电 它的 电压在通电一刻有 0 变为另一个值 如 1V 但是由于其时缓慢变化的 即 0 1V 中 间的每一个值灯泡都经历过 突然的变化不会到时突变 时存在电容缓冲的 根据 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 30 这一特性 将电容两端并联一个电阻 从而可以一个延时电路 即图中的由延时电 阻器 R6 和延时电容器 C2 组成的延时电路 如图 图 5 6 延时电路原理图 继电器受声音控制动作后 若不再有响声输入到话筒 B 三极管 VT 又受 R2 R3 分压正偏导通 使 A 得 3 脚输出高电压 A 的 4 脚输出低电压 二极管 VD1 无正偏截止 但是电容器 C2 正极电压不会很快降低 它通过电阻器 R6 放电 由于 电阻器 R6 的阻值较大 电容器 C2 上所充的电需要一定时间才能放完 这样就使 A 的 10 脚保持为低电平 11 脚保持为高电平 继电器保持吸合状态 只有等到电容 器 C2 放点结束 使 A 的 8 脚 9 脚将为低电平 10 脚输出高电平 12 脚 13 脚位 高电压 11 脚输出低电压后 通过三极管控制继电器的工作状态 从而实现了延时 功能 2 RC 的放电过程及时间常数 当电容 C2 已有电压 U0时 且二极管无正偏截止时 电容器立即对电阻 R6 惊醒 放电 放点开始时的电流为 放电电流的实际方向与充电时相反 放电时的电流 0 U R 与电容电压随时间均按指数规律衰减为零 电流与电压的数学表达式为 i c u 5 4 0 1 t RC c uUe 5 5 0 t RC U ie R 式中为电容器的初始电压 放电时 和的变化曲线如图 5 6 所示 0 Ui c u 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 31 图 5 7 RC 放电时电压和电流的而变化曲线 RC 电路的时间常数用 表示 的大小决定了电路充放电时间的快慢 ttRC t 对于充电而言 时间常数 时电容电压从零增长到 63 2 所需而当时间 对放t c uUS 电而言 是电容电压从下降到 36 8 所需的时间 t c u 0 U 0 U R6 的阻值为 250K C2 为 100 则有uF6 2tRC 250K 100 25 所以延迟时间为 25 6 2tRC uFss 在电路中 电路的延迟时间是由电阻和电容协调控制的 因此 可以通过改变电容 和电阻的值来增长或缩短延迟时间 5 45 4 被控制模块电路设计及相关参数被控制模块电路设计及相关参数 1 电路工作原理 图 5 8 被控制电路 被控制电路三极管 T2 继电器 H 电阻 R8 R9 二极管 D2 组成 在这部分电 路中 继电器和三极管相当于一个开关 可开通或关断连接的 5 伏直流电源 当三极管 T2 处于饱和导通状态时 集电极电流驱动继电器 H 动作 开关闭合 当三极管 T2 处于截止状态时 继电器 H 中无电流通过 故而继电器开关无法动作 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 32 继电器 H 中开关动作受三极管 T2 控制 当三极管 T2 处于饱和状态时 其集电极有 电流通过 从而驱动继电器 H 中的开关动作 而当三极管 T2 处于截止状态时 其 集电极无电流通过 继电器中无电流通过 其开关无法动作 三极管 H 是处于饱和导通还是处于截止断开 则由其基极 B 控制 当 B 极电压 处于高电平时 其值高于集电极 C 的电压 而且大于三极管 T2 的开启电压 Uon 三 极管处于饱和导通状态 集电极上的继电器中有电流通过 当基极 B 处于低电平状 态时 其值小于三极管开启电压 Uon 三极管处于截止状态 其集电极中无电流 三 极管这个 开关 处于断开状态 二极管 D2 的作用是保护继电器 当三极管 T2 饱和导通时 继电器中有电流通 过 此时是二极管 D2 相当于开路 对电路无影响 当三极管在转换到截止状态 的瞬间 由于继电器中含有电感元件 那么必然会在此刻产生极大的电流 如果不 加二极管 D2 电路可能会因电流过大而损坏 而加上二极管后 电流改变流向 通 过二极管 D2 和继电器中的电感组成的回路完成放电过程 不会损坏电路 1 三极管 T2 选用的是 9014 型 NPP 型硅管 相关参数如下 5 9 三极管相关参数 VCEO45V VCBO50V VEBO5 0V IC100mA Ic1 0mA VCE5 0V ICBO0 1 A IEBO0 1 A VCE sat 0 3V VBE sat 1 0V ft150MHz 400 2 继电器 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 33 选用的是欧姆龙 OMRON 继电器 G2R 1 DC12 这是一种小型直流继电器 线圈参数如 下 5 10 继电器线圈参数 制造商 Omron 触点形式 SPDT 线圈电压 12 VDC 触点额定值 10 A 触点端接 Solder Pin 安装风格 Through Hole 功耗 530 mW 触点材料 Silver Alloy Part Aliase12DC G2R1 G2R112DC 二极管选用的是 IN4148 其参数如下 表 5 11 二极管参数 最高反向工作电压 V 75 反向击穿电压 V 100 最大正向电流 mA 150 正向压降 V 0 8 反向回复时间 ns 4 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 34 6 6 控制系统设计控制系统设计 6 6 1 1 现场级控制网络现场级控制网络 扶梯安全检测系统监测参数及参控设备较多 采用传统的 PLC 控制系统接线复 杂 可靠性低且维护困难 因此 系统采用现场总线实现设备层和控制层的连接 系统设计了现场总线网络 主要用于数字量输入 输出 模拟量输入 输出等小数量 级的快速循环通信 将现场网络配置成 Profibus DP 网络 采用西门子的 ET200分 布式 I O 进行现场设备的数据采集及控制 6 26 2 远程监控网络远程监控网络 在 PLC 控制柜与设在矿调度室的上位机之间建立了工业以太网 用于实现现场控 制层与上位机之间的数据交换 控制层 PLC 统一采用了西门子的 S7 300系列 PLC 进 行配置 网络结构简单清晰 避免了异构网络互连时必须安装相应网关的缺点 系统 选取西门子的 S7 300系列以太网通信模块 CP343 1 利用该模块可以方便地实现 PLC 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 35 与监控中心之间的以太网通信 为保证信号的可靠传递和防止电气干扰对通信的影响 系统采用以太网与光纤传输技术实现控制 PLC 与调度中心上位机之间的通信 6 36 3 控制系统功能设计控制系统功能设计 针对当前许多扶梯控制自动化水平不高 开发出一套以PLC 为核心的井下泵房 自动检测系统 主要实现以下功能 1 PLC控制程序采用模块化结构 系统可按程序模块分段调试 分段运行 该程 序结构具 有清晰 简捷 易懂 便于模拟调试 运行速度快等特点 2 系统根据人体红外线控制原则 自动实现扶梯的轮换工作 延长了电机用寿 命 3 系统具有通讯接口功能 PLC可同时与触摸屏及地面监测监控主机通讯 传送 数据 交换信息 实现遥测遥控功能 4 系统保护功能有以下几种 电动机故障 利用PLC及触摸屏监视扶梯电机过电流 漏电 低电压等电气故 障 并参与控制 接触器故障 由电动机综保监视闸阀电机的过载 短路 漏电 断相等故障 并参与扶梯的联锁控制 5 系统检测具有自动 半自动和手动检修3种工作方式 自动时 由PLC检测人 体红外 声音及有关信号 自动完成扶梯运行 不需人工参与 半自动工作方式时 由工作人员选择各监测系统 PLC自动完成已选项的启停和监控工作 手动检修方 式为故障检修和手动试车时使用 当扶梯及其附属设备发生故障时 扶梯将自动退 出运行 PLC柜上设有扶梯的禁止启动按钮 设备检修时 可防止其他人员误操作 以保证系统安全可靠 系统可随时转换为自动和半自动工作方式运行 6 46 4 控制系统可靠性设计控制系统可靠性设计 扶梯安全检测系统是否能可靠运行直接影响着经济生活和人员安全 为提高控 制系统的可靠性 针对传统控制系统的不足 系统从设备本身 传感器 通信网络 等各方面设计了可靠性保障措施 1 设备可靠运转保障 西安工业大学继续教育学院毕业 设计 论文 36 设备可靠运转是安全工作的前提 针对现场实际情况 该系统开发了系统控制 软件的辅助管理模块 对设备进行统一的管理 依据设备运行情况 监控软件的设 备辅助管理模块读取相应数据后进行逻辑处理 给出维护意见 从管理上来弥补设 备本社在可靠性上的不足 2 传感器可靠性保障 扶梯安全检测测系统采用了多种传感器 传感器的可靠性直接影响着系统的整 体可靠性 不同的传感器对系统的影响也不尽相同 根据影响范围的不同 系统将 传感器分为全局型和局部型 其中全局型传感器为液位传感器 它的可靠性关系到 整个系统安全排水的实现 其余传感器主要反映单台泵的运转工况 属于局部型 系统中的全局型传感器采用冗余设计 而对于局部型传感器则采取自诊方式确定其 故