智能红外自动门控制系统毕业设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 1 页 共 39 页 1 引言引言 1 11 1 自动门发展历史自动门发展历史 自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸 是门的功能根据人的需要所进行的 发展和完善 自动门是指 可以将人接近门的动作 或将某种入门授权 识别为开门 信号的控制单元 通过驱动系统将门开启 在人离开后再将门自动关闭 并对开启和 关闭的过程实现控制的系统 自动门开始在建筑物上使用 是在二十世纪年以后 二十年代后期 美国的超级 市场的开放 自动门开始被使用 受此影响 世界第一自动门品牌多玛在 1945 年开发 出油压式 空气式自动门 新建大楼的正门也开始使用了 到了 1962 年 电气式开始 出现 之后伴随着城市的建设 自动门技术的领域每年都在增加 当初 用供给建筑 物用电源进行电动机的速度控制很难 只好进行油压 空压速度控制 转换但因能源 利用效率很低 然而伴随着电气控制的技术发展 现在电气控制技术已经成熟 直接 控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流 例如 各种用可识别控制的自动专用门 如 感应自动门 红外感应 微波感应 触摸感应 脚踏感应 刷卡自动门等 1 21 世纪的今天 门更加突出了安全理念 强调了有效性 有效地防范 通行 疏 散 同时还突出了建筑艺术的理念 强调门与建筑以及周围环境整体的协调 和谐 门大规模专业化生产始于 150 年前 在不断发展和完善的过程中 涌现出大批独具规 模的专业制造商 门的高级形式 自动门起源在欧美 迅速发展至今天 已经形成了种 类齐全 功能完善 造工精细的自动门家族 整体来说国外的自动门控制系统性能比较优良 但是价格偏高 国内的同类产品价 格便宜但是性能较差 故障率较高 在国外 进入 20 世纪 90 年代以来 自动化技术已 经很成熟 技术发展很快 并取得了惊人的成就 自动门是自动化技术的典型代表 但在国内 自动门的自主研发技术尚不成熟 在自动门控制系统设计中 稳定 节能 环保 安全及人性化是需要首先考虑的因素 自动门根据使用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 我们通常所说的自动门 感应门就是指自动平移门 目前市场上流行的平移型自动门一般是两开 这种门的特 点是简单易控 维护方便 这里将研究的对象就是自动平移门 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 2 页 共 39 页 自动平移门最常见的结构形式是自动门机械驱动装置和门内外两侧红外线 当人 走近自动门时 红外线感应到人的存在 给控制器一个信号 控制器通过驱动装置将 门打开 当人通过门之后 再将门关闭 由于自动门在通电后可以实现无人看管 给 我们的日常生活带来很多的好处 比如进出方便 节约空调能源 还有利于人力资源的 节省 更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息 也显示了一个国家的发展 自动门的控制方法有很多 从控制器的不同来说 有继电器控制 即通过按钮和 复杂的接线安装来控制 还有智能控制器控制 即通过运行现代自动化设备来控制 它具有稳定性高 安全等优点 因此被很多生产厂商所运用 由于继电器逻辑控制的 自动门系统存在许多缺陷而逐步被智能控制器的自动门所淘汰 2 对于智能控制器有多种方式 第一 采用 FPGA 的自动门控制系统设计 以按钮 无线遥控 红外感应三种驱动 方式 既可自动控制又可人工控制 操作简单并且适用范围广 采用 EDA 技术设计主控 制器的状态转换 可软件诊错 采用自动复位以及电机专用控制芯片来保证系统的可靠 运行 第二 以单片机为核心 统一控制红外传感器和步进电机 并通过机械直线运动单元 驱动玻璃门 在硬件上实现了系统报普显示 人员进出信号的采集与转换 监控报等 看门狗 技术 电机驱动控制以及光藕隔离技术 第三 采用可编程控制器 PLC 控制的自动门控制系统 PLC 是一种专门为在工业环 境下应用而设计的数字运算操作的电子装置 他采用可以编程的存储器 用来在其内 部存储执行逻辑运算 顺序运算 计时 和算数运算等操作指令 并能通过数字式和 开关量的逻辑控制的输入和输出 控制各种类型的机械或生产过程 PLC 具有可靠性高 抗干扰能力强 功能完善 适用性强 系统的设计 建造工作量小 维护方便 容易 改造 体积小 重量轻 能耗低等优点 因此运用 PLC 控制自动门具有较高的可靠性 维修方便等优点 第四 运用单片机作为自动门的控制系统 单片机算术运算功能强 软件编程灵活 自由度大 可用软件编程实现各种算法 并且具有功耗低 体积小 技术成熟 成本低廉等 有点 使其在各个领域应用广泛 在智能控制器的选择上主要有体积小 安装方便等特点 目前有许多厂家采用此种 方式生产自动门 这里我将设计一种以 AT89C52 为核心的自动门控制系统 包括硬件 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 3 页 共 39 页 组成和软件设计 采用热释电红外传感器检测信号变化利用开关电路进行电路信号放 大 3 1 21 2 红外探测技术的发展红外探测技术的发展 红外探测技术在军事技术 工业控制 安全保卫 家用电器以及人们的日常生活 等诸多领域中都有着非常广泛的应用 而一些教学实验的测控系统也在教学中发挥了很 大的作用 红外探测技术利用红外光波 又称红外线 作为载波来传送测量信号或者控制 指令 例如红外遥控电视开关 红外报警器 自动玻璃门等 之所以采用红外光波作为 测控光源 是由于红外发射器件与红外接收器件的发光与受光峰值波长一般为 0 88 m 0 94 m 落在近红外波段内 而且二者的光谱恰好重和能够很好地匹配 可获得 较高的传输效率及较高的可靠性 红外测控系统一般包括发射 接收以及处理部分 在本设计中 红外线探测器中的热电元件检测人体的存在或移动 并把热电元件的输 出信号转换成电压信号 然后 对电压信号进行波形分析 于是 只有当通过波形分 析检测到由人体产生的波形时 才输出检测信号 例如 在两个不同的频率范围内放 大电压信号 且将被放大的信号用于鉴别由人体引起的信号 4 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 4 页 共 39 页 2 系统总体方案系统总体方案 本章围绕系统的总体设计 介绍系统组成框图 主控芯片单片机的内部硬件资源 及其接口技术 整个自动门系统所用到的其它 IC 的介绍 2 12 1 系统总体规划系统总体规划 本系统主要由单片机及其外围电路 红外检测电路 步进电机控制电路等组成 正常工作时 单片机循环检测红外检测电路输出信号 据此产生电动机控制信号 电动 机带动门运行 当系统检测到控制方式发生改变时 系统进入相应式 如门在的控制 方关门过程中遇到人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开 其原理方框图如 2 1 所示 图2 1 原理方框图 硬件总体逻辑设计 感应自动门的种类很多 在此 仅以平移型感应自动门作为设计的重点 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 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 5 页 共 39 页 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 将脉冲信号传给主控器 主控器判断后通知马达 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 步带转动一段时间 后 马达反转 自动门关闭 6 2 22 2 AT89C52AT89C52 单片机单片机 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反复擦 写的 flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置 通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 AT89C52 单片机在电子行业中有着广泛的应 用 AT89C52 的管脚及各管脚含义如下 图 2 2 89C52 管脚图 各引脚功能说明 VCC 电源电压 GND 接地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为 输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 6 页 共 39 页 在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总 线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 FLASH 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要 求外接上拉电阻 P1 口 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸 收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到 高电平 此时可作输出口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外 部信号拉低时会输出一个电流 与 AT89C51 不同之处是 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX FLASH 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 P1 0 和 P1 1 的第二功能 P1 0 T2 定时 计数器 2 外部计数脉冲输入 时钟输出 P1 1 T2EX 定时 计数 2 捕获 重装载触发和方向控制 P2 口 P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收 或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被 外部信号拉低时会输出一个电流 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 FLASH 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INTO 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 7 页 共 39 页 P3 4 TO 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 此外 P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存编程和程序校验的控制信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位 ALE PROG 当访问外部程存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存允许 输出脉冲用于锁存地 址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟振荡频率的 1 6 输出固定的脉冲信号 因 此它可对外输出时钟或用于定时目的 要注意的是 每当访问外部数据存储器时将跳 过一个 ALE 脉冲 对 FLASH 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG EA 端为高电平 接 Vcc端 CPU 则执行内部程序存储器的指令 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部 程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在 此期间 当访问外部数据存储器 将跳过两次 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH0 EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密位 LB1 被编程 复位时内部会锁 存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 Flash 存储器编程时 该引脚加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是 使用 12V 编程电压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 7 2 32 3 热释电红外传感器热释电红外传感器的原理和使用的原理和使用 热释电红外传感器是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器 它 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 8 页 共 39 页 能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置 热释电红外传感器能以非接触形式检 测出人体辐射的红外线 并将其转变为电压信号 同时 它还能鉴别出运动的生物 与其它非生物 热释电红外传感器既可用于防盗报警装置 也可以用于自动控制 接近开关 遥测等领域 8 本设计使用型号为 RE03B 的热释电红外传感器 它的实物图如 下图 2 3 所 示 图 2 3 热释电红外传感器 RE03B 热释电效应 自然界的任何物体 只要其温度高于绝对零度 273 总是 不断地向外发出红外辐射 并以光的速度传播能量 物体向外辐射红外辐射的能量 与物体的温度和红外辐射的波长有关 物体的温度越高 它所发射的红外辐射的峰 值波长越小 发出红外辐射的能量也越大 通常 电介质的内部是没有载流子的 因此它没有导电能力 但是任何电介质毫无例外地都是由带电粒子组成的 即自由 电子和原子核组成的 在外加电压的作用下 这些带电粒子也要发生移动 带正电 荷的粒子趋向负极 带负电荷的粒子趋向正极 其结果是使电介质的一个表面带正 电 另一个表面带负电 我们称这种现象为电极化 对于上述现象 某些铁电体电 介质材料却是个例外 像上述的几种铁电体材料 当被极化后撤去外加电压时 这 种极化现象仍然保留下来 这种现象被称为自发极化 自发极化的强度与温度相关 当温度升高时 极化强度降低 自发极化的铁电体平时靠捕捉大气中的浮游电荷保 持平衡状态 当一些晶体受热时 在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷 这种由于热变化产生的电极化现象 被称为热释电效应 晶体自发极化所产生的束 缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和 其自发极化电矩不能表现 出来 当温度变化时 晶体结构中的正负电荷重心相对移位 自发极化发生变化 晶体表面就会产生电荷耗尽 电荷耗尽的状况正比于极化程度 下图表示了热释电 效应形成的原理 将释放出的电荷通过放大器放大后就成了一种控制信号 利用这 一原理制成的红外传感器称为热释电红外传感器 9 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 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 9 页 共 39 页 化时就会失去电荷平衡 向外释放电荷 后续电路经检测处理后就能产生报警信号 由于系统检知从物体放射出出来的红外线 所以不必直接接触就能够感知物体表面 的温度 故人体检 知以及移动中物体的温度当然均能以非接触之方式测得 热电型 红外线传感器系接受检 知对象物所发出的红外线 因此是被动型 由于不是主动型 所以并不需要校对投光器 受光器之光轴等烦琐的作业 热电效果系温度变化而产 生的 这将在稍后说明之 因此只接受因温度变化之能量 Energy 而热电型红外 线传感器将电压微分而输出之 如果红外辐射持续下去 电介质的温度就会升到新的平衡状态 表面电荷也同 时达到平衡 这时它就不再释放电荷 也就不再有信号输出了 如下图2 4 所示 因此 对于这类热释电红外传感器 只有在红外辐射强度不断变化 它的内部温度 随之不断升降的过程中 传感器才有信号输出 而在稳定状态下 输出信号则为零 因此在应用这类传感器时 应设法使红外辐射不断变化 这样才能使传感器不断有 信号输出 为了满足这一要求 通常在热释电传感器的使用中 总是要在它的前面 加装一个菲涅尔透镜 图 2 4 热释电效应的形成原理 能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件 其常用的材料有单晶 LiTaO3 等 压电陶瓷 PZT等 及高分子薄膜 PVFZ等 热释红外线传感器内 部结构与电路如下图 2 5 所示 热释电传感器利用的正是热释电效应 是一种温度 敏感传感器 它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成 元件两个表面做成电极 当传 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会产生电荷 Q 即在两电极之间产生 一微弱电压 V 由于它的输出阻抗极高 所以传感器中 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会跟空气中的离子所 结合而消失 当环境温度稳定不变时 T 0 传感器无输出 当人体进入检测区 时 因人体温度与环境温度有差别 产生 T 则有信号输出 若人体进入检测区 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 10 页 共 39 页 后不动 则温度没有变化 传感器也没有输出 所以这种传感器能检测人体或者动 物的活动 热释电红外传感器的结构及内部电路见下图所示 传感器主要有外壳 滤光片 热释电元件 PZT 场效应管FET等组成 其中 滤光片设置在窗口处 组 成红外线通过的窗口 滤光片为 6mm多层膜干涉滤光片 对太阳光和荧光灯光的短 波长 约5mm以下 可很好滤除 热释电元件 PZT将波长在8mm 12mm之间的红外 信号的微弱变化转变为电信号 为了只对人体的红外辐射敏感 在它的辐射照面通 常覆盖有特殊的菲 涅耳滤光片 使环境的干扰受到明显的抑制作用 10 图 2 5 热释电红外线传感器的结构及内部电路 图 2 5 是一个双探测元热释电红外传感器的结构示意图 使用时 D 端接电源正极 G 端接电源负极 S 端为信号输出 该传感器将两个极性相反 特性一致的探测元串接 在一起 目的是消除因环境和自身变化引起的干扰 它利用两个极性相反 大小相等 的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿 对于辐射至传感器的红外辐 射 热释电传感器通过安装在传感器前面的菲涅尔透镜将其聚焦后加至两个探测元上 从而使传感器输出电压信号 制造热释电红外探测元的高热电材料是一种广谱材料 它的探测波长范围为 0 2 20 m 为了对某一波长范围的红外辐射有较高的敏感度 该传感器在窗口上加 装了一块干涉滤波片 这种滤波片除了允许某些波长范围的红外辐射通过外 还能将 灯光 阳光和其它红外辐射拒之门外 11 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 11 页 共 39 页 2 42 4 BISS0001BISS0001 芯片介绍和典型电路芯片介绍和典型电路 BISS0001 是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路 它配以热释电红外传 感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关 它能自动快速开启各类白炽 灯 荧光灯 蜂鸣器 自动门 电风扇 烘干机和自动洗手池等装置 特别适用于 企业 宾馆 商场 库房及家庭的过道 走廊等敏感区域 或用于安全区域的自动 灯光 照明和报警系统 它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配 而且也 能和其他多种传感器进行匹配 它的内都是由运算放大器 电压比较器 与门电路 状态控制器 定时控制器 锁定时间控制器和禁止电路等组成 BISS0001 采用 16 脚标准型塑料封装结构 脚 A 为触发方式控制端 当 A 1 时 电路可重复触发 当 A 0 时 电路不可重复触发 脚 V0 为控制 信号输出端 当有传感信号输 入时 V0 输出高电平 脚 RX 和 脚 CX 为输出定时控制器 T 的外接元件端 定时时间为 TX 50 103RXCX 脚 Ri 和 脚 Ci 为锁定时间控制器 i 的外接元件 锁定时间 Ti 24RiCi 脚 VRF 为参考电压及复位端 使用时一般接 VDD 若按 SS 可使定时器复位 脚 Vc 为触发禁止端 当 VC VR 时禁止触发 当 VC VR 时 允许触发 VR 0 2VDD 脚 IB 为偏置电流设置端 由外接电阻 RB 接 SS 端 RB 一般 取 1M 的电阻 12 脚 OUT2 和 13 脚 IN2 分别为第二级运放的输出端和反 相输人端 14 脚 IN1 和 15 净 IN1 分别为第一运放的同相和反相输入端 16 脚 OUT1 为第一运放的输出端 11 脚 VDD 和 7 脚 VSS 分别为电源正 负端 12 2 4 1 BISS0001 芯片介绍 BISS0001 的内部电路 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 12 页 共 39 页 图 2 6 热释红外传感器处理芯片 BISS0001的内部电路 上图中 运算放大器 OPl 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 01 2 进行第二级放大 再经由电压比较器 COPl 和 ODP2 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 BISS0001 的特点 CMOS 工艺 公耗低 数模混合 具有独立的高输入阻抗运算放大器 内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器 采用 16 脚 DIP 封装 内置参考电源 工作电压范围宽 3V 5V BISS001 管脚图 图2 7 BISS001管脚图 表 2 1 BISS001 管脚说明 引脚引脚名称名称 I OI O 能说明能说明 1AI 可重复触发和不可重复触发选择端 当 A为 1 时 允许重复触发 反之 不可重复触 2VO O 控制信号输出端 由 VS的上跳变沿触发 使Vo 输出从低电平跳变到高电平时视为有效触发 在 输出延迟时间Tx之外和无VS的上跳变时 Vo保 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 13 页 共 39 页 持低电平状态 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 续表 2 1 BISS001 管脚说明 6RR2 触发封锁时间Ti的调节端 7VSS 工作电源负端 8VRF I 参考电压及复位输入端 通常接 VDD 当接 0 时可使定时器复位 9VC I 触发禁止端 当VcVR 时允许触发 VR 0 2VDD 10IB 运算放大器偏置电流设置端 11VDD 工作电源正端 122OUT O 第二级运算放大器的输出端 132IN I 第二级运算放大器的反相输入端 141IN I 第一级运算放大器的同相输入端 151IN I 第一级运算放大器的反相输入端 161OUT O 第一级运算放大器的输出端 表 2 2 BISS0001 的参数 符号参数测试条件参数范围单位 Vm 电源 电压 0 3 6 0 V V1 V0输入 输出电压 Vss 0 3 Vdd 0 3 V Im最大输出电流 Vm10MA Topr 工作温度 20 70 Tstg 贮存温度 40 125 表 2 3 BISS0001 直流特性参数 除特殊说明外 Tamb 25 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 14 页 共 39 页 符 号 参数测试条件最小值最大值单位 Vm 工作电压范围 35V Vm 3V50Im 工作电流无负载 Vm 5V100 uA Vos 输入失调电压 Vm 5V50mV Ios 输入失调电流 Vm 5V50mA 续表 2 3 BISS0001 直流特性参数 除特殊说明外 Tamb 25 Avo 开环电压增益 Vm 5V RL 105M 60dB CMR R 工模抑制比 Vm 5V RL 105M 60dB V h 运放输出高电 平 4 25VV V l 运放输出低电 平 Vm 5V Rl 500K 接 1 2Vm 0 75V Vrm Vc 端输入高电 平 1 1V Vrl Vc 端输入低电 平 Vm 5V 0 9V Voh Vc 端输出高电 平 Vm 5V4V Vol Vc 端输出低电 平 Vm 5V0 4V Vah A 端输入高电 压 Vm 5V3 5V Val A 端输入低电 压 Vm 5V1 5V 2 4 2 BISS0001 工作原理 BISS0001 是由运算放大器 电压比较器 状态控制器 延迟时间定时器以及封 锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路 以下图所示的不可重复触发工作方 式下的波形 来说明其工作过程 首先 根据实际需要 利用运算放大器 OP1 组成传感信号预处理电路 将信号 放大 然后耦合给运算放大器 OP2 再进行第二级放大 同时将直流电位抬高为 VM 0 5VDD 后 将输出信号 V2 送到由比较器 COP1 和 COP2 组成的双向鉴幅 器 检出有效触发信号 Vs 由于 VH 0 7VDD VL 0 3VDD 所以 当 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 15 页 共 39 页 VDD 5V 时 可有效抑制 1V 的噪声干扰 提高系统的可靠性 COP3 是一个条 件比较器 当输入电压 VcVR 时 COP3 输出为高电平 进入延时周 期 当 A 端接 0 电平时 在 Tx 时间内任何 V2 的变化都被忽略 直至 Tx 时 间结束 即所谓不可重复触发工作方式 当 Tx 时间结束时 Vo 下跳回低电平 同 时启动封锁时间定时器而进入封锁周期 Ti 在 Ti 时间内 任何 V2 的变化都不能 使 Vo 跳变为有效状态 高电平 可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰 13 1 不可重复触发工作方式 以下图 2 8 所示的不可重复触发工作方式下的波形 来说明工作过程 图2 8 BISS0001不可重复触发工作方式 以下图 2 9 所示的可重复触发工作方式下的波形 来说明其工作过程 可重 复触发工作方式下的波形在 Vc 0 A 0 期间 信号 Vs 不能触发 Vo 为有效 状态 在 Vc 1 A 1 时 Vs 可重复触发 Vo 为有效状态 并可促使 Vo 在 Tx 周期内一直保持有效状态 在 Tx 时间内 只要 Vs 发生上跳变 则 Vo 将从 Vs 上跳变时刻起继续延长一个 Tx 周期 若 Vs 保持为 1 状态 则 Vo 一直保持 有效状态 若 Vs 保持为 0 状态 则在 Tx 周期结束后 Vo 恢复为无效状态 并 且 同样在封锁时间 Ti 时间内 任何 Vs 的变化都不能触发 Vo 为有效状态 2 可重复触发工作方式 以下图 2 9 所示的可重复触发工作方式下的波形 来说明工作过程 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 16 页 共 39 页 图 2 9 BISS0001可重复触发工作方式 当热释电红外传感器接收到人体红外辐射后输出检测信号 然后由14 脚输入 BISS0001 经地内部电路处理 由 2 脚输出探测信号 正向脉冲信号 输出脉冲信 号的宽度由外接电阻 R9 和电容 C6 来决定 当 2 脚输出控制脉冲后 电子开关被接 通 数字编码电路和无线电发射电路由于得到电源而开始工作 电源变压器为 5W 15V E 为 12V 免维护蓄电池 供停电使用 S1 为锁控电源开关 可根据需要 安装在适当处所 用来接通工作电源 无必要时可取消设置 SCR 采用 1A 的单向 可控硅 HFC9301 为软封装发声电路 发声为 嘀 嘀 声 电路的调试主要是主 机与各分机之间的统调 将发射电路和接收电路组装好后 先将发射机中C10 的 调至适当位置后固定不动 接着调整接收机中的C1 使接收机能收到发射机发出 的信号 若为 一对多 或 多对一 报警系统 应先将主机 一 可以是发射 机 也可以是接收机 调好固定 然后调整各分机 使其与主机统调 BISS0001 应用线路图如 2 10 所示 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 17 页 共 39 页 图 2 10 BISS0001的热释电红外开关应用电路图 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 图中R6 可以 调节放大器增益的大小 原厂图纸选 10K 实际使用时可以用 3K 可以提高电路 增益改善电路性能 输出延迟时间 Tx 由外部的 R9 和 C7 的大小调整 触发封锁时 间 Ti 由外部的 R10 和 C6 的大小调整 R9 R10 可以用 470 欧姆 C6 C7 可以选 0 1U 在 BISS0001 的内电路中 运放 A 是一个独立的放大器 由它放大后输出的 信号电压通过 14 2 52 5 菲涅尔透镜原理菲涅尔透镜原理 菲涅尔镜片是根据法国光物理学家 FRESNEL 发明的原理采用电镀模具工艺和 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 18 页 共 39 页 PE 聚乙烯 材料压制而成 镜片 0 5mm 厚 表面刻录了 一圈圈由小到大 向外 由浅至深的同心圆 从剖面看似锯齿 圆环线多而密感应角度大 焦距远 圆环线 刻录的深感应距离远 焦距近 红外光线 越是靠进同心环光线越集中而且越强 同 一行的数个同心环组成一个垂直感应区 同心环之间组成一个水平感应段 垂直感 应区越多垂直感应角度越大 镜片越长感应段越 多水平感应角度就越大 区段数量 多被感应人体移动幅度就小 区段数量少被感应人体移动幅度就要大 不同区的同 心圆之间相互交错 减少区段之间的盲区 区与区之间 段与段之间 区段之间形 成盲区 由于镜片受到红外探头视场角度的制约 垂直和水平感应角度有限 镜片 面积也有限 镜片从外观分类为 长形 方形 圆形 从功能分类为 单区多段 双区多段 多区多段 15 2 5 1 镜片主要有三种颜色 聚乙烯材料原色 略透明 透光率好 不易变形 白色主要用于适配外壳颜色 三 黑色用于防强光干扰 镜片还可以结合产品外 观注色 使产品整体更美观 菲涅尔透镜是一种精密的光学系统 专门是用来与热释电红外传感器配套使用 其结构如图 2 11 所示 图2 11 菲涅尔透镜 它由经过特殊设计的透镜组构成 上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场 相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠 都相隔一个盲区 当热源 比如人 在 透镜前运动时 顺次从某一单元透镜视场进入又退出 投射信号会出现一个接一个 的断续信号 但是热源信号始终都是集中在透镜中部的 将连续的热源信号变成断 续的辐射信号 使热释电传感器能正常工作 菲涅尔透镜作用有两个 一是聚焦作用 即将热释红外信号折射 反射 在 PIR 上 第二个作用是将探测区域内分为若干个明区和暗区 使进入探测区域的移 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 19 页 共 39 页 动物体能以温度变化的形式在 PIR 上产生变化热释红外信号 2 5 2 菲涅尔透镜的主要技术指标 外形尺寸 根据传感器和探测摘要来设计和生产不同尺寸的透镜 水平视角和垂直视角 它表明透镜的可监视范围 焦距 它表明镜片与传感器的安装距离 16 2 62 6 步进电机步进电机 步进电动机是纯粹的数字控制电动机 它将电脉冲信号转变成角位移 即结一 个脉冲信号 步进电动机就转动一个角度 因此作常适合于单片机控制 近30 年 来 数字技术 计算机技术和水磁材料的迅速发展 推动厂步进电动机的发展 为 步进电动机的应用开辟 了广闹的前景 步进电动机的角位移与输入脉冲 数严格成正比具有良好的跟随型 以由步进电 动机与驱动电路组成的开环数控系统 既非常简单 廉价 又非常可靠 同时 它 也可以与角度反馈环节组成高性能的闭外数控系统 步进电动机的动态响应快 易 于起停 正反转及变速 速度可在相当宽的范围内平滑调节 低速 低仍能保证获很 大转矩 因此 一般可以不用减速器而直接驱动负载 步进电动机只能通过脉冲电 源供电才能远行 它不能直接使用交流电源和直流电源 17 3 3 硬件设计硬件设计 3 13 1 单片机最小系统单片机最小系统电路电路 AT89C52 是自动门系统的控制核心 一般情况下以单片机片内的基本硬件资源为 主 有必要时再扩展部分外部器件 在本设计中需要完成的控制比较简单 以单片机 片内的基本硬件资源完全可以实现 因此不需扩展 其单片机最小电路图如图 3 1 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 20 页 共 39 页 图 3 1 单片机最小系统电路图 3 23 2 红外检测电路红外检测电路 红外检测电路主要由热释电红外传感器和检测放大电路组成 核心元件是热释电 红外传感器 它能以非接触形式检测人体辐射出的红外线能量变化 并将此变化转化为 电压信号输出 不需要红外线和电磁波发射源以及各种主动接触开关由于敏感元件的 输出电压极微弱且其阻抗很高 故在传感器内部设有场效应管及偏置厚膜电阻 从而 构成信号放大及阻抗变换电路 一般热释电红外传感器自身的接收灵敏度较低 检测 距离仅 2m 左右 当有人靠近自动门时 被热释电红外传感器接收下来 并将其转换成 信号 经检测放大电路内部放大等处理后输出给单片机 18 其热电释红外检测电路如 图 3 2 所示 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 21 页 共 39 页 图 3 2 热电释红外检测电路 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 22 页 共 39 页 3 33 3 步进电机的链接步进电机的链接 利用 ULN2803 以及 AT89C52 设计的步进电机驱动电路如图 3 3 所示 图 3 3 步进电机的连接图及故障报警电路 本设计所采用的步进电机是国产 20BY 0 型步进电机 它使用 5V 直流电源 步距 角为 18 度 电机线圈由四相组成 即 A B C D 四相 驱动方式为二相激磁方式 电机示意图和各线圈通电顺序如图 3 4 和表 3 1 所示 图 3 4 步进电机原理图 表 3 1 各线圈通电顺序表 相顺序ABCD 01100 10110 20011 31001 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 23 页 共 39 页 相顺序从 0 到 1 称为一步 电机轴将转过 18 度 0 1 2 3 4 则称为通电一周 转轴将转过 72 度 若循环进行这种通电一周的操作 电机便连续的转动起来 而进行 相反的通电顺序如 4 3 2 1 将使电机同速反转 通电一周的周期越短 即驱动频率 越高 则电机转速越快 但步进电机的转速也不可能太快 因为它每走一步需要一定 的时间 若信号频率过高 可能导致电机失步 甚至只在原步颤动 此电机是通过芯片 ULN2803 来驱动的 下面介绍一下该芯片 ULN2803 采用 AP DIP18 AFW SOL18 封装方式 8 个 NPN 达林顿连接晶体管 阵系列特别适用于低逻辑电平数字电路 诸如 TTL CMOS 或 PMOS NMOS 和较高 的电流 电压要求之间的接口 所有器件具有集电极开路输出和续流箱位二极管 用于 抑制跃变 ULN2803 的设计与标准 TTL 系列兼容 该电路的特点如下 具有达林顿管驱动器 高耐压 大电流等特点 器件编号 ULN2803 封装类型 AP DIP18 AFW SOL18 输出击穿电压 50 V 输出电流 500 mA 输入电阻 2 7k 推荐输入电压 5 V 温度范围 40 85 不要超过每个驱动器的电流的限制 19 图 3 5 ULN2803 内部方框图 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 24 页 共 39 页 3 43 4 电源模块设计电源模块设计 图 3 6 电源模块电路图 此电源模块通过整流桥和 7805 芯片实现电压的转换 通过变压器和整流桥先将 220V 交流电压转换成 8 8V 的电压 变压器的匝数比 N1 N2 1 0 04 转换达到的电 压可用于供本设计中的 AT89C52 BISS0001 和国产的 20BY 0 型步进电机用电 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 25 页 共 39 页 4 4 系统软件设计及调试系统软件设计及调试 4 14 1 系统软件结构系统软件结构 整个系统软件主要由主程序 开门子程序 关门子程序 T0 中断服务程序 T1 中 断服务程序 外部中断服务子程序组成 主程序主要是完成系统进行初始化 中断设 置等功能 程序设计中设置了一个外部中断 0 它保证红外自动门能够在无人操控情况 下自动运行 主要功能是当检测到有人出入门时 启动电机 从而实现自动开关门的 目的 4 24 2 各部分程序流程设计各部分程序流程设计 在开门过程中首先进行门状态检测 根据所检测到的信号判断自动门上次停机所 处位置 根据检测结果确定门此刻应运行方式 如检测出门是半开状态 门直接转入 加速开门的过程 如检测出门是全开状态 门转入延时开门过程 如检测出门是全关 状态 那么在检测到有人出人时 门会缓慢打开 之后加速运行 接着减速运行 最 后电机停止运转 门由于惯性缓慢关闭 自动门开门后暂停一段时间 然后关门 关 门是开门的一个反过程 它经过慢速运行 加速运行 减速运行 惯性运动直至停止 这几个过程 在自动门关闭过程中当系统接收到由红外线传感器电路发出的有人出入 的信号时 门会重新打开 与开门情况不同的是当在关门过程中检测到故障信号时门 会朝反方向运动 将门打开 这样可以排除因自动门遇到障碍物或人身体而产生故障 信号使整个系统停止工作的可能 20 为了运行过程可靠 在以不同速度运行过程中 对运行时间做了安全设置 当在 开门状态下检测到运行时间超过安全时问或系统出现故障时 程序转人故障处理程序 各个部分程序如下所示 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 26 页 共 39 页 系统主程序流程图系统主程序流程图 Y N 开始 定时器 T0 T1 的设 置 中断优先级设置 系统终止 开外部中断 1 开定时器 T0 关外部中断 1 开定时器 开中断 系统故障 手动方式 Y N 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 27 页 共 39 页 图 4 1 主程序流程图 开门子程序流程图开门子程序流程图 Y Y 返回 开门 电机减速 门状态检测 电机加速 电机停止 加速 减速 停止 N Y N N 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 28 页 共 39 页 图 4 2 开门子程序流程图 开门中断程序流程图开门中断程序流程图 开门子程序 中断返回 装载 T0 常数 开中断 关门子程序 关 T0 中断 读按键操作 加速 开门否 Y Y N N 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 29 页 共 39 页 图 4 3 开门中断程序流程图 4 34 3 门行程检测门行程检测及故障检测及故障检测 门行程检测电路通过检测门行程开关的闭合情况来发送不同的信号 使电机改变 转速 进而控制门运行的速度以提高运作效率 为了保护门不受到损害和保证门运行 效率 在门行程检测电路中设置了四个行程开关 它们分别代表开门极限 行程极限 1 行程极限 2 关门极限 门在开启过程中 分别经过慢速 加速 减速和停止四个 过程 门的关闭过程则与上述过程相反 门运行到极限位置时 限位开关动作 单片 机根据接收到响应的信号 改变电机运行速度 15 在故障检测电路中 配置了温度和速度传感器 用来监测电机的工作情况 从而 实现电机过热保护和门运行障碍保护 同时还设置了电压监控电路 用于检测系统异 常情况 检测电路首先将检测到的信号转换成电压 然后经单片机内部的户以转换器 变成数字信号 单片机定期读取数据 一旦发现数据异常 即马上采取相应的紧急措 施 向系统发出故障信号 系统停止工作 向故障显示电路发出指令 发出报警信号 并显示故障类型 16 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 30 页 共 39 页 5 5 设计工作总结设计工作总结 在此次有关自动门的控制系统的设计 让我感觉到了单片机的复杂深度性 它很 贴切我们的日常生活 无所不在 应用无处不有 它并不是想象中的那么简单 也并 非是无法克服的堡垒 设计硬件之前 要首先收集好有关的基础性资料 应备有良好的应用类参考书和 专业类参考书 对于有关的科技期刊和专利文献 也要经常阅读以便了解最新的发展 情况 借鉴现成的经验 避免重复劳动 在设计中 要充分了解所用芯片的使用条件 及输入输出的特性 这样才能避免因使用错误而多走弯路 电路设计部分应该有的精神就是广集资料 只凭借自己头脑中的知识是远远不够 的 哪里出现了问题 就要翻书本 或上网查资料 当然也要开动自己的脑筋怎样使 系统电路更完美 例如我的设计题目是智能红外自动门控制系统 有自动门 自然会 用到电动机 每种电机都有不同的特性和功能 你就要进行选择了 例如对电机的选 择 你就要选择你所熟悉的 所了解的 在电路设计时 应充分发挥单片机的记忆运算 判断控制能力 避免采用复杂的 稳定性较差的模拟电路 本设计程序以汇编语言语言编写 易于读写 易于调试和修改 同时汇编语言用 来编制系统软件和过程控制软件 其目标程序占用内存空间少 运行速度快 为了使微机控制系统各种硬件设备能够正常运行 有效地实现电机各个控制环节 的实时控制和管理 除了要设计合理的硬件电路 还必须要有高质量的软件支持 因 此用汇编语言编写电机单片机实施控制的应用程序 是整个系统中十分重要的内容 最后我非常感谢学校和老师给我们这么好的学习机会 让我亲身去体会一个项目 开发的艰难性 第一次站在一个设计者的角度去看 体会到了他们的艰辛 同时我也 感受到了老师对我们的付出 对我们的精心指导 让我顺利完成这次学习任务 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 31 页 共 39 页 附录附录 A A 设计电路原理图 设计电路原理图 中北大学 2013 届毕业设计说明书 第 32 页 共 39 页 附录附录 B B 程序源代码 程序源代码 主程序 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 门行程行状 1 SPEED1 BIT P1 1 门行程行状 2 SPEED2 BIT P1 2 门行程行状 3 SPEED3 BIT P1 3 门行程行状 4 KEYDOOROPEN BIT P1 4 手动门开按钮 KEYDOORCLOSE BIT P1 5 手动门关按钮 MODE BIT P1 6 手动 自动切换 DOOROPEN BIT P2 4 门开驱动信号 DOORCLOSE BIT P2 5 门关驱动信号 SIGNAL BIT P2 6 红外线传感器信号 HSPEED BIT P2 7 电机速度变换 DOORSTATE BIT 00H 门状态 RERROR BIT 01H 系统故障 ORG 0000H AJMP START ORG 000