红外线自动门控制系统-(景宝庆)

基于单片机控制的自动门系统设计摘 要随着科技的不断发展，自动化程度的不断提高，自动门在人们日常生活中断得到了广泛的应用。单片机SCM(Single Chip Microcomputer)，即Micro Controller，是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。由于单片机系统的适应能力强，稳定性高，所以本设计采用AT89C51单片机作为主控制器。本次设计是红外线自动门控制系统，使用红外线传感器作为感应器，检测到人体辐射的红外线能量变化，将其转化为电信号，传给单片机。交流电机作为门驱动装置。通过单片机控制交流电机，使门自动打开，当人进门后又可以使门自动关闭。本课题主要实现红外线检测和基于AT89C51的单片机控制系统设计，是检测和控制相结合的测控课题。关键词：单片机 热释红外线传感器 AT89C51 BISS000151AbstractWith the continuous development of science and technology, automatic door in Peoples Daily life interrupts a wide range of applications, and to its security and the properties of the demand is higher and higher. The automatic control system is as people living conditions for the pursuit of science and technology, the development of high-tech products. Arises because of the strong ability to SCM system .So this design uses AT89C51 single-chip microcomputer as the main controller. This design is infrared automatic control system, the use of infrared sensors as sensors, detection to human radiation of the infrared ray energy changed , turn it into electrical signals, to microcontroller. Put Ac motor as a door drive device. Through the single-chip microcomputer control ac motor, making the door automatically open, when people can make the door again after the door shut automatically. This subject mainly realizes infrared detection and control system based on AT89C51 single chip. Key words: thermal infrared sensors AT89C51 single chip interpretation BIS0001 chip.摘 要IAbstractII第一章 绪论11.2 课题的意义和目的11.3 该设计的基本设计思路2第二章 方案论证42.1 调速控制方法及选择42.1.1 直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较42.1.2 选用PWM调速系统控制直流伺服电机422 单片机的选择523 门控传感器的选择6第三章 主要器件的介绍73.1 热释红外传感器的原理和使用73.2 BISS0001芯片介绍和典型电路103.2.1 BISS0001的内部：113.2.2 BISS0001的特点：123.2.3 BISS001管脚图：123.2.4 BISS001管脚说明：133.2.5 BISS0001的参数：143.2.6 BISS0001工作原理153.3 AT89C51单片机简介193.3.1 AT89C51主要特性：213.3.2 AT89C51管脚说明：2233.3振荡器特性：243.3.4芯片擦除：243.4 菲涅尔透镜原理253.4.1 镜片主要有三种颜色：263.4.2 菲涅尔透镜的主要技术指标273.5 步进电机273.5.1步进电动机有如下特点:273.5.2反应式步进电机283.5.3 反应式步进电动机的步进原理293.5.4 驱动控制系统组成313.5.5 斩波驱动33第四章 系统硬件设计364.1 设计电路的电框图和原理364.1.1系统硬件总体逻辑设计374.2 设计电路原理图38第五章 系统软件设计405.1 系统软件结构405.2 各部分程序设计40第六章 调试466.1 初步检查466.2 为了确保该门控系统的安全高效运行必须满足下列条件：466.3 自动化性能测试46第七章 设计总结47致 谢50第一章 绪论1.1 课题研究的可行性现如今自动化、信息化程度越来越高，单片机的应用领域也就越来越广，成为人们生活不可或缺的一部分。随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。 通过对“自动门控制系统”的研究和设计，我精心撰写了单片机控制自动门系统论文。本论文着重阐述了以单片机为主体，步进电机、传感器为核心的系统。1.2 课题的意义和目的经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市，自动门已经是随处可见，在各大厦、宾馆、酒店、银行、商场、医院、写字楼等场所，自动门更是得到大范围的普及使用。自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、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，我们通常所说的自动门、感应门就是指自动平移门。 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，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，提高了建筑的档次。1.3 该设计的基本设计思路一、智能化设计 自动门选择配置智能化控制系统，可随意设定门扇的运行速度，并可设定半开状态，调节方便。使自动门始终保持在最佳运行状态。并具有自动矫正功能，即使遇到大风等原因引起的运行阻力增大，仍然能够保持平稳的开关门动作。 二、安全性设计 具有自动反转安全装置，当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，并在下次接近阻力区域时以安全速度前进，避免夹人事件和机件损毁的现象发生，提高自动门运行时的安全性，延长自动门寿命。门扇开启轻巧方便，当停电时，老人、儿童等均可开闭自如，开闭力量在3.5公斤以下，方便、安全、可靠。 三、稳定性设计 自动门采用步进电机，具有高效、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不过热等特性，大大超越传统交流伺服马达。 设计思路：1、有人来时（进门或出门）开门。当人走到离门不远的时候时，安装在门上侧的热释红外线传感器信号检测装置检测到有人时，将启动电动机带动传动链开门。2、无人时关门延迟,当热释收发装置没有检测到有人在离门1m的范围内，将延迟1秒启动电动机带动传动链关门。3、关门中途来人，立即开门。当启动电动机带动传动链关门时，感应探头突然检测到在离门1m的范围内有人，则立即停止电动机关门，启动电动机带动传动链开门。总体结构图如下图一：图 11 设计总结构图第二章 方案论证2.1 调速控制方法及选择伺服电机也称执行电机，它具有一种服从控制信号的要求而动作的，在信号来到之前，转子静止不动；信号来到之后，转子立即转动；当信号小时，转子能即使自行停转，由于这种“伺服”性能，因此而得名。 按照在自动控制系统中的功用所要求，伺服电机具备可控性好、稳定性高和速应性强等基本性能。可控制性好是指寻好消失以后，能立即自行停转；稳定性高是指转速随转矩的增加而均匀下家，速应性强是指反应快，灵敏。2.1.1 直流伺服电机与普通直流电机以及交流伺服电机的比较直流伺服电机的工作原理和普通直流电机相同。只要在其励磁绕组中有电流通过且产生了磁通，当电枢绕组中通过电流时，这个电枢电流与磁通互相作用而产生转矩使伺服电机投入工作。这两个绕组其中的一个断电时，电动机立即停转，它不象交流伺服电动机那样有“自转”现象。所以我们选择直流伺服电动机来进行自动门的拖动。2.1.2 选用PWM调速系统控制直流伺服电机与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用可能就足以获得脉冲动很小的直流电流，电枢容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。又由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流即相同的输出转矩下，电动机的损耗和发热都较小。同样由于开关频率高，若与快速响应的电机配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗干扰能力强。由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率比较高。22 单片机的选择20世纪80年代以来，单片机的发展非常迅速，就通用单片机而言，世界上一些著名的计算机厂家已投入市场的产品就有50多个系列，数百个品种。尽管单片机的品种很多，但是在我国使用的最多的是INTER公司的MCS-51系列单片机，直到现在MCS-51系列单片机仍不失为主流系列。在最近的若干年仍是工业检测控制的主角。MCS-51系列单片机有3个基本类型：8031、8051、8751。这里选用的是8751单片机。8031内部包括一个8位CPU，128个字节RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行I/O口，1个全双功串行口，2个16位定时器/计数器，但片内无程序存储器，需要外扩EPROM芯片。8051在8031基础上，片内又集成有4K ROM，作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。ROM内的程序是公司制作芯片时，代为用户烧制的，出厂的8051都是含有特殊用途的单片机。所以8051适合用于应用在程序已定的产品中。8751是在8031的基础上，增加了4K字节的EPROM，它构成了一个程序小于4KB的小系统。用户可以将程序固化在EPROM中，可以反复修改程序。本系统需要通过对程序的修改，来达到电机转速可调，可能需要反复的写入程序，所以选用8751单片机的定时器配合P0口输出来产生PWM调制波，来控制直流伺服电动机。23 门控传感器的选择微波感应器：又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动，雷达便不再反应，自动门就会关闭，有可能出现夹人现象。热释红外感应器：对物体的存在进行反应，不管人员是否移动，只要处于感应器的扫描范围内，它都会反应。红外感应器的反应速度比微波感应器慢。本系统首先要求的是安全，所以选用热释红外线传感器。第三章 主要器件的介绍3.1 热释红外传感器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。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。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，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。由于系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，如下图图31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 31 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32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8mm12mm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。图32 热释电红外线传感器的结构及内部电路3.2 BISS0001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A1时，电路可重复触发；当A0时，电路不可重复触发。脚（V0）为控制信号输出端，当有传感信号输人时，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：TX50103RXCX。脚（Ri）和脚Ci）为锁定时间控制器i的外接元件，锁定时间Ti24RiCi。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VCVR时禁止触发；当VCVR时，允许触发，VR0.2VDD.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。3.2.1 BISS0001的内部：图 33 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。3.2.2 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（3V5V)3.2.3 BISS001管脚图：图34 BISS001管脚图3.2.4 BISS001管脚说明：引脚名称I/O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。2VOO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。通常接VDD，当接“0”时可使定时器复位9VCI触发禁止端。当VcVR时禁止触发10IB-运算放大器偏置电流设置端11VDD-工作电源正端122OUTO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161OUTO第一级运算放大器的输出端3.2.5 BISS0001的参数：符号参数测试条件参数范围单位Vm电源/电压-0.36.0VV1/V0输入/出电压Vss-0.3Vdd+0.3VIm最大输出电流Vm1 0MATopr工作温度20+70Tstg贮存温度-40 +125BISS0001直流特性参数:（除特殊说明外，Tamb=25）符号参数测试条件最小值最大值Vm工作电压范围35VIm工作电流无负载Vm=3V50uAVm=5V100Vos输入失调电压Vm=5V50mVIos输入失调电流Vm=5V50mAAvo开环增益Vm=5VR=105M60BCMR工模抑制比Vm=5VR=105M60BVh运放输出高Vm=5V Rl=500接1/2Vm4.25VVVl运放输出低0.75VVrmVc端输入高Vm=5V1.1VVrlVc端输入低0.9VVohVc端输出高Vm=5V4VVolVc端输出低Vm=5V0.4VVahA输入高电压Vm=5V3.5VValA输入低电压Vm=5V1.5V3.2.6 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VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当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。1、不可重复触发工作方式以下图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3-5 BISS0001不可重复触发工作方式以下图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所示的可重复触发工作方式下的波形，来说明工作过程。图 3-6 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3-7所示: 图 3-7 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.3.3 AT89C51单片机简介单片机是把微型计算机主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，即将运算器，控制器，输入输出接口，部分存储器以及其他一些逻辑部件集成在一个芯片上，故可以把单片机看成是一个不带外部设备的微型计算机，相当于一个没有显示器，没有键盘，不带监控程序的单板机。其结构如图2-8所示： 图3-8 单片机结构框图由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。单片机从七十年代问世以来，在二十多年的时间里，发展异常迅速，并已广泛应用于各种领域。单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，大大地提高了系统的运行速度，所以在网络通讯领域也得到了越来越多的应用。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，外形及引脚排列如图3-9所示。图3-9 AT89C51外形及引脚排列3.3.1 AT89C51主要特性：* 与MCS-51 兼容* 4K字节可编程闪烁存储器* 寿命：1000写/擦循环* 数据保留时间：10年* 全静态工作：0Hz-24Hz* 三级程序存储器锁定* 128*8位内部RAM* 32可编程I/O线* 两个16位定时器/计数器* 5个中断源* 可编程串行通道* 低功耗的闲置和掉电模式* 片内振荡器和时钟电路3.3.2 AT89C51管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。在实际应用中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。P3.0 RXD：串行输入口P3.1 TXD：串行输出口P3.2 /INT0：外部中断0P3.3 /INT1：外部中断1P3.4 T0：记时器0外部输入P3.5 T1：记时器1外部输入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P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：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ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。33.3振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.3.4芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 3.4 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。3.4.1 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3-10所示。图3-10 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。3.4.2 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。3.5 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。3.5.1步进电动机有如下特点: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。低速下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步进电动机存在振荡和失步现象必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。步进电动机自身的噪音和振动较大带惯性负载的能力较差。3.5.2反应式步进电机以下是三相反应式步进电动机结构图。从图中可以看出，它分成转于和定子两部分。定子是由砧钢片叠成的。定子上有6个磁极(大极)，每2个相对的磁极(N、S极)组成一对，共有3对。每对磁极都缠有同一绕组，也即形成一相，这样3对磁极有3个绕组，形成三相。如果给处于错齿状态的相通电则转子在电磁力的作躺下，将向磁导率最大(或磁阻最小)的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是越于这一原理转动的。每个磁极的内表面部分布着多个小齿，它们大小相同，间距相同。转子是由软磁材料制成的，其外表面也均匀分布着小齿，这些小齿与定子磁极上的小齿的齿距相同形状相似。由于小齿的齿距相同，所以不管是定子还是转子，它们的齿距角都可以由下式来计算：-式中Z是转子的齿数。如果转子的齿数为40，则齿距角为9度。反应式步进电动机运动的动力来自于电磁力。在电磁力的作用下，转子被强行推动到最大磁导率(或者最小磁阻)的位置(如下图3-11所示，定子小齿与转子小齿对齐的伦置)，共处于平衡状态。对三相步进电动机来说，当某一相的磁极处于最大磁导位置时，另外两相必须处于非最大磁导位置(如下图3-11所示，定子小齿与转于小齿不对齐的位置)。图3-11 三相步进电机结构我们把定子小齿与转子小齿对齐的状态称为对齿：把定子小齿与转子小齿不对齐的状态称为错齿。错齿的存在是步进电动机能够旋转的前提条件。所以。在步进电动的结构中必须保证有错齿存在也就是说，当某一相处于对齿状态时，其他相必须处错齿状态。3.5.3 反应式步进电动机的步进原理如果给处于错齿状态的相通电则转子在电磁力的作用下，将向磁导率最大(或磁阻最小)的位置转动，即向趋于对齿的状态转动。步进电动机就是越于这一原理转动的。步进电动机步进的过程也可通过下图进一步说明。省开关Ka合上时，A相绕组通电，使A相磁场建立。A相定子磁极上的齿与转子的齿形成对齿，同时。B相、C相上的齿与转子形成错齿。图 3-11 步进电机工作原理将A相断电。同时将Kb合上，使处于1/3个齿距角的B相通电，并建立磁场。转子在电磁力的作用下，向与B相成对齿的位置转动。其结果是：转子转动了1/3个齿距角，B相与转子形成对齿：C相与转子错1/3个齿距角；A相与转子错2/3个齿距角；相似地，在B相断电的同时，合开开关Kc给C相通电建立磁场。转子又转动了1/3个齿距角。与C相形成对齿，并且A相与转子错1/3个齿距角；B相与转于错2/3个齿距角。当C相断电。再给A相通电时，转子又转动1/3个齿距角。与A相形成对齿，与B、C两相形成错齿。至此，所有的状态与最初时一样只不过转子累计转过了一个齿距。可见，如于按A-B-C-A顺序轮流给各相绕组通电，磁场按A-B-C方向转过了360度。转子则沿相同方向转过一个齿距角。同样。如果改变通电顺序，即按与上面相反的方向(A-C-B-A的顺序)通电，则转子的转向也改变。如果对绕组通电一次的操作称为一拍，那么前面所述的三相反应式步进电动机的流通电就需要三拍。转于每拍走一步转一个齿距角需要3步。转子走一步所转过的角度称为步距角，N可用下式计算：式中 N-步进电机工作拍数。自动门选用的是三相六拍的工作方式，即：步进电动机的正转通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA；反转通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA。磁场旋转一周。通电需要换相6次(即六拍)，转子才转动一个齿距角。如于转子转动一个齿距角要六伯。根据上式，六拍工作时的步进精度要高。六拍工作时，各相通电的电压和电流波形如下图3-12所示。可以看出在使用六拍工作方式时，有三拍是单相通电，有三拍是双相通电；对任一相来说，它的电压波形是一个方波，周期为六拍。其中毛三拍连续通电，有三拍连续断电。图 3-12 六拍工作方式相电压电流波形3.5.4 驱动控制系统组成使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如3-13所示：图 3-13 驱动控制系统方框图步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下:1) 反应式步进电动机控制换相顺序步进电动机的通电换相顺序严格安照步进电动机的工作方式进行。通常我们把通电换相这过程称为脉冲分配。三相六拍步进电机工作方式通电换相的正序是A-AB-B-BC-C-CA；反序为A-CA-C-BC-B-AB；共有八个通电状态P1口输出控制信号，0表示绕子通电，1表示绕子断电，则可以用六个字来表示六个通电状态。这六个字表示如下表：2) 通电状态 P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A) 控制字A11006HAB10008HB10109HBC00101HC01103HCA01002H3) 控制电路模型如3-14图所示：图 3-14 控制电路模型3.5.5 斩波驱动下面讲的是斩波恒流驱动的原理图。T1是一个高频开关管。T2开关管的发射极接一只小电阻只，电动机绕组的电流经这个电阻到地，所以这个电阻是电流取样电阻。比较器的一端接给定电压Uc，另一端接取样电阻上的压降，当取样电压为0时，比较器输出高电平。图 3-14 斩波恒流驱动电路原理图当控制脉冲Ui为低电平时T1和T2两个开关管均截止；当U1为高电平时，T1和T2两个开关管均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，只上的电压逐渐升高，当超过给定电压Uc的值时,比较器输出低电平，使与门输出低电平、Tl截止，电源被切断；当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高电乎，与门也输出高电平，T1又导通，电源又开始向绕组供电。这样反复循环，直到Ui为低电平。以上的驱功过程表现为：T2每导通一次，T1导通多次绕组