红外线自动门控制系统设计.docx
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红外线自动门控制系统设计
摘要
单片机SCM（SingleChipMicrocomputer），即MicroController，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。
主要包括了微处理器（CPU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出口（1/0口）和定时器/计数器、中断系统等功能部件。
单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广、发展很快。
而51单片机是各单片机中最为典型和最有代表性的一种。
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。
关键词：
单片机热释红外线传感器AT89C51BIS0001芯片
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“红外线自动门控制系统”的研究和设计，我精心撰写了红外线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国内自动门发展现状
1）厂家多，规模小5～6年来几年来，自动门在国内得到了快速的发展。
据不完全统计，目前国内大大小小生产自动门的厂家已有50多家，但普遍生产规模小，自主研发能力差。
从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进口产品竞争的实力。
2）专业化分工趋势显现早期的生产厂家，一般是自主研发和生产，顶多委托代加工部分零部件。
近两年来，出现了专门生产主要部件的厂家，如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件等出现了专业生产厂家，这一趋势使生产的门槛降低，进入的厂家进一步增多，导致竞争更加激烈。
3）高、低档次的市场分明进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市场，目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略嫌粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。
4）产品同质化和市场特点导致利润微薄产品同质化严重，加之自动门产品往往是开发商而非最终用户在选择产品，所以价格因素占的比重较大，加剧了市场竞争。
其结果是众多厂家一味地比拼价格，导致利润微薄。
同时，由于价格过低，也使产品的持续改进和发展受到限制。
1.3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。
1.4课题的功能概述
在自动门使用上要根据安装的环境及要求，考虑选择自动门的配置。
由于公共场所（像医院、机场等）的自动平移门使用频率非常高，而自动门的使用频率和寿命是有限的。
在这种情况下，要使用自动门必须进行综合考虑。
例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。
以上介绍的是自动门的安装使用要点。
而一个自动门的设计还要包括下面三个方面：
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。
由于采用步进电机驱动，配合T型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行中具有卓越的稳定性。
由于采用高性能的电源输入，不管电压波幅多大均可自动稳压。
此外在负载瞬间短路时还有过压及过流保护措施，有效保障自动门运转的稳定耐久和安全。
自动门在具体场合的使用设计上，还应注意做好以下配置的选用：
1、安全辅助装置
如在高档酒店等地方可以选择安装防夹人红外感应器，防止停留在门附近的人被门所夹住。
2、备用电源
为保证停电时自动门也能工作正常，应配置备用电源。
3、辅助光线传感器
在需要的地方，自动门可以安装辅助光线传感器（红外对射保护装置），当门打开时，人站着不动，用手遮挡辅助光线传感器，门应该保持打开状态。
当手离开后几秒后，门应该重新关闭。
综上所述，自动门在很多领域具有不可比拟的优越性，随着国民经济的快速发展，自动门在我国已经迎来了快速发展的黄金时期。
自动门构造的技术参数
一、主要的技术指标：
技术指标单门双开门
门重量130kg×1扇100kg×2扇
导轨长度2000~5000mm
开门速度200~450mm/秒（可调）
闭门速度200~450mm/秒（可调）
慢行速度30~50mm/秒（可调）
开门时间开门静止后1~10秒的范围内（可调）
控制器高速智能电脑处理器控制
马达DC24V40W无刷步进电机
电源电压AC220V50Hz
消耗功率100W
手动开启力3.5公斤以下
安全功能开闭时遇到障碍物能立即开启,晚间转换到报警功能
使用环境-20℃～+50℃
二、主要构造部件
部件特性
智能控制器：
自动检测门的重量、宽度，使门保持在最佳运行状态。
步进电机：
高效率、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不发热。
皮带：
高效同步齿型带，防止打滑，保证平稳运行。
吊架：
用于运动门扇的悬挂，安全可靠。
1.5该设计的基本设计思路
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1N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1—1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只能，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。
2．2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4KROM，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。
2．3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3—1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3—1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3—2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ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。
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ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=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ΔT，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。
图3—2热释电红外线传感器的结构及内部电路
3.2BISS0001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。
①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。
②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。
③脚（RX）和④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。
⑤脚（Ri）和⑥脚Ci）为锁定时间控制器Υi的外接元件，锁定时间Ti＝24RiCi。
⑧脚（VRF）为参考电压及复位端，使用时一般接VDD，若按ⅤSS，可使定时器复位。
⑨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.⑩脚（IB）为偏置电流设置端，由外接电阻RB接ⅤSS端，RB一般取1MΩ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。
3.2.1BISS0001的内部：
图3—3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。
3.2.2BISS0001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）
3.2.3BISS001管脚图：
图3—4BISS001管脚图
3.2.4BISS001管脚说明：
引脚
名称
I/O
能说明
1
A
I
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。
2
VO
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保持低电平状态。
3
RR1
--
输出延迟时间Tx的调节端
4
RC1
--
输出延迟时间Tx的调节端
5
RC2
--
触发封锁时间Ti的调节端
6
RR2
--
触发封锁时间Ti的调节端
7
VSS
--
工作电源负端
8
VRF
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
9
VC
I
触发禁止端。
当VcVR时允许触发（VR≈0.2VDD）
10
IB
--
运算放大器偏置电流设置端
11
VDD
--
工作电源正端
12
2OUT
O
第二级运算放大器的输出端
13
2IN-
I
第二级运算放大器的反相输入端
14
1IN+
I
第一级运算放大器的同相输入端
15
1IN-
I
第一级运算放大器的反相输入端
16
1OUT
O
第一级运算放大器的输出端
3.2.5BISS0001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
Vm
10
MA
Topr
工作温度
——
—20~+70
℃
Tstg
贮存温度
——
—40~+125
℃
3.2.6BISS0001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
单位
Vm
工作电压范围
——
3
5
V
Im
工作电流
无负载
Vm=3V
50
uA
Vm=5V
100
Vos
输入失调电压
Vm=5V
50
mV
Ios
输入失调电流
Vm=5V
50
mA
Avo
开环电压增益
Vm=5V,RL=105MΩ
60
dB
CMRR
工模抑制比
Vm=5V,RL=105MΩ
60
dB
Vүh
运放输出高电平
Vm=5V
Rl=500KΩ接1/2Vm
4.25V
V
Vүl
运放输出低电平
0.75
V
Vrm
Vc端输入高电平
Vm=5V
1.1
V
Vrl
Vc端输入低电平
0.9
V
Voh
Vc端输出高电平
Vm=5V
4
V
Vol
Vc端输出低电平
Vm=5V
0.4
V
Vah
A端输入高电压
Vm=5V
3.5
V
Val
A端输入低电压
Vm=5V
1.5
V
3.2.7BISS0001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。
不可重复触发工作方式下的波形
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3-5BISS0001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3-6BISS0001可重复触发工作方式
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