红外线控制自动门.docx
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红外线控制自动门
红外线控制自动门
摘要：
随着经济的发展和人民生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛，它已经成为宾馆、超市等现代建筑所必备的，是建筑智能化水平的重要指标。
自动门控制系统作为自动门系统的控制核心，决定了自动门系统的性能。
国外生产的自动门控制系统性能比较优良，但是价格偏高；国内的同类产品虽然价格便宜，但是性能较差，故障率较高。
本文研究一种基于AT89C51的自动门控制系统，功能强大，运行可靠，用户操作方便，而且成本适中，在市场上有较强的竞争力。
关键词：
自动门控制系统；AT89C51；
ABSTRACT：
Withthedevelopmentofeconomyandlivingstandard,automaticdoorsarebeingwidelyused.Itisabsolutelynecessarytoamodernbuildingsuchashotel,supermarket.Asthecontrollingcoreoftheautomaticdoor,theautomaticdoorcontrollerdeterminesitsperformance.Mostofautomaticdoorcontrollersthathavebeensoldinourcountryaremadebyforeignmanufactures.Theperformanceoftheseproductsishigh,buttheyareveryexpensive.Ourhome-madeautomaticdoorcontrollersarenotsoexpensive,however,theperformanceisunsatisfiedandthefaultyrateishigh.SowehavedevelopedanewkindofautomaticdoorcontrollerbasedonAT89C51.Thecontrollerhasgoodcompetitiveabilitybecauseit’spowerful,reliable,convenientandlow-cost.
Keywords:
automaticdoorcontroller；AT89C51；
目录
第一章绪论3
1.1引言3
1.2系统功能简介3
1.2.1实用的操作模式3
1.2.2完善的故障监测和故障/状态显示功能4
1.2.3灵活的参数设置4
1.2.4智能化处理4
1.2.5紧急按钮4
1.2.6手动复位4
1.3系统结构和工作原理5
1.3.1电源5
1.3.2主控芯片、存贮器及外围电路6
1.3.3步进电机控制及驱动电路6
1.3.4红外传感器部分6
1.3.5电流电压监测电路7
第二章红外线感应原理8
2.1红外传感技术简介8
2.2.1主动式8
2.2.2被动式8
第三章硬件电路设计12
3.1电源部分12
3.1.1整流滤波电路12
3.1.2开关电源13
3.2主控芯片AT89C51接口电路14
3.3控制面板电路16
3.4电磁锁控制电路17
3.5制动控制电路19
3.6电流电压监测电路21
3.6.1总电流监测电路21
3.6.2交流电掉电检测电路22
3.7红外传感器和光电管22
第四章系统程序流程23
4.1定时中断服务程序24
4.2门的运动26
4.2.1电机的操作27
4.2.2输入捕捉程序31
4.3控制面板按键程序32
4.3.1修改系统操作模式33
4.3.2修改运动参数33
4.3.3系统复位33
4.3.4自由滑动33
参考文献35
第一章绪论
1.1引言
随着经济的发展和人们生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛。
它现在为许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备，不仅可以美化出入口环境，而且具有节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。
目前国内的产品多为从国外进口。
国外生产自动门的公司很多，常见的公司有德国的BLASL，瑞士的TORMAX，意大利的PA，日本的National等等。
这些产品功能繁多，性能可靠，但普遍价格偏高，操作复杂。
而国内设计的同类产品性能不稳定，故障率较高，需要频繁的维护，增加了运营成本。
我设计的这款红外线自动门控制系统要求功能强大，而且具有完整的抗干扰和故障诊断功能，性能稳定可靠，用户操作方便，而且成本适中，在市场上有较强的竞争力。
1.2系统功能简介
我们所研制的自动门控制系统功能具体特点如下：
1.2.1实用的操作模式
自动门控制系统有五种实用的操作模式，即自动、常开、锁门、单向只出不入和窄开门工作模式。
自动模式也就是最常用的模式，当有人靠近时自动开门，当人通过后自动关门；常开模式，无论是否有人通过，一直保持开门状态不变；锁门模式即关门并且上锁的状态。
单向只出不入模式对时间有限制的公共场所非常有用，比如商店晚上打烊之前可以设定为此工作模式，此时自动门只对门内的顾客有响应，可以让顾客出去，对于门外要进入的顾客则不予响应。
窄开门模式和自动模式类似，只是当执行开门动作时只开到某一宽度（可由用户调节），而不是全部打开，这种模式在冬天或夏天室内外温差较大时是一种非常实用的工作模式，可以减少室内外的热量交换。
1.2.2完善的故障监测和故障/状态显示功能
本系统具有完善的故障检测和抗干扰功能，保证系统安全可靠的运行。
对市电、直流电源电压、系统总电流、制动电流、锁电流、电机温度、系统环境温度都有相应的监测电路，一旦发生掉电、欠压、过流、过热等情况将会立即执行相应的故障处理程序，同时通过5个LED闪烁显示相应故障，提醒相关人员及时维护，保证系统的安全和人身安全。
正常情况下，LED显示当前系统的运行状态。
1.2.3灵活的参数设置
通过控制面板可以随时调节系统参数，使之更符合用户的需要。
通过控制面板用户可以调节的参数有开门速度、关门速度、开门宽度以及保持开门时间等参数。
用户设置的参数会存贮在EEPROM中，掉电不丢失。
1.2.4智能化处理
复位之后，系统自动执行校准运行，测量门的宽度，计算门的运动曲线（各运行阶段的位移和速度），无需人工干预。
在此后门的运动中，不管开启或关闭，当门在运动方向上遇到意外的障碍物，会立即停止门的运动，然后倒转，同时记住障碍物的位置和显示故障信息。
如果障碍物仍未被移走，当门再次到达此位置时，系统就执行校准运行，自动把此位置作为终点位置，重新计算门的运动曲线。
1.2.5紧急按钮
在屋内一侧，有两个紧急按钮，开门按钮K&S和紧急停止按钮E.P，用于紧急情况下的处理。
按下K&S，不管系统处于什么操作模式下，门都会打开。
按下E.P，首先立即停止门的运动，然后使门体脱离系统控制，可以自由滑动。
1.2.6手动复位
同时按下控制面板上的两个按键至少5秒，再松开，就可以使系统复位。
1.3系统结构和工作原理
自动门控制系统结构如下所示：
图1-1自动门控制系统结构
我选择主控芯片AT89C51作为系统的控制核心。
主控芯片循环检测传感器、紧急按钮和光电管的状态，结合门体的当前运动状态，产生对步进电机或者制动的控制信号。
制动信号使制动动作，阻止门体移动；而电机控制信号通过脉冲编码电路产生相应的时序，然后经驱动放大送给电机，从而带动门体相应的运动。
光电编码器监测门体的运动方向和速度，并反馈回主控芯片，形成闭环控制。
通过控制面板，用户可以调整系统工作模式和门体的运动速度等参数，LED显示当前控制系统工作模式或者故障显示信息。
系统掉电时，用户调整的参数被送到EEPROM中保存起来，供电恢复以后主控芯片从EEPROM中读出这些参数，系统可以按照掉电以前用户设定的参数重新运行而无须由用户重新设定。
1.3.1电源
系统的供电为220伏、50Hz的市电，经变压器变压后输出27伏的交流电，经整流滤波后产生35伏的准直流输出，然后再经过开关电源产生＋24伏和＋5伏直流电，＋24伏用于微波传感器、光电管、控制面板、运算放大器的供电，＋5伏用于主控芯片、片外存贮器及其他数字逻辑电路的供电，而步进电机、制动和电磁锁这些大功率部件的供电是35伏准直流电。
＋5伏经升压电路后输出＋15伏直流电，用于电机驱动电路中悬浮自举供电电压，控制大功率MOSFET管的正常导通和截止。
1.3.2主控芯片、存贮器及外围电路
AT89C51内部存储器容量有限，在本系统中采用扩展工作模式，在外部扩展了128KBEPROM（M27C1001）和8KBSRAM（SRAM6264）。
EPROM用于贮存系统程序，SRAM储存处理数据和临时参数。
AT89C51内部自带了640字节EEPROM，用来存储用户设定的参数。
主控芯片需要访问传感器、控制面板、过热过流保护信号、电机方向等接口信号。
这些信号如果直接接到主控芯片的I/O引脚将占用较多的资源，因此本系统将这些信号通过三态总线缓冲器74HC541和8D触发器74HC574接到主控芯片的数据总线，将地址总线经过译码器译码后控制缓冲器的使能端，相当于赋予接口电路以不同的地址，主控芯片可以像读写外部存储器一样通过接口地址读入或写出接口信号。
1.3.3步进电机控制及驱动电路
对步进电机的控制是系统重要的组成部分，包括脉冲编码电路、功率驱动电路。
本系统采用一片Xilinx公司的复杂可编程逻辑器件（CPLD）XC9536实现脉冲分配功能，主控芯片只需要输出启动/停止信号、转动方向信号以及表示转动速度的PWM信号，具体时序的产生都由CPLD完成，减轻了主控芯片的负担，并具有良好的扩展性和灵活性。
功率驱动电路是大功率MOSFET管组成的H桥式放大电路。
具体电路见第四章。
1.3.4红外传感器部分
红外传感器信号输入到外围处理电路，对其进行准确的判断和处理也是至关重要的。
桑斯达公司开发的BISS0001是一款具有较高性能的热释电红外传感信号处理芯片，它是CMOS数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器和双向鉴幅器，可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽。
1.3.5电流电压监测电路
本系统对系统中各个电流、电压设置了监测电路，监测电路将电流转换成电压，然后用主控芯片内部的A/D转换器将其转换为数字信号，判断是否发生了欠压、过压、过载等情况，如检测到异常情况将执行故障处理子程序。
第二章红外线感应原理
2.1红外传感技术简介
红外传感技术可分为主动式传感技术和被动式传感技术。
2.2.1主动式
图2.1主动式红外探测器的基本组成
红外发射机驱动红外发光二极管发出一束调制的红外光束。
在距发射机一定距离处，与之对准放置一红外接收机。
它通过光敏晶体管接收发射端发出的红外辐射能量，并经过光电转换将其转换为电信号。
分别在收、发端放置一光学透镜，将红外光聚集成较细的平行光束，以使红外光的能量能集中传送。
采用调制的红外光源具有以下几个优点:
.降低电源的功耗。
.使红外探测器具有较强的抗干扰能力，提高了工作的稳定性。
红外光束构成了一道人眼看不见的封锁线，当有人穿越或阻挡这条红外光束时，接收机输出的电信号强度就会发生变化，从而发出信号。
2.2.2被动式
被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。
被动式红外探测器是利用热释电效应进行探测的。
（1）自然界物体的红外辐射特性
自然界的任何物体，只要温度高于绝对零度C273C），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。
假定物体发射红外辐射的峰值波长为几，，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长戈与物体温度T的乘积。
这一乘积为一常数，即
。
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。
（2）热释电效应
被动式红外探测器又称为热释电红外探测器，其主要工作原理便是热释电效应。
热释电效应是指如果使某些强介电质材料（如钦酸钡、钦错酸铅（（PZT）等）的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出。
在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外传感器（（PTR）PTR能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。
另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以提高接收灵敏度。
用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大60~70db，就可以检测10~20m处人的活动。
热释电传感器具有自极化效应，晶体处于低于Curie温度的恒温环境时，其自极化强度保持不变，即极化电荷面密度保持不变。
这些极化电荷被空气中的带电粒子中和，当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小。
这样，晶体表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出信号可用来探测辐射。
相反，当截断该辐射时，晶体温度降低，自极化强度增大，由相反方向的电流或电压输出。
（3）热释电红外传感器的基本结构
热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。
按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。
按照热释电红外传感器的用途来分，有以下几种:
用于测量温度的传感器，它的工作波长为1~20,cm;用于火焰探测的传感器，它的工作波长为4.3S士0.1Sfnn;用于人体探测的传感器，它的工作波长为7~15fan。
图2.2是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。
该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度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，使传感器起到补偿作用。
当人体处于静止状态时，两元件极化程度相同，相互抵消;当人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到探测移动人体的目的。
图2.2热释电红外传感器的内部结构示意图
使用时一般在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。
在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器。
一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的（并且不受可见光的影响）。
一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式检测出物体放射出来的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。
传感器探头前部装有菲涅尔透镜。
菲涅尔透镜是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系数的透镜，它由一组平行的棱柱型透镜所组成，它的每一单元透镜都只有一个不大的视场角，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔着一个盲区，这样就在传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”。
视场的侧视图和俯视图如图2.3所示。
图2.3菲涅耳透镜和视场图
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断在“盲区”和“高灵敏区”内切换，这样就使接收到的信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，增强了能量变化幅度，从而提高了探测灵敏度。
（4）热释电红外探测器的基本原理
热释电红外传感器通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向有关的低频电信号。
当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷减少，通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷。
由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。
红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上，这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化。
当防范区域内没有移动的人体时，由于所有的背景物体（如墙壁、家具等）在室温下红外辐射的能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警器。
当有人体突然进入探测区域时，会造成红外辐射能量的突然变化，红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢，经过后级比较器与状态控制器产生相应的输出信号Uo，送往报警器，发出报警信号。
红外探测器的探测波长为8-14微米，人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内，因此能较好的探测到活动的人体。
被动式红外探测器属于空间控制型探测器，其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成锥体感热区域，构成立体警戒。
第三章硬件电路设计
在第一章绪论中已经简要的介绍了红外线控制自动门控制系统的结构，下面将详细介绍各个部分的具体硬件实现及其工作原理。
3.1电源部分
本系统电源部分的框图如图3-1所示。
图3-1电源框图
220伏、50Hz的市电，经变压器后输出27伏的交流电，经整流滤波后产生35伏的直流电压。
35伏电源直接供给步进电机、制动和电磁锁这些大功率部件，另一方面再经过开关电源产生24伏和5伏直流电。
24伏用于微波传感器、光电管、手动控制面板、运算放大器的供电，5伏用于主控芯片、CPLD、片外存贮器及其他数字逻辑电路的供电。
5伏经升压电路输出15伏直流电，用于电机驱动电路中悬浮自举供电电压，使MOSFET功率管栅源极有足够高的电压，保证功率管的正常导通和截止。
3.1.1整流滤波电路
图3-2整流滤波电路
整流滤波部分见图3-2所示。
图中的C1到C3三个0.1μF的电容是为了滤除电网中的尖峰干扰。
两个0.1欧姆的电阻（R62、R63）并联作为整机总电流采样电阻，将电流转化为负电压GDU,配合监测电路，用于监测系统的总工作电流，确保系统安全。
3.1.2开关电源
上面提到了系统是用开关电源产生5伏和24伏的直流电压。
本系统采用的开关电源是LM2575HV系列单片集成的开关整流器，最大输出电流为1A，输入电压最大为60V，输出电压有3.3V、5V、12V、15V和可调输出电压几种版本，可调输出范围从1.23V到37V。
在规定的输入电压和输出负载范围，输出电压波动不大于4％。
内部有固定频率的振荡器和频率补偿电路，其震荡频率是52KHz。
LM2575HV是传统的三端式稳压集成电路的理想替代品。
外部电路简单，只需要四个外围元器件即可，而且其转换效率高，在77%以上，在大多数情况下不需要散热片。
内部有完善的保护电路，具有过热和过流自动关闭功能。
该系列开关整流器还有一个TTL电平的使能输入端，可控制是否有电压输出。
图3-35V电源电路
图3-424V电源电路
本系统中开关电源的具体的电路如图3-3、3-4所示。
LM2575HV的1脚为输入端，2脚为输出端，3脚接地，4脚是反馈端，5脚是输出使能端，低电平有效。
LM2575HVT-5.0输出为固定的正5V，LM2575HVT-ADJ为可调输出，通过调节其输出端的反馈分压电阻R64、R65，使之输出电压为＋24V。
由图3-4知：
其中
为LM2575HVT-ADJ内部参考电压。
，通常
，则
。
考虑温度系数以及随时间的稳定性，R64、R65选用精度为1％的金属膜电阻。
本系统中，5V电源的使能端ON/OFF接地，一直处于正常工作状态；而24V电源的使能端接到MCU的一个I/O口，由程序控制它是否正常输出24V电压。
图3-3和图3-4中的电感L1和L2的选择主要取决于输入电压和最大负载电流两个参数。
对于+5V的电源，估算出最大负载电流约为200mA，输入电压约为35V，根据LM2575HVT-5.0上提供的表格可以得到L2的数值为220μH。
同样可以得到电感L1的数值为1000μH。
开关整流器的输出端必须加一个电容对输出电压滤波和保持环路稳定性。
推荐使用低等效串联电阻（ESR）的电容以减小输出纹波电压和保证较好的环路稳定性。
一般容量小或耐压低（小于12V）的ESR值较大。
我们选择330uF，50V耐压的的开关电源用的电解电容，并联0.01uF的瓷片电容。
当整流器内部的开关关闭时需要一个二极管为电感电流提供一个回路。
因为其具有较快的开关速度和较低的正向导通电压，可以得到较高的转化效率，我选择肖特基二极管。
具有“软恢复”特性的快恢复二极管也适合用于这种场合。
3.2主控芯片AT89C51接口电路
控制系统接收的外部输入信号有门内和门外传感器的信号，控制面板按键的信号，两个安全光束的信号，紧急按键K&S和E.P的信号，电机过热信号，电源掉电指示信号，以及一些出错指示信号等。
同时主控芯片还要输出信号来初始化电路状态，控制安全光束发光等。
第二章中介绍过，主控芯片AT89C51的I/O资源丰富，但是众多的输入输出信号仍然使主控芯片IO资源难以满足要求。
图3-6外部接口电路示意图
为了解决此问题，本系统设计了图3-6所示的接口电路，让输入信号通过缓冲器74HC541，由数据总线读到内部存储器中；输出的信号由数据总线送给8D触发器74HC574输出。
图3-6中，74HC139是二四译码器，输入端接主控芯片的地址线A0和A1，使能端与主控芯片的I/O片选CSIO相连。
本设计中，片选CSIO有效的地址为$1000到$1FFF，有效的极性为低电平，相关的设置见第五章5.1节。
74HC541具有两个输入使能端G1和G2，只有当这两个使能端都为低电平时，输出Y[7:
0]等于输入A[7:
0]，否则输出为高阻状态。
G1接到74HC139的输出端，G2由读信号和E时钟输出口共同控制。
当8D触发器74HC574的时钟输入端CLK上跳沿有效时，主控芯片的输出数据D[7:
0]被锁存到74HC574的输出端Q[7:
0]，而CLK=Y0+E?
W。
如果地址线A[1:
0]=00，则Y3=0，选中使能端G1和Y3相连的那片HC541，该HC541的地址即为1000××××××××××11（二进制），不妨设它的地址为$1003（十六进制）。
同理另一片HC541的地址为$1002，74HC574的地址为$1000。
经过如上处理，主控芯片对外部接口的读写操作和读写存储器或I/O口完全一样，十分方便，更重要的是大大节省了主控芯片的口线资源。
3.3控制面板电路
如图3-7所示，控制面板包括两个输入按键（UP和DOWN）和五个发光二极管。
通过UP和DOWN键，用户可以调整门的工作模式和运动参数。
系统的工作模式有锁门（OFF）、自动（AUTO）、窄开门（RED）、单向只出不入（EXIT）和常开（OPEN）五种，绪论中已作过介绍。
运动参数同样有五个，分别是窄开门模式下的开门保持时间（Tr）、自动模式下的开门保持时间（To）、窄开门时门打开的宽度（Pr）、开门速度（Vo）、关门速度（Vc）。
图3-7控制面板外观
通常，发光二极管用来指示门的当前工作模式。
当控制系统出现错误的时候，发光二极管通过不同的发光组合指示不同的错误。
用户通过按键调整运动参数的时候，发光二极管以不同的闪烁频率指示所调参数的大小变化。
图3-8控制面板电路图
控制面板的电路如图3-8所示。
按键信号通过缓冲器HC541送给主控芯片。
按键合下时为低电平，松开时对24V进行电阻分压，HC541收到约5V的电平。
图3-9中的电容C滤去线上的干扰，对去按键抖动也有一定的作用。
主控芯片的IO口P
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