微波自动门控制系统分析.docx

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微波自动门控制系统分析

微波自动门控制系统分析

摘要随着科技发展，许多企事业单位都纷纷安装了自动门，与普通门相比，自动门具有节省空间、方便卫生、美观适用、保密防盗（带门禁功能）等诸多优点。

而自动门的质量很大程度上都取决于控制器性能的好坏。

本文所介绍的微波感应控制器，通过环形天线发射出微波，工作频率可达10.525GHz，检测范围精确。

同时具有反应灵敏、指向性强等特点，除能实现自动开关门之外，还具有常开、常关、门禁、防误夹等多种功能。

关键词微波感应控制器天线自动门

一、绪论

近年来随着社会的进步，人类的发展，计算机在社会领域的渗透，传感器以其体积小、重量轻、价格便宜等特点广泛应用到国民经济建设及人们工作和生活个方面，并成为科学技术现代化的重要工具，由于传感器所拥有的诸多优点，人们将其溶入生活。

在我们所处的生活环境中，充斥着各种各样与传感器相结合而诞生的产物，如交通灯、声控灯、感应自动门等。

在经济飞速发展的中国，在我们高楼耸立的大都市，在大厦、宾馆、酒店、银行、商场和写字楼，自动门已经是随处可见。

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，更令我们的大门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、自动圆弧门和自动折叠门等，其中平开门用的场合较少，旋转门由于昂贵而且非常庞大，一般只用于由需要的高档宾馆，自动平移门使用得最广泛，大家一般所说的自动门和感应门就是指自动平移门。

自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加感应器，当人走近自动门时，感应器感应到人的存在，给控制器一个开门信号，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。

由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，即方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

二、设计要求与方案认证

2.1设计要求

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。

一个自动门的设计还要包括下面三个方面：

1、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。

2、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。

3、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。

2.2自动门构造的技术参数

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℃

2.3方案认证

（1）方案一，采用脚踏开关

它可以用脚来操作，很方便，但对防水的要求较高，而且脚踏的力量很大，容易使脚踏开关失效。

（2）方案二，采用红外传感器制作

红外传感器对物体存在进行反应，不管人员移动与否，只要处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。

缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员出入的场所。

但是红外最大的缺点就是容易受温度、空气流动等环境因素的影响，所以根本无法工作在室外或者半室外的环境下。

（3）方案三，采用微波传感器制作

微波是对物体的位移反应，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后，传感器便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用；此微波传感器虽然也是利用微波普勒原理进行移动检测，但是和市场上常见的微波传感器还是有很大的不同，第一，它的工作频率高达10.525GHz，它的指向性强，检测范围精确，并且避免了低频率微波如2.4GHz、5.8GHz等频段的微波场强波束覆盖不均匀造成的感应距离不稳定等弊端。

第二，选用进口的微波组件，确保性能稳定良好，不会出现用了一段时间后性能下降的缺点。

第三，采用单片机进行智能识别判断，排除因为自动门运行时可能产生干扰或者天气和电磁辐射产生干扰信号。

第四，微波组件的探测角度可以灵活调整，可以准确限定探测范围，并且灵敏度可以调整，很大程度上避免了干扰信号的进入。

（4）结论,采用微波传感器制作

根据以上自动门结构参数可知，微波传感器对物体移动反应灵敏速度快的特点很符合自动门的快速启动，如果在门附近的人不想出门而静止不动，传感器就不再反应，自动门就会马上关闭。

而红外线传感器，不管物体是否移动，只要处于传感器的扫描范围，它都会作出反应，这样既容易伤人又会造成冷、暖气流失，不利于节约能源。

由于微波传感器具有反应敏捷的特点，被广泛应用于行走速度正常人员通过的场所，如办公楼、写字楼、宾馆、酒店、银行、商场、医院等。

三、感应式自动门

3.1自动门的分类

从自动门形式上可以分为自动平移门、自动平开门、自动圆弧门、自动折叠门和自动旋转门。

    由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动和传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。

    客流量的差异会对自动门的使用产生很大影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和可频繁使用的自动门。

    从形式上选择自动门，主要根据建筑风格和建筑环境的条件及特点，达到整体的协调，以及突出或加强建筑设计的某种创意。

而根据门体特点和门的使用条件不同来选择自动门，是保证自动门正常使用和延长自动门使用寿命的关键。

3.2感应式自动门控制系统的构成：

（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电信号；

四、微波技术

4.1微波的性质与特点

微波是波长为1m～1mm的电磁波，既具有电磁波的性质，又不同于普通无线电波和光波。

微波相对于波长较长的电磁波具有下列特点：

（1）定向辐射；

（2）遇到各种障碍物易于反射；

（3）绕射能力较差；

（4）传输特性良好，传输过程中受烟、火焰、灰尘、强光等的影响很小；

（5）介质对微波的吸收与介质的介电常数成比例，水对微波的吸收作用最强。

4.2微波检测原理

由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。

若利用接收天线接收通过被测物体或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。

4.3微波传感器及其分类

（1）传感器是利用微波特性来检测一些物理量的器件。

微波传感器主要由微波振荡器和微波天线组成。

微波振荡器是产生微波的装置。

构成微波振荡器的器件有速调管、磁控管或某些固体元件。

由微波振荡器产生的振荡信号需用波导管传输，并通过天线发射出去。

为了使发射的微波具有一致的方向性，天线应具有特殊的构造和形状。

常用的天线有喇叭形天线、抛物面天线、介质天线与隙缝天线等。

如图1：

图1微波天线的形状

（2）分类

1、反射式

这种传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过的时间间隔来表达被测物的位置、厚度等参数。

2、遮断式

这种传感器通过检测接收天线接收到的微波功率大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置与含水量等参数。

具体的有：

微波测厚仪、微波液位计、微波式物位计

4.4微波传感器的特点

微波传感器具有对物体的移动反应灵敏速度快的特点，如果在门附近的人不想出门而静止不动，传感器就不再反应，自动门就会马上关闭。

而红外线传感器，不管物体是否移动，只要处于传感器的扫描范围，它都会作出反应，这样既容易伤人又会造成冷、暖气流失，不利于节约能源。

由于微波传感器具有反应敏捷的特点，被广泛应用于行走速度正常人员通过的场所，如办公楼、写字楼、宾馆、酒店、银行、商场、医院等。

4.5微波感应控制器SS-968

（1）概述

SS-968微波感应控制器采用微波专用微处理器，不但检测灵敏度度高，探测范围宽，而且工作非常可靠，误报率极低，能在－25～＋45度的温度范围内稳定工作，最适和在中、高档防盗报警系统中作人体或者物体移动检测传感头使用。

SS-968微波感应控制器的接线图如图2所示:

图2SS-968微波感应控制器接线图

（2）SS-968工作原理

图3SS-968工作框图

SS-968微波感应控制器使用直径50毫米的微型环形天线作微波探测，其天线在轴线方向产生一个椭圆形半径为0～7米（可调）空间微波戒备区，当人体活动时其反射的回波和微波感应控制器发出的原微波场（或频率）相干涉而发生变化，这一变化量经微波专用处理器HT7610A进行检测、放大、整形、多重比较以及延时处理后由三芯插座的中间脚输出,输出端为三极管集电极开路输出方式,输出可以直接驱动继电器,方便用户使用.

SS-968微波感应控制器内部由环形天线和微波三极管组成一个工作频率为4GHz的微波振荡器，环形天线既做发射天线也可接收由人体移动而反射的回波。

内部微波三极管的半导体PN结混频后差拍检出微弱的频移信号（即检测到人体的移动信号）,微波专用微处理器首先去除幅度太小的干扰信号只将一定强度的探测频移信号转化成宽度不同的等幅脉冲，电路只识别脉冲足够宽的单体信号，如人体、车辆其鉴别电路才被触发，或者两秒内有2～3个窄脉冲，如防范边沿区人走动2～3步，鉴宽电路也被触发，启动延时控制电路工作。

如果是较弱的干扰信号，如小体积的动物，远距离的树木晃动、高频通讯信号、远距离的闪电和家用电器开关时产生的干扰予以排除。

最后输微波专用微处理器HT7610A鉴别出真正大物体移动信号时，控制电路被触发，输出5秒左右的高电平，输出方式为三极管C级开路,可以直接驱动继电器，如图4所示，继电器接法,线包绕组的一端接+12V,另一端接中间输出端.

图4控制器驱动电路

微波专用微处理器初次加电时，系统自检,延时1分钟左右,一分钟后,当检测到有物体移动时，将有5秒信号输出.

微波感应控制器电源电压为12～16V的整流变换器供电，静态耗电量在5mA左右。

输出形式为电压方式，有输出时为高电平（4V以上），静态时为低电平，使用请参考下图5:

图5继电器输出

（3）使用注意事项

1、SS-968微波感应控制器产生的微波信号在传输、反射接收以及放大处理过程中可能引起微量噪波，过分提高灵敏度将引起噪波误触发，在7米处人体移动3～4步被触发的灵敏度已达到使用极限，应调至在5米处移动3～4步被触发最佳。

2、SS-968微波感应控制器尽量安装在室内靠墙角上方，轴向对准门窗部位安装，室外应注意抗风防水并降低灵敏度使用。

3、SS-968微波感应控制器应采用12V100mA直流电源供电，并保证任何时候供电电压不低于10伏，以使电路稳定工作，如果高响度报警器和SS-968微波感应控制器公用电源时电源容量不应小于500mA。

4、SS-968微波感应控制器的输出端属于一种三极管集电极开路输出。

因此用万用表无法直接测量是否有输出电压,可以在输出端对正电源端外接一个10K电阻,感应到物体移动时,输出端为低电平,无信号时输出端为高电平.

（4）特性

1、非接触探测；

2、不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响，适合恶劣环境；

3、抗射频干扰能力强；

4、输出功率仅有5mW，对人体构不成危害；

5、远距离：

探测范围超过20米。

（5）技术参数

发射：

1、发射频率：

10.525GHz

　　　2、频率设置精度：

3MHz

　　3、输出功率（最小）：

13dBmEIRP

　　4、工作电压：

5V±0.25V

　　5、工作电流（CW）：

60mAmax。

，37mAtypical

　　6、谐波发射：

＜-10dBm

　　7、脉冲工作模式：

　　8、平均电流（5％DC）：

2mAtyp。

　　9、脉冲宽度（Min。

）：

5uSec

　　10、负载循环（Min。

）：

1％

接收：

1、灵敏度（10dBS／Nratio）3Hz至80Hz带宽：

-86dBm

　　3Hz至80Hz带宽杂波10uV

2、天线增益：

8dBi

　　3、垂直面3dB波束宽度：

36度

　　4、水平面3dB波束宽度：

72度

　　5、重量：

8克

　　6、规格：

37×45×10mm

五、微波自动门的分析

5.1器件的选用

5.1.1HT7610A

（1）结构与特点

HT7610A／B与HT7611A／BCMOSLSI芯片内含两个差分运算放大器（OP1、OP2）以及窗口比较器、输出持续时间振荡器、系统振荡器、AC过零检测器、4V稳压器、工作模式选择电路、环境光（线）感测电路、控制电路、继电器或三端双向可控硅元件（TRIAC）驱动输出级等电路，内部结构框图如图6所示。

其主要特点如下：

1、HT7610A／B和MT7611A／B均采用16脚DIP封装，需要说明的是：

HT7610A／HT7611A脚2上的输出用于驱动TRIAC，而TH7610B／HT7611B脚2上的输出则用来通过外部NPN晶体管驱动继电器，故它们的脚2名称不同，其它引脚名称与排列完全相同，图7所示是其引脚排列。

2、通过工作模式选择输入脚MODE（7脚）可以选择三种工作模式：

开（ON）、自动（AUTO）和关（OFF）。

当脚7连接VDD时，IC输出总是开通的；脚7接地，IC输出总是关断；若将该脚悬空，IC则进入自动检测模式。

3、输出持续时间可通过OSCD脚（3脚）外部的电阻R和电容C来设定。

输出定时时间TD为延时振荡器周期Toscd的215040倍，即：

TD＝（1／foscd）×215040

4、通过AC线路的过零检测可产生过零脉冲，该脉冲同时与双向可控硅驱动器同步。

如果过零检测信号消失超过3秒，芯片自动复位。

5、具有越权（Override）控制功能。

图6HT7610A内部结构框图

图7HT7610A引脚图

芯片在自动模式（脚MODE开路）下工作时，输出被PIR触发信号激活，输出持续时间由延迟振荡器（OSCD）周期决定。

用户可以超越自动模式而直接转换到测试（TEST）模式，也可以手动接通开（on）模式或通过切换电源开关复到自动模式。

在芯片加电后的10秒内，过零检测信号将迫使芯片进入测试模式。

恢在测试模式下，如果时间超过32秒没有PIR触发信号输入，芯片将进入自动模式。

（2）参数指标

1、推荐工作条件HT7610A／B与HT7611A／B的工作条件如下：

（1）电源电压VDD的工作范围为5～12V（典型值是9V）；

（2）输入电压：

输入高电平电压VIH≥0．8VDD，

　输入低电平电压VIL≤0．2VDD；

（3）系统振荡器频率fscs为16kHz（在VDD＝12V，Roscs＝560kΩ，Coscs＝100pF时）；

（4）工作温度范围－25～＋70℃。

2、主要参数指标

PIR控制器芯片在VDD＝12V和TA＝25℃时的主要参数指标如下：

（1）电压调整器输出电压VEE为4±0．5V；

　　电源电流IDD在无载和振荡器工作时的典型值为100mA；

（2）输出电流：

输出源电流IOH在VOH＝10．8V时的典型值为12mA，输出阱电流IOL在VOL＝1．2V时的典型值为80mA；

（3）CDS（脚）电压高电平VTH1＝8V（典型值），低电平VTL1＝4．7V（典型值）；

（4）ZC（脚）传输电压高电平VTH2为6．7V（典型值），低电平VTL2为1．8V（典型值）；

（5）运算放大器为输入失调电压VOS为10mV（典型值），开环增益AVO为80dB（典型值）；

（6）芯片内部比较器的输出PIR触发脉冲宽度tPW大于24ms。

5.1.2AT89C2051

（1）主要性能

 AT89C2051是ATMEL公司生产的带2K字节闪速可编程可擦除只读存储器（EEPROM）的8位单片机,它有20个引脚，并具有如下主要特性：

 1、和MCS-51产品的兼容

   2、2K字节可重编程闪速存储器

   3、耐久性：

1,000写／擦除周期

   4、2.7V～6V的操作范围

   5、全静态操作：

0Hz～24MHz

   6、两级加密程序存储器

   7、128×8位内部RAM

  8、15根可编程I/O引线

   9、两个16位定时器/计数器

   10、六个中断源

   11、可编程串行UART通道

   12、直接LED驱动输出

   13、片内模拟比较器

   14、低功耗空载和掉电方式

（2）引脚说明

图8AT89C2051引脚图

AT89C2051芯片的20个引脚功能为：

 1、Vcc：

电源电压。

  2、GND：

地。

3、P0口：

是一个8位漏极开路输出型双向I/O端口。

作为输出端口时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用。

在访问外部程序或数据存储器时，它是时分多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间将激活内部的上拉电阻。

4、P1口：

P1口是一8位双向I/O口。

引脚P1.2～P1.7提供内部上拉电阻。

P1.0和P1.1要求外部上拉电阻。

P1.0和P1.1还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入（AIN0）和反相输入（AIN1）。

P1口输出缓冲器可吸收20mA电流并能直接驱动LED显示。

当P1口引脚写入“1”时,其可用作输入端。

当引脚P1.2～P1.7用作输入并被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而流出电流（IIL）。

P1口还在闪速编程和程序校验期间接收代码数据。

5、P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。

P2口的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个TTL输入。

对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可作输入口。

P2口作输入口使用时，因为内部有上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（Iil）。

在访问外部程序存储器时和16位外部地址的外部数据存储器（如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高8位地址。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中的P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。

  6、P3口：

P3口的P3.0～P3.5、P3.7是带有内部上拉电阻的七个双向I/0引脚。

P3.6用于固定输入片内比较器的输出信号并且它作为一通用I/O引脚而不可访问。

P3口缓冲器可吸收20mA电流。

当P3口引脚写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可用作输入端。

用作输入时,被外部拉低的P3口引脚将用上拉电阻而流出电流（IIL）。

P3口还用于实现AT89C2051的各种功能,如下表1所示。

P3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

表1 P3口的功能 

 P3口引脚

功能

 P3.0

 RXD（串行输入端口）

 P3.1

 TXD（串行输出端口）

 P3.2

 INT0（外中断0）

 P3.3

 INT1（外中断1）

 P3.4

TO（定时器0外部输入）

 P3.5        

T1（定时器1外部输入）

7、RST：

复位输入。

RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。

当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。

  8、XTAL1：

作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。

  9、XTAL2：

作为振荡器反相放大器的输出。

5.1.39012

9012是一种最常用的普通三极管，是一种低电压、大电流、小信号的PNP型桂三极管。

主要参数：

（1）集电极电流Ic：

Max-500mA

（2）集电极-基极电压Vcbo：

-40V

（3）工作温度：

-55℃～+150℃

5.1.4继电器

工作参数如下：

（1）额定工作电压：

继电器在正常工作时加在线圈两端的电压。

（2）额定工作电流：

继电器在正常工作时要通过线圈的电流。

（3）线圈直流电阻：

继电器线圈的百流电阻值。

（4）吸合电压、吸合电流：

继电器能够产生吸合动作的最小电压值称为吸合电压。

«1.5U额定。

继电器能够产生吸合动作的最小电流值，就称为吸合电流。

（5）释放电压、释放电流 ：

使继电器从吸合状态到释放状态所需的最大电压值，就称释放电压。

）：

》U实际。

使继电器从吸合状态到释放状态所需的最大电流值，就称释放电流。

（6）触点负荷：

是指继电器的触点，允许通过的电流和所加的电压

（7）动作电压：

继电器的所有触点从释放状态到达工作状态时所需线圈电压的最小值。

通用继电器一般规定为75%~80%U额定。

（8）释放电压：

继电器的所有触点从吸合状态恢复至释放状态时所残留的线圈电压的最大值。

一般规定为5%~10%额定电压。

5.1.5选用器件

本控制系统继电器控制电机的停转，而电机的工作电压为24V,为了能让继电器的吸合动作更可靠，在线圈两端所加的实际电压一般为1.5倍的额定电压。

由此可得继电器的额定电压为U=24/1.5=16V。

在继电器驱动电路中，三极管9012的集电极电流为500mA，即允许通过线圈的电流最少要为500mA,从而可得出此继电器的触点负荷为16V×0.5A。

所需最小电压（动作电压）为

三极管9012要导通必须满足Ube>0.7,而Ucb=-40V,得出Uec<39.3V。

由此可选继电器JRX-11。

5.2系统方框图

执行器/

图9系统控制框图

5.3电源电路分析

电源电路如图10所示，由变压器、桥整流、单向可控硅、电容、7812和7805两个三端稳压器组成。

为了提高自动门控制系统的安全性能，在电源电路中设置了过流过热保护电路，如图11所示，R1、R2为单向可控硅GTO提供触发脉冲，R3为大功率小阻值电阻，R4为大阻值电阻，T1为3A的普通保险丝，T2为快速自恢复温度保险丝。

正常工作时，大部分电流从GTO流过，T1、T2均处于导通状态。

当负载短路或由于其