最新光敏传感器门禁控制器的设计精品版.docx

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最新光敏传感器门禁控制器的设计精品版

2020年光敏传感器门禁控制器的设计精品版

1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，智能化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，以单片机为核心的门禁控制系统就是其中之一。

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。

1.2国内门禁发展现状

厂家多，规模小5～6年来几年来，自动化门禁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。

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。

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。

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。

2方案论述

2.1系统的工作原理

本设计主要分三个模块，红外线传感模块，传感信号处理模块，自动门动力模块。

设计中要采用光敏传感器，而一般的光敏传感器，会因昼夜的光照强度，造成传感器一定的局限性。

在设计中采用的是红外线传感器，这个接受的人体散发的红外光。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点，昼夜的光照变化对它的影响不是很大，所以设计中采用的是红外传感器

要处理传感信号，电脑不实际，为了很好的节省成本，做到简单有效。

所以在设计中采用了单片机作为信号的处理器，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而根据单片机编写自动门对应的控制程序，可以很好的实现自动门的开关。

自动门的动力装置，这个要用电动机来代替，电动机的种类比较多，要能实现可控实现自动门的开关，就需要电机的正反转，实现自动门的开关。

查阅了相当多的资料最后选用步进电动机。

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。

3主要元器件的介绍

3.1红外传感器的原理和使用

利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。

红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。

任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都能辐射红外线。

红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，反应快等优点。

使用红外接收头和发射管配合，利用38k频率解决灵敏度问题。

38K调制和发射电路。

使用一个定时器的快速PWM模式产生38K调制信号，通过剩余的四个施密特触发器（有2个已经用在光电编码部分）缓冲，推动8050三极管和红外发光管来发射已经调制的红外线。

图3.1红外线感应器电路图

3.2LM298芯片介绍和典型电路

LM298是一种直流电机控制器件。

该器件具有外围电路简单、易于集成、控制等特点。

LM298有15个管脚，A、B（对应管脚6、11）是控制控制信号的端口，也就是使能端。

L298有4个信号输入和输出端口，A、B各控制两个，只有当A为高电平时信号输入端口1、2（对应管脚5、7）的输入信号才能有效地通过信号输出端口（管脚2、3）输出来控制电机。

B端口也是同理。

图3.2LM298

经过综合分析考虑，最终决定使用LM298作为本设计的驱动芯片。

其电路连接图如下：

图3.3LM298电路连接图

3.3AT89C51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3.4所示：

图3.4AT89C51结构框图

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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3.5所示。

图3.5AT89C51外形及引脚排列

3.3.1AT89C51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

3.3.2AT89C51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。

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。

3.4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。

3.4.1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。

3.4.2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3.6所示：

图3.6.驱动控制系统框图

3.5语音IC

3.5.1语音芯片概述

又称：

语音IC，又被叫做声音芯片，是内置存储空间，可以控制发声的集成电路芯片.

3.5.2编辑语音

一、什么是语音芯片？

语音芯片定义：

将语音信号通过采样转化为数字，存储在IC的ROM中，再通过电路将ROM中的数字还原成语音信号。

根据语音芯片的输出方式分为两大类，一种是PWM输出方式，一种是DAC输出方式，PWM输出音量不可连续可调，不能接普通功放，目前市面上大多数语音芯片是PWM输出方式。

另外一种是DAC经内部EQ放大，该语音芯片声音连续可调，可数字控制调节，可外接功放。

普通语音芯片放音功能实质上是一个DAC过程，而ADC过程资料是由电脑完成，其中包括对语音信号的采样、压缩、EQ等处理。

录音芯片包括ADC和DAC两个过程，都是由芯片本身完成的，包括语音数据的采集、分析、压缩、存储、播放等步骤。

ADC=AnalogDigitalChange模数转换

DAC=DigitalAnalogChange数模转换

音质的优劣取决于ADC和DAC位数的多少。

例如：

20秒到340秒,最低从10秒到340秒.语音芯片直观的从名称上来看,就是与语音有关的芯片,语音就是存储的电子声音,凡是能发出声音的芯片,就是语音芯片,俗称声音芯片,英文准确些来说应该是VoiceIC.在语音芯片的大家庭中,根据声音的类型不同可分为（SpeechIC）和（MusicIC）两种.这儿应该算是语音芯片专业的区分方法.

二、语音芯片有根据IC本身的物理结构的多个通道（同时发出多个通道的声音）可分为多种类型:

单通道的:

单通道的语音IC（SpeechIC）（这种语音芯片不支持音乐IC音乐存储方式）;常见的语音IC是单通道的语音芯片,AC8020-OTP20秒和AC83E12动物叫声是最典型的单通道语音芯片了,

单通道的音乐IC（MusicIC）,同一单位时间内只能发出一种音乐的音乐IC,电子声音文件是只有一个通道的.Mid后缀文件.

常说的单音片,是一种最基本的音乐IC,由一定时间内音符输出的多少,决定了单音片的效果,有64音符多,128音符等等.单音片应用场合广,价格极其低廉,最常见的有单音片有生日快乐贺卡单音片.典型的有AC8SE07等

严格的说,单通道的音乐IC和单音片的两者结构是不相同的

通道:

通道的语音IC,2通道和多通道的语音芯片,实际应用中语音播放时一般会按规定固定在某一通道内进行声音的播放（等同于单通道）,但是这类产品比单通道的语音IC（Speechic）成本要高,价格会高些,语音芯片厂家在设计时为了平衡产品价格和应用,一般来说,功能支持和声音效果方面都会做得更完美一些.

这种结构也许是因为产品和方案实际应用领域和价格所决定的,语音芯片输出一般都是单通道的声音输出,支持立体声的产品很少,要高端一些的产品就要选MP3主控芯片之类的方案了

通道的音乐芯片,通俗叫法是双音片（MusicWithDualToneIC）,顾名思义,同一单位时间内二个通道都可以发出音乐的音乐IC.电子声音源文件一般为.Mid的二通道文件.常见的圣诞系列音乐IC如:

.

这里得多补充两句,市面上还有一个叫melody的音乐芯片,她是个什么定义呢?

简单的来说,比单音片的效果要好比和弦音乐芯片的效果要差的一种音乐芯片,所以双音片也有被叫成是melody音乐芯片,melody结构应该来说是一种更高级的单音片,或者可以说是二倍效果的单音片.

三、4通道,8通道或以上:

三通道以上的声音.又称为和弦音乐.常说的4和弦音乐IC就是指4通道的音乐IC...

一般多通道的语音芯片都是同时支持音乐IC（MusicIC）和语音IC（SpeechIC）功能的.

（a）“语音芯片”介绍：

语音信号的量化

采样率（f）、位数（n）、波特率（T）

采样：

将语音模拟信号转化成数字信号。

采样率：

每秒采样的个数（byte）。

波特率：

每秒钟采样的位数（bit）。

波特率直接决定音质。

Bps:

bitpersecond

采样位数指在二进制条件下的位数。

一般在没有特别说明的情况下，声音的采样位数指8位，由00H--FFH，静音定为80H。

采样率

奈奎斯特抽样定理（NyquistLaw）：

要从抽样信号中无失真地恢复原信号，抽样频率应大于2倍信号最高频率。

抽样频率小于2倍频谱最高频率时，信号的频谱有混叠。

抽样频率大于2倍频谱最高频率时，信号的频谱无混叠。

嗓音的频带宽度为20～20KHZ左右，普通的声音大概在3KHZ以下。

所以，一般CD取的音质为44.1K和16bit，如果碰到某些特别的声音，如乐器，音质也有用48K和24bit的情况，但不是主流。

一般在我们处理针对普通语音IC的时候，采样率最高达到16K就够了、说话声一般取8K（如电话音质）、6K左右。

低于6K效果比较差。

在应用单片机的过程中，采样越高，定时器中断速度越快，会影响到其他信号的监控和检测，所以要综合考虑。

语音压缩技术

由于语音数据量庞大，对语音数据进行有效压缩是很必要的，能够使我们在有限的ROM空间里录入更多的语音内容。

有以下几种方式：

语音分段：

将语音中可以重复的部分截取出来，通过排列组合将内容完整地回放出来。

语音采样：

一般我们使用的喇叭频响曲线在中频部分，较少用到高频，所以，在喇叭音质可以接受的情况下，适当降低采样频率，达到压缩效果，这种过程是不可逆的，无法恢复原貌，叫有损压缩。

数学压缩：

主要是针对采样位数进行压缩，这种方式也是有损压缩。

例如，我们经常采用的ADPCM压缩格式，是将语音数据从16bit压缩到4bit，压缩率是4倍。

MP3是对数据流进行压缩，涉及到数据预测问题，它的波特率压缩倍率为10倍左右。

通常，以上几种压缩方式都是综合起来使用的。

常用语音格式

PCM格式：

PulseCodeModulation脉冲编码调制，它将声音模拟信号采样后得到量化后的语音数据，是最基本最原始的一种语音格式。

同它极为类似的还有RAW格式和SND格式。

它们都是纯语音格式。

WAV格式：

WaveAudioFiles是微软公司开发的一种声音文件格式，也叫波形声音文件，被Windows平台及其应用程序广泛支持。

WAV格式支持许多压缩算法，支持多种音频位数、采样频率和声道，但WAV格式对存储空间需求太大不便于交流和传播。

WAV文件里面存放的每一块数据都有自己独立的标识，通过这些标识可以告诉用户究竟这是什么数据，这些数据包括采样频率和位数，单声道（mono）还是立体声（stero）等。

ADPCM格式：

是利用对过去的几个抽样值来预测当前输入的样值，并使其具有自适应的预测功能与实际检测值进行比较，随时对测得的差值自动进行量化级差的处理，使之始终保持与信号同步变化。

它适用于语音变化率适中的情况，而且声音回放过程简短。

它的优点是对于人声的处理比较逼真，一般达到90%以上，已广泛地应用于电话通信领域。

MP3格式：

MovingPictureExpertsGroupAudioLayerIII，简称为MP3。

它是利用MPEGAudioLayer3的技术，采取了名为“感官编码技术”的编码算法：

编码时先对音频文件进行频谱分析，然后用过滤器滤掉噪音电平，接着通过量化的方式将剩下的每一位打散排列，最后形成具有较高压缩比的mp3文件，并使压缩后的文件在回放时能够达到较接近原音源的声音效果。

它的实质是vbr（VariantBitrate可变波特率）可以根据编码的内容动态地选择合适的波特率，因此编码的结果是在保证了音质的同时又照顾了文件的大小。

mp3压缩率10倍甚至12倍。

是最初出现的一种高压缩率的语音格式。

LinearScale格式：

根据声音的变化率大小，把声音分成若干段，对每段用线性比例进行压缩，但是它的比例是可变的。

Logpcm格式：

基本上对整个声音进行线性压缩，将最后若干位去掉。

这种压缩方式在硬件上很容易实现，但音质比LinearScale差一些，特别是音量较小声音比较细腻的情况下效果较差。

主要用于purespeech方面。

（b）“音乐芯片”介绍：

音乐的通道与音色：

包络（envelope）方波（patch）通道（channel）

包络：

合成音色的一部分，单位时间内音符输出的变化，常见有“ADSR”

方波：

合成音色的一部分，单位时间内音符方波电流的变化。

（另见三角波等）

通道：

在同一时间内，芯片输出的音符个数，即“单音乐器”的个数。

PCT：

模拟音色的一种，通过采样256个点的乐器声音来模拟出各个音符的音高。

（音色柔和，占空间小，但不够真实）

FULLWAVE：

通过采集一种乐器声音来模拟各个音符音高。

（乐器声真实，但占用空间大，且采集音色音质要求高）

音乐的压缩：

由于音乐数据量庞大，对音乐数据进行有效压缩是很必要的，能够使我们在有限的ROM空间里录入更多的音乐内容。

有以下几种方式：

音乐分段：

将音乐中可以重复的部分截取出来，通过排列组合将内容完整地回放出来。

音色：

根据音乐的丰满程度、需求程度，来确定Fullwave，PCT、dualtone的选择，各个音色占用空间不懂，音色质量也不同。

。

数学压缩：

主要是针对采样的音色（Fullwave）进行压缩，这种方式也是有损压缩，对于要采集的音色进行降采样、处理等减小采集音色的大小（同语音类的修音）。

3.5.3语音芯片的要素

相同品种的芯片成本与芯片的大小成正比。

I/O口的分配和ROM的大小（语音秒数）决定芯片成本。

低秒数语音芯片其I/O口较少。

音质提高，采样提高，语音秒数缩短。

音质降低，采样降低，语音秒数变长

3.5.4语音芯片分类：

语音芯片根据集成电路类型来分,凡是与声音有关系的集成电路被统称为语音芯片（又称语音IC,这里应该叫成VoiceIC）,但是在语音芯片的大类型中,又被分为语音IC（这里应该叫成SpeechIC）,音乐IC（这里应该叫成MusicIC）两种.

现在市场上常见语音芯片分类：

短时间芯片有10秒，20秒，40秒，80秒,170秒的芯片，

常用的模块有：

6分钟，8分钟，16分钟，1小时的等。

通用的芯片有：

3秒到340秒

现在市场上常见音乐芯片分类：

单音片：

是一种最基本的音乐IC,是音乐单通道的,同一时间音符输出的多少,决定了单音片的效果,有70多,100多音符等等.

音乐通道：

2通道、3通道、4通道、8通道、12通道等更多。

。

。

控制方式：

按键控制，一线串口控制，二线串口控制，三线串口控制，并口控制，单片机控制，等等。

3.5.5应用范围

（1）家电行业：

电磁炉、电饭煲、冰箱、洗衣机、空调、风扇等等

（2）安防报警：

倒车雷达、叉车报警器、家庭防盗等

（3）医疗器械：

弱视治疗仪、血压计、臭氧治疗仪等等

（4）广告媒体：

语音广告牌、镜子广告机、迎宾器等等

（5）玩具系列：

语音识别、小汽车，布娃娃等等

（6）智能交通：

一卡通设备、红绿灯提醒等等

4设计电路

4.1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

门禁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。

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