基于單片機的自動門控制系統(tǒng)設計畢業(yè)論文.doc

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常州機電職業(yè)技術學院 畢業(yè)設計(論文) 作 者： 學 號： 系 部： 電氣工程系 班 級： 題 目： 基于單片機的自動門控制系統(tǒng)設計 指導者： 評閱者： 2012 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）中文摘要 隨著科技的不斷發(fā)展，自動門在人們日常生活中斷得到了廣泛的應用，同時對其安全性及各方面的性能的要求越來越高。自動門的控制系統(tǒng)是隨著人們對生活條件的不斷追求，科技的不斷發(fā)展應運而生的高科技產品。由于單片機系統(tǒng)的適應能力強，穩(wěn)定性高，所以本設計采用AT89C51單片機作為主控制器。 本次設計是紅外線自動門控制系統(tǒng)，使用紅外線傳感器作為感應器，檢測到人體輻射的紅外線能量變化，將其轉化為電信號，傳給單片機。交流電機作為門驅動裝置。通過單片機控制交流電機，使門自動打開，當人進門后又可以使門自動關閉。本課題主要實現(xiàn)紅外線檢測和基于AT89C51的單片機控制系統(tǒng)。 關鍵詞：單片機 熱釋紅外線傳感器 AT89C51 BIS0001芯片 目 錄 第1章. 緒論 1.1 課題研究的可行性 4 1.2自動門的發(fā)展 4 1.3電機自動控制系統(tǒng)的應用和發(fā)展 5 1.4 課題研究的目的和意義 6 1.5 課題研究的要求 7 1.6 設計的基本思路 7 第2章. 系統(tǒng)硬件設計 2.1 設計電路的框圖和原理 8 2.2 單片機介紹 9 2.2.1 AT89C51管腳說明 10 2.2.2 AT89C51主要特征 11 2.2.3 芯片擦除 12 2.3 熱釋電紅外傳感器介紹 12 2.4 BISS0001芯片介紹和典型電路 14 2.4.1 BISS0001的內部結構及特點 15 2.4.2 BISS001管腳圖及管腳說明 15 2.4.3 BISS0001工作原理 16 2.5 步進電機 17 2.5.1 步進電動機的特點: 17 2.5.2 驅動控制系統(tǒng)的組成 18 2.5.3 斬波驅動 19 第3章. 系統(tǒng)軟件設計及調試 3.1 系統(tǒng)軟件結構 20 3.2 各部分程序設計 20 3.3 調試 20 3.4 門行程檢測及故障檢測 21 第4章. 設計總結 22 致 謝 詞.......................................................................................................................................23 參考文獻 24 附錄Ⅰ：設計電路原理圖 25 附錄Ⅱ：信號流程說明 25 附錄Ⅲ：程序源代碼 30 第1 章. 緒論 1.1 課題研究的可行性 在不斷發(fā)展的當今社會科技化、信息化程度越來越高，單片機的應用領域也就越來越廣，成為人們生活不可或缺的一部分。隨著社會的發(fā)展、科技的進步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生活的自動控制系統(tǒng)開始進入了人們的生活，以單片機為核心的自動門系統(tǒng)就是其中之一。同時也標志了自動控制領域成為了數(shù)字化時代的一員。它實用性強，功能齊全，技術先進，使人們相信這是科技進步的成果。它更讓人類懂得，數(shù)字時代的發(fā)展將改變人類的生活，將加快科學技術的發(fā)展。 本論文著重闡述了以單片機為主體，步進電機、傳感器為核心的系統(tǒng)。 1.2 自動門的發(fā)展 自動門從理論上理解應該是門的概念的延伸，是門的功能根據(jù)人的需要所進行的發(fā)展和完善。自動門指：可以將人接近門的動作（或將某種入門授權）識別為開門信號的控制單元，通過驅動系統(tǒng)將門開啟,在人離開后再將門自動關閉，并對開啟和關閉的過程實現(xiàn)控制的系統(tǒng)。 自動門開始在建筑物上使用，是在二十世紀年以后。二十年代后期，美國的超級市場的開放，自動門開始被使用，受此影響，世界第一自動門品牌多瑪在1945年開發(fā)出油壓式、空氣式自動門，新建大樓的正門也開始使用了。到了1962年，電氣式己開始出現(xiàn)，之后伴隨著城市的建設，自動門技術的領域每年都在增加。當初，用供給建筑物用電源進行電動機的速度控制很難，只好進行油壓、空壓速度控制，轉換但因能源利用效率很低，然而伴隨著電氣控制的技術發(fā)展，現(xiàn)在電氣控制技術已經成熟，直接控制電動機的電氣式自動門逐漸成為主流。例如：各種用可識別控制的自動專用門，如：感應自動門(紅外感應，微波感應，觸摸感應，腳踏感應)、刷卡自動門等。 21世紀的今天，門更加突出了安全理念，強調了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時還突出了建筑藝術的理念，強調門與建筑以及周圍環(huán)境整體的協(xié)調、和諧。門大規(guī)模專業(yè)化生產始于150年前，在不斷發(fā)展和完善的過程中，涌現(xiàn)出大批獨具規(guī)模的專業(yè)制造商。門的高級形式--自動門起源在歐美，迅速發(fā)展至今天，已經形成了種類齊全、功能完善、造工精細的自動門家族。 1.3 電機自動控制系統(tǒng)的應用和發(fā)展 電動機作為最主要的機電能量轉換裝置，其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域和人們的日常生活。無論是在工農業(yè)生產、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務和辦公設備中，還是在日常生活的家用電器和消費電子產品（如電冰箱、空調、DVD等）中，都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料顯示，在所有動力資源中，百分之九十以上來自電動機。同樣，我國生產的電能中有百分之六十是用于電動機的。電動機與人的生活息息相關，密不可分。電氣時代，電動機的調速控制一般采用模擬法，對電動機的簡單控制應用比較多。簡單控制是指對電動機進行啟動，制動，正反轉控制和順序控制。這類控制可通過繼電器，可編程控制器和開關元件來實現(xiàn)。還有一類控制叫復雜控制，是指對電動機的轉速，轉角，轉矩，電壓，電流，功率等物理量進行控制。伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅動設備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。具體在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經變換、放大與調整后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調制技術、特種電機材料技術、微電子技術及現(xiàn)代控制技術的進步，經歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。目前，伺服技術正朝著交流化、數(shù)字化的方向迅速發(fā)展。 隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路制造工藝的迅速發(fā)展，微型計算機的性能越來越高，價格也越來越便宜。此外電力電子技術的發(fā)展，使得大功率電子器件的性能迅速提高。因此就有可能比較普遍地應用微機來控制各類電機．完成備種新穎的、高性能的控制策略，是電機的各種潛在能力得到充分發(fā)揮，是電機的性能更符合使用要求，還可以制造出便于控制納新型電機，使電機出現(xiàn)新的面貌。 比較簡單的電機微機控制，例如在適當?shù)臅r候讓電機啟動、制動或反轉之類，只要讓微機控制繼電器或電子開關元件使電路開通或關斷就可以了：在各種機床設備及生廣流水線中，現(xiàn)在已普遍采用微機的可編程控制器。按一定的規(guī)律控制各類電機的動作。 至于復雜的控制，則要用微機控制電機的電壓、電流、轉矩、轉速、轉角等等，使電機按指定的指令準確工作。 通過微機控制，電機的性能有很大的提高。例如傳統(tǒng)的直流電集合變流電機各有憂缺點，直流電動機的調速性能好。但帶有機械按向器，有機械磨損及換向火化等問題；交流電動機，不論是異步電動機還是同步電動機，結構都比直流電動機簡單。工作也比直流電動機可靠，但在頻率恒定的電網(wǎng)上運行時，他們的速度不能方便而又經濟的調節(jié)。交流電動機采用正弦脈寬調制方式進行變額調速是比較理想的，但若要用普通的模擬電路或數(shù)字電路完成這任務，電器相當復雜．用微機控制就簡單多了。若要進一步調節(jié)精度及動態(tài)性能，可采用矢量控制方案，它的調速性能將與直流電動機相當。但矢量控制比較復雜，用傳統(tǒng)的模擬電路或數(shù)字電路根難做到，而應用微機控制。則能方便的實現(xiàn)。目前，廣泛應用于數(shù)控機床等自動化設備的數(shù)控位置伺服系統(tǒng)，其中電動機都是由微機控制的。為了提高性能．在先進的數(shù)控交流伺服系統(tǒng)中，已采用高速數(shù)字信號處理芯片(Digital Signal Processor簡稱DSP)，指令執(zhí)行速度達到每秒數(shù)百兆以上，且具有適合于矩陣運算的指令。 復雜的電機微機控制主要用于以下兩個方而： 1、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制。用以保證正常工作時發(fā)電機電壓穩(wěn)定，發(fā)生故障后盡可能保持穩(wěn)定，達到優(yōu)化控制的目的。 2、電動機調速及其位置伺服控制。用于鼓風機或水泵的調速節(jié)能、數(shù)控機床、微型計算機磁盤驅動器、機器人等控制系統(tǒng)。 在電機微機控制系統(tǒng)中，微機主要完成下列工作： 1、實時控制。根據(jù)給定的要求駛控制規(guī)律，對發(fā)電機的電壓，電動機的轉速等物理量實現(xiàn)在線實時控制。 2、監(jiān)控。完成事故報警、事故處理、系統(tǒng)診斷及管理等。 3、數(shù)據(jù)處理 完成必要的數(shù)據(jù)采集、分析處理、計算、顯不、記錄等。 1.4 課題研究的目的和意義 自動門根據(jù)使用的場合及功能的不同可分為自動平移門、自動平開門、自動旋轉門、自動圓弧門、自動折疊門等，其中自動平移門使用得最廣泛，我們通常所說的自動門、感應門就是指自動平移門。 自動平移門最常見的結構形式是自動門機械驅動裝置和門內外兩側紅外線，當人走近自動門時，紅外線感應到人的存在，給控制器一個信號，控制器通過驅動裝置將門打開。當人通過門之后，再將門關閉。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管，同時又可節(jié)約空調能源、防風、防塵、降低噪音，提高了建筑的檔次。 隨著電子科技的不斷發(fā)展, 各種智能控制系統(tǒng)進入人們的生活。自動平移門控制系統(tǒng)成為學校、公司等人流密集地疏導人流、控制出入的首選。 1.5 課題研究的要求 （1）了解各種元器件的原理及其在電路中的作用，繪制出電路原理圖。 （2）查閱相關資料，了解有關自動門設計的一些必要的知識。 （3）復習在學校里所學的知識，并且聯(lián)系實際，想好設計方案等等。 1.6 設計的基本思路 1、有人來時（進門或出門）開門。當人走到離門不遠的時候時，安裝在門上側的熱釋紅外線傳感器信號檢測裝置檢測到有人時，將啟動電動機帶動傳動鏈開門。 2、無人時關門延遲,當熱釋收發(fā)裝置沒有檢測到有人在離門1m的范圍內，將延遲1秒啟動電動機帶動傳動鏈關門。 3、關門中途來人，立即開門。當啟動電動機帶動傳動鏈關門時，感應探頭突然檢測到在離門1m的范圍內有人，則立即停止電動機關門，啟動電動機帶動傳動鏈開門。 總體結構圖如下圖1： 人體 信號 光學系統(tǒng)（菲涅爾透鏡） 熱釋電紅外 線傳感器 信號 處理 自動門 控制電路 圖1 設計總結構圖 第2章. 系統(tǒng)硬件設計 2.1 設計電路的框圖和原理（原理圖見 附錄Ⅰ） 紅外自動門控制系統(tǒng)的硬件組成如圖2-1所示。本系統(tǒng)主要由AT89C51單片機及其外圍電路、紅外檢測電路，門行程檢測電路、步進電機控制電路、故障檢測電路、故障顯示電路、控制方式切換電路等七部分組成。單片機循環(huán)檢測紅外檢測電路和門行程檢測電路輸出信號，據(jù)此產生步進電機控制信號，電動機帶動門運行，當系統(tǒng)檢測到控制方式發(fā)生改變時，系統(tǒng)進入相應的控制方式。如門在關門過程中遇到人或其他障礙物時門無條件朝相反方向打開，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進入故障處理程序。 AT89C51單片機 SRAM 紅外線檢測 門行程檢測 故障檢測 EPROM 電機電路控制 故障顯示報警 控制方式切換 圖2 紅外線自動門控制系統(tǒng)硬件框圖 系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示： 感應自動門的種類很多，在此，僅以平移型感應自動門機作為設計的重點。首先，平移式自動門機組由以下部件組成： （1）主控制器：它是自動門的指揮中心，通過內部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應指令，指揮馬達或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控器調節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)?！　? （2）感應探測器：負責采集外部信號，如同人們的眼睛，當有移動的物體進入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號。　　 （3）動力馬達：提供開門與關門的主動力，控制門扇加速與減速運行?！　? （4）門扇行進軌道：就像火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向行進?！　? （5）門扇吊具走輪系統(tǒng):用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行。　　 同步皮帶（有的廠家使用三角皮帶）：用于傳輸馬達所產動力，牽引門扇吊具走輪系統(tǒng)?！　? （6）下部導向系統(tǒng)：是門扇下部的導向與定位裝置，防止門扇在運行時出現(xiàn)前后門體擺動。 （7）當門扇要完成一次開門與關門，其工作流程如下： 感應探測器探測到有人進入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達運行，同時監(jiān)控馬達轉數(shù)，以便通知馬達在一定時候加力和進入慢行運行。馬達得到一定運行電流后做正向運行，將動力傳給同步帶，再由同步帶將動力傳給吊具系統(tǒng)使門扇開啟；門扇開啟后由控制器做出判斷，如需關門，通知馬達作反向運動，關閉門扇。 2.2 單片機介紹 單片機是把微型計算機主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機，即將運算器，控制器，輸入輸出接口，部分存儲器以及其他一些邏輯部件集成在一個芯片上，故可以把單片機看成是一個不帶外部設備的微型計算機，相當于一個沒有顯示器，沒有鍵盤，不帶監(jiān)控程序的單板機。 由于單片計算機具有體積小，重量輕，耗電少，功能強和價格低等特點，又由于數(shù)據(jù)大多是在芯片內傳送處理，所以運行速度快，抗干擾能力強。單片機從七十年代問世以來，在二十多年的時間里，發(fā)展異常迅速，并已廣泛應用于各種領域。單片機具有通訊接口，用單片機進行接口的控制與管理，單片機與主機可并行工作，大大地提高了系統(tǒng)的運行速度，所以在網(wǎng)絡通訊領域也得到了越來越多的應用。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 外形及引腳排列如圖3所示。 圖3 AT89C51外形及引腳圖 2.2.1 AT89C51管腳說明 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。在實際應用中，大多數(shù)情況下都使用P3口的第二功能。 P3.0 —RXD：串行輸入口 P3.1 —TXD：串行輸出口 P3.2 —/INT0：外部中斷0 P3.3 —/INT1：外部中斷1 P3.4 —T0：記時器0外部輸入 P3.5 —T1：記時器1外部輸入 P3.6 —/WR：外部數(shù)據(jù)存儲器 P3.7 —/RD：外部數(shù)據(jù)存儲器 P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時 ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 2.2.2 AT89C51主要特性 * 與MCS-51 兼容 * 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 * 壽命：1000寫/擦循環(huán) * 數(shù)據(jù)保留時間：10年 * 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz * 三級程序存儲器鎖定 * 128*8位內部RAM * 32可編程I/O線 * 兩個16位定時器/計數(shù)器 * 5個中斷源 * 可編程串行通道 * 低功耗的閑置和掉電模式 * 片內振蕩器和時鐘電路 2.2.3 芯片擦除 整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 2.3 熱釋電紅外傳感器介紹 熱釋電紅外傳感器主要是由一種高熱電系數(shù)的材料，如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等制成尺寸為2*1mm的探測元件。在每個探測器內裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號，經裝在探頭內的場效應管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學系統(tǒng)的透鏡，它和放大電路相配合，可將信號放大70分貝以上，這樣就可以測出10-20米范圍內人的行動。 菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學原理，在探測器前方產生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而強其能量幅度。 人體輻射的紅外線中心波長為9-10um，而探測元件的波長靈敏度在0.2-20um范圍內幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設了一個裝有濾光鏡片的窗口，這個濾光片可通過光的波長范圍為7-10um，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其它波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。 熱釋紅外線傳感器內部結構與電路如下圖4所示。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當傳感器監(jiān)測范圍內溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應會在兩個電極上會產生電荷ΔQ，即在兩電極之間產生微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應管進行阻抗變換。熱釋電效應所產生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結合而消失，當環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當人體進入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產生ΔT，則有信號輸出；若人體進入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。熱釋電紅外傳感器的結構及內部電路見下圖所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場效應管FET等組成。其中，濾光片設置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長在8mm-12mm之間的紅外信號的微弱變化轉變?yōu)殡娦盘?，為了只對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。 圖4 熱釋電紅外線傳感器的結構及內部電路 熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點： 優(yōu)點：本身不發(fā)任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好。價格低廉。 缺點：容易受各種熱源、光源干擾；被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時造成短時失靈。 2.4 BISS0001芯片介紹和典型電路 BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風扇、烘干機和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。它不僅能和熱釋電紅外傳感器的輸出良好地匹配，而且也能和其他多種傳感器進行匹配。它的內部是由運算放大器、電壓比較器、與門電路、狀態(tài)控制器、定時控制器、鎖定時間控制器和禁止電路等組成。 BISS0001采用16腳標準型塑料封裝結構。 1腳（A）為觸發(fā)方式控制端，當A＝1時，電路可重復觸發(fā)；當A＝0時，電路不可重復觸發(fā)。 2腳（V0）為控制信號輸出端，當有傳感信號輸人時，V0輸出高電平。 3腳（RX）和4腳（CX）為輸出定時控制器T，的外接元件端，定時時間為：TX＝50103RXCX。 5腳（Ri）和6腳Ci）為鎖定時間控制器Υi的外接元件，鎖定時間Ti＝24RiCi。 7腳（VSS）為電源正端。 8腳（VRF）為參考電壓及復位端，使用時一般接VDD，若按ⅤSS，可使定時器復位。 9腳（Vc）為觸發(fā)禁止端，當VC＜VR時禁止觸發(fā)；當VC＞VR時，允許觸發(fā)，VR＝0.2VDD. 10腳（IB）為偏置電流設置端，由外接電阻RB接ⅤSS端，RB一般取1MΩ的電阻。 11腳（VDD）為電源正、負端。 12腳（OUT2）為第二級運放的輸出端 13腳（IN2-）為第二級運放的反相輸人端。 14腳（IN1+）第一運放的同相輸入端。 15凈（IN1-）第一運放的反相輸入端。 16腳（OUT1）為第一運放的輸出端。 2.4.1 BISS0001的內部結構及特點 下圖5中，運算放大器OPl將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器01：2進行第二級放大，再經由電壓比較器COPl和ODP2構成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號VS去啟動延遲時間定時器，輸出信號VO經晶體管T1放大驅動繼電器去接通負載。 圖5 熱釋紅外傳感器處理芯片 BISS0001的特點： *CMOS工藝，公耗低 *數(shù)?；旌? *具有獨立的高輸入阻抗運算放大器 *內部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾 *內設延遲時間定時器和封鎖時間定時器 *采用16腳DIP封裝 * 內置參考電源 *工作電壓范圍寬（3V～5V) 2.4.2 BISS001管腳圖及管腳說明： 圖6 BISS001管腳圖 BISS001管腳說明： 表1 BISS0001管腳說明 引腳 名稱 I/O 功能說明 1 A I 可重復觸發(fā)和不可重復觸發(fā)選擇端。當A為“1”時，允許重復觸發(fā)；反之，不可重復觸。 2 VO O 控制信號輸出端。由VS的上跳變沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo保持低電平狀態(tài)。 3 RR1 -- 輸出延遲時間Tx的調節(jié)端 4 RC1 -- 輸出延遲時間Tx的調節(jié)端 5 RC2 -- 觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端 6 RR2 -- 觸發(fā)封鎖時間Ti的調節(jié)端 7 VSS -- 工作電源負端 8 VRF I 參考電壓及復位輸入端。通常接VDD，當接“0”時可使定時器復位 9 VC I 觸發(fā)禁止端。當VcVR時允許觸發(fā) 10 IB -- 運算放大器偏置電流設置端 11 VDD -- 工作電源正端 12 2OUT O 第二級運算放大器的輸出端 13 2IN- I 第二級運算放大器的反相輸入端 14 1IN+ I 第一級運算放大器的同相輸入端 15 1IN- I 第一級運算放大器的反相輸入端 16 1OUT O 第一級運算放大器的輸出端 2.4.3 BISS0001工作原理 BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構成的數(shù)模混合專用集成電路。當熱釋電紅外傳感器接收到人體紅外輻射后輸出檢測信號，然后由14腳輸入BISS0001,經地內部電路處理，由2腳輸出探測信號（正向脈沖信號）。輸出脈沖信號的寬度由外接電阻R9和電容C6來決定。當 2腳輸出控制脈沖后，電子開關被接通，數(shù)字編碼電路和無線電發(fā)射電路由于得到電源而開始工作。電源變壓器為5W/15V，E為12V免維護蓄電池，供停電使用。S1為鎖控電源開關，可根據(jù)需要安裝在適當處所，用來接通工作電源，無必要時可取消設置。SCR采用1A的單向可控硅。HFC9301為軟封裝發(fā)聲電路，發(fā)聲為“嘀、嘀”聲。電路的調試主要是主機與各分機之間的統(tǒng)調。將發(fā)射電路和接收電路組裝好后，先將發(fā)射機中C10的調至適當位置后固定不動，接著調整接收機中的C1，使接收機能收到發(fā)射機發(fā)出的信號。若為“一對多”或“多對一”報警系統(tǒng)，應先將主機“一”（可以是發(fā)射機，也可以是接收機 ）調好固定，然后調整各分機，使其與主機統(tǒng)調。BISS0001 應用線路圖如7所示。 圖7 BISS0001的熱釋電紅外開關應用電路圖 上圖中，R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。SW1是工作方式選擇開關，當SW1與1端連通時，芯片處于可重復觸發(fā)工作方式；當SW1與2端連通時，芯片則處于不可重復觸發(fā)工作方式。圖中R6可以調節(jié)放大器增益的大小，原廠圖紙選10K，實際使用時可以用3K，可以提高電路增益改善電路性能。輸出延遲時間TX由外部的R9和C7的大小調整，觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R10和C6的大小調整，R9/R10可以用470歐姆，C6/C7可以選0.1U。在BISS0001的內電路中，運放A是一個獨立的放大器，由它放大后輸出的信號電壓通過. 2.5 步進電機 步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機：它將電脈沖信號轉變成角位移．即結一個脈沖信號，步進電動機就轉動一個角度．因此作常適合于單片機控制。近30年來．數(shù)字技術、計算機技術和水磁材料的迅速發(fā)展．推動廠步進電動機的發(fā)展，為步進電動機的應用開辟了廣闊的前景。 2.5.1 步進電動機的特點: (1)步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比具有良好的跟隨型。以由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非常可靠。同時．它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉外數(shù)控系統(tǒng)。 (2)步進電動機的動態(tài)響應快。易于起停、正反轉及變速。 (3)速度可在相當寬的范圍內平滑調節(jié)。低速下仍能保證獲很大轉矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅動負載。 (4)步進電動機只能通過脈沖電源供電才能遠行。它不能直接使用交流電源和直流電源 (5)步進電動機存在振蕩和失步現(xiàn)象．必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應的措施。 (6)步進電動機自身的噪音和振動較大．帶慣性負載的能力較差。 2.5.2 驅動控制系統(tǒng)的組成 使用、控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖8所示： 信號分配 脈沖信號 負載 步進電機 功率放大 圖8 驅動控制系統(tǒng)方框圖 步進電動機的驅動電路根據(jù)控制信號工作。在步進電動機的單片機控制中，控制信號由單片機產生。其基本控制作用如下: 1) 反應式步進電動機控制換相順序 步進電動機的通電換相順序嚴格安照步進電動機的工作方式進行。通常我們把通電換相這—過程稱為脈沖分配。三相六拍步進電機工作方式通電換相的正序是A-AB-B-BC-C-CA；反序為A-CA-C-BC-B-AB；共有八個通電狀態(tài)P1口輸出控制信號，0表示繞子通電，表示繞子斷電，則可以用六個字來表示六個通電狀態(tài)。這六個字表示如下表： 表2 通電狀態(tài) A 1 1 0 06H AB 1 0 0 08H B 1 0 1 09H BC 0 0 1 01H C 0 1 1 03H CA 0 1 0 02H 2) 通電狀態(tài) P1.2(C) P1.1(B) P1.0(A) 控制字 3) 控制電路模型如9圖所示： P1.0 P1.1 P1.2 8051系列 單片機 A相驅動 A相驅動 A相驅動 圖9 控制電路模型 2.5.3 斬波驅動 下面講的是斬波恒流驅動的原理圖。T1是一個高頻開關管。T2開關管的發(fā)射極接一只小電阻只，電動機繞組的電流經這個電阻到地，所以這個電阻是電流取樣電阻。比較器的一端接給定電壓Uc，另一端接取樣電阻上的壓降，當取樣電壓為0時，比較器輸出高電平。 圖 10 斬波恒流驅動電路原理圖 當控制脈沖Ui為低電平時．T1和T2兩個開關管均截止；當U1為高電平時，T1和T2兩個開關管均導通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，只上的電壓逐漸升高，當超過給定電壓Uc的值時,比較器輸出低電平，使與門輸出低電平、Tl截止，電源被切斷；當取樣電阻上的電壓小于給定電壓時，比較器輸出高電乎，與門也輸出高電平，T1又導通，電源又開始向繞組供電。這樣反復循環(huán)，直到Ui為低電平。 第3章. 系統(tǒng)軟件設計及調試 3.1 系統(tǒng)軟件結構 整個系統(tǒng)軟件主要由主程序、開門子程序、關門子程序、T0中斷服務程序、T1中斷服務程序、外部中斷服務子程序組成。主程序主要是完成系統(tǒng)進行初始化、中斷設置等功能。程序設計中設置了一個外部中斷0，它保證紅外自動門能夠在無人操控情況下自動運行，主要功能是當檢測到有人出入門時，啟動電機，從而實現(xiàn)自動開關門的目的。 3.2 各部分程序流程設計（見附錄Ⅱ） 在開門過程中首先進行門狀態(tài)檢測，根據(jù)所檢測到的信號判斷自動門上次停機所處位置。根據(jù)檢測結果確定門此刻應運行方式，如檢測出門是半開狀態(tài)，門直接轉入加速開門的過程。如檢測出門是全開狀態(tài)，門轉入延時開門過程。如檢測出門是全關狀態(tài)，那么在檢測到有人出人時，門會緩慢打開，之后加速運行，接著減速運行，最后電機停止運轉，門由于慣性緩慢關閉。自動門開門后暫停一段時間，然后關門。關門是開門的一個反過程，它經過慢速運行、加速運行、減速運行、慣性運動直至停止這幾個過程。在自動門關閉過程中當系統(tǒng)接收到由紅外線傳感器電路發(fā)出的有人出入的信號時，門會重新打開。與開門情況不同的是當在關門過程中檢測到故障信號時門會朝反方向運動，將門打開，這樣可以排除因自動門遇到障礙物或人身體而產生故障信號使整個系統(tǒng)停止工作的可能。 為了運行過程可靠，在以不同速度運行過程中，對運行時間做了安全設置，當在開門狀態(tài)下檢測到運行時間超過安全時問或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，程序轉人故障處理程序。 3.3 調試 調試為了確保該門控系統(tǒng)的安全高效運行必須滿足下列條件： 1．大門的結構必須適合于自動控制 特別要注意滾輪的直徑必須與需要控制的大門重量相匹配其尺寸和重量符合有關技術規(guī)范之規(guī)定。 2．確保大門在滑動過程中不發(fā)生傾斜。 3．確保大門活動平穩(wěn) 準確 在整個移動過程中不出現(xiàn)任何不正常的摩擦現(xiàn)象。 4．確保地面條件穩(wěn)固 避免固定基座的膨脹螺絲發(fā)生搖晃。 5．認真檢查上方導軌和行程限位的機械擋塊是否安裝到位。 3.4 門行程檢測及故障檢測 門行程檢測電路通過檢測門行程開關的閉合情況來發(fā)送不同的信號，使電機改變轉速，進而控制門運行的速度以提高運作效率，為了保護門不受到損害和保證門運行效率，在門行程檢測電路中設置了四個行程開關。它們分別代表開門極限、行程極限1、行程極限2、關門極限。門在開啟過程中，分別經過慢速、加速、減速和停止四個過程，門的關閉過程則與上述過程相反。門運行到極限位置時，限位開關動作，單片機根據(jù)接收到響應的信號，改變電機運行速度。 在故障檢測電路中，配置了溫度和速度傳感器，用來監(jiān)測電機的工作情況，從而實現(xiàn)電機過熱保護和門運行障礙保護，同時還設置了電壓監(jiān)控電路，用于檢測系統(tǒng)異常情況。 檢測電路首先將檢測到的信號轉換成電壓，然后經單片機內部的戶以轉換器變成數(shù)字信號，單片機定期讀取數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，即馬上采取相應的緊急措施，向系統(tǒng)發(fā) 出故障信號，系統(tǒng)停止工作，向故障顯示電路發(fā)出指令，發(fā)出報警信號并顯示故障類型。 第4章. 設計總結 在此次有關自動門的控制系統(tǒng)的設計，讓我感覺到了單片機的復雜深度性，它很貼切我們的日常生活，無所不在，應用無處不有，它并不是想象中的那么簡單，也并非是無法克服的堡壘。 設計硬件之前，要首先收集好有關的基礎性資料，應備有良好的應用類參考書和專業(yè)類參考書。對于有關的科技期刊和專利文獻，也要經常閱讀以便了解最新的發(fā)展情況，借鑒現(xiàn)成的經驗，避免重復勞動。在設計中，要充分了解所用芯片的使用條件及輸入輸出的特性，這樣才能避免因使用錯誤而多走彎路。 電路設計部分應該有的精神就是廣集資料。只憑借自己頭腦中的知識是遠遠不夠的。哪里出現(xiàn)了問題，就要翻書本，或上網(wǎng)查資料。當然也要開動自己的腦筋怎樣使系統(tǒng)電路更完美。例如我的設計題目是基于單片機的自動門控制系統(tǒng)設計。有自動門，自然會用到電動機，每種電機都有不同的特性和功能，你就要進行選擇了。例如對電機的選擇，你就要選擇你所熟悉的，所了解的。 在電路設計時，應充分發(fā)揮單片機的記憶運算、判斷控制能力，避免采用復雜的、穩(wěn)定性較差的模擬電路。 本設計程序以匯編語言語言編寫，易于讀寫、易于調試和修改，同時匯編語言用來編制系統(tǒng)軟件和過程控制軟件，其目標程序占用內存空間少，運行速度快。 為了使微機控制系統(tǒng)各種硬件設備能夠正常運行，有效地實現(xiàn)電機各個控制環(huán)節(jié)的實時控制和管理，除了要設計合理的硬件電路，還必須要有高質量的軟件支持。因此用匯編語言編寫電機單片機實施控制的應用程序，是整個系統(tǒng)中十分重要的內容。 最后我非常感謝學校和老師給我們這么好的學習機會，讓我親身去體會一個項目開發(fā)的艱難性，第一次站在一個設計者的角度去看，體會到了他們的艱辛，同時我也感受到了老師對我們的付出，對我們的精心指導，讓我順利完成這次學習任務。 致 謝 詞 時間真的過的好快，轉眼便是大學畢業(yè)之際。距離離校的日子已日趨臨近，畢業(yè)論文的完成也隨之進入了尾聲。在此我真的要感謝我的指導老師王琳老師。在本次論文設計過程中，王琳老師對該論文從選題的審核、構思、修改到最后定稿的過程中，自始至終都傾注時間、經歷和心血。由于我自身經驗缺乏，所以一開始真的無法下手，設計進程也很緩慢，而此時老師不僅僅在設計方面給予引導，在選材方面也給予參考，特別是她多次詢問寫作進程，并為我指導，幫助我開拓思路，這些付出和關心讓我堅定了能夠完成這次設計的信心。而我在老師的指導下，也不敢松懈，盡可能早的完成畢業(yè)設計。 王琳老師以嚴謹?shù)闹螌W之道、寬厚仁慈的胸懷、積極樂觀的生活態(tài)度，兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神為我樹立了一輩子學習的典范，她的教誨與鞭策將激勵我在學習和生活的道路上開拓創(chuàng)新。她淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。真的發(fā)自內心的說一句：王老師，謝謝您。 最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參與本人論文答辯的各位老師真心地表示感謝，謝謝你們。 參考文獻 [1]《傳感器及其應用》.張金鐸 金歡陽名編著.西安電子科技大學出版社，2002. [2]《傳感器及其應用實例》.何希才編著.機械工業(yè)出版社.2003. [3]《傳感器的理論與設計基礎及其應用》，單成祥 編著.國際工業(yè)出版社 .2002. [4]《傳感器技術與應用》.金慶發(fā)編著.機械工業(yè)出版社.1994. [5]《單片微行計算機原理、應用及接口技術》.張迎新編著.國防工業(yè)出版社.2000. [6]《電子技術基礎》康華光.陳大欽編著.高等教育出版社,1998. [7]《單片機原理及其接口技術》.胡漢才編著.北京：清華大學出版社.2004. [8]《紅外線探測與控制電路》. 陳永甫編著.北京：人民郵電出版社.2004. [9]《傳感器工作原理及應用實例》.黃繼昌.徐巧魚等編著.人民郵電出版社.2002. [10]《基于單片機的智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn)》.沈紅衛(wèi)編著.北京.電子工業(yè)出版社.2005. [11]《現(xiàn)場總線技術及其應用》.陽憲惠編著.清華大學出版社.1999. [12]《單片機原理應用與實驗》.張友德,等編著.復旦大學出版社.2000. [13]《單片機原理及接口技術》.李朝青編著.北京航空航天大學出版社.1996. [14]《數(shù)字電子技術基礎》.閻石編著.高等教育出版社.1998. [15]《向鳳紅.自動控制原理》.陳玉宏編著.重慶:重慶大學出版社.2003. [16] 大學生電子設計論壇：http://wwww.uedbbs.com/ 附錄Ⅰ：設計電路原理圖 附錄Ⅱ：信號流程說明 系統(tǒng)主程序流程圖 Y N 開始 定時器T0、T1的設置 中斷優(yōu)先級設置 系統(tǒng)終止 開外部中斷1 開定時器T0 關外部中斷1 開定時器 開中斷 系統(tǒng)故障 手動方式 Y N 開門子程序流程圖 Y Y 返回 開門 電機減速 門狀態(tài)檢測 電機加速 電機停止 加速 減速 停止 N Y N N 開門中斷程序流程圖 開門子程序 中斷返回 裝載T0常數(shù) 開中斷 關門子程序 關T0中斷 讀按鍵操作 加速 開門否 Y Y N N T1中斷服務程序流程圖 關T1中斷 指向0809地址 中斷返回 啟動下一通道 開T1中斷 數(shù)據(jù)存放 數(shù)據(jù)指針加1 通道號加1 轉換結束 采樣結束 Y Y N N 附錄Ⅲ：程序源代碼 主程序： 　 MOV R4，A 　　 INC R1 CLR R5，A SUBB A，R4 XCH A，R4 DEC R1 SJMP LP2 JB 00H，ROLE SPEED0 BIT P1.0 ； 門行程行狀1 SPEED1 BIT P1.1 ； 門行程行狀2 SPEED2 BIT P1.2 ； 門行程行狀3 SPEED3 BIT P1.3 ； 門行程行狀4 KEYDOOROPEN BIT P1.4 ； 手動門開按鈕 KEYDOORCLOSE BIT P1.5 ； 手動門關按鈕 MODE BIT P1.6 ； 手動/自動切換 DOOROPEN BIT P3.0 ； 門開驅動信號 DOORCLOSE BIT P3.1 ； 門關驅動信號 SIGNAL BIT P3.2 ； 紅外線傳感器信號 A0809E0C BIT P3.3 ； A/D轉換結束信號 HSPEED BIT P3.4 ； 電機速度變換 DOORSTATE BIT 00H ； 門狀態(tài) RERROR BIT 01H ； 系統(tǒng)故障 ORG 0000H AJMP START ORG 0003H AJMP INT0 ORG 000BH AJMP T0 ORG 001BH AJMP T1 ORG 0050H START: CLR DOOROPEN ； 關電機驅動 CLR DOORCLOSE MOV TMOD, #11H ； 定時器工作方式 MOV TLO,#OFOH ； 置定時器常數(shù), MOV TH0,#08DH MOV TL1,#0E0H MOV TH1,#0B1H MOV TCON,#50H MOV IP,#08H ； 優(yōu)先級設置 MOV IE,#80H ； 開中斷 LOOP: ACALL SYSERROR ； 調用系統(tǒng)故障子程序 JB RERROR,WAIT ； 有故障等待處理 MOV A,P2 ANL A,#OFH JNZ WAIT ； 無按鍵等待 JB MODE,AUTO ； 運行方式判斷 CLR EXO SETB ETO SJMP LOOP AUTO: SETB ETO SJMP LOOP WAIT: SJMP $ ； 等待 開門子程序： DOOR_OPEN:JB DOORSTATE, LOOP3 ； 門已開退出 CLR HSPEED CLR DOORCLOSE SETR DOOROPEN ； 低速啟動 JNP SPEED1,$ SETB HSPEED ； 高速開門 JNB SPEED2,$ CLR