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。 1引言 1.1自動(dòng)門(mén)發(fā)展歷史 自動(dòng)門(mén)從理論上理解應(yīng)該是門(mén)的概念的延伸，是門(mén)的功能根據(jù)人的需要所進(jìn)行的發(fā)展和完善。自動(dòng)門(mén)是指：可以將人接近門(mén)的動(dòng)作（或?qū)⒛撤N入門(mén)授權(quán)）識(shí)別為開(kāi)門(mén)信號(hào)的控制單元，通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將門(mén)開(kāi)啟，在人離開(kāi)后再將門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，并對(duì)開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)。 自動(dòng)門(mén)開(kāi)始在建筑物上使用，是在二十世紀(jì)年以后。二十年代后期，美國(guó)的超級(jí)市場(chǎng)的開(kāi)放，自動(dòng)門(mén)開(kāi)始被使用，受此影響，世界第一自動(dòng)門(mén)品牌多瑪在1945年開(kāi)發(fā)出油壓式、空氣式自動(dòng)門(mén)，新建大樓的正門(mén)也開(kāi)始使用了。到了1962年，電氣式開(kāi)始出現(xiàn)，之后伴隨著城市的建設(shè)，自動(dòng)門(mén)技術(shù)的領(lǐng)域每年都在增加。當(dāng)初，用供給建筑物用電源進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的速度控制很難，只好進(jìn)行油壓、空壓速度控制，轉(zhuǎn)換但因能源利用效率很低，然而伴隨著電氣控制的技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)在電氣控制技術(shù)已經(jīng)成熟，直接控制電動(dòng)機(jī)的電氣式自動(dòng)門(mén)逐漸成為主流。例如：各種用可識(shí)別控制的自動(dòng)專(zhuān)用門(mén)，如：感應(yīng)自動(dòng)門(mén)(紅外感應(yīng)，微波感應(yīng)，觸摸感應(yīng)，腳踏感應(yīng))、刷卡自動(dòng)門(mén)等[1]。 21世紀(jì)的今天，門(mén)更加突出了安全理念，強(qiáng)調(diào)了有效性：有效地防范、通行、疏散，同時(shí)還突出了建筑藝術(shù)的理念，強(qiáng)調(diào)門(mén)與建筑以及周?chē)h(huán)境整體的協(xié)調(diào)、和諧。門(mén)大規(guī)模專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)始于150年前，在不斷發(fā)展和完善的過(guò)程中，涌現(xiàn)出大批獨(dú)具規(guī)模的專(zhuān)業(yè)制造商。門(mén)的高級(jí)形式--自動(dòng)門(mén)起源在歐美，迅速發(fā)展至今天，已經(jīng)形成了種類(lèi)齊全、功能完善、造工精細(xì)的自動(dòng)門(mén)家族。 整體來(lái)說(shuō)國(guó)外的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)性能比較優(yōu)良,但是價(jià)格偏高；國(guó)內(nèi)的同類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格便宜但是性能較差,故障率較高。在國(guó)外,進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)很成熟，技術(shù)發(fā)展很快，并取得了驚人的成就，自動(dòng)門(mén)是自動(dòng)化技術(shù)的典型代表。但在國(guó)內(nèi)，自動(dòng)門(mén)的自主研發(fā)技術(shù)尚不成熟。在自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)定、節(jié)能、環(huán)保、安全及人性化是需要首先考慮的因素。 自動(dòng)門(mén)根據(jù)使用場(chǎng)合及功能的不同可分為自動(dòng)平移門(mén)、自動(dòng)平開(kāi)門(mén)、自動(dòng)旋轉(zhuǎn)門(mén)、自動(dòng)圓弧門(mén)、自動(dòng)折疊門(mén)等，其中自動(dòng)平移門(mén)使用得最廣泛，我們通常所說(shuō)的自動(dòng)門(mén)、感應(yīng)門(mén)就是指自動(dòng)平移門(mén)。目前市場(chǎng)上流行的平移型自動(dòng)門(mén)一般是兩開(kāi)，這種門(mén)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易控，維護(hù)方便。這里將研究的對(duì)象就是自動(dòng)平移門(mén)。 自動(dòng)平移門(mén)最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式是自動(dòng)門(mén)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置和門(mén)內(nèi)外兩側(cè)紅外線，當(dāng)人走近自動(dòng)門(mén)時(shí)，紅外線感應(yīng)到人的存在，給控制器一個(gè)信號(hào)，控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置將門(mén)打開(kāi)。當(dāng)人通過(guò)門(mén)之后，再將門(mén)關(guān)閉。由于自動(dòng)門(mén)在通電后可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人看管。給我們的日常生活帶來(lái)很多的好處,比如進(jìn)出方便、節(jié)約空調(diào)能源、還有利于人力資源的節(jié)省,更令我們的大門(mén)增添了不少高貴典雅的氣息,也顯示了一個(gè)國(guó)家的發(fā)展。 自動(dòng)門(mén)的控制方法有很多，從控制器的不同來(lái)說(shuō)，有繼電器控制，即通過(guò)按鈕和復(fù)雜的接線安裝來(lái)控制；還有智能控制器控制，即通過(guò)運(yùn)行現(xiàn)代自動(dòng)化設(shè)備來(lái)控制，它具有穩(wěn)定性高，安全等優(yōu)點(diǎn)，因此被很多生產(chǎn)廠商所運(yùn)用。由于繼電器邏輯控制的自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)存在許多缺陷而逐步被智能控制器的自動(dòng)門(mén)所淘汰[2]。 對(duì)于智能控制器有多種方式： 第一，采用FPGA的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),以按鈕、無(wú)線遙控、紅外感應(yīng)三種驅(qū)動(dòng)方式,既可自動(dòng)控制又可人工控制,操作簡(jiǎn)單并且適用范圍廣；采用EDA技術(shù)設(shè)計(jì)主控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,可軟件診錯(cuò)；采用自動(dòng)復(fù)位以及電機(jī)專(zhuān)用控制芯片來(lái)保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 第二，以單片機(jī)為核心,統(tǒng)一控制紅外傳感器和步進(jìn)電機(jī),并通過(guò)機(jī)械直線運(yùn)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)玻璃門(mén)。在硬件上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)報(bào)普顯示,人員進(jìn)出信號(hào)的采集與轉(zhuǎn)換,監(jiān)控報(bào)等“看門(mén)狗”技術(shù),電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制以及光藕隔離技術(shù)。 第三，采用可編程控制器PLC控制的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)，PLC是一種專(zhuān)門(mén)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。他采用可以編程的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、和算數(shù)運(yùn)算等操作指令，并能通過(guò)數(shù)字式和開(kāi)關(guān)量的邏輯控制的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。PLC具有可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，功能完善，適用性強(qiáng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造工作量小，維護(hù)方便，容易改造，體積小，重量輕，能耗低等優(yōu)點(diǎn)。因此運(yùn)用PLC控制自動(dòng)門(mén)具有較高的可靠性，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。 第四，運(yùn)用單片機(jī)作為自動(dòng)門(mén)的控制系統(tǒng)，單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),軟件編程靈活,自由度大,可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法,并且具有功耗低,體積小,技術(shù)成熟,成本低廉等有點(diǎn),使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 在智能控制器的選擇上主要有體積小、安裝方便等特點(diǎn)，目前有許多廠家采用此種方式生產(chǎn)自動(dòng)門(mén)。這里我將設(shè)計(jì)一種以AT89C52為核心的自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)，包括硬件組成和軟件設(shè)計(jì)，采用熱釋電紅外傳感器檢測(cè)信號(hào)變化利用開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行電路信號(hào)放大[3]。 1.2紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展 紅外探測(cè)技術(shù)在軍事技術(shù)、工業(yè)控制、安全保衛(wèi)、家用電器以及人們的日常生活等諸多領(lǐng)域中都有著非常廣泛的應(yīng)用,而一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)的測(cè)控系統(tǒng)也在教學(xué)中發(fā)揮了很大的作用。紅外探測(cè)技術(shù)利用紅外光波(又稱(chēng)紅外線)作為載波來(lái)傳送測(cè)量信號(hào)或者控制指令,例如紅外遙控電視開(kāi)關(guān)、紅外報(bào)警器、自動(dòng)玻璃門(mén)等。之所以采用紅外光波作為測(cè)控光源,是由于紅外發(fā)射器件與紅外接收器件的發(fā)光與受光峰值波長(zhǎng)一般為0.88μm~0.94μm,落在近紅外波段內(nèi),而且二者的光譜恰好重和能夠很好地匹配,可獲得較高的傳輸效率及較高的可靠性。紅外測(cè)控系統(tǒng)一般包括發(fā)射、接收以及處理部分。在本設(shè)計(jì)中，紅外線探測(cè)器中的熱電元件檢測(cè)人體的存在或移動(dòng)，并把熱電元件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。然后，對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行波形分析。于是，只有當(dāng)通過(guò)波形分析檢測(cè)到由人體產(chǎn)生的波形時(shí)，才輸出檢測(cè)信號(hào)。例如，在兩個(gè)不同的頻率范圍內(nèi)放大電壓信號(hào)，且將被放大的信號(hào)用于鑒別由人體引起的信號(hào)[4]。 2系統(tǒng)總體方案 本章圍繞系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，介紹系統(tǒng)組成框圖、主控芯片單片機(jī)的內(nèi)部硬件資源及其接口技術(shù)、整個(gè)自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)所用到的其它IC的介紹。 2.1系統(tǒng)總體規(guī)劃 本系統(tǒng)主要由單片機(jī)及其外圍電路、紅外檢測(cè)電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路等組成。正常工作時(shí),單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)紅外檢測(cè)電路輸出信號(hào)，據(jù)此產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)門(mén)運(yùn)行，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到控制方式發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)式。如門(mén)在的控制方關(guān)門(mén)過(guò)程中遇到人或其他障礙物時(shí)門(mén)無(wú)條件朝相反方向打開(kāi)。其原理方框圖如2.1所示。 圖2.1 原理方框圖 硬件總體邏輯設(shè)計(jì): 感應(yīng)自動(dòng)門(mén)的種類(lèi)很多，在此，僅以平移型感應(yīng)自動(dòng)門(mén)作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。首先，平移式自動(dòng)門(mén)機(jī)組由以下部件組成： （1） 主控制器：它是自動(dòng)門(mén)的指揮中心，通過(guò)內(nèi)部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應(yīng)指令，指揮馬達(dá)或電鎖類(lèi)系統(tǒng)工作；同時(shí)人們通過(guò)主控器調(diào)節(jié)門(mén)扇開(kāi)啟速度、開(kāi)啟幅度等參數(shù)。 （2） 感應(yīng)探測(cè)器：負(fù)責(zé)采集外部信號(hào)，如同人們的眼睛，當(dāng)有移動(dòng)的物體進(jìn)入它的工作范圍時(shí)，它就給主控制器一個(gè)脈沖信號(hào)。 （3） 動(dòng)力馬達(dá)：提供開(kāi)門(mén)與關(guān)門(mén)的主動(dòng)力，控制門(mén)扇加速與減速運(yùn)行。 當(dāng)門(mén)扇要完成一次開(kāi)門(mén)與關(guān)門(mén)，其工作流程如下： 感應(yīng)探測(cè)器探測(cè)到有人進(jìn)入時(shí)，將脈沖信號(hào)傳給主控器，主控器判斷后通知馬達(dá)運(yùn)行。馬達(dá)得到一定運(yùn)行電流后做正向運(yùn)行，將動(dòng)力傳給同步帶，步帶轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間后，馬達(dá)反轉(zhuǎn)，自動(dòng)門(mén)關(guān)閉[6]。 2.2 AT89C52單片機(jī) AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 AT89C52的管腳及各管腳含義如下： 圖2.2 89C52管腳圖 各引腳功能說(shuō)明： VCC——電源電壓； GND——接地； P0口——P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口P0寫(xiě)“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用； 在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻； 在FLASH編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻； P1口——P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸出口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流； 與AT89C51不同之處是，P1.0和P1.1還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX）； FLASH編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址； P1.0和P1.1的第二功能： P1.0 T2（定時(shí)/計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入），時(shí)鐘輸出 ； P1.1 T2EX（定時(shí)/計(jì)數(shù)2捕獲/重裝載觸發(fā)和方向控制）； P2口——P2是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口P2寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流； 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容； FLASH編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)； P3口——P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流； P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能： P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通) P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通) 此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)； RST——復(fù)位輸入 當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位； ALE/PROG 當(dāng)訪問(wèn)外部程存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖； 對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）； EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。 PSEN 程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 EA/VPP 外部訪問(wèn)允許。欲使CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H—FFFFH0），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。 XTAL1 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端[7]。 2.3熱釋電紅外傳感器的原理和使用 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器，它能組成防入侵報(bào)警器或各種自動(dòng)化節(jié)能裝置。熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測(cè)出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，同時(shí)，它還能鑒別出運(yùn)動(dòng)的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報(bào)警裝置，也可以用于自動(dòng)控制、接近開(kāi)關(guān)、遙測(cè)等領(lǐng)域[8]。 本設(shè)計(jì)使用型號(hào)為：RE03B的熱釋電紅外傳感器。它的實(shí)物圖如下圖2.3所示 圖2.3 熱釋電紅外傳感器RE03B 熱釋電效應(yīng)：自然界的任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度（－273℃），總是不斷地向外發(fā)出紅外輻射，并以光的速度傳播能量。物體向外輻射紅外輻射的能量與物體的溫度和紅外輻射的波長(zhǎng)有關(guān)。物體的溫度越高，它所發(fā)射的紅外輻射的峰值波長(zhǎng)越小，發(fā)出紅外輻射的能量也越大。通常，電介質(zhì)的內(nèi)部是沒(méi)有載流子的，因此它沒(méi)有導(dǎo)電能力。但是任何電介質(zhì)毫無(wú)例外地都是由帶電粒子組成的，即自由電子和原子核組成的。在外加電壓的作用下，這些帶電粒子也要發(fā)生移動(dòng)，帶正電荷的粒子趨向負(fù)極，帶負(fù)電荷的粒子趨向正極。其結(jié)果是使電介質(zhì)的一個(gè)表面帶正電，另一個(gè)表面帶負(fù)電，我們稱(chēng)這種現(xiàn)象為電極化。對(duì)于上述現(xiàn)象，某些鐵電體電介質(zhì)材料卻是個(gè)例外，像上述的幾種鐵電體材料，當(dāng)被極化后撤去外加電壓時(shí)，這種極化現(xiàn)象仍然保留下來(lái)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為自發(fā)極化。自發(fā)極化的強(qiáng)度與溫度相關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，極化強(qiáng)度降低。自發(fā)極化的鐵電體平時(shí)靠捕捉大氣中的浮游電荷保持平衡狀態(tài)。當(dāng)一些晶體受熱時(shí)，在晶體兩端將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量相等而符號(hào)相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)溫度變化時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對(duì)移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會(huì)產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，下圖表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。將釋放出的電荷通過(guò)放大器放大后就成了一種控制信號(hào)，利用這一原理制成的紅外傳感器稱(chēng)為熱釋電紅外傳感器[9]。 紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì)失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測(cè)處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。由于系統(tǒng)檢知從物體放射出出來(lái)的紅外線，所以不必直接接觸就能夠感知物體表面的溫度，故人體檢知以及移動(dòng)中物體的溫度當(dāng)然均能以非接觸之方式測(cè)得。熱電型紅外線傳感器系接受檢知對(duì)象物所發(fā)出的紅外線，因此是被動(dòng)型，由于不是主動(dòng)型，所以并不需要校對(duì)投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業(yè)。熱電效果系溫度變化而產(chǎn)生的，這將在稍后說(shuō)明之，因此只接受因溫度變化之能量(Energy)，而熱電型紅外線傳感器將電壓微分而輸出之。 如果紅外輻射持續(xù)下去，電介質(zhì)的溫度就會(huì)升到新的平衡狀態(tài)，表面電荷也同時(shí)達(dá)到平衡。這時(shí)它就不再釋放電荷，也就不再有信號(hào)輸出了，如下圖2.4所示。因此，對(duì)于這類(lèi)熱釋電紅外傳感器，只有在紅外輻射強(qiáng)度不斷變化，它的內(nèi)部溫度隨之不斷升降的過(guò)程中，傳感器才有信號(hào)輸出，而在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號(hào)則為零。因此在應(yīng)用這類(lèi)傳感器時(shí)，應(yīng)設(shè)法使紅外輻射不斷變化，這樣才能使傳感器不斷有信號(hào)輸出。為了滿足這一要求，通常在熱釋電傳感器的使用中，總是要在它的前面加裝一個(gè)菲涅爾透鏡。 圖 2.4 熱釋電效應(yīng)的形成原理 能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱(chēng)之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3 等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。熱釋紅外線傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電路如下圖 2.5 所示。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，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(gè)表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，傳感器無(wú)輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)時(shí)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號(hào)輸出；若人體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒(méi)有變化，傳感器也沒(méi)有輸出，所以這種傳感器能檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見(jiàn)下圖所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場(chǎng)效應(yīng)管FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過(guò)的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對(duì)太陽(yáng)光和熒光燈光的短波長(zhǎng)（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長(zhǎng)在8mm~12mm之間的紅外信號(hào)的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，為了只對(duì)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[10]。 圖 2.5 熱釋電紅外線傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路 圖2.5是一個(gè)雙探測(cè)元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí)D端接電源正極，G端接電源負(fù)極，S端為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償。對(duì)于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過(guò)安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測(cè)元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。 制造熱釋電紅外探測(cè)元的高熱電材料是一種廣譜材料，它的探測(cè)波長(zhǎng)范圍為0．2～20μm。為了對(duì)某一波長(zhǎng)范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長(zhǎng)范圍的紅外輻射通過(guò)外，還能將燈光、陽(yáng)光和其它紅外輻射拒之門(mén)外[11]。 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(hào)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(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)。它能自動(dòng)快速開(kāi)啟各類(lèi)白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門(mén)、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動(dòng)洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場(chǎng)、庫(kù)房及家庭的過(guò)道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)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(jìn)行匹配。它的內(nèi)都是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、與門(mén)電路、狀態(tài)控制器、定時(shí)控制器、鎖定時(shí)間控制器和禁止電路等組成。 BISS0001采用16腳標(biāo)準(zhǔn)型塑料封裝結(jié)構(gòu)。①腳（A）為觸發(fā)方式控制端，當(dāng)A＝1時(shí)，電路可重復(fù)觸發(fā)；當(dāng)A＝0時(shí)，電路不可重復(fù)觸發(fā)。②腳（V0）為控制信號(hào)輸出端，當(dāng)有傳感信號(hào)輸入時(shí)，V0輸出高電平。③腳（RX）和④腳（CX）為輸出定時(shí)控制器T，的外接元件端，定時(shí)時(shí)間為：TX＝50×103RXCX。⑤腳（Ri）和⑥腳Ci）為鎖定時(shí)間控制器Υi的外接元件，鎖定時(shí)間Ti＝24RiCi。⑧腳（VRF）為參考電壓及復(fù)位端，使用時(shí)一般接VDD，若按ⅤSS，可使定時(shí)器復(fù)位。⑨腳（Vc）為觸發(fā)禁止端，當(dāng)VC＜VR時(shí)禁止觸發(fā)；當(dāng)VC＞VR時(shí)，允許觸發(fā)，VR＝0.2VDD.⑩腳（IB）為偏置電流設(shè)置端，由外接電阻RB接ⅤSS端，RB一般取1MΩ的電阻。12腳（OUT2）和13腳（IN2-）分別為第二級(jí)運(yùn)放的輸出端和反相輸人端。14腳（IN1+）和15凈（IN1-）分別為第一運(yùn)放的同相和反相輸入端。16腳（OUT1）為第一運(yùn)放的輸出端。11腳（VDD）和7腳（VSS）分別為電源正、負(fù)端[12]。 2.4.1 BISS0001芯片介紹 BISS0001的內(nèi)部電路 圖 2.6 熱釋紅外傳感器處理芯片BISS0001的內(nèi)部電路 上圖中，運(yùn)算放大器OPl將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大，然后由C3耦合給運(yùn)算放大器01：'2進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由電壓比較器COPl和ODP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)vs去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，輸出信號(hào)VO經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動(dòng)繼電器去接通負(fù)載。 BISS0001的特點(diǎn)*CMOS工藝，公耗低 *數(shù)模混合 *具有獨(dú)立的高輸入阻抗運(yùn)算放大器 *內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾 *內(nèi)設(shè)延遲時(shí)間定時(shí)器和封鎖時(shí)間定時(shí)器 *采用16腳DIP封裝 * 內(nèi)置參考電源 *工作電壓范圍寬（3V～5V) BISS001管腳圖 圖2.7 BISS001管腳圖 表2.1 BISS001管腳說(shuō)明 引腳 名稱(chēng) I/O 能說(shuō)明 1 A I 可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng)A為“1”時(shí)，允許重復(fù)觸發(fā)；反之，不可重復(fù)觸。 2 VO O 控制信號(hào)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(shí)視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時(shí)間Tx之外和無(wú)VS的上跳變時(shí)，Vo保持低電平狀態(tài)。 3 RR1 -- 輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端 4 RC1 -- 輸出延遲時(shí)間Tx的調(diào)節(jié)端 5 RC2 -- 觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端 續(xù)表2.1 BISS001管腳說(shuō)明 6 RR2 -- 觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti的調(diào)節(jié)端 7 VSS -- 工作電源負(fù)端 8 VRF I 參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接VDD，當(dāng)接“0”時(shí)可使定時(shí)器復(fù)位 9 VC I 觸發(fā)禁止端。當(dāng)VcVR時(shí)允許觸發(fā)(VR≈0.2VDD) 10 IB -- 運(yùn)算放大器偏置電流設(shè)置端 11 VDD -- 工作電源正端 12 2OUT O 第二級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端 13 2IN- I 第二級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端 14 1IN+ I 第一級(jí)運(yùn)算放大器的同相輸入端 15 1IN- I 第一級(jí)運(yùn)算放大器的反相輸入端 16 1OUT O 第一級(jí)運(yùn)算放大器的輸出端 表2.2 BISS0001的參數(shù) 符號(hào) 參數(shù) 測(cè)試條件 參數(shù)范圍 單位 Vm 電源/電壓 —— —0.3~6.0 V V1/V0 輸入/輸出電壓 —— Vss-0.3~Vdd+0.3 V Im 最大輸出電流 Vm 10 MA Topr 工作溫度 —— —20~+70 ℃ Tstg 貯存溫度 —— —40~ +125 ℃ 表2.3 BISS0001直流特性參數(shù):（除特殊說(shuō)明外，Tamb=25℃） 符號(hào) 參數(shù) 測(cè)試條件 最小值 最大值 單位 Vm 工作電壓范圍 —— 3 5 V Im 工作電流 無(wú)負(fù)載 Vm=3V 50 uA Vm=5V 100 Vos 輸入失調(diào)電壓 Vm=5V 50 mV Ios 輸入失調(diào)電流 Vm=5V 50 mA 續(xù)表2.3 BISS0001直流特性參數(shù):（除特殊說(shuō)明外，Tamb=25℃） Avo 開(kāi)環(huán)電壓增益 Vm=5V,RL=105M? 60 dB CMRR 工模抑制比 Vm=5V,RL=105M? 60 dB V?h 運(yùn)放輸出高電平 Vm=5V Rl=500K?接1/2Vm 4.25V V V?l 運(yùn)放輸出低電平 0.75 V Vrm Vc端輸入高電平 Vm=5V 1.1 V Vrl Vc端輸入低電平 0.9 V Voh Vc端輸出高電平 Vm=5V 4 V Vol Vc端輸出低電平 Vm=5V 0.4 V Vah A端輸入高電壓 Vm=5V 3.5 V Val A端輸入低電壓 Vm=5V 1.5 V 2.4.2 BISS0001工作原理 BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)模混合專(zhuān)用集成電路。以下圖所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。 首先，根據(jù)實(shí)際需要，利用運(yùn)算放大器OP1組成傳感信號(hào)預(yù)處理電路，將信號(hào)放大。然后耦合給運(yùn)算放大器OP2，再進(jìn)行第二級(jí)放大，同時(shí)將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號(hào)V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時(shí)，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 COP3是一個(gè)條件比較器。當(dāng)輸入電壓VcVR時(shí)，COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時(shí)周期。 當(dāng)A端接“0”電平時(shí)，在Tx時(shí)間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時(shí)間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vo下跳回低電平，同時(shí)啟動(dòng)封鎖時(shí)間定時(shí)器而進(jìn)入封鎖周期Ti。在Ti時(shí)間內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾[13]。 1、不可重復(fù)觸發(fā)工作方式 以下圖2.8所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明工作過(guò)程。 圖2.8 BISS0001不可重復(fù)觸發(fā)工作方式 以下圖2.9所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明其工作過(guò)程。 可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號(hào)Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時(shí)，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。 在Tx時(shí)間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時(shí)刻起繼續(xù)延長(zhǎng)一個(gè)Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后Vo恢復(fù)為無(wú)效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時(shí)間Ti時(shí)間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。 2 、可重復(fù)觸發(fā)工作方式 以下圖2.9所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來(lái)說(shuō)明工作過(guò)程。 圖 2.9 BISS0001可重復(fù)觸發(fā)工作方式 當(dāng)熱釋電紅外傳感器接收到人體紅外輻射后輸出檢測(cè)信號(hào)，然后由14腳輸入BISS0001,經(jīng)地內(nèi)部電路處理，由2腳輸出探測(cè)信號(hào)（正向脈沖信號(hào)）。輸出脈沖信號(hào)的寬度由外接電阻R9和電容C6來(lái)決定。當(dāng)2腳輸出控制脈沖后，電子開(kāi)關(guān)被接通，數(shù)字編碼電路和無(wú)線電發(fā)射電路由于得到電源而開(kāi)始工作。電源變壓器為5W/15V，E為12V免維護(hù)蓄電池，供停電使用。S1為鎖控電源開(kāi)關(guān)，可根據(jù)需要安裝在適當(dāng)處所，用來(lái)接通工作電源，無(wú)必要時(shí)可取消設(shè)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(diào)試主要是主機(jī)與各分機(jī)之間的統(tǒng)調(diào)。將發(fā)射電路和接收電路組裝好后，先將發(fā)射機(jī)中C10的調(diào)至適當(dāng)位置后固定不動(dòng)，接著調(diào)整接收機(jī)中的C1，使接收機(jī)能收到發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)。若為“一對(duì)多”或“多對(duì)一”報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)先將主機(jī)“一”（可以是發(fā)射機(jī)，也可以是接收機(jī) ）調(diào)好固定，然后調(diào)整各分機(jī)，使其與主機(jī)統(tǒng)調(diào)。BISS0001 應(yīng)用線路圖如2.10所示： 圖 2.10 BISS0001的熱釋電紅外開(kāi)關(guān)應(yīng)用電路圖 上圖中，運(yùn)算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號(hào)作第一級(jí)放大，然后由C3耦合給運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，輸出信號(hào)Vo經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動(dòng)繼電器去接通負(fù)載。 上圖中，R3為光敏電阻，用來(lái)檢測(cè)環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時(shí)，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會(huì)降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號(hào)Vs。SW1是工作方式選擇開(kāi)關(guān)，當(dāng)SW1與1端連通時(shí)，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)SW1與2端連通時(shí)，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。圖中R6可以調(diào)節(jié)放大器增益的大小，原廠圖紙選10K，實(shí)際使用時(shí)可以用3K，可以提高電路增益改善電路性能。輸出延遲時(shí)間Tx由外部的R9和C7的大小調(diào)整，觸發(fā)封鎖時(shí)間Ti由外部的R10和C6的大小調(diào)整，R9/R10可以用470歐姆，C6/C7可以選0.1U。在BISS0001的內(nèi)電路中，運(yùn)放A是一個(gè)獨(dú)立的放大器，由它放大后輸出的信號(hào)電壓通過(guò)[14]。 2.5 菲涅爾透鏡原理 菲涅爾鏡片是根據(jù)法國(guó)光物理學(xué)家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應(yīng)角度大，焦距遠(yuǎn)；圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠(yuǎn)，焦距近。紅外光線越是靠進(jìn)同心環(huán)光線越集中而且越強(qiáng)。同一行的數(shù)個(gè)同心環(huán)組成一個(gè)垂直感應(yīng)區(qū)，同心環(huán)之間組成一個(gè)水平感應(yīng)段。垂直感應(yīng)區(qū)越多垂直感應(yīng)角度越大；鏡片越長(zhǎng)感應(yīng)段越多水平感應(yīng)角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動(dòng)幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯(cuò)，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場(chǎng)角度的制約，垂直和水平感應(yīng)角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類(lèi)為：長(zhǎng)形、方形、圓形，從功能分類(lèi)為：?jiǎn)螀^(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段[15]。 2.5.1 鏡片主要有三種顏色： 聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。 白色主要用于適配外殼顏色。 三、黑色用于防強(qiáng)光干擾。鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。 　　菲涅爾透鏡是一種精密的光學(xué)系統(tǒng)，專(zhuān)門(mén)是用來(lái)與熱釋電紅外傳感器配套使用，其結(jié)構(gòu)如圖2.11所示。 圖2.11 菲涅爾透鏡 它由經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的透鏡組構(gòu)成，上面的每個(gè)透鏡單元都只有一個(gè)不大的視場(chǎng)，相鄰兩個(gè)單元透鏡的視場(chǎng)即不連續(xù)也不重疊，都相隔一個(gè)盲區(qū)。當(dāng)熱源(比如人)在透鏡前運(yùn)動(dòng)時(shí)，順次從某一單元透鏡視場(chǎng)進(jìn)入又退出，投射信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)接一個(gè)的斷續(xù)信號(hào)，但是熱源信號(hào)始終都是集中在透鏡中部的。將連續(xù)的熱源信號(hào)變成斷續(xù)的輻射信號(hào)，使熱釋電傳感器能正常工作。 菲涅爾透鏡作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上；第二個(gè)作用是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)。 2.5.2菲涅爾透鏡的主要技術(shù)指標(biāo) ①外形尺寸，根據(jù)傳感器和探測(cè)摘要來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)不同尺寸的透鏡。 ②水平視角和垂直視角，它表明透鏡的可監(jiān)視范圍。 ③焦距，它表明鏡片與傳感器的安裝距離[16]?！? 2.6步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)：它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移．即結(jié)一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度．因此作常適合于單片機(jī)控制。近30年來(lái)．?dāng)?shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和水磁材料的迅速發(fā)展．推動(dòng)廠步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開(kāi)辟了廣鬧的前景。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比具有良好的跟隨型。以由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非常可靠。同時(shí)．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)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。低速低仍能保證獲很大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能遠(yuǎn)行。它不能直接使用交流電源和直流電源[17]。 3硬件設(shè)計(jì) 3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 AT89C52是自動(dòng)門(mén)系統(tǒng)的控制核心， 一般情況下以單片機(jī)片內(nèi)的基本硬件資源為主,，有必要時(shí)再擴(kuò)展部分外部器件。在本設(shè)計(jì)中需要完成的控制比較簡(jiǎn)單，以單片機(jī)片內(nèi)的基本硬件資源完全可以實(shí)現(xiàn)， 因此不需擴(kuò)展。其單片機(jī)最小電路圖如圖3.1。 圖3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 3.2紅外檢測(cè)電路 紅外檢測(cè)電路主要由熱釋電紅外傳感器和檢測(cè)放大電路組成, 核心元件是熱釋電紅外傳感器, 它能以非接觸形式檢測(cè)人體輻射出的紅外線能量變化,并將此變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。不需要紅外線和電磁波發(fā)射源以及各種主動(dòng)接觸開(kāi)關(guān)由于敏感元件的輸出電壓極微弱且其阻抗很高, 故在傳感器內(nèi)部設(shè)有場(chǎng)效應(yīng)管及偏置厚膜電阻, 從而構(gòu)成信號(hào)放大及阻抗變換電路, 一般熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低, 檢測(cè)距離僅2m 左右。當(dāng)有人靠近自動(dòng)門(mén)時(shí),被熱釋電紅外傳感器接收下來(lái), 并將其轉(zhuǎn)換成信號(hào), 經(jīng)檢測(cè)放大電路內(nèi)部放大等處理后輸出給單片機(jī)[18]。其熱電釋紅外檢測(cè)電路如圖3.2所示。 圖3.2 熱電釋紅外檢測(cè)電路 3.3步進(jìn)電機(jī)的鏈接 利用ULN2803以及AT89C52設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3.3所示。 圖3.3步進(jìn)電機(jī)的連接圖及故障報(bào)警電路 本設(shè)計(jì)所采用的步進(jìn)電機(jī)是國(guó)產(chǎn)20BY-0型步進(jìn)電機(jī)，它使用+5V直流電源，步距角為18度。電機(jī)線圈由四相組成，即A、B、C、D四相，驅(qū)動(dòng)方式為二相激磁方式。電機(jī)示意圖和各線圈通電順序如圖3.4和表3.1所示： 圖3.4 步進(jìn)電機(jī)原理圖 表3.1 各線圈通電順序表 相順序 A B C D 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 2 0 0 1 1 3 1 0 0 1 相順序從0到1稱(chēng)為一步，電機(jī)軸將轉(zhuǎn)過(guò)18度，0à1à2à3à4則稱(chēng)為通電一周，轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)過(guò)72度，若循環(huán)進(jìn)行這種通電一周的操作，電機(jī)便連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，而進(jìn)行相反的通電順序如4à3à2à1將使電機(jī)同速反轉(zhuǎn)。通電一周的周期越短，即驅(qū)動(dòng)頻率越高，則電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也不可能太快，因?yàn)樗孔咭徊叫枰欢ǖ臅r(shí)間，若信號(hào)頻率過(guò)高，可能導(dǎo)致電機(jī)失步，甚至只在原步顫動(dòng)。 此電機(jī)是通過(guò)芯片ULN2803來(lái)驅(qū)動(dòng)的，下面介紹一下該芯片： ULN2803，采用AP=DIP18,AFW=SOL18封裝方式。8個(gè)NPN達(dá)林頓連接晶體管陣系列特別適用于低邏輯電平數(shù)字電路（諸如TTL, CMOS或PMOS/NMOS）和較高的電流/電壓要求之間的接口。所有器件具有集電極開(kāi)路輸出和續(xù)流箱位二極管，用于抑制躍變。ULN2803的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)TTL系列兼容。 該電路的特點(diǎn)如下： 具有達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器，高耐壓，大電流等特點(diǎn)。器件編號(hào)：ULN2803；封裝類(lèi)型：AP=DIP18,AFW=SOL18；輸出擊穿電壓：50(V)；輸出電流：500(mA)；輸入電阻：2.7k(Ω)； 推薦輸入電壓：5(V)；溫度范圍:-40℃～+85℃；不要超過(guò)每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的電流的限制[19]。 圖3.5 ULN2803內(nèi)部方框圖 3.4電源模塊設(shè)計(jì) 圖3.6 電源模塊電路圖 此電源模塊通過(guò)整流橋和7805芯片實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，通過(guò)變壓器和整流橋先將220V交流電壓轉(zhuǎn)換成+/-8.8V的電壓。變壓器的匝數(shù)比N1:N2=1:0.04。轉(zhuǎn)換達(dá)到的電壓可用于供本設(shè)計(jì)中的AT89C52、BISS0001和國(guó)產(chǎn)的20BY-0型步進(jìn)電機(jī)用電。 4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試 4.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)軟件主要由主程序、開(kāi)門(mén)子程序、關(guān)門(mén)子程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序、外部中斷服務(wù)子程序組成。主程序主要是完成系統(tǒng)進(jìn)行初始化、中斷設(shè)置等功能。程序設(shè)計(jì)中設(shè)置了一個(gè)外部中斷0，它保證紅外自動(dòng)門(mén)能夠在無(wú)人操控情況下自動(dòng)運(yùn)行，主要功能是當(dāng)檢測(cè)到有人出入門(mén)時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)的目的。 4.2各部分程序流程設(shè)計(jì) 在開(kāi)門(mén)過(guò)程中首先進(jìn)行門(mén)狀態(tài)檢測(cè)，根據(jù)所檢測(cè)到的信號(hào)判斷自動(dòng)門(mén)上次停機(jī)所處位置。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定門(mén)此刻應(yīng)運(yùn)行方式，如檢測(cè)出門(mén)是半開(kāi)狀態(tài)，門(mén)直接轉(zhuǎn)入加速開(kāi)門(mén)的過(guò)程。如檢測(cè)出門(mén)是全開(kāi)狀態(tài)，門(mén)轉(zhuǎn)入延時(shí)開(kāi)門(mén)過(guò)程。如檢測(cè)出門(mén)是全關(guān)狀態(tài)，那么在檢測(cè)到有人出人時(shí)，門(mén)會(huì)緩慢打開(kāi)，之后加速運(yùn)行，接著減速運(yùn)行，最后電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，門(mén)由于慣性緩慢關(guān)閉。自動(dòng)門(mén)開(kāi)門(mén)后暫停一段時(shí)間，然后關(guān)門(mén)。關(guān)門(mén)是開(kāi)門(mén)的一個(gè)反過(guò)程，它經(jīng)過(guò)慢速運(yùn)行、加速運(yùn)行、減速運(yùn)行、慣性運(yùn)動(dòng)直至停止這幾個(gè)過(guò)程。在自動(dòng)門(mén)關(guān)閉過(guò)程中當(dāng)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(hào)時(shí)，門(mén)會(huì)重新打開(kāi)。與開(kāi)門(mén)情況不同的是當(dāng)在關(guān)門(mén)過(guò)程中檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)門(mén)會(huì)朝反方向運(yùn)動(dòng)，將門(mén)打開(kāi)，這樣可以排除因自動(dòng)門(mén)遇到障礙物或人身體而產(chǎn)生故障信號(hào)使整個(gè)系統(tǒng)停止工作的可能[20]。 為了運(yùn)行過(guò)程可靠，在以不同速度運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)運(yùn)行時(shí)間做了安全設(shè)置，當(dāng)在開(kāi)門(mén)狀態(tài)下檢測(cè)到運(yùn)行時(shí)間超過(guò)安全時(shí)問(wèn)或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，程序轉(zhuǎn)人故障處理程序。 各個(gè)部分程序如下所示： 系統(tǒng)主程序流程圖 Y N 開(kāi)始 定時(shí)器T0、T1的設(shè)置 中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置 系統(tǒng)終止 開(kāi)外部中斷1 開(kāi)定時(shí)器T0 關(guān)外部中斷1 開(kāi)定時(shí)器 開(kāi)中斷 系統(tǒng)故障 手動(dòng)方式 Y N 圖4.1 主程序流程圖 開(kāi)門(mén)子程序流程圖 Y Y 返回 開(kāi)門(mén) 電機(jī)減速 門(mén)狀態(tài)檢測(cè) 電機(jī)加速 電機(jī)停止 加速 減速 停止 N Y N N 圖4.2 開(kāi)門(mén)子程序流程圖 開(kāi)門(mén)中斷程序流程圖 開(kāi)門(mén)子程序 中斷返回 裝載T0常數(shù) 開(kāi)中斷 關(guān)門(mén)子程序 關(guān)T0中斷 讀按鍵操作 加速 開(kāi)門(mén)否 Y Y N N 圖4.3 開(kāi)門(mén)中斷程序流程圖 4.3門(mén)行程檢測(cè)及故障檢測(cè) 門(mén)行程檢測(cè)電路通過(guò)檢測(cè)門(mén)行程開(kāi)關(guān)的閉合情況來(lái)發(fā)送不同的信號(hào)，使電機(jī)改變轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制門(mén)運(yùn)行的速度以提高運(yùn)作效率，為了保護(hù)門(mén)不受到損害和保證門(mén)運(yùn)行效率，在門(mén)行程檢測(cè)電路中設(shè)置了四個(gè)行程開(kāi)關(guān)。它們分別代表開(kāi)門(mén)極限、行程極限1、行程極限2、關(guān)門(mén)極限。門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中，分別經(jīng)過(guò)慢速、加速、減速和停止四個(gè)過(guò)程，門(mén)的關(guān)閉過(guò)程則與上述過(guò)程相反。門(mén)運(yùn)行到極限位置時(shí)，限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，單片機(jī)根據(jù)接收到響應(yīng)的信號(hào)，改變電機(jī)運(yùn)行速度[15]。 在故障檢測(cè)電路中，配置了溫度和速度傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)電機(jī)的工作情況，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)過(guò)熱保護(hù)和門(mén)運(yùn)行障礙保護(hù)，同時(shí)還設(shè)置了電壓監(jiān)控電路，用于檢測(cè)系統(tǒng)異常情況。檢測(cè)電路首先將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，然后經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部的戶(hù)以轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)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(yīng)的緊急措施，向系統(tǒng)發(fā)出故障信號(hào)，系統(tǒng)停止工作，向故障顯示電路發(fā)出指令，發(fā)出報(bào)警信號(hào)并顯示故障類(lèi)型[16]。 5設(shè)計(jì)工作總結(jié) 在此次有關(guān)自動(dòng)門(mén)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，讓我感覺(jué)到了單片機(jī)的復(fù)雜深度性，它很貼切我們的日常生活，無(wú)所不在，應(yīng)用無(wú)處不有，它并不是想象中的那么簡(jiǎn)單，也并非是無(wú)法克服的堡壘。 設(shè)計(jì)硬件之前，要首先收集好有關(guān)的基礎(chǔ)性資料，應(yīng)備有良好的應(yīng)用類(lèi)參考書(shū)和專(zhuān)業(yè)類(lèi)參考書(shū)。對(duì)于有關(guān)的科技期刊和專(zhuān)利文獻(xiàn)，也要經(jīng)常閱讀以便了解最新的發(fā)展情況，借鑒現(xiàn)成的經(jīng)驗(yàn)，避免重復(fù)勞動(dòng)。在設(shè)計(jì)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(cuò)誤而多走彎路。 電路設(shè)計(jì)部分應(yīng)該有的精神就是廣集資料。只憑借自己頭腦中的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。哪里出現(xiàn)了問(wèn)題，就要翻書(shū)本，或上網(wǎng)查資料。當(dāng)然也要開(kāi)動(dòng)自己的腦筋怎樣使系統(tǒng)電路更完美。例如我的設(shè)計(jì)題目是智能紅外自動(dòng)門(mén)控制系統(tǒng)。有自動(dòng)門(mén)，自然會(huì)用到電動(dòng)機(jī)，每種電機(jī)都有不同的特性和功能，你就要進(jìn)行選擇了。例如對(duì)電機(jī)的選擇，你就要選擇你所熟悉的，所了解的。 在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮單片機(jī)的記憶運(yùn)算、判斷控制能力，避免采用復(fù)雜的、穩(wěn)定性較差的模擬電路。 本設(shè)計(jì)程序以匯編語(yǔ)言語(yǔ)言編寫(xiě)，易于讀寫(xiě)、易于調(diào)試和修改，同時(shí)匯編語(yǔ)言用來(lái)編制系統(tǒng)軟件和過(guò)程控制軟件，其目標(biāo)程序占用內(nèi)存空間少，運(yùn)行速度快。 為了使微機(jī)控制系統(tǒng)各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效地實(shí)現(xiàn)電機(jī)各個(gè)控制環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)控制和管理，除了要設(shè)計(jì)合理的硬件電路，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。因此用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)電機(jī)單片機(jī)實(shí)施控制的應(yīng)用程序，是整個(gè)系統(tǒng)中十分重要的內(nèi)容。 最后我非常感謝學(xué)校和老師給我們這么好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，讓我親身去體會(huì)一個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的艱難性，第一次站在一個(gè)設(shè)計(jì)者的角度去看，體會(huì)到了他們的艱辛，同時(shí)我也感受到了老師對(duì)我們的付出，對(duì)我們的精心指導(dǎo)，讓我順利完成這次學(xué)習(xí)任務(wù)。 附錄A：設(shè)計(jì)電路原理圖 附錄B：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(mén)行程行狀1 SPEED1 BIT P1.1 ； 門(mén)行程行狀2 SPEED2 BIT P1.2 ； 門(mén)行程行狀3 SPEED3 BIT P1.3 ； 門(mén)行程行狀4 KEYDOOROPEN BIT P1.4 ； 手動(dòng)門(mén)開(kāi)按鈕 KEYDOORCLOSE BIT P1.5 ； 手動(dòng)門(mén)關(guān)按鈕 MODE BIT P1.6 ； 手動(dòng)/自動(dòng)切換 DOOROPEN BIT P2.4 ； 門(mén)開(kāi)驅(qū)動(dòng)信號(hào) DOORCLOSE BIT P2.5 ； 門(mén)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào) SIGNAL BIT P2.6 ； 紅外線傳感器信號(hào) HSPEED BIT P2.7 ； 電機(jī)速度變換 DOORSTATE BIT 00H ； 門(mén)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(guān)電機(jī)驅(qū)動(dòng) CLR DOORCLOSE MOV TMOD, #11H ； 定時(shí)器工作方式 MOV TLO,#OFOH ； 置定時(shí)器常數(shù), MOV TH0,#08DH MOV TL1,#0E0H MOV TH1,#0B1H MOV TCON,#50H MOV IP,#08H ； 優(yōu)先級(jí)設(shè)置 MOV IE,#80H ； 開(kāi)中斷 LOOP: ACALL SYSERROR ； 調(diào)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(wú)按鍵等待 JB MODE,AUTO ； 運(yùn)行方式判斷 CLR EXO SETB ETO SJMP LOOP AUTO: SETB ETO SJMP LOOP WAIT: SJMP $ ； 等待 開(kāi)門(mén)子程序： DOOR_OPEN:JB DOORSTATE, LOOP3 ； 門(mén)已開(kāi)退出 CLR HSPEED CLR DOORCLOSE SETR DOOROPEN ； 低速啟動(dòng) JNP SPEED1,$ SETB HSPEED ； 高速開(kāi)門(mén) JNB SPEED2,$ CLR HSPEED ； 低速運(yùn)行 JNB SPEED3,$ CLR DOOROPEN ； 停機(jī) SETB DOORSTATE ； 保存門(mén)狀態(tài) LOOP3：RET 關(guān)門(mén)子程序: DOOR_CLOSE:JNB DOORSTATE, LOOP4 ； 門(mén)已關(guān)退出 CLR HSPEED CLR DOOROPEN SETB DOORCLOSE ； 低速啟動(dòng) JB SPEED2,$ CLR HSPEED ； 高速關(guān)門(mén) JB SPEED0,$ CLR DOORCLOSE ； 停機(jī) CLR DOORSTATE LOOP4: RET T0中斷服務(wù)程序: T0： CLR ET0 ； 關(guān)中斷 JB KEYDOOROPEN， LOOP ； 開(kāi)門(mén)否 ACALL DOOR_OPEN ； 調(diào)開(kāi)門(mén)子程序 SJMP