电子装置设计报告 基于单片机

电 子 装 置 设 计 报 告学 号：_ _姓 名：_ _班 级：_题目：基于单片机控制的自动门系统设计目录摘要. .1第一章 绪论.11.1 课题的意义和目的.11.2 课题的功能概述.11.3 该设计的基本设计思路.2第二章 主要器件的介绍.32.1 热释红外传感器的原理和使用. 32.2 BISS0001 芯片介绍和典型电路.42.3 AT89C51 单片机简介.92.4 菲涅尔透镜原理. 122.5 步进电机.13第三章 系统硬件设计.1 53.1 设计电路的电框图和原理 .153.2 设计电路原理图.16第四章 调试.1 7第五章 实习感想.18参考文献.190摘 要随 着 科 技 的 不 断 发 展 ， 自 动 门 在 人 们 日 常 生 活 中 断 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 同 时 对 其 安 全性 及 各 方 面 的 性 能 的 要 求 越 来 越 高 。 自 动 门 的 控 制 系 统 是 随 着 人 们 对 生 活 条 件 的 不 断 追 求 ，科 技 的 不 断 发 展 应 运 而 生 的 高 科 技 产 品 。 由 于 单 片 机 系 统 的 适 应 能 力 强 ， 稳 定 性 高 ， 所 以本 设 计 采 用 AT89C51 单 片 机 作 为 主 控 制 器 。本 次 设 计 是 红 外 线 自 动 门 控 制 系 统 ， 使 用 红 外 线 传 感 器 作 为 感 应 器 ， 检 测 到 人 体 辐 射的 红 外 线 能 量 变 化 ， 将 其 转 化 为 电 信 号 ， 传 给 单 片 机 。 交 流 电 机 作 为 门 驱 动 装 置 。 通 过 单片 机 控 制 交 流 电 机 ， 使 门 自 动 打 开 ， 当 人 进 门 后 又 可 以 使 门 自 动 关 闭 。 本 课 题 主 要 实 现 红外 线 检 测 和 基 于 AT89C51 的 单 片 机 控 制 系 统 。关 键 词 ： 单 片 机 热 释 红 外 线 传 感 器 AT89C51 BIS0001 芯 片第一章 绪论1.1 课题的意义和目的经 济 飞 速 发 展 的 中 国 ， 高 楼 耸 立 的 大 都 市 ， 自 动 门 已 经 是 随 处 可 见 ， 在 各 大 厦 、 宾 馆 、酒 店 、 银 行 、 商 场 、 医 院 、 写 字 楼 等 场 所 ， 自 动 门 更 是 得 到 大 范 围 的 普 及 使 用 。自 动 平 移 门 最 常 见 的 结 构 形 式 是 自 动 门 机 械 驱 动 装 置 和 门 内 外 两 侧 红 外 线 ， 当 人 走 近自 动 门 时 ， 红 外 线 感 应 到 人 的 存 在 ， 给 控 制 器 一 个 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 门 在 通 电 后 可 以 实 现 无 人 看 管 ， 同 时 又 可 节 约 空调 能 源 、 防 风 、 防 尘 、 降 低 噪 音 ， 提 高 了 建 筑 的 档 次 。1.2 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 。 下 面 介 绍 主 要 技 术 指 标 和 构 造 部 件 ：一 、 主 要 的 技 术 指 标 ：1技 术 指 标 单 门 双 开 门门 重 量 130kg1 扇 100kg2 扇导 轨 长 度 20005000mm开 门 速 度 200450mm/秒 (可 调 )闭 门 速 度 200450mm/秒 (可 调 )慢 行 速 度 3050mm/秒 (可 调 )开 门 时 间 开 门 静 止 后 110 秒 的 范 围 内 (可 调 )控 制 器 高 速 智 能 电 脑 处 理 器 控 制马 达 DC24V 40W 无 刷 步 进 电 机电 源 电 压 AC220V 50Hz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 +50二 、 主 要 构 造 部 件部 件 特 性智 能 控 制 器 ： 自 动 检 测 门 的 重 量 、 宽 度 ， 使 门 保 持 在 最 佳 运 行 状 态 。步 进 电 机 ： 高 效 率 、 省 电 、 低 噪 音 、 高 转 速 、 高 扭 力 、 连 续 使 用 不 发 热 。皮 带 ： 高 效 同 步 齿 型 带 ， 防 止 打 滑 ， 保 证 平 稳 运 行 。吊 架 ： 用 于 运 动 门 扇 的 悬 挂 ， 安 全 可 靠 。1.3 该设计的基本设计思路1、 有 人 来 时 （ 进 门 或 出 门 ） 开 门 。 当 人 走 到 离 门 不 远 的 时 候 时 ， 安 装 在 门 上 侧 的 热释 红 外 线 传 感 器 信 号 检 测 装 置 检 测 到 有 人 时 ， 将 启 动 电 动 机 带 动 传 动 链 开 门 。2、 无 人 时 关 门 延 迟 ,当 热 释 收 发 装 置 没 有 检 测 到 有 人 在 离 门 1N 的 范 围 内 ， 将 延 迟 1秒 启 动 电 动 机 带 动 传 动 链 关 门 。3、 关 门 中 途 来 人 ， 立 即 开 门 。 当 启 动 电 动 机 带 动 传 动 链 关 门 时 ， 感 应 探 头 突 然 检 测到 在 离 门 1m 的 范 围 内 有 人 ， 则 立 即 停 止 电 动 机 关 门 ， 启 动 电 动 机 带 动 传 动 链 开 门 。 总 体结 构 图 如 下 图 一 ：2图 11 设计总结构图第二章 主要器件的介绍2.1 热释红外传感器的原理和使用 热 释 电 红 外 传 感 器 是 一 种 能 检 测 人 体 发 射 的 红 外 线 而 输 出 电 信 号 的 传 感 器 ， 它 能 组 成防 入 侵 报 警 器 或 各 种 自 动 化 节 能 装 置 。 热 释 电 红 外 传 感 器 能 以 非 接 触 形 式 检 测 出 人 体 辐 射的 红 外 线 ， 并 将 其 转 变 为 电 压 信 号 ， 同 时 ， 它 还 能 鉴 别 出 运 动 的 生 物 与 其 它 非 生 物 。热 释 电 效 应 ： 自 然 界 的 任 何 物 体 ， 只 要 其 温 度 高 于 绝 对 零 度 （ 273 ） ， 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 。 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 。 通 常 ， 电 介 质 的 内 部 是 没 有 载 流 子 的 ， 因 此 它 没 有 导 电 能 力 。 但是 任 何 电 介 质 毫 无 例 外 地 都 是 由 自 由 电 子 和 原 子 核 组 成 的 。 在 外 加 电 压 的 作 用 下 ， 这 些 带电 粒 子 也 要 发 生 移 动 ， 带 正 电 荷 的 粒 子 趋 向 负 极 ， 带 负 电 荷 的 粒 子 趋 向 正 极 。 其 结 果 是 使电 介 质 的 一 个 表 面 带 正 电 ， 另 一 个 表 面 带 负 电 ， 我 们 称 这 种 现 象 为 电 极 化 。 下 图 表 示 了 热释 电 效 应 形 成 的 原 理 。 将 释 放 出 的 电 荷 通 过 放 大 器 放 大 后 就 成 了 一 种 控 制 信 号 ， 利 用 这 一原 理 制 成 的 红 外 传 感 器 称 为 热 释 电 红 外 传 感 器 。如 果 红 外 辐 射 持 续 下 去 ， 电 介 质 的 温 度 就 会 升 到 新 的 平 衡 状 态 ， 表 面 电 荷 也 同 时 达 到平 衡 。 这 时 它 就 不 再 释 放 电 荷 ， 也 就 不 再 有 信 号 输 出 了 ， 如 下 图 图 31 所 示 。 为 了 满 足这 一 要 求 ， 通 常 在 热 释 电 传 感 器 的 使 用 中 ， 总 是 要 在 它 的 前 面 加 装 一 个 菲 涅 尔 透 镜 。3图 31 热 释 电 效 应 的 形 成 原 理能 产 生 热 释 电 效 应 的 晶 体 称 之 为 热 释 电 体 或 热 释 电 元 件 ， 其 常 用 的 材 料 有 单 晶(LiTaO3 等 )、 压 电 陶 瓷 （ PZT等 ） 及 高 分 子 薄 膜 （ PVFZ等 ） 。 热 释 红 外 线 传 感 器 内 部 结 构与 电 路 如 下 图 32所 示 。 由 于 它 的 输 出 阻 抗 极 高 ， 所 以 传 感 器 中 有 一 个 场 效 应 管 进 行 阻 抗变 换 。 热 释 电 效 应 所 产 生 的 电 荷 Q会 跟 空 气 中 的 离 子 所 结 合 而 消 失 ， 当 环 境 温 度 稳 定 不变 时 ， T=0， 传 感 器 无 输 出 。 当 人 体 进 入 检 测 区 时 ， 因 人 体 温 度 与 环 境 温 度 有 差 别 ， 产生 T， 则 有 信 号 输 出 ； 若 人 体 进 入 检 测 区 后 不 动 ， 则 温 度 没 有 变 化 ， 传 感 器 也 没 有 输 出 ，所 以 这 种 传 感 器 能 检 测 人 体 或 者 动 物 的 活 动 。 热 释 电 红 外 传 感 器 的 结 构 及 内 部 电 路 见 下 图所 示 。 图 32 热 释 电 红 外 线 传 感 器 的 结 构 及 内 部 电 路2.2 BISS0001芯片介绍和典型电路BISS0001 是 一 款 具 有 较 高 性 能 的 传 感 信 号 处 理 集 成 电 路 ， 它 配 以 热 释 电 红 外 传 感 器 和少 量 外 接 元 器 件 构 成 被 动 式 的 热 释 电 红 外 开 关 。BISS0001 采 用 16 脚 标 准 型 塑 料 封 装 结 构 。 脚 （ A） 为 触 发 方 式 控 制 端 ， 当 A 1时 ， 电 路 可 重 复 触 发 ； 当 A 0 时 ， 电 路 不 可 重 复 触 发 。 脚 （ V0） 为 控 制 信 号 输 出 端 ，当 有 传 感 信 号 输 人 时 ， V0 输 出 高 电 平 。 脚 （ RX） 和 脚 （ CX） 为 输 出 定 时 控 制 器 T，的 外 接 元 件 端 ， 定 时 时 间 为 ： TX 50103RXCX。 脚 （ Ri） 和 脚 Ci） 为 锁 定 时 间 控 制器 i 的 外 接 元 件 ， 锁 定 时 间 Ti 24RiCi。 脚 （ VRF） 为 参 考 电 压 及 复 位 端 ， 使 用 时 一 般接 VDD， 若 按 SS， 可 使 定 时 器 复 位 。 脚 （ Vc） 为 触 发 禁 止 端 ， 当 VC VR 时 禁 止 触发 ； 当 VC VR 时 ， 允 许 触 发 ， VR 0.2VDD. 脚 （ IB） 为 偏 置 电 流 设 置 端 ， 由 外 接 电 阻RB 接 SS 端 ， RB 一 般 取 1M 的 电 阻 。 12 脚 （ OUT2） 和 13 脚 （ IN2-） 分 别 为 第 二 级 运4放 的 输 出 端 和 反 相 输 人 端 。 14 脚 （ IN1+） 和 15 净 （ IN1-） 分 别 为 第 一 运 放 的 同 相 和 反 相输 入 端 。 16 脚 （ OUT1） 为 第 一 运 放 的 输 出 端 。 11 脚 （ VDD） 和 7 脚 （ VSS） 分 别 为 电 源正 、 负 端 。2.2.1 BISS0001 的 内 部 ：图 33 热 释 红 外 传 感 器 处 理 芯 片 BISS0001的 内 部 电 路上 图 中 ， 运 算 放 大 器 OPl 将 热 释 电 红 外 传 感 器 的 输 出 信 号 作 第 一 级 放 大 ， 然 后 由 C3耦 合 给 运 算 放 大 器 01： 2 进 行 第 二 级 放 大 ， 再 经 由 电 压 比 较 器 COPl 和 ODP2 构 成 的 双 向鉴 幅 器 处 理 后 ， 检 出 有 效 触 发 信 号 vs 去 启 动 延 迟 时 间 定 时 器 ， 输 出 信 号 VO 经 晶 体 管 T1放 大 驱 动 继 电 器 去 接 通 负 载 。2.2.2 BISS001管 脚 图 ： 图 34 BISS001管 脚 图2.2.3 BISS001管 脚 说 明 ：引脚 名称 I/O 能说明1 A I 可 重 复 触 发 和 不 可 重 复 触 发 选 择 端 。 当 A为 “1”时 ， 允 许 重 复 触 发 ； 反 之 ， 不 可 重 复 触 。52 VO O 控 制 信 号 输 出 端 。 由 VS的 上 跳 变 沿 触 发 ， 使 Vo输出 从 低 电 平 跳 变 到 高 电 平 时 视 为 有 效 触 发 。 在 输 出延 迟 时 间 Tx之 外 和 无 VS的 上 跳 变 时 ， Vo保 持 低 电平 状 态 。3 RR1 - 输 出 延 迟 时 间 Tx的 调 节 端4 RC1 - 输 出 延 迟 时 间 Tx的 调 节 端5 RC2 - 触 发 封 锁 时 间 Ti的 调 节 端6 RR2 - 触 发 封 锁 时 间 Ti的 调 节 端7 VSS - 工 作 电 源 负 端8 VRF I 参 考 电 压 及 复 位 输 入 端 。 通 常 接 VDD， 当 接 “0”时 可 使 定 时 器 复 位9 VC I 触 发 禁 止 端 。 当 VcVR时 允许 触 发 (VR 0.2VDD)10 IB - 运 算 放 大 器 偏 置 电 流 设 置 端11 VDD - 工 作 电 源 正 端12 2OUT O 第 二 级 运 算 放 大 器 的 输 出 端13 2IN- I 第 二 级 运 算 放 大 器 的 反 相 输 入 端14 1IN+ I 第 一 级 运 算 放 大 器 的 同 相 输 入 端15 1IN- I 第 一 级 运 算 放 大 器 的 反 相 输 入 端16 1OUT O 第 一 级 运 算 放 大 器 的 输 出 端2.2.4 BISS0001的 参 数 ：符号 参数 测试条件 参数范围 单位Vm 电 源 /电 压 0.36.0 VV1/V0 输 入 /输 出 电 压 Vss-0.3Vdd+0.3 VIm 最 大 输 出 电 流 Vm 10 MATopr 工 作 温 度 20+70 6Tstg 贮 存 温 度 40 +125 2.2.5 BISS0001 直流特性参数:（除特殊说明外，Tamb=25）符号 参数 测试条件 最小值 最大值 单位Vm 工 作 电 压 范 围 3 5 VVm=3V 50Im 工 作 电 流 无负载Vm=5V 100uAVos 输 入 失 调 电 压 Vm=5V 50 mVIos 输 入 失 调 电 流 Vm=5V 50 mAAvo 开 环 电 压 增 益 Vm=5V,RL=105M 60 dBCMRR 工 模 抑 制 比 Vm=5V,RL=105M 60 dBVh 运 放 输 出 高 电平 4.25V VVl 运 放 输 出 低 电平Vm=5VRl=500K 接 1/2Vm 0.75 VVrm Vc 端 输 入 高 电平1.1 VVrl Vc 端 输 入 低 电平Vm=5V0.9 VVoh Vc 端 输 出 高 电平Vm=5V 4 VVol Vc 端 输 出 低 电平Vm=5V 0.4 VVah A 端 输 入 高 电压Vm=5V 3.5 VVal A 端 输 入 低 电压Vm=5V 1.5 V2.2.6 BISS0001工 作 原 理BISS0001 是 由 运 算 放 大 器 、 电 压 比 较 器 、 状 态 控 制 器 、 延 迟 时 间 定 时 器 以 及 封 锁 时 间定 时 器 等 构 成 的 数 模 混 合 专 用 集 成 电 路 。 以 下 图 所 示 的 不 可 重 复 触 发 工 作 方 式 下 的 波 形 ，来 说 明 其 工 作 过 程 。 首 先 ， 根 据 实 际 需 要 ， 利 用 运 算 放 大 器 OP1 组 成 传 感 信 号 预 处 理 电 路 ， 将 信 号 放 大 。7然 后 耦 合 给 运 算 放 大 器 OP2， 再 进 行 第 二 级 放 大 ， 同 时 将 直 流 电 位 抬 高 为 VM( 0.5VDD)后 ， 将 输 出 信 号 V2 送 到 由 比 较 器 COP1 和 COP2 组 成 的 双 向 鉴 幅 器 ， 检 出 有 效 触 发 信 号Vs。 由 于 VH 0.7VDD、 VL 0.3VDD， 所 以 ， 当 VDD=5V 时 ， 可 有 效 抑 制 1V 的 噪 声 干扰 ， 提 高 系 统 的 可 靠 性 。 COP3 是 一 个 条 件 比 较 器 。 当 输 入 电 压 VcVR 时 ， COP3输 出 为 高 电 平 ， 进 入 延 时 周 期 。 当 A 端 接 “0”电 平 时 ， 在 Tx 时 间 内 任 何 V2 的 变 化 都被 忽 略 ， 直 至 Tx 时 间 结 束 ， 即 所 谓 不 可 重 复 触 发 工 作 方 式 。 当 Tx 时 间 结 束 时