智能电风扇控制器设计与开发方案

1 智能电风扇控制器设计与开发方案 1 绪论 能电风扇在当今社会中的研究意义 电风扇曾一度被认为是空调产品冲击下的淘汰品，其实并非如此，市场人士称，家用电风扇并没有随着空调的普及而淡出市场，近两年反而出现了市场销售复苏的态势。其主要原因：一是风扇和空调的降温效果不同 空调有强大的制冷功能，可以快速有效地降低环境温度，但电风扇的风更温和，更加适合老人儿童和体质较弱的人使用；二是电风扇有价格优势，价格低廉而且相对省电，体积轻巧，摆放方便，安装和使用都非常简单。 尽管电风扇有其市场优势，但传统电风扇还是有许 多地方应当进行改良的，最突出的缺点是它不能根据温度的变化适时调节风力大小，对于夜间温差大的地区，人们在夏夜使用电风扇时可能遇到这样的问题：当凌晨降温的时候电风扇依然在工作，可是人们因为熟睡而无法察觉，既浪费电资源又容易引起感冒，传统的机械定时器虽然能够控制电风扇在工作一定后关闭，但定时范围有限，且无法对温度变化灵活处理。 有鉴于现今家里不可或缺的电器产品电风扇，我们希望可以借由步进电机组合做出利用红外感应接收模块接收到有人的讯号，来改变电风扇转动的方向，以取代传统电风扇只能以固定形式转动，希望能够让电风扇自 动能感应到人所在的方向，未来让电器更能人性化、科技化，以达到方便性智利于未来科技产业的发展，我们希望能将科技运用在电器上，再于产业结合，已达到居家生活里的便利性。现今社会上，不可或缺的是将生活周遭事物简单化，而我们将运用单芯片在电风扇上，研究出符合未来人们的需求，研发低成本、多功能的全自动化电风扇让社会大众能够接受，取代传统式手动电风扇，让科技产业在电器上有重大的突破。于以上方面的考虑，我们需要设计一种智能电风扇控制系统来解决这些问题。 究内容及论文安排 究内容 本论文主要目标是使电 风扇能够根据人的位置来自动选择送风角度。以 研发的 用红外感应接收装置，接受人体辐射出的红外线，通过此讯号利用 进电机来改变红外感应接受装置，进而确定人体范围，再通过发光二极管指示锁定角度并模拟风扇循环闪烁。 由手动开关转变为红外线人体感应自动开关，是应用先进的红外线人体感应科技主动侦测人体的问题是否在探测范围内，在设定 15 秒时间内都可以探测到人，则开启电机开关，开启 度循环闪烁 ；若在 15 秒内开始存在有人信号，后存在无人信号，则重新计时 15秒 检测；若一直存在无人信号则不操作动作。 文安排 论文第 1章为绪论，主要介绍了电风扇的现状，智能电风扇研究意义，本设计研究的内容及论文安排；第 2章为系统设计方案的介绍，包括其具体可实现的功能及方案选择；第 3章为硬件设计部分，这部分详细介绍了所选硬件的特性及其各部分对实现自己所需要功能的作用及其电路图；第 4章为软件设计部分，给出了主程序和各子程序流程图，程序清单以附件的形式附在论文最后。第 5 章为结论部分。接下来为致谢和参考文献。最后附有 原理图及 程序清单。 2 系统设计方案 统总体介绍 本次设计选用 外围电路构成人体范围检测系统。 人范围，并送给 其模拟风扇循环闪烁。系统框图如下图所示 ： 微 处 理 器S N 8 P 2 5 0 1 B 步 进 电 机 模 块红 外 感 应 模 块L E D 循 环 闪 烁 模 块图 2统框图 3 统功能介绍 本系统利用 要功能为 ： a) 自动启动及关闭开关 我们由步进电机配合红外感应控制器经由红外线扫描来控制开关，检测到 一定时间内 有人时自动开启电机开关及 人时关闭电机开 关及 b) 自动搜索范围人数 我们以 控制步进电机的步数，使它去侦测人数范围有多大。 c) 锁定人体位置 我们利用红外感应控制器搜寻配合步进电机步数，有红外感应控制模块传回探测信号给 由 录最大最小角度，锁定人体位置。 d) 发光二极管指示锁定角度并模拟风扇循环闪烁 用 相邻两个 0 。例：当锁定人范围为 30 时， 环闪烁（ 左到右依次为 别代表 30 、 60 、 90 、 120 、 150 、180 ）。 计方案 本设计根据红外感应装置的不同处理共有两种设计方案 a) 方案一 将红外感应模块前的 菲泥尔滤光透镜用不透红外的材质覆盖上，让红外感应模块只能检测到一个小范围内（小于 10 ）的红外变化，步进电机正转 180 后即可反转 180 ，如图 2图 2计后的红外感应模块探测范围 利用这种方法，可以不用考虑红外检测范围内是否存在人这种情况，原因是 0 来递增的，相比而言，红外检测的 角度远远小于模拟的角度，即使在红外检测范围内存在有人，在步进电机旋转一步后就可以检测出来，不会影响到检测的结果。 例：当步进电机正转 90 后，红外探头检测到有人（探测角度 ）， 4 此时记录下的电机步数为 X 大步（ X=3,90 ）；步进电机再次旋转 ，此时检测不到人（探测范围 95100 ），记录此时的电机步数为 X+1大步（ X=3， 120 ），对检测没有什么影响。 图 2测到有人存在 图 2一状态检测不到人 这种方法的优点：思路比较简单，基本没有涉及到算法，在步进电机 旋转速度比较慢的情况下能够很快获得人的位置，从而改变 闪烁；缺点：需要利用不透红外材料来封装，在开机情况下，需要人在此等待十几秒时间，确认一直有人存在开机后才能离开此位置。 b) 方案二 事先确定红外感应装置的探测角度，步进电机需要正转 360 。下面举例说明： 假设红外感应装置的探测角度为 150 ，人所在范围为 30 范围内，则在步进电机开始正转时就能够检测到有人存在（检测角度 75 ），步进电机旋转至90 （ 3大步）时仍能检测到人（检测范围 30150 ），只有当步进电机旋转至 195（ 6大步）时才检测不到人（检测范围 120270 ），此时记录的角度为 210 （ 6+1大步），需要减去红外感应装置探测角度的一半，此时才是真正开始没探测到人时人的位置，即结束角度，角度为 120 （ 6+1-（ 2+1） =4大步）（ 2+1为探测角度一半所占大步）；步进电机继续正转，当步进电机正转至 315 （ 10 大步）时，又一次检测到有人（检测范围为 24030 ），此时记录的角度为 315 （ 10大步），仍然需要减去红外感应装置探测角度的一半，则起始角度为 30 （ 10+（ 2+1） 大步）（ 2+1 为探测角度 一半所占大步， 12 为旋转 360 所需步数）。这样只记录两次值就得到了人的范围，不论人站的稀疏。 5 图 2外探头初始位置 图 2测到无人时的位置 图 2测到刚有人时的位置 这种方法的优点：不需要做什么其他操作，开机更加人性化，不需要让电机进行反转动作，在判断完人范围后即可判断是否需要关机操作；缺点：思路有点复杂，中间涉及到算法问题，事先必须知道此红外感应装置的探测角度，因为步进电机转速比较慢导致确定一个范围需要比较长的时间。 6 注：方案一和方案二中涉及到得确定范围需要的时间是由所选红 外感应装置决定的，在这里所选的 认延时时间为 10 秒，因此需要的时间比较长，如果调为1秒，则步进电机旋转的速度扩大 10倍，需要的时间也就相应缩短。 两种方案硬件电路完全一样，只是对红外感应装置的处理不同，主要表现在 红外感应装置的 探测范围上，实现不同的方案由程序控制。本设计选用方案一作为主要思路，原因有几点：思路简单，容易被他人理解； 可以允许在未检测区域内随意改动位置，在当前正转结束后用 拟显示出； 在实物演示中，正转后反转不会对引线产生影响；在较短时间内可以看到演示效果 。 7 3 硬件设计 本系统主要由微处理器控制、红外感应模块、步进 电机模块 及 块等组成。下面介绍各部分原理及电路图。 处理器 列单片机是 司最新推出的 高速 低功耗 8 位单片机。它采用低功耗 有优异的抗干扰性能。突出的特点是：低成本、高抗干扰性、内 置 16速 8位、 59条精简指令集。 当前市场上的单片机有 51 系列， 列 等 单片机，考虑到设 计只需实现自动开关机及锁定人范围 烁的功能，但又要确保其抗干扰能力强的特点，在考虑功能需求及成本的基础上，选择了 位单片机作为本系统的控制器，有 14个引脚，如图 3具有以下特性： a) 1K * 16位； b) 48 字节； c) 4层； d) 多种振荡源选择：最大可达 16外部晶振、 10外部 荡、内部166低速时钟； e) 高速的 达 1T，即每个指令周期为 1个时钟周期； f) 满足 低功耗的需求，可编程设定 4种工作模式：正常模式、低速模式、睡眠模式和绿色模式； g) 内置高速 出接口，可输出不同频率的信号； h) 内置 看门狗定时器（ 16V,32V）及 3级低电压检测系统； i) 具有 3个中断源， 2个内部中断源： 1个外部中断源： 1) I/I/0口引脚为： a) 输入输出双向端口： b) 单向输入引脚： c) 可编程的漏极开路引脚： 8 d) 具有唤醒功能的端口： 平变化触发； e) 内置 上拉电阻端口： f) 外部中断引脚： 寄存器 制，其触发方式为上升沿或下降沿。 图 3脚 2) 程序寄存器 复 位 向 量通 用 区 域中 断 向 量通 用 区 域系 统 保 留用 户 复 位 向 量用 户 程 序 开 始用 户 中 断 向 量用 户 程 序用 户 程 序 结 束R O 0 0 0 1 0 7 0 8 0 9 0 F F C F D F F H 图 3序存储器 次性可编程），存储器容量为 1K*16位，可由 10位程序计数器 程序寄存器进行寻址，或由系统寄存器（ R， X， Y 和 Z）对 中：系统复位后从地址 0000址 0008 3) 数据存储器 R A 区 域系 统 寄 存 器B a n k 0 结 束0 0 0 F 0 F B a n k 0b a n k 0 的 0 8 0 H - 0 F F 统 寄 存 器图 3据存储器 片机的片内 有 256 个存储单元，地址范围为 000内寄存器可分为通用数据存储区和系统存储器两大部分。通用数据存储区可作为用户自定义的变量，临时数据，中间数据存放地，而系统寄存器则用来控制片内外设或表示外设的状态。 9 4) 定时 /计数器 时 /计数器大分致为两大类。一类为基本定时器 一类为多功能定时器 二进制定时器 出（从 0 00H）时， 续计数并给出一个溢出信号触发断请求。定时器 主要用途如下： a) 8 位可编程定时器：根据选定的时钟频率定时产生中断请求； b) 定时器：根据选定的时钟信号产生中断请求， 能仅限于编译选项为 c) 绿色模式唤醒功能： 1 时， 出将系统从绿色模式中唤醒。 定时 /计数器 有双时钟源，可根据实际需要选择内部时钟或外部时钟作为计时标准。其中，内部时钟来自 部时钟 脚（下 降沿触发）输入。寄存器 制时钟源的选择。当 0出到 00H 时， 继续计数的同时产生一个溢出信号，触发 断请求。 主要作用如下： a) 8 位可编程定时器：根据选定的时钟频率在特定时间产生中断信号； b) 外部事件计数：对外部事件计数； c) 蜂鸣器输出； d) 下面以基本定时器 明初始值的设定方法。 加计数寄存器，上电初始值为 00H，可以软件重置，每次溢出之后，初始值需要用户重置。初始值设定方法如下： = 256 ( 输入时钟 ) 例如：用 0M。 10（ 4），那么 = 256 ( 输入时钟 ) = 256 ( 10 1M/64 ) = 64H 的 定分频数的比率， 时钟源来自 过 的控制计数器时钟，如果为 1则时钟输入到 数器 ， 始计数，否则 时钟被切 断， 止计数。当 数器从 000H 时，系统会将标志位 为 1。 表 3000M 000 - - 位后 0 0 0 0 - - - 0 钟控制位。 10 0 = 禁止 1 = 式。 :0： 频选择位。 动控制位。 0 = 禁止 1 = 开启 表 3频比 0频比 000 56 001 28 010 4 011 2 100 6 101 110 111 注：在 式下， 设置是无效的。 5) 中断 有丰富的中断功能。不过它们也存在一定的局限性，例如中断矢量只有一个，并且各个中断 源之间也没有优先级别之分，不具备中断屏蔽功能。 不同的芯片具有不同的中断。 片机具有 3 个中断源： 2 个内部中断源（定时器 时 /计数器 1个外部中断源（ 00）。 对于 断源的要求是否会得到响应，受允许中断寄存器 全局中断控制位 时，才能使能中断请求，当中断源同时产生中断时，要靠内部的查询逻辑来确定响应的次序，不同的中断源其中断地址均为 0008H。一次中断活动的全过程如图 3 11 执 行 一 条 指 令 ( 1 )有 中 断 请 求 ？( 2 )中 断 屏 蔽 ( 3 )中 断 响 应 ( 4 )保 护 ( 5 )调 查 中 断 源 ( 6 )中 断 处 理 ( 7 )清 除 标 志 ( 8 )恢 复 现 场 ( 9 )中 断 返 回 ( 1 0 )N oY e sY e sN 断处理流程图 在图中， (1)， (2)， (3)和 (9)是由硬件自动实现的，而其它的阶段是由用户软件完成的。 有中断请求发生并被响应后，程序转至 0008H 执行中断子程序。响应中断之前，必须保存 内容。芯片提供 令进行入栈保存和出栈恢复，从而避免中断结束后可能的程序运行错误。 不包括 些芯片 存，此芯片中 存器是唯一的且仅有一层，因此只能出现在中断保护现场中。 6) 利用 片作为微控制器，在编译过程中需要注意对应的选项表，见表3 12 表 3编译选项 配置项目 功能说明 启杂讯滤波功能， 6 闭杂讯滤波功能， 6 指令周期 = 1个时钟周期，必须关闭杂讯滤波功能； 式下，不支持 指令周期 = 2 个时钟周期，必须关闭杂讯滤波功能； 式下，不支持 指令周期 = 4 个时钟周期 指令周期 = 8 个时钟周期 6 指令周期 = 16 个时钟周期 速时钟采用内部 16C 振荡电路， 为普通的 I/O 引脚； 式下， 值在 6 之间 速时钟采用内部 16C 振荡电路，具有 能（ 为普通的 I/O 引脚； 式下， 值在 6 之间 部高速时钟振荡器采用廉价的 荡电路， 普通的 I/O 引脚 32K X外部高速时钟振荡器采用低频、省电晶体 /陶瓷振荡器（ 12M X外部高速时钟振荡器采用高频晶体 /陶瓷振荡器（如102 4M X外部高速时钟振荡器采用标准晶体 /陶瓷振荡器（如1M10 终开启看门狗定时器，即使在睡眠模式和绿色模式下也 处于开启状态 启看门狗定时器，但在睡眠模式和绿色模式下关闭 闭看门狗定时器 能外部复位引脚 单向输入引脚，无上拉电阻 于 ， 位系统 ； 13 于 ， 位系统； 存器的 作为 电压监测器 于 ， 位系统； 存器的 作为 电压监测器 码加密 码不加密 注： a) 在干扰严重的情况下 ，建议开启杂讯滤波功能，此时 6，并将 置为 “ ； b) 如果用户设置看门狗为 “ ，编译器将自动开启看门狗定时器； c) 编译选项 针对高速时钟，在低速模式下 ； d) 在 式下， 6。 片机复位电路 以下几种复位方式： a) 上电复位； b) 看门狗复位； c) 掉电复位； d) 外部复位（仅在外部复 位引脚处于使能状态）。 上述任一种复位发生时，所有的系统寄存器恢复默认状态，程序停止运行，同时程序计数器 零。复位结束后，系统从向量 0000H 处重新开始运行。 存器的 个标志位能够给出系统复位状态的信息。用户可以编程控制 而控制系统的运行路径。 表 3086H C 读 /写 R/W R/W R R - R/W R/W R/W 复位后 X X 0 0 - 0 0 0 复位状态标志 表 3位状态标志复位情况 位情况 说明 0 0 看门狗复位 看门狗溢出 0 1 保留 - 1 0 上电及 电源电压低于 测值 14 1 1 外部复位 外部复位引脚检测到低电平 任何一种复位情况都需要一定的响应时间，系统提供完善的复位流程以保证复位动作的顺利进行。对于不同类型的振荡器，完成复位所需要的时间也不同。因此， 上升速度和不同晶振的起 振时间都不固定。 荡器的起振时间最短，晶体振荡器的起振时间则较长。在使用的过程中，应注意考虑主机对上电复位时间的要求。图 3 图 3种复位电路的响应 在这里所用的复位为外部复位。 外部复位功能由编译选项 “控制。将该编译选项置为 “，可使能外部复位功能。外部复位引脚为施密特触发结构，低电平有效。复位引脚处于高电平时，系统正常运行。当复位引脚输入低电平信号时，系统复位。外部复位操作在上电和正常工作模式时有效。需要注意的是，在系统上电完成后，外部 复位引脚必须输入高电平，否则系统将一直保持在复位状态。外部复位的时序如下： a) 外部复位（当且仅当外部复位引脚为使能状态）：系统检测复位引脚的状态，如果复位引脚不为高电平，则系统会一直保持在复位状态，直到外部复位结束； b) 系统初始化：初始化所有的系统寄存器； c) 振荡器开始工作：振荡器开始提供系统时钟； d) 执行程序：上电结束，程序开始运行。 外部复位可以在上电过程中使系统复位。良好的外部复位电路可以保护系统以免进入未知的工作状态。 外部复位电路有多种复位方式，如 极管及 1) 如 图 315 图 31 和电容 成的基本 位电路，它在系统上电的过程中能够为复位引脚提供一个缓慢上升的复位信号。这个复位信号的上升速度低于 上电速度，为系统提供合理的复位时序，当复位引脚检测到高电平时，系统复位结束，进入正常工作状态。 2) 二极管及 如图 3极管及 1同样是为复位引脚提供输入信号。对于电源异常情况，二极管正向导通使 速放电并与 免复位引脚持续高电平、系统无法 正常复位。 注： “ 基本 位电路 ” 和 “ 二极管及 位电路 ” 中的电阻 是必不可少的限流电阻，以避免复位引脚 穿 。 本设计电路比较简单，对复位响应时间没有太大的要求， 考虑成本及电路规划的基础上 采用 16 片机晶振电路 对于本芯片来说，主要有两种晶振来源：外部石英 /陶瓷振荡器和内部高速 1) 外部石英 /陶瓷振荡器 其电路图如图 3部石英 /陶瓷振荡器 图 3脚与石英 /陶瓷振荡器以及电容 2) 内部高速 编译选项 “和 “控制单片机的内置 16若选择 “，则内置 16 口。若选择 “，则系统时钟来自内置 16时 脚与实时时钟源（ 32768 统高速时钟来自内置 16脚作为普通的 I/ 置 16时 脚与实时时钟源（ 32768.5 s， 定时器为 本设计需要 11个 I/ 6个 4个步进电机控制位， 1个输入信号位） ，所选用的 过程中 不需要获取非常准确的时间，因此选用 6荡器作为系统时钟源， 作为通用 I/ 处理器控制电路 17 图 3制电路 此选取典型电压 进电机正常工作电压在 124V，但考虑到步进电机在此处只带动红外感应模块，不需要比较大的动力，为了简化电路，采用 样只需要将通过电源适配器获得的 里需要用到电压转换芯片 7805。电路图如图 3中 2/4增强电源抗干扰能力。 图 3源电路 控制电路图如图 3中， 别与 连，可以增强 干扰能力。 550三极管，它在这里 只是起升压作用 ， 升 8 左右电压，使之大于 足 。 外感应模块随着步进电机的旋转而旋转，将探测到得信号通过 2口输送出来。当红外感应模块检测到人时， 2口输出高电平，通过 红外感应模块未检测到人时， 2口输出 低 电平， 样 050三极管，它在这里 起开关功能 。 因为 会儿是低电平，相当于 过步进电机线圈后会产生感应磁场，进而产生反电动势，产生回路电流，通过续流二极管（ 衰减掉，从而保护了 线圈两端分别为 A、 B、 C、 D，哪位被驱动，步进电机旋转对应的角度，具体情况由程序控制。 当在 设定 时间内（防止因干扰而造成开机），红外感应模块输出的电平一直是高电平，此时就认为有人存在，打开 旋转循环闪烁功能，步进电机开始工作。步进电机带着红外感应装置开始正转，当红外感应模块在之前没有检测到有人 及无人标志 时检测到有人存在，则记录此时步进电机步数 角度）；当红外感应模块在之前检测到有人标志，但 没有检测到无人 标志 时 ， 检测到无人存在，记录此时步进电机步数角度），在步进电机正转 180 后， 1进电机开始反转 180 ，只有当步进电机再一次正转 180 后， 来检测到 的 步进电机在正转 180 中，红外感应模块始终没有检测到有 人信号，则在步进电机反转 180 后关闭 关闭步进电机。 进电机 进电机工作原理 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的单步误差和累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普 通的直流电机、交流电机在常规下使用。步进电机必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。 1) 反应式步进电机原理 下面以三相反应式步进电机来介绍反应 式 步进电机的原理。 a) 结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0T、 1/3T、 2/3T,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以 即 19 相对齐， 向右错开 1/3T， 向右错开 2/3T， A与齿 5相对齐，（ A就是 A，齿 5就是齿 1）图 3 图 3转子的展开图 b) 旋转： 若 A 相通电， B， C 相不通电时，由于磁场作用，齿 1 与 A 对齐，（转子不受任何力以下均同）。 若 B 相通电， A， C 相不通电时，齿 2 应与 B 对齐，此时转子向右移过 1/3T，此时齿 3与 ，齿 4与 T） =2/3T。 若 C 相通电， A， B 相不通电，齿 3 应与 C 对齐，此 时转子又向右移过 1/3T，此时齿 4与 。 若 B， C 相不通电，齿 4与 子又向右移过 1/3T 这样经过 A、B、 C、 4（即齿 1前一齿）移到 机转子向右转过一个齿距，如果不断地按 A， B， C， A 通电，电机就每步（每脉冲） 1/3T,向右旋转。如按 C， B，A， C 通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用 种导电状态，这样将原来每步 1/3T 改变为 1/6T。甚至于通过二相电流不同的组合，使其 1/3， 1/24T，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有 m 相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制 这是步进电机旋转的物理条件。 c) 力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量 ），如图 3 20 图 3转子通电产生磁场 当转子与定子错开一定角度产生力， d/成正比 磁通量 =* S（ （ 3 *D*D 为转子直径 ， I/R ）； N 流乘匝数）， R 为磁阻； 力矩 =力 *半径； 可以得到力矩与电机有效体积 *安匝数 *磁密成正 比（只考虑线性状态），因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然 2) 永磁感应子式步进电机原理 下面以四相感应子式步进电机为例来介绍永磁感应子式步进电机原理。 四相电机工作原理： 电机定子有四个励磁绕阻，转子均匀分布着很多小齿，并加有永磁体使转子轴向分布若干对 N、 S 齿极互相错开 1/2T(T 为相邻两转子齿轴线间的距离，即齿距 )。定转子齿几何轴线依次向左错开： 0、 1/4T、 2/4T、 3/4T。以下为四相电机定、转子展开后的工作原理图（见图 3 图 3相电机工作原理图 以四相单四拍即 A B C D A 通电方式，转子不受外力为例。 第一拍：当 A 相通正向电流（如图 3 B、 C、 D 相不通电时，有工作原理图可看出，定 21 子 极磁场，由于磁场作用，转子 极轴线与相对齐，而 极， 极， 极， 极的轴线以次向右错开 1/4T, 2/4T, 3/4T,1T。 第二拍：当 A、 C、 极轴线相对齐，此时转子向右转过 1/4T，而 与 C 极， 与 D 极， 与 A 极轴 线以次向右错开1/4T, 2/4T, 3/4T。 同理，第三拍 子又向右转过 1/4T。第四拍 4相对齐，转子再次向右转过 1/4T,极轴线向右错开 1/4T。 当再到 极轴线相对齐，至此转子转过一个齿距 T，如果不断地按 通电，电机就按每步（每脉冲） 1/4T 向右连续旋转。如按 通电，电机则反转。 如果通的不是正向电流而是反向电流，定子产生的不是 极，每相通电时对应的 转的方向不 变。 感应子式步进电机某种程度上可以看作是低速同步电机。一个四相电机可以作四相运行，也可以作二相运行。（必须采用双极电压驱动），而反应式电机则不能如此。例如：四相，八相运行（ 全可以采用二相八拍运行方式 =A ,D=B . 一个二相电机的内部绕组与四相电机完全一致，小功率电机一般直接接为二相，而功率大一点的电机，为了方便使用，灵活改变电机的动态特点，往往将其外部接线为八根引线（四相），这样使用时，既可以作四相电机使用，更可以作二相电机绕组串联或并 联使用 ,灵活的改变电机的性能。 感应子式步进电机与传统的反应式步进电机相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪音低、低频振动小。 感应子式步进电机以相数可分为：二相电机、三相电机、四相电机、五相电机等。以机座号（电机外径）可分为： 42 578610际 标准），而像 7090130均为国内标准。 进电机的静态指标术语 相数：产生不同对极 N、 用 拍数：完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用 指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即 相八拍运行方式即 步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用 表示。 =360 度（转子齿数 J*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为 50齿电机 为例。四拍运行时步距角为 22 =360 度 /（ 50*4） =（俗称整步），八拍运行时步距角为 =360 度 /（ 50*8） =称半步）。 定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的）。 静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 进电机的动态指标术语 单步误差： 步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差称之为单步误差。用百分比表示：误差值 /步 距角 *100%。不同的细分驱动器和不同的细分数其值不同。 累积误差： 步进电机转过的实际角度值与理论值的最大误差称之为累积误差，其值为单步误差值的总和的最大值。以具体角度值表示。它比单步误差更为重要。 失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数 ， 称之为失步。 失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。 最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。 最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式 ，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 红外感应模块需要在步进马达的带动下去检测人范围，因此对步进马达的要求比较高，尽量选择永磁感应式步进电机，步进电机每步旋转角度不能太大，也不能太小。角度太大会造成锁定人范围的误差较大；角度太小会导致判断范围所需时间太长。综合考虑后本设计选用 用四相八拍法来带动红外感应模块。 矩角为 ，相数为 4， 因此电机一步旋转角度为 。 其参考特性入表 3 表 3考特性 参考特性 电机尺寸 旋转步数 48（ 1 步） 驱动方式 2驱动电路 23 驱动电压 24V 24V 电流 /相 500圈电阻 /期 30欧姆 驱动 5磁材料 铁氧体磁铁塑胶（ 极地各项异性铁氧体烧结磁体（ 铷铁硼磁铁粘结（ 绝缘电 阻 最小电阻 100电介质强度 最小交流电压 500V 绝缘等级 工作温度 储存温度 经营坎 相对湿度 20%其电路图为 图 3进电机电路 保护三极管功能，因为输出的信号是 号，经过步进电机后，电机内部的磁场会产生反电动势，使 集电极电压增大，通过 去反电动势，保护三极管。 24 外感应模块 外感应装置的工作原理 人体都有恒定的体温，一般在 37 ,会发射 10专 门的热释电红外传感器 (可以针对性的检测这种红外线的存在与否，当人体红外线照射到传感器上后，因热释电效应将向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生控制信号。这种专门设计的探头只对波长为 10m 左右的红外辐射敏感，所以除人体以外的其他物体不会引发探头动作。探头内包含两个互相串联或并联的热释电元，而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦， 并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，于是输出检测信号。 为了增强敏感性并降低白光干扰，通常在探头的辐射照面