[毕业设计精品]实现红外线检测和基于AT89C51的单片机控制系设计

1、xxx毕业论文（设计）编号： xxx毕业论文（设计）题目：基于单片机的自动门控制设计与实现院 （系）： 机电工程学院 专 业： 机电一体化 班 级： 09机电11班 学生姓名： 指导教师： 成 绩： 2012年4月19摘 要本课题主要实现红外线检测和基于at89c51的单片机控制系统。本文是关于自动门控制系统电路设计，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。关键词：热释电红外线传感器 at89c51 bis0001芯片目录摘 要i目录ii第一章 绪论11

2、.1 课题研究的可行性11.2 国内自动门发展现状11.3 课题的意义和目的21.4 课题的功能概述21.5 设计的基本设计思路3第二章 系统硬件设计52.1 设计电路的框图和原理52.2 单片机介绍62.3 热释电红外传感器介绍72.4 biss0001芯片介绍92.5 步进电机132.5.1 步进电动机特点132.5.2 驱动控制系统组成132.5.3 斩波驱动152.6 故障检测及显示152.7 门行程检测16第三章 系统软件设计173.1 系统软件结构173.2 各部分程序设计17总结18参考文献19第一章 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，单片机的应用领域

3、也就越来越广，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，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。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。 通过对“红外线自动门控制系统”的研究和设计，我精心撰写了红外线控制自动门系统论文。本论文着重阐述了以单片机为主体，步进电机、传感器为核心的系统。1.2 国内自动门发展现状 1. 厂家多，规模小 56 年来几年来， 自动门在国内得到

4、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。 2. 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。 3.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

5、，整体档次较低，主要集中在低端市场。 4.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。1.3 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。自动门不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的建筑增添了不少高贵典雅的气息。自动门根据使用的场合及功

6、能的不同可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等，其中自动平移门使用得最广泛，我们通常所说的自动门、感应门就是指自动平移门。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。1.4 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

7、。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、智能化设计自动门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

8、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

9、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，用手遮挡辅助光线传感器，门应该保持打开状态。当手离开后几秒后，门应该重新关闭。综上所述，自动门在很多领域具有不可比拟的优越性，随着国民经济的快速发展，自动门在我国已经迎来了快速发展的黄金时期。1.5 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

10、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1-1：图1-1 设计总体结构第二章 系统硬件设计2.1 设计电路的框图和原理红外自动门控制系统的硬件组成如图2-1所示。本系统主要由at89c51单片机及其外围电路、红外检测电路，门行程检测电路、步进电机控制电路、故障检测电路、故障显示电路、控制方式切换电路等七部分组成。单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电路输出信号，据此产生步进电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入

11、相应的控制方式。如门在关门过程中遇到人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开，当系统出现故障，进入故障处理程序。系统硬件框图如图2-1所示： at89c51单片机sram红外线检测门行程检测故障检测eprom电机电路控制故障显示报警控制方式切换 图2-1线自动门控制系统硬件框图感应自动门的种类很多，在此，仅以平移型感应自动门机作为设计的重点。首先，平移式自动门机组由以下部件组成：1.主控制器：它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。2.感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移

12、动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号。3.动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。4.门扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。5.门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。6.下部导向系统：是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。7.当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢

13、行运行马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。 2.2 单片机介绍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。 由于单片计算机具有体积小，重量轻，耗电少，功能强和价格低等特点，又由于数据大多是在芯片内传送处理，所以运行速度快，抗干扰能力强。单片机从七十年代问世以来，在二十

14、多年的时间里，发展异常迅速，并已广泛应用于各种领域。单片机具有通讯接口，用单片机进行接口的控制与管理，单片机与主机可并行工作，大大地提高了系统的运行速度，所以在网络通讯领域也得到了越来越多的应用。at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）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

15、-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2-2所示。 图2-2 89c51外形及引脚图2.3 热释电红外传感器介绍热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压

16、信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10-20米范围内人的行动。热释红外线传感器内部结构与电路如下图4所示。热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有t的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷q，即在两电极之间产生一微弱电压v。由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有

17、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。传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件pzt、场效应管fet等组成。其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。热释电元件pzt将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化

18、转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。 图2-3 热释电红外线传感器的结构及内部电路热释电红外探头的优缺点：优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。缺点：容易受各种热源、光源干扰；被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收；环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。2.4 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。它能自动快速开启各类白炽

19、灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。它不仅能和热释电红外传感器的输出良好地匹配，而且也能和其他多种传感器进行匹配。它的内部是由运算放大器、电压比较器、与门电路、状态控制器、定时控制器、锁定时间控制器和禁止电路等组成。 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a1时，电路可重复触发；当a0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

20、间为：tx50103rxcx。脚（ri）和脚ci）为锁定时间控制器i的外接元件，锁定时间ti24rici。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vcvr时禁止触发；当vcvr时，允许触发，vr0.2vdd.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。1) biss0

21、001的内部下图5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。图2-4 热释红外传感器处理芯片2) biss0001的特点1. cmos工艺，公耗低2. 数模混合3. 具有独立的高输入阻抗运算放大器4. 内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰5. 内设延迟时间定时器和封锁时间定时器6. 采用16脚dip封装7. 内置参考电源 8. 工作电压范围宽（3v5v)3) biss001管脚图 图

22、2-5 biss001管脚图4) biss001管脚说明表2-1 biss0001管脚说明引脚名称i/o功能说明1ai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。2voo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。3rr1-输出延迟时间tx的调节端4rc1-输出延迟时间tx的调节端5rc2-触发封锁时间ti的调节端6rr2-触发封锁时间ti的调节端7vss-工作电源负端5) 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

23、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。当热释电红外传感器接收到人体红外辐射后输出检测信号，然后由14脚输入biss0001,经地内部电路处理，由2脚输出探测信号（正向脉冲信号）。输出脉冲信号的宽度由外接电阻r9和电容c6来决定。当 2脚输出控制脉冲后，电子开关被接通，数字编码电路和无线电发射电路由于得到电源而开始工作。电源变压器为5w/15v，e为12v免维护蓄电池，供停电使用。s1为锁控电源开关，可根据需要安装在适当处所，用来接通工作电源，无必要时可取消设置。scr采用1a的单向可控硅。hfc9301为软封装发声电路，发声为“嘀、嘀”声。电路的调试主要是主机与各分机之间的

24、统调。将发射电路和接收电路组装好后，先将发射机中c10的调至适当位置后固定不动，接着调整接收机中的c1，使接收机能收到发射机发出的信号。若为“一对多”或“多对一”报警系统，应先将主机“一”（可以是发射机，也可以是接收机 ）调好固定，然后调整各分机，使其与主机统调。biss0001 应用线路图如2-所示。 图2-6 biss0001的热释电红外开关应用电路图上图2-6中，运算放大器op1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op2进行第二级放大，再经由电压比较器cop1和cop2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t

25、1放大驱动继电器去接通负载。上图2-6中，r3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，r3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号vs。sw1是工作方式选择开关，当sw1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当sw1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。图中r6可以调节放大器增益的大小，原厂图纸选10k，实际使用时可以用3k，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间tx由外部的r9和c7的大小调整，触发封锁时间ti由外部的r10和c6的大小调整，r9/r10可以用470欧姆，c6/c7可以选0.1u。在biss0001的内电路中，运放a是一

26、个独立的放大器，由它放大后输出的信号电压通过。 2.5 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阔的前景。2.5.1 步进电动机特点1.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。2.步进电动机的动态响应快。易于起停、正反转及变速。3.速度可在相当宽的范围内平滑调节

27、。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。4.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5.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。6.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。2.5.2 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，其方框图如图2-7所示：图2-7 控制系统步进电动机的驱动电路根据控制信号工作。在步进电动机的单片机控制中，控制信号由单片机产生。其基本控制作用如下:1. 反应式步进电动机控制换相顺序步进电动机的通电换相顺序严格安照步进电动机的工作方式进行

28、。通常我们把通电换相这过程称为脉冲分配。三相六拍步进电机工作方式通电换相的正序是a-ab-b-bc-c-ca；反序为a-ca-c-bc-b-ab；共有八个通电状态p1口输出控制信号，0表示绕子通电，表示绕子断电，则可以用六个字来表示六个通电状态。这六个字表示如下表：表2-2通电状态a11006hab10008hb10109hbc00101hc01103hca01002h2.通电状态 p1.2(c) p1.1(b) p1.0(a) 控制字3.控制电路模型如2-8图所示：图2-8控制电路模型2.5.3 斩波驱动下面讲的是斩波恒流驱动的原理图。t1是一个高频开关管。t2开关管的发射极接一只小电阻只，

29、电动机绕组的电流经这个电阻到地，所以这个电阻是电流取样电阻。比较器的一端接给定电压uc，另一端接取样电阻上的压降，当取样电压为0时，比较器输出高电平。图 2-9 斩波恒流驱动电路原理图当控制脉冲ui为低电平时t1和t2两个开关管均截止；当u1为高电平时，t1和t2两个开关管均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用，只上的电压逐渐升高，当超过给定电压uc的值时,比较器输出低电平，使与门输出低电平、tl截止，电源被切断；当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高电乎，与门也输出高电平，t1又导通，电源又开始向绕组供电。这样反复循环，直到ui为低电平。2.6 故障检测及显示在故障检测电路中，配

30、置了温度和速度传感器，用来监测电机的工作情况，从而实现电机过热保护和门运行障碍保护，同时还设置了电压监控电路，用于检测系统异常情况。检测电路首先将检测到的信号转换成电压，然后经单片机内部的户以转换器变成数字信号，单片机定期读取数据，一旦发现数据异常，即马上采取相应的紧急措施，向系统发出故障信号，系统停止工作，向故障显示电路发出指令，发出报警信号并显示故障类型。2.7 门行程检测门行程检测电路通过检测门行程开关的闭合情况来发送不同的信号，使电机改变转速，进而控制门运行的速度以提高运作效率，为了保护门不受到损害和保证门运行效率，在门行程检测电路中设置了四个行程开关。它们分别代表开门极限、程极限1、行程极限2、关门极限。门在开启过程中，分别经过慢速、加速、减速和停止四个过程，门的关闭过程则与上述过程相反。门运行到极限位置时，限位开关动作，单片机根据接收到响应的信号，改变电机运行速度。第三章 系统软件设计3.1 系统软件结构整个系统软件主要由主程序、开门子程序、关门子程序、t0中断服务程序、t1中断服务程序、外部中断服务子程序组成。主程序主要是完成系统进行初始化、中断设置等功能。程序设计中设置了一个外部中断0，它