大厅自动门禁系统

1、摘要本文介绍了利用可编程控制器PLC和三相交流电机组成的大厅自动门禁控系统，给出了系统的PLC和三相交流电机的主要控制技术环节。中心控制器通过与IBA AC-08单门禁系统控制器和各种传感器（热释电传感器、接近开关、一氧化碳传感器）的连接，实现了大厅自动门禁系统的刷卡自动启停，自动定位，手动启停，防火报警功能，进而实现了自动门禁系统的安全可靠控制。同时充分利用已有资源和各种逻辑传感器和电铃，信号灯等报警与处理系统。本文还介绍了系统软件设计和仿真，并给出了系统的梯形图程序。关键词：PLC; IBA AC-08单门禁系统控制器；传感器；自动门目录第1章 绪论11.1 选题背景与意义11.2 课程设

2、计主要内容说明2第2章系统总体方案设计32.1 方案设计与论证32.2 系统总框图4第3章 硬件设计53.1 硬件选型53.1.1 主控制器选型53.1.2 行程开关的选型53.1.3 温度检测装置63.1.4 有害气体检测63.1.5 执行部件的选择63.2 硬件电路设计73.2.1 电机电气控制电路73.2.2 固态继电器模块83.2.3 热释电传感器模块93.2.4 一氧化碳检测装置103.2.5 行程开关113.2.6 PLC主控门禁电路与工作12第4章 软件设计144.1 软件流程框图144.2 系统梯形图设计154.2.1 自动开关门程序154.2.2 主程序及作息与报警程序16第

3、5章 系统仿真185.1 系统仿真步骤185.2 仿真结果总结23结论24参考文献25 第1章 绪论1.1 选题背景与意义21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性:有效的防范通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。自动门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模专业制造商。门的高级形式自动门起源在欧美，迅速发展至今，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。大中型公共场所，为这些建筑增添了亮丽、时尚的姿态。自动门从理论上理解应该是门的使用观念的延伸，是人们根据需要对门的功能的

4、提升和完善。所以对自动门的认识应该从人们对门功能的要求开始。自动门的普及和应用，改变了人们的防护意识，提升了人们的安全观念。自动门除可美化出入口环境外，由于中国没有相关的自动门国家标准，导致自动门档次、质量良莠不齐。如果你没有使用过自动门，最好选择一个由专业厂生产、能提供较完善售后服务的自动门品牌。自动门平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，给控制器一个开门信号，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。微波雷达是对物体的位移反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是一旦在门附近的人员不想出门而静止不动后，

5、雷达便不再反应，自动门就会关闭，对门机有一定的保护作用。红外传感器对物体存在进行反应，只要在处于传感器的扫描范围内，它都会反应即传出触点信号。缺点是红外传感器的反应速度较慢，适用于有行动迟缓的人员出入的场所。1.2 课程设计主要内容说明本设计给出了大厅自动门禁系统的功能说明。从硬件上：通过主控器件选型，检测模块、执行器件选择，以及驱动电路的设计。从软件上，通过PLC梯形图的设计，功能模块的整合等工作，使系统具备以下的主要功能：（1）通过刷卡或者密码偷入后，门自动打开，同时待人通过后，等待数秒延时，在没人再靠近门时，门自动关闭。此过程可通过IBA AC-08单门控制器实现感应功能，三相交流电机正

6、反转，以及接触开关，实现门的开与关。（2）考虑到一些人流通量大，长期开关会导致门的损耗较大，因此设有手动开关门的按讯。原理就是电机的交流接触器的互锁与正反转功能来实现。（3）当人员在室内时，进行外出时，不需要刷卡，有热释电传感器能够识别到人体，门禁系统进行开门动作。（4）报警系统能全大候不间断监控大厅周围环境，当大厅内温度超过正常温度设定值或室内有害气体超标时，说明室内发生火灾或者可燃气体泄漏导致室内温过高所致，及时报警，大厅门能够自动打开。第2章系统总体方案设计2.1 方案设计与论证方案一：1、控制系统采用常规单片机，比如STC89C52系列。具有高速/低功耗/超强抗干扰，工作电压在5.5v

7、3.3v，具有EEPROM功能，3个16位定时器/计数器功能、外部中断4路、通用异步串行口，而且还具有丰富的I/O资源。不但操作简单，运用C语言编程比较灵活方便。2、检测模块采用与TTL兼容的常规模块，比如温度采集采用DS18B20、热释电传感器、光电传感器用于行程开关控制量的检测。3、电源部分必须考虑到单片机与传感器的供电为TTL电平，也就是说，必须先经过变压器的二次降压，经过整流桥交-直流的处理，高频信号的滤波、然后再经过TBS7812，TBS7805稳压芯片的稳压处理，才能得到供电电压。4、对于执行部分，采用直流电动机。一方面、考虑到单片机的控制，可以采用直流调速PWM模块进行对速度以及

8、正反转的控制。另一方面、考虑到变压器变压后经过滤波，可以直接供给直流电动机使用。方案二：1、控制系统选用工业型控制器，如小型西门子s-200系列CPU214,其本身支持最大DC24v输入输出，带有模拟量输入输出拓展模块，极大方便了与传感器的接口。4个独立的30KHz高速计数器，2路20KHz高速脉冲输出、1个RS485串行通信等。2、检测模块采用与PLC兼容的拓展模块，比如光电开关选用欧姆龙E-3JM-DS70M4、温度检测采用拓展模块EM231热释电模块 。3、电源部分，可以直接用220v交流电来给系统供电，省去了转换电路。4、执行部分，防止负载承受较重的情况下对电路的损害，选用三相异步电动

9、机，一方面、接线电路简单，易于控制。另一方面、经过交流固态继电器可以直接与PLC接口，执行能力强，便于操作。对于大厅自动门禁上来说，有单独的检测机构IBA AC-08系统控制器直接与PLC相连。检测部分采用PLC拓展模块，检测的范围广，抗干扰性强，而且自带12位ADC模数转换，极大方便了编程控制。执行机构上来说，采用三相交流电机，其承受负载上范围更宽，而且与PLC接口转接也很方便，所以本课题选用方案二。2.2 系统总框图 由于本课设采用的是PLC控制，其电源供电为AC 220v，执行部件采用三相异步电动机，检测部件欧姆龙的光电开关，西门子的热释电模块以及门铃等，都可以直接接在PLC系统上，无需

10、其他的外围电路。图2-1 系统总框图第3章 硬件设计3.1 硬件选型3.1.1 主控制器选型 方案一：选用51系列单片机作为主控制器，操作简单，价钱便宜，具有512字体的RAM，5路中断，2路定时器/计数器，丰富的I/O数目，但结合本题课设的实际需求，外加电路接口比较复杂，而且对电源选择的要求较高。 方案二：选择西门子s7-200系列的CPU型号为214作为主控制器，本机集成了8点输入/6点输出共有14个数字量I/O.可连接2个扩展模块，最大扩展至78点数字量I/O点或10路模拟量I/O点。CPU214有6K字节程序和数据存贮空间，4个独立的30KHZ高速计数器，2路独立的20KH z高速脉冲

11、输出，其有PID控制器。最主要的不需要外部接口电路，直接用AC 220v 来供电，而且可以扩展检测模块组件，不需要单独提供电源。 因此，从实际运用的角度出发，本设计选择以PLC为核心的主控器。3.1.2 行程开关的选型行程开关，是一种检测或发讯用到的低压电器元件，用以将机械运动信号转换成为电气信号。在本设计中主要是对位移量的检测。 方案一：选用常规的光电对管作为接触开关用，其价钱便宜，对接距离短，输出电平范围小，对于接通PLC需要额外的电路来支持工作，而且特别容易受到外界的干扰，这对于大厅自动门禁系统来说，要想灵活控制，减少误差，确实不是一个好的选择。方案二：选用工业级别的光电开关欧姆龙E3J

12、M-DS70M4， PLC可以直接接口控制，控制简单，反应灵敏。对于大厅自动门开关次数多，控制量精准的情况下，本设计选择方案二。3.1.3 温度检测装置 方案一：采用DS18B20来检测温度，对于大多数的温度检测来说，DS18B20数字温度芯片的测温范围在-55度到+125度，增量值在0.5度，而且可以挂靠N条数据总线上，对于单片机控制的系统来说，编程相对简单些，易于扩展检测的温度范围，但对于PLC控制来说，对编程造成了很大的难度。方案二： 选用PLC-EM235模拟输入输出设备模块来检测人体温度，由于该模块是基于热释电传感器一体的模块，直接和PLC相连，输出电流为4-20mA，对应温度在0度

13、到100度，对于大厅自动门内侧检测人员是否外出，已经足够了。对于PLC系统温度采集软件这块，采用DS18B20增加了代码的难度，从应用的范围上说，选用西门子EM235模块，接口简单，操作上也简单，所以选用方案二。3.1.4 有害气体检测 由于室内发生火灾后，室内空气中最主要的气体为一氧化碳，通过对一氧化碳浓度的检测，当高于正常值时，系统会发出报警，大厅门会自动开放，这样一来，对室内人员的逃生提供了方便。 选用的一氧化碳的检测的器件型号为MQ-7，此器件对一氧化碳有较高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的使用性能，探测范围在10ppm到1000ppm，输出对应的模拟电压值在0-5v

14、，完全使用PLC扩展模拟量模块的输入电压要求。3.1.5 执行部件的选择由于大厅大门一般较厚重，所以所采用的电机应该具有较大的启动性能，因此直流电机是个不错的选择，但是考虑到我们常用的电是交流的，因此采用直流电机必须配套较大的整流系统，会增加设计成本。所以本文中采用工厂通用的220V三相交流异步电机。 PLC为晶体管输出型，输出单元允许所带负载工作电源为DC 1224 V，尢法直接驱动交流接触器，只能先驱DC 1224 V的中间继电器，再用中间继电器来带AC 220V的负载，这样就会使得外部接线变得繁琐，而且由于传统的交流接触器为电磁式开关，其机械触点的寿命及可靠性与PLC控制系统相差甚远，较

15、大地阻碍了控制系统性能的发挥。因此像这类的负载，我们需要选择一种更为合适的继电器来充当其受控的开关器件。那么我们就选用固态继电器SSR。3.2 硬件电路设计3.2.1 电机电气控制电路 图中符号说明如下：KM0:正转接触器线圈。KM1:反转接触器线圈。KA:中间继电器线圈。SB1、SB2：门外刷卡关和门内光电感应开关。IBA AC-08单门控制器电路输出端 。SQ1,SQ2:门的限位保护开关。SB5:过载保护开关。SB6:紧急停车保护开关。SB7:启动/停止开关。SB10:手动开门。SB11:手动关门。QF:低压断路器 。FR:热继电器。 图3-1 电机电气控制图3.2.2 固态继电器模块 固

16、态继电器SSR是近年来世界上新兴的控制继电器，这种继电器用几毫安的微小信号可以控制大功率负载的起动与关断，并且其输入信号（控制端）和输出信号（受控端）采用光电隔离电路，保证了输入与输出互不干扰，输出端采用无触点大功率输出电路，整个电路用环氧树脂浇铸为一体。因此，固态继电器运行时无火花、无噪音、无污染、不产生电磁干扰，比电磁继电器具有开关速度快、体积小、寿命长、耐震、耐腐蚀、防潮、防腐、输出端在接通瞬间无震颤现象等优点，可以在严重污染和震动的环境下使用，更具有很高的灵敏度和抗干扰能力PLC为晶体管输出型，输出单元允许所带负载工作电源为DC 1224 V，直接驱动交流接触器，只能先驱DC 1224

17、 V的中间继电器，再用中间继电器来带AC220 V的负载，这样就会使得外部接线变得繁琐，而且由于传统的交流接触器为电磁式开关，其机械触点的寿命及可靠性与PLC控制系统相差甚远，较大地阻碍了控制系统性能的发挥。因此，我们需要选择固态继电器SSR来充当其受控的开关器件。图3-2 固态继电器内部原理图3.2.3 热释电传感器模块 热释电传感器也称非接触温度传感器，采用模拟量输入模块EM235自带有两路热释电传感器接口，检测温度范围在0度到100度，变化的电流范围在4mA-20mA，对人体的温度变化检测比较灵敏，可以在大厅自动门里面，设定某一温度值，当有人靠近时，能够自动检测到人体发出的红外线，有相应

18、的热信号（温度）转换为对应的电流，反馈给主控PLC来做出相应的执行动作，这样一来，就减少了重新刷卡开门的麻烦。图3-3 热释电内部控制原理图3.2.4 一氧化碳检测装置一氧化碳的检测的器件型号为MQ-7，此器件对一氧化碳有较高的灵敏度和良好的选择性，具有长期的使用寿命和可靠的使用性能，探测范围在10ppm到1000ppm，输出对应的模拟电压值在0-5V，浓度越高输出电压越高，完全符合PLC扩展模拟量模块的输入电压要求。图3-4 一氧化碳检测电路装置图3.2.5 行程开关 行程开关，是一种检测或发讯用到的低压电器元件，用以将机械运动信号转换成为电气信号，用工业级别的光电开关欧姆龙E3JM-DS7

19、0M4，PLC可以直接接口控制、控制简单，反应灵敏。对于大厅自动门开关次数多，控制量精准的情况下运用此器件符合要求。，行程开关是一种根据运动部件的行程位置而切换电路的电器，它的作用原理与按钮类似。行程开关广泛用于各类机床和起重机械，用以控制其行程和进行终端限位保护。在自动门装置中就是用它进行终端限位保护。图3-5行程开关检测电路原理图3.2.6 PLC主控门禁电路与工作 由于采用PLC作为主控器件，其模拟外围接线图和PLC连接如下图所示： 图3-6 PLC控制电路模拟接线图图3-7 PLC 外接EM235接线图PLC是采用周期循环扫描的工作方式，CPU连续执行用户程序和任务的循环序列称为扫描。

20、CPU对用户程序的执行过程是CPU的循环扫描，并用周期性的地集中采样、集中输出的方式来完成。如图3-8表示：图3-8 PLC工作原理流程图表3-1 PLC I/O 分配地址代号工程名地址代号工程名I0.0SB10手动开门I1.0SB8消铃按钮I0.1SB11手动关门I1.1SB5过载保护I0.2SB1门外刷卡关Q0.0KM0开门电机正转I0.3SB2门内热释电感应开关Q0.1KM1关门电机反转I0.4SQ1开门到位限开关Q0.2KM2火警指示灯I0.5SQ2关门到位限开关Q0.3KM3警铃I0.6SB3一氧化碳感应开关I1.2SB6紧急暂停保护开关I0.7SW1固态继电器开关I1.3SB7停机

21、按钮第4章 软件设计4.1 软件流程框图对于软件的设计，本系统结合各个功能模块的应用和PLC扫描周期的原理，做好系统模块间的时间耦合，这样做的目的，使系统更加反应灵敏，减少了盲区。 图4-1 系统软件设计流程框图4.2 系统梯形图设计4.2.1 自动开关门程序主要代码含义说明：I0.2:门外刷卡开关。I1.3(SB7)：停机按钮 。I0.3:门内热释电开关。M0.0：常闭开关I0.0:手动开门。 I0.4(SQ1)：开门到位限开关。Q0.0:开门电机正转。T39：定时器常开。I1.3：停机按钮。M0.0:电机线圈常闭。I0.5：关门到位限开关。Q0.0：KM0 线圈常闭。Q0.1：KM1线圈常

22、开。I0.1：手动开门。图4-1自动开关门程序4.2.2 主程序及作息与报警程序当室内发生了火灾时，一方面为热释电开关I0.7做出人体温度的检测，另一方面有I0.6通过检测空气中一氧化碳的浓度来判断，系统就会根据程序的设定来决定相应的动作。图4-2主程序检测与报警程序第5章 系统仿真5.1 系统仿真步骤采用西门子公司专为s7-200系列可编程控制器设计开发的STEP7-Micro/WIN32，既可开发控制程序使用，也可以实时监控程序执行的状态。根据控制要求和硬件的部分的设计情况，以及PLC控制系统中I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件设计中，首先需要按照控制系统的功能要求画出系统流程框架

23、图，然后细化流程图，按照不同的功能要求编写不同的功能模块。编写好程序编译正确后可以复制到仿真程序中进行仿真，仿真软件是西门子S7-200的仿真软件Simulation。仿真步骤如下：（1）在Step7MicroWin V4.0中新建一个项目。编译正确后转换成STL编程语言界而(查着(V)一STL (S)。 图5-1 新建项目图图5-2 梯形图转换成STL（2）程序复制，选择需要仿真的程序，然后点击“编辑”一“复制"。（3）打开仿真软件，点击配置-CPU型号（或在已有的cpu图案双击）。图5-3 设置CPU相关信息（4）在弹出的对话框中选择CPU型号，要与你项目中的型号相同，（5）点击

24、程序-黏贴程序Step7MicroWin V4.0中的STL程序就粘贴到仿真中。（6）点击查看-内存监视，输入想要的监视地址。图5-4 内存监视（7）点击PLC-运行，程序已开始模拟运行。图5-5 模拟运行（8）记录仿真结果。 1、 当I0.2或者I0.3端口的值为1时，说明有门外刷卡或者门内热释电感应开关打，Q0.0值为1，电机正转，按规定开门，延时8秒然后循环检测人员是否进出完毕。图5-6 自动门禁开门控制 2、当I0.5=0时，说明关门到限开关闭合，延时后，检测无人通过，Q0.1值为1，电机反转，大门闭合，或者当I0.1设定值为1时，手动关门。图5-7 自动门禁关门控制3、当设定I0.6

25、=1时，说明一氧化碳超过设定值，使Q0.2=1，启动火警报警和指示灯工作，然后使Q0.0值为1，启动电机正转使大门打开，程序一直检测循环，知道人为关闭Q0.3，这样警报和指示灯熄灭，程序重新循环。图5-8 自动门禁检测报警装置控制4、当检测到Q0.2=1时，线圈KM2带电，驱动报警装置启动，当人为的去按下I1.0时，线圈KM3失电，使M0.3为0，结束报警指示的动作。图5-9 自动门禁电铃控制5.2 仿真结果总结 本设计完成了课题基本部分全部要求，能够实现自动门禁功能和安全报警功能，主程序和子程序能分别进行仿真，通过仿真能够稳定工作，但是由于各种原因不能进行全文程序的仿真。同时由于精力及资料关

26、系该课题还有许多有待改进的地方没有改进，PLC的强大功能也只用到了小部分，比如用一氧化碳报警和温度报警以及可以加一个粉尘报警后再加上相应的设备及程序可以实现智能灭火、除尘及调温的功能。还有可以在门禁系统是添加晋能识别系统或者设计密码锁实现真正的大厅自动安全门禁。通过此次课程设计，从查阅相关的PLC资料，到期间的选型，系统方案的对比分析，发现PLC运用工业控制是在合适不过的了。因为，PLC系统的抗干扰性是很强的，对于220v交流电的输入，存在很多的谐波，震荡比较大，那么对输入就会产生很大的干扰，而PLC器件很够很好的解决这个问题，可以得到正确的模拟量，这样一来，对控制量的操作就比较方便，当然更有

27、利于编程。仿真只是验证课题是否正确的一个参考，对于复杂的系统，我们用仿真能够减少成本，避免较大的实验错误，这样一来，我们就可以真正做到心中有数，来方便解决我们所面对的问题。结论本设计研究了PLC的自动门控制系统的设计原理与实现方法，包括硬件设计与软件设计，将PLC应用到自动门控制系统中，充分发挥PLC高可靠性和抗干扰性特点，外部接线简单、灵活，维修方便。采用了双元件型红外线光电感应器防止夹人(或物)的情况出现。传感器灵敏可靠，不受环境因素的干扰，具有较高的适用性。但在实际应用中还应结合实际情况，考虑各部分的容量及其实际的技术参数，供电电源的设计、系统接地问题、电缆设计与铺设、PLC输出端保护等问题，已使系统达到安全可靠的工作，所以要想用于实际中，必须得通过现场调试。这就又给我们提出了更高层次的问题，毕竟一个