电子装置设计报告课程设计基于单片机控制的自动门系统设计.docx
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电子装置设计报告课程设计基于单片机控制的自动门系统设计
电子装置设计报告
题目：
基于单片机控制的自动门系统设计
学 号：
______130302416______
姓名：
_______金鑫_________
班级：
______自动化1304班______
目录
摘要……………………………………………………………...........................................................................................................1
第一章绪论……………………………………………………………………………………………...…………………………....................1
1.1课题的意义和目的…………………………………………………………………………………………….....................…1
1.2课题的功能概述……………………………………………………………………………………....................………………1
1.3该设计的基本设计思路……………………………………………………………………..................……………………2
第二章主要器件的介绍……………………………………………………………………………..…………………..................…3
2.1热释红外传感器的原理和使用…………………………………………………………………………...................…3
2.2BISS0001芯片介绍和典型电路…………………………………………………………...………………....................4
2.3AT89C51单片机简介……………………………………………………………………...…………………..................…...9
2.4菲涅尔透镜原理………………………………………………………………………………………………....................…12
2.5步进电机…………………………………………………………………………………………………………...................……13
第三章系统硬件设计................................................................................……….................................15
3.1设计电路的电框图和原理………………………………………………………………………………....................…15
3.2 设计电路原理图………………………………………………………………………………………………....................…16
第四章调试……………………………………………………………………………………………………………………….....................17
第五章 实习感想…………………………………………………………………………………………………………........................18
参考文献……………………………………………………………………………………………………………………………....................……..19
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AT89C51BIS0001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：
技术指标单门双开门
门重量130kg×1扇100kg×2扇
导轨长度2000~5000mm
开门速度200~450mm/秒（可调）
闭门速度200~450mm/秒（可调）
慢行速度30~50mm/秒（可调）
开门时间开门静止后1~10秒的范围内（可调）
控制器高速智能电脑处理器控制
马达DC24V40W无刷步进电机
电源电压AC220V50Hz
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：
图1—1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3—1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。
图3—1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3—2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ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=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ΔT，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3—2热释电红外线传感器的结构及内部电路
2.2BISS0001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。
①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。
②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。
③脚（RX）和④脚（CX）为输出定时控制器T，的外接元件端，定时时间为：
TX＝50×103RXCX。
⑤脚（Ri）和⑥脚Ci）为锁定时间控制器Υi的外接元件，锁定时间Ti＝24RiCi。
⑧脚（VRF）为参考电压及复位端，使用时一般接VDD，若按ⅤSS，可使定时器复位。
⑨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.⑩脚（IB）为偏置电流设置端，由外接电阻RB接ⅤSS端，RB一般取1MΩ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。
2.2.1BISS0001的内部：
图3—3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。
2.2.2BISS001管脚图：
图3—4BISS001管脚图
2.2.3BISS001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。
2
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
2.2.4BISS0001的参数：
符号
参数
测试条件
参数范围
单位
Vm
电源/电压
——
—0.3~6.0
V
V1/V0
输入/输出电压
——
Vss-0.3~Vdd+0.3
V
Im
最大输出电流
Vm
10
MA
Topr
工作温度
——
—20~+70
℃
Tstg
贮存温度
——
—40~+125
℃
2.2.5BISS0001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
V
Im
工作电流
无负载
Vm=3V
50
uA
Vm=5V
100
Vos
输入失调电压
Vm=5V
50
mV
Ios
输入失调电流
Vm=5V
50
mA
Avo
开环电压增益
Vm=5V,RL=105MΩ
60
dB
CMRR
工模抑制比
Vm=5V,RL=105MΩ
60
dB
Vүh
运放输出高电平
Vm=5V
Rl=500KΩ接1/2Vm
4.25V
V
Vүl
运放输出低电平
0.75
V
Vrm
Vc端输入高电平
Vm=5V
1.1
V
Vrl
Vc端输入低电平
0.9
V
Voh
Vc端输出高电平
Vm=5V
4
V
Vol
Vc端输出低电平
Vm=5V
0.4
V
Vah
A端输入高电压
Vm=5V
3.5
V
Val
A端输入低电压
Vm=5V
1.5
V
2.2.6BISS0001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。
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，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。
在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。
BISS0001应用线路图如3-7所示:
图3-7BISS0001的热释电红外开关应用电路图
上图中，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T1放大驱动继电器去接通负载。
上图中，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是一个独立的放大器，由它放大后输出的信号电压通过.
2.3AT89C51单片机简介
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。
其结构如图2-8所示：
图3-8 单片机结构框图
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）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-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3-9所示。
图3-9AT89C51外形及引脚排列
2.3.1AT89C51管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
在实际应用中，大多数情况下都使用P3口的第二功能。
P3.0—RXD：
串行输入口
P3.1—TXD：
串行输出口
P3.2—/INT0：
外部中断0
P3.3—/INT1：
外部中断1
P3.4—T0：
记时器0外部输入
P3.5—T1：
记时器1外部输入
P3.6—/WR：
外部数据存储器写选通
P3.7—/RD：
外部数据存储器读选通
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
2.3.2振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
2.4菲涅尔透镜原理
菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。
镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。
圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。
红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。
同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。
垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。
区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。
不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。
区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。
由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。
2.4.1镜片主要有三种颜色：
聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。
白色主要用于适配外壳颜色。
三、黑色用于防强光干扰。
镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。
菲涅尔透镜是一种精密的光学系统，专门是用来与热释电红外传感器配套使用，其结构如图3-10所示。
图3-10菲涅尔透镜
它由经过特殊设计的透镜组构成，上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠，都相隔一个盲区。
当热源（比如人）在透镜前运动时，顺次从某一单元透镜视场进入又退出，投射信号会出现一个接一个的断续信号，但是热源信号始终都是集中在透镜中部的。
将连续的热源信号变成断续的辐射信号，使热释电传感器能正常工作。
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．即结一个脉冲信号，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闹的前景。
2.5.1反应式步进电机
以下是三相反应式步进电动
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