红外线感应自动门单片机控制系统.docx
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红外线感应自动门单片机控制系统
摘要
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“红外线感应自动门单片机系统的设计”的研究和设计，精心撰写了控制自动门系统论文。
本论文着重阐述了以单片机为主体，传感器及步进电机为核心的系统。
本设计主要应用AT89C51单片机作为控制核心，步进电机、热释电型红外传感器、电位器相结合的系统。
充分发挥了单片机的性能。
其优点硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比较高等特点，具有一定的使用和参考价值。
关键词:
单片机;步进电机;传感器
Title:
Infraredsensingautomaticmicrocontrollersystem
Abstract
Alongwithsociety'sdevelopment,thetechnicalprogressaswellasthepeoplelivingstandard'sgradualenhancement,eachkindofconveniencestartedinthelifeautomaticcontrolsystemtoenterpeople'slife,takethemonolithicintegratedcircuitasthecoreautomaticvalvesystemwasoneofthem.Simultaneouslyhadalsosymbolizedtheautomaticcontroldomainhasbecomedigitizedtimeone.Itsusable,thefunctioniscomplete,thetechnologicaladvance,causesthepeopletobelievethatthisistheadvanceintechnologyachievement.ItletsthehumanityunderstandthatDigitalAge'sdevelopmentwillchangehumanity'slife,willspeedupthescienceandtechnologythedevelopment.throughright“controlautomaticvalvesystem”theresearchandthedesign,havecomposedthecontrolautomaticvalvesystempapercarefully.Thepresentpaperelaboratedemphaticallytakethemonolithicintegratedcircuitasthemainbody;thesensorandstep-by-stepstheelectricalmachineryforthecoresystem.
Thisdesignmainly89C51takesthecontrolcoreusingthemonolithicintegratedcircuit,step-by-stepssystemwhichtheelectricalmachinery,thepyroelectricinfraredsensor,thepotentiometerunify.Hasdisplayedmonolithicintegratedcircuit'sperformancefully.Itsmerithardwarecircuitissimple,thesoftwarefunctionisperfect,thecontrolsystemisreliable,theperformance-to-priceratiohighercharacteristic,hascertainuseandthereferencevalue.
keywords:
Themonolithicintegratedcircuitstep-by-stepstheelectricalmachinerysensor
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第一章绪论1
1.1论文来源及意义1
1.2本课题国内外研究现状及发展趋势1
1.3论文预期成果的理论意义和应用价值3
1.4本课题研究的意义和目的4
第二章系统总体方案设计及论证6
2.1系统设计要求及其分析6
2.2系统控制核心对比及选择6
2.3无刷电机与步进电机的对比及选择8
2.4系统的方案对比及最终方案9
第三章系统硬件设计11
3.1传感器单元11
3.1.1SD02热释电传感器结构与工作原理11
3.1.2SD02主要参数13
3.1.3红外传感信号处理器BISS000113
3.1.4HoneywellSS41数字型霍尔效应位置传感器18
3.1.5温度传感器AD59018
3.2AT89C51单片机系统19
3.2.1主要特性：
19
3.2.2管脚说明：
20
3.3光电耦合器4N2521
3.4看门狗芯片MAX690A22
3.58155H芯片介绍23
3.6HD7279A24
3.7ADC080925
3.8并行实时时钟芯片DS1288726
3.9无刷电机模块28
第四章系统软件设计34
结束语40
参考文献41
附录1：
43
附录2：
46
附录3：
系统设计硬件原理图55
第一章绪论
1.1论文来源及意义
门和人类文明是孪生的，它伴随着人类文明的发展而跃动。
数千年来，门一直作为人类社会活动的守护神，拒侵入者于门外，而作为人类社会活动的航道，门有承载着文明，追寻人们向往的光辉彼岸。
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，自动门从理论上理解应该是门的观念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。
所以对自动门的认识应该从人对门功能的要求开始。
作为建筑物一部分的门，从最基本的意义上讲，要同时满足隔离外部环境和不妨碍人的通行两种要求。
因此门体本身要求牢固与密封。
门的功能要满足使用方便的要求，使用方便的最高要求就是自动控制，于是就产生了自动门。
不同使用环境对使用的方便性有不同的要求，于是就发展出各种功能配置的自动门。
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。
1.2本课题国内外研究现状及发展趋势
自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等，应用非常广泛。
使用自动门，可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使我们的出入口显得庄重高档。
随着我国国际地位和科研水平的不断提高，各种大型宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等对自动门的需求也增大，国内的酒店、宾馆等为了提高自己的豪华程度和较好的人性化享受也对自动门有了较高的新要求。
现有的一些自动门功能较简单，使用不方便，而且安全系数不高，最近日本自动旋转门挤死儿童事故[22]就是关于安装在旋转门上部的传感器的死角范围、从传感器发现异常到旋转门停止的时间以及迄今为止的事故件数等方面可见，考虑效率和安全是两项并重的，所以，设计出一套既安全，效率又高的自动门系统迫在眉睫。
国外厂商对自动门系统的研究起步较早，自动门的灵魂企业：
世界第一台自动门的研发工厂。
DOORMX开发，生产和在世界范围内销售自动门系统。
从1802年8月，德标公司成功设计并开发出世界第一台感应自动门，以后为自动门能顺畅，平静，安全地运，多样化地设计的创新理念一路走来，努力设计，生产高品质和值得依赖的性价比优的产品，并且有完整的解决方案提供，但价格十分昂贵。
国内做自动门系统的据不完全统计，目前国内大大小小生产感应自动门的厂家已有很多家，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。
而本身国内的标准就很少，所以要明确一个标准才能体现一个产品的完整也严密。
专业化分工趋势显现早期的自动门生产厂家，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，出现了专门生产自动门主要部件的厂家，如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件、传感器等出现了专业生产厂家，这一趋势使生产自动门的门槛降低，进入的厂家进一步增多，导致竞争更加激烈。
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，整体档次较低，主要集中在低端市场。
产品同质化和市场特点导致利润微薄产品同质化严重，加之自动门的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。
日后的自动门的技术发展方向将会是：
智能化，多功能：
今后的自动门还将进一步提高智能化程度，如自动检测开关门行程位置，自动适应门体阻力的变化，以始终保持较高的遇障保护灵敏度等。
还将增加一些新的功能，如和住宅安防系统配合使用等。
免维护：
采取多种措施，减少使用过程中的维护工作。
多样化：
将会有各种各样不同外观和功能的产品，满足用户的不同需要。
高安全性：
随着用户安全意识的提高，安全性将是用户非常注重的一项指标，也将是一项基本要求。
前不久也发布了《自动门》标准：
《自动门》标准的启动情况目前由于没有相关的技术标准，各厂家的产品都按照自己的企业标准进行生产，对各项技术指标的要求和测量方法都不尽相同，如提升力等参数，差别较大，在市场上造成了较大的混乱，给用户选择带来不便，也不利于行业的发展。
因此，有必要制定自动门开门机的技术标准，明确规定开门机的主要技术指标以及测试方法等，引导市场有序竞争，促进行业发展。
在建筑金属结构协会和门业标委会的大力推动下，《自动门》标准编制工作已经展开，目前有许继施普雷特机电设备有限公司、深圳固威特科技有限公司、沈阳未来科技发展有限公司、福建漳州市麒麟电子有限公司和上海昌顺电子信息技术有限公司等5家单位参与了此标准的编制工作。
2005年4月2日，在北京召开了编制组成立会和首次工作会议。
经过编制组两个多月的工作，现该标准的初稿已经形成，拟于近期召开编制组第二次工作会议，对初稿进行讨论和修改。
标准初稿的简单介绍标准规定了自动门的分类、技术要求、检验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存等内容，其中主要内容是技术要求和检验方法。
技术要求主要包括基本功能、启闭速度、静态功耗、提升力量、遇阻保护灵敏度、导轨强度、行程限位、电气安全性等。
基本功能规定产品应具备的基本功能，如应有行程限位和调节功能，应具备临时照明功能，可连接墙壁开关、光电开关等。
启闭速度规定产品运行的合理速度。
静态功耗产品在静止状态下消耗的功率。
产品24小时通电，较低的静态功耗可减少能源消耗。
目前国内用户较少关注此项指标，但随着时间的推移，用户节能意识的提高，必将受到关注。
提升力量产品最大能够提升的门体重量，保证产品使用时能够正常拉动门体。
遇阻保护灵敏度激活产品遇阻保护需要施加的与运行方向相反的力量，较高的灵敏度能够保证产品具有更好的安全性。
导轨强度主要是导轨的挠度，保证产品在提升较重的门体或行程开关失控导轨受离合器冲击时，导轨有足够的强度和刚度。
自锁力产品停止运行或断电时的自锁力应大于产品标称的最大提升力，从而保证门体停在中间位置时不会自行落下，伤及人员或损坏车辆等物体。
电气安全性包括绝缘电阻、介质强度、接地保护等，保证产品的基本电气安全性。
尤其要加强对强电区的防护，确保人身安全。
这在“UL”标准中要求非常严格。
标准编制中需要重点说明的问题
提升力的测量方法有的厂家标称的是产品瞬间能够达到的最大提升力量，而还有的厂家标注的是产品实际能够拉动的门体的最大重量，应该有一个统一的标准，避免市场混乱。
静态功耗指标可引导产品向低功耗，节能化方向发展，具有长远的积极意义。
遇阻保护的灵敏度安全性是产品必须具备的基本要求，较高的遇阻保护灵敏度才能够保证门体在挤压到人或其它物体是能够迅速返回，从而起到很好的保护作用。
标签和说明书中应该说明的技术参数规定产品必须标明的技术参数，便于用户选型使用，也便于质量监管部门对产品性能和质量进行监督检验。
也就是说，日后的自动门会更加安全、效率更加高并且还会加上智能模块，智能检测人员是否能够进入等等。
1.3论文预期成果的理论意义和应用价值
本次课题研究的理论意义表现在:
（1）探索新的技术创新和技术推广,丰富和完善技术创新，推广自动门的应用范围
（2）将自动门的研究方法应用与其他的领域中，也有助于带动芯片类的发展和完善。
本次课题研究的应用价值体现在:
（1）以单片机为核心的自动门系统标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员；
（2）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;（3）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。
1.4本课题研究的意义和目的
使用自动门，可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使我们的出入口显得庄重高档。
目前的国内做自动门的厂商大多使用国外技术，这样的企业基本有一套或者几套解决方案，可是都不是自主的产权，投产和规模生产也比较困难。
而且都有普遍存在着如密闭效果差、运行速度过快过慢、故障率高等缺陷，给用户带来许多不便，而且出现问题自己的工程师只能表面看问题，实际的芯片程序改进还是需要技术支持的厂商来提供维修评测人员，既浪费金钱又浪费时间，所以，自行研究开发是主要内容，本次课题就是为了这样的目的，就是要提出一种基于单片机控制和红外线感应传感器，并且使用安全的直流无刷电机的自动门系统，采用S型曲线调速方式，如下图
图1-1开、关门速度曲线
保证了自动门的运行平滑、稳定。
同时也提高效率和很好的扩展性能。
安全性能是这次设计的重点，考虑到自动门应用到不同的地点，很多扩展部分也不同，我们在后面会提出如：
（1）自动门断电保护：
如果断电，门即打开：
一旦锁住。
断电时门也要保持锁门状态。
这样就可以防止有人在XX的条件下，试图利用断电来打开门：
所以，锁功能如果不能在程序设计中予以合理的安排，就会发生偶然性开门，这是非公共区域所不允许的。
因此，非公共区域的自动门应有消防人员能够控制的紧急开门的钥匙开关。
这是自动门的保安性功能与紧急状态功能的折中。
（2）防火安全自动门：
无自锁，这种门机还有一个比较特殊的"推即开"功能，也就是当人用手推门时，推门的力量大到一定程度后，门就会自动打开，这样就可以在不安装雷达等信号装置的条件下，使门自动化运行。
如果加上"零位控制器"，这种自动门可以达到双向开启，即如果人要从门外进入室内，自动门就向室内开启，反之，则向室外开启。
在附加了各种如过热保护等电气安全性功能以后，这种自动门可以使用很长时间。
在东北地区有一个医院在八十年代安装了一个德国制造的全电动自动平开门，直到十八年后的现在还可以正常使用。
（3）银行防盗自动门：
门禁系统就是使锁门实现自动化的处理方案。
门禁系统是在非公共区域防止非授权开门，提高保安性。
然而仍旧有弊端，有的时候是致命的，这里也将会在后面讨论。
（4）自动反向功能与偶然状态，即自动门的遇阻检测性能：
说到遇阻检测就不能不说电机，毕竟是电机带动自动门运行，我们应用的是无刷直流（BLDC）电机具有运行效率高，又解决了普通直流电机不稳定、噪音大、干扰大和电刷寿命短等问题，特别是它的调速范围宽、耐用、耐压和低价位等特性使其在控制领域获得了广泛的应用。
用无刷直流电机来拖动自动门页，不仅机械结构简单，而且调试方便，故障率低，因此在自动门控制系统中广泛采用BLDC电机。
目前自动门的国内市场的需求量有明显增加，对设计也有更高的要求，主要对门页运动的安全性提出了更高的要求。
为此，我们在自动门控制系统中，通过对实验数据的分析，提出了对位置脉冲的宽度的梯度作为遇阻门限的检测，这样使遇阻门限的设定更加简单方便，并通过实际系统的运行，证明这个方法的是可行的，所以，更要求控制芯片的精度和解决突发情况的能力。
本次课题的中心部分就是使用红外感应传感器产生信号，单片机控制直流无刷电机的红外感应自动门系统，关键部分分别为红外传感器、A/D转换部分、单片机控制芯片部分、直流无刷电机模块等等完成的是一个安全可靠，并且效率兼备的感应自动门系统。
第二章系统总体方案设计及论证
2.1系统设计要求及其分析
任何一个控制系统的设计开发，首先要明确设计基本要求，即分析输入信号、输出信号及要求完成的控制。
红外线感应自动门，即用热释电红外线传感器等来感应门前有无人进出，并将信号发送给控制系统，由控制系统控制电机转动以达到自动门开闭门的目的，这只是大体的要求，还要有其他的功能，例如自动门自动调速、防夹、备用电源等等。
根据系统要求实现的功能，设计中要注意以下几个基本问题：
（1）实时控制：
随时探测有无人进出，随时开闭门，即系统反应要及时；
（2）安全性：
连续有人通过时要及时探测，避免将人夹伤；
（3）实用性：
门的开闭速度要较快，既不妨碍行人通过，又能保持室内空调的恒温效果；
（4）经济美观：
出于美观、安全、采光等因素的考虑，自动平开门一般为玻璃门，因此开、闭门将到极限位置时减慢速度，以免冲击力损坏门体。
2.2系统控制核心对比及选择
自动门控制系统是利用执行电机来带动自动门机械系统实现开关门。
由于自动门系统工作环境和工作对象的特殊性，该系统要求实现开关门必须快速、平稳、冲击力小且能可靠运行，这样就要求系统的数字控制。
所以，可以应用的芯片有很多种，比如说单片机、PLC、DSP等等。
所以这里我采用单片机或者PLC来控制电机及外围设备，关于单片机和PLC的对比，首先得明确什么是单片机，什么是PLC。
对此，我们简要回顾一下计算机的发展历程也许有帮助。
按计算机专家的原始定义，计算机系统由五大部分--即控制单元（CU）、算术运算单元（ALU）、存储器（Memory）、输入设备（Input）、输出设备（Output）组成。
早期计算机（晶体管的或集成电路的，不包括电子管的）的CU或ALU由一块甚至多块电路板组成，CU和ALU是分离的，随着集成度的提高，CU和ALU合在一块就组成了中央处理单元（CPU）,接着将CPU集成到单块集成电路中就产生MPU或MCU,出现了如Intel4004、8008、8080，8085、8086、8088、Z80等MPU。
速度从4.7MHz到现在的3.2GHz。
另一支则往多功能方向发展，将存储器（ROM、PROM、EPROM、EEPROM、FLASHROM、SRAM等）、输入/出接口（Timer/Counter、PWM、ADC/DAC、UART、IIC、SPI、RTC、PCA、FPGA等）全部集成在一块集成电路中而成为SOC。
而这就是当今广泛应用的单片计算机，简称单片机。
这一分支可谓品种繁多，位宽从8位到32位，引脚数从6个到几百个，工作频率从几十KHz到几百MHz,体系结构既有CISC也有RISC,数不胜数。
常用的有MCS-51系列、MCS-96系列、PIC系列、AVR系列、ARM7/9系列、TMS320系列、MSP430系列、MOTOROLA众多的单片机等等。
至此，我们可以将计算机核心处理器的发展划分为三个阶段：
板级的CPU、芯片级的MPU和SOC。
PLC是什么呢？
PLC的全称是ProgrammableLogicController（可编程序控制器）,刚引入国内时，曾简称为PC。
后来，IBM-PC获得广泛应用，PC成了个人电脑的代名词，才改为PLC。
PLC是一种产品，但这种产品有点特别，在没有下载控制程序之前，它不具备任何控制功能，也就是说，没有应用程序的PLC是毫无用处的。
PLC实际上是专为工业环境使用的通用控制平台，它必须进行二次开发才能完成最终控制目的，因此，它还需程序编辑/调试软件的配合。
PLC是智能产品，它的核心控制器采用什么方案呢？
板级的CPU肯定是不能考虑的，MPU也要好几块集成电路构成，以Z80MPU为例，需要Z80MPU、PIO、CTC、SIO、EPROM、SRAM等，把这些集成电路安装在一块电路板上，这就是期的单板计算机。
这种方案体积太大，不适合现代要求。
由此可见，PLC的核心控制器采用单片机是最合适的。
由此可得出结论：
单片机可以构成各种各样的应用系统，从微型、小型到中型、大型都可，PLC是单片机应用系统的一个特例。
不同厂家的PLC有相同的工作原理，类似的功能和指标，有一定的互换性，质量有保证，编程软件正朝标准化方向迈进。
这正是单片机要比PLC获得更广泛应用的基础。
最后，从工程的角度，谈谈PLC与单片机系统的选用；
（1），对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC方案是明智、快捷的途径，成功率高，可靠性好，但成本较高。
（2），对于量大的配套项目，采用单片机系统具有成本低、效益高的优点，但这要有相当的研发力量和行业经验才能使系统稳定、可靠地运行。
最好的方法是单片机系统嵌入PLC的功能，这样可大大简化单片机系统的研制时间，性能得到保障，效益也就有保证。
而且单片机的外围设备扩展容易掌握和控制，并且有高度的兼容性和稳定性。
故此，针对本次设计的主要内容，参考工业量产的自动门标准，并且考虑到资金的缘故，我采用单片机作为系统的控制核心单元。
单对AT89C51来说，在实际电路中可以直接互换8051/8751，替换8031只是第31脚有区别，8031因内部没有ROM，31脚需接地（GND），单片机在启动后就到外面程序存储器读取指令；而8051/8751/89C51因内部有程序存储器，31脚接高电平（VCC），单片机启动后直接在内部读取指令。
也就是51芯片的31脚控制着单片机程序从内部读取还是从外部读取，31脚接电源，程序从内部读取，31脚接地，程序从外部读取。
其他无须改动。
另外，AT89C51替换8031后因不用外存储器，不必安装原电路的外存储器，因此本设计采用AT89C51单片机作为CPU最为合理。
2.3无刷电机与步进电机的对比及选择
控制直线运动单元的主要执行机构就是电机部分了，这部分可以说是本次设计中最重要的执行单元，因为不管使用PLC还是单片机，都是要控制好电机来带动门体运动，而平开门只是直线运动，更要求电机完成直线运动的效率和稳定。
这样，我们选择电机的时候就不能单从一个方面来考虑，必须在多个方面，比如说稳定性，高效率，安全性等等来选择电机。
这里我们只分析下步进电机和无刷电机的对比。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
当步进
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