紅外線自動門控制系統(tǒng)設(shè)計

目錄摘要 3第一章緒論 11.1課題研究的可行性 11.2國內(nèi)自動門發(fā)展現(xiàn)狀 11.3課題的意義和目的 21.4課題的功能概述 21.5該設(shè)計的基本設(shè)計思路 4第二章方案論證 52．1調(diào)速控制方法及選擇 5直流伺服電機(jī)與普通直流電機(jī)以及交流伺服電機(jī)的比較 52.1.2選用PWM調(diào)速系統(tǒng)控制直流伺服電機(jī) 52．2單片機(jī)的選擇 62．3門控傳感器的選擇 6第三章主要器件的介紹 73.1熱釋紅外傳感器的原理和使用 73.2BISS0001芯片介紹和典型電路 93.2.1BISS0001的內(nèi)部 103.2.3BISS001管腳圖 113.2.4BISS001管腳說明 113.2.5BISS0001的參數(shù) 123.2.6BISS0001直流特性參數(shù) 123.2.7BISS0001工作原理 133.3AT89C51單片機(jī)簡介 163.3.1AT89C51主要特性 173.3.2AT89C51管腳說明 183．3.3振蕩器特性 20．芯片擦除 203.4菲涅爾透鏡原理 203.4.1鏡片主要有三種顏色 213.4.2菲涅爾透鏡的主要技術(shù)指標(biāo) 213.5步進(jìn)電機(jī) 22步進(jìn)電動機(jī)有如下特點: 223.5.2反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 223.5.2反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的步進(jìn)原理 233.5.3驅(qū)動控制系統(tǒng)組成 253.5.3.1脈沖信號的產(chǎn)生與分配 253.5.4斬波驅(qū)動 26第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計 284.1設(shè)計電路的電框圖和原理 28系統(tǒng)硬件總體邏輯設(shè)計 294.2設(shè)計電路原理圖 29第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計 315.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 315.2各部分程序設(shè)計 315.2.1信號流程說明 36第六章調(diào)試 396.1初步檢查 396.1.1為了確保該門控系統(tǒng)的安全高效運行必須滿足下列條件： 396.2自動化性能測試 396.2.1手工操作 396.2.2恢復(fù)正常運行模式 396.3維護(hù) 40第七章設(shè)計總結(jié) 41參考文獻(xiàn) 42致謝詞 43摘要單片機(jī)SCM(SingleChipMicrocomputer)，即MicroController，是把微型計算機(jī)主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機(jī)。主要包括了微處理器(CPU)、存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出口(1/0口)和定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等功能部件。單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，以其極高的性能價格比，受到人們的重視和關(guān)注，應(yīng)用很廣、發(fā)展很快。而51單片機(jī)是各單片機(jī)中最為典型和最有代表性的一種。本次設(shè)計是紅外線自動門控制系統(tǒng)，使用紅外線傳感器作為感應(yīng)器，檢測到人體輻射的紅外線能量變化，將其轉(zhuǎn)化為電信號，傳給單片機(jī)。交流電機(jī)作為門驅(qū)動裝置。通過單片機(jī)控制交流電機(jī)，使門自動打開，當(dāng)人進(jìn)門后又可以使門自動關(guān)閉。本課題主要實現(xiàn)紅外線檢測和基于AT89C51的單片機(jī)控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)熱釋紅外線傳感器AT89C51BIS0001芯片第一章緒論1.1課題研究的可行性現(xiàn)如今自動化、信息化程度越來越高，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也就越來越廣，成為人們生活不可或缺的一部分。隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生活的自動控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的自動門系統(tǒng)就是其中之一。同時也標(biāo)志了自動控制領(lǐng)域成為了數(shù)字化時代的一員。它實用性強(qiáng)，功能齊全，技術(shù)先進(jìn)，使人們相信這是科技進(jìn)步的成果。它更讓人類懂得，數(shù)字時代的發(fā)展將改變?nèi)祟惖纳?，將加快科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

通過對“紅外線自動門控制系統(tǒng)”的研究和設(shè)計，我精心撰寫了紅外線控制自動門系統(tǒng)論文。本論文著重闡述了以單片機(jī)為主體，步進(jìn)電機(jī)、傳感器為核心的系統(tǒng)。1.2國內(nèi)自動門發(fā)展現(xiàn)狀1)廠家多，規(guī)模小5～6年來幾年來，自動門在國內(nèi)得到了快速的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)大大小小生產(chǎn)自動門的廠家已有50多家，但普遍生產(chǎn)規(guī)模小，自主研發(fā)能力差。從新產(chǎn)品開發(fā)能力和質(zhì)量穩(wěn)定性方面還不具備和進(jìn)口產(chǎn)品競爭的實力。2)專業(yè)化分工趨勢顯現(xiàn)早期的生產(chǎn)廠家，一般是自主研發(fā)和生產(chǎn)，頂多委托代加工部分零部件。近兩年來，出現(xiàn)了專門生產(chǎn)主要部件的廠家，如電機(jī)、主控板、遙控器傳動件、塑料件等出現(xiàn)了專業(yè)生產(chǎn)廠家，這一趨勢使生產(chǎn)的門檻降低，進(jìn)入的廠家進(jìn)一步增多，導(dǎo)致競爭更加激烈。高、低檔次的市場分明進(jìn)口產(chǎn)品借助質(zhì)量和品牌優(yōu)勢，占據(jù)了高端市場，目前國內(nèi)廠家的產(chǎn)品基本上也都具備了比較完善的功能，但生產(chǎn)工藝略嫌粗糙，質(zhì)量水平參差不齊，整體檔次較低，主要集中在低端市場。4）產(chǎn)品同質(zhì)化和市場特點導(dǎo)致利潤微薄產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，加之自動門產(chǎn)品往往是開發(fā)商而非最終用戶在選擇產(chǎn)品，所以價格因素占的比重較大，加劇了市場競爭。其結(jié)果是眾多廠家一味地比拼價格，導(dǎo)致利潤微薄。同時，由于價格過低，也使產(chǎn)品的持續(xù)改進(jìn)和發(fā)展受到限制。1.3課題的意義和目的經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的中國，高樓聳立的大都市，自動門已經(jīng)是隨處可見，在各大廈、賓館、酒店、銀行、商場、醫(yī)院、寫字樓等場所，自動門更是得到大范圍的普及使用。自動門不但能給我們帶來人員進(jìn)出方便、節(jié)約空調(diào)能源、防風(fēng)、防塵、降低噪音等好處，更令我們的建筑增添了不少高貴典雅的氣息。

自動門根據(jù)使用的場合及功能的不同可分為自動平移門、自動平開門、自動旋轉(zhuǎn)門、自動圓弧門、自動折疊門等，其中自動平移門使用得最廣泛，我們通常所說的自動門、感應(yīng)門就是指自動平移門。

自動平移門最常見的結(jié)構(gòu)形式是自動門機(jī)械驅(qū)動裝置和門內(nèi)外兩側(cè)紅外線，當(dāng)人走近自動門時，紅外線感應(yīng)到人的存在，給控制器一個信號，控制器通過驅(qū)動裝置將門打開。當(dāng)人通過門之后，再將門關(guān)閉。由于自動門在通電后可以實現(xiàn)無人看管，同時又可節(jié)約空調(diào)能源、防風(fēng)、防塵、降低噪音，提高了建筑的檔次。1.4課題的功能概述在自動門使用上要根據(jù)安裝的環(huán)境及要求，考慮選擇自動門的配置。由于公共場所（像醫(yī)院、機(jī)場等）的自動平移門使用頻率非常高，而自動門的使用頻率和壽命是有限的。在這種情況下，要使用自動門必須進(jìn)行綜合考慮。例如增加門的數(shù)量，加大門扇寬度，增加關(guān)門延遲時間等。

以上介紹的是自動門的安裝使用要點。而一個自動門的設(shè)計還要包括下面三個方面：

一、智能化設(shè)計

自動門選擇配置智能化控制系統(tǒng)，可隨意設(shè)定門扇的運行速度，并可設(shè)定半開狀態(tài)，調(diào)節(jié)方便。使自動門始終保持在最佳運行狀態(tài)。并具有自動矯正功能，即使遇到大風(fēng)等原因引起的運行阻力增大，仍然能夠保持平穩(wěn)的開關(guān)門動作。

二、安全性設(shè)計

具有自動反轉(zhuǎn)安全裝置，當(dāng)碰到障礙物或人體等異常狀況時，門扇自動反轉(zhuǎn)退出，并在下次接近阻力區(qū)域時以安全速度前進(jìn)，避免夾人事件和機(jī)件損毀的現(xiàn)象發(fā)生，提高自動門運行時的安全性，延長自動門壽命。門扇開啟輕巧方便，當(dāng)停電時，老人、兒童等均可開閉自如，開閉力量在3.5公斤以下，方便、安全、可靠。

三、穩(wěn)定性設(shè)計

自動門采用步進(jìn)電機(jī)，具有高效、省電、低噪音、高轉(zhuǎn)速、高扭力、連續(xù)使用不過熱等特性，大大超越傳統(tǒng)交流伺服馬達(dá)。

由于采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，配合T型齒條同步帶，使門體自低速至高速的運行中具有卓越的穩(wěn)定性。由于采用高性能的電源輸入，不管電壓波幅多大均可自動穩(wěn)壓。此外在負(fù)載瞬間短路時還有過壓及過流保護(hù)措施，有效保障自動門運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定耐久和安全。自動門在具體場合的使用設(shè)計上，還應(yīng)注意做好以下配置的選用：

1、安全輔助裝置

如在高檔酒店等地方可以選擇安裝防夾人紅外感應(yīng)器，防止停留在門附近的人被門所夾住。

2、備用電源

為保證停電時自動門也能工作正常，應(yīng)配置備用電源。

3、輔助光線傳感器

在需要的地方，自動門可以安裝輔助光線傳感器（紅外對射保護(hù)裝置），當(dāng)門打開時，人站著不動，用手遮擋輔助光線傳感器，門應(yīng)該保持打開狀態(tài)。當(dāng)手離開后幾秒后，門應(yīng)該重新關(guān)閉。綜上所述，自動門在很多領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)越性，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，自動門在我國已經(jīng)迎來了快速發(fā)展的黃金時期。

自動門構(gòu)造的技術(shù)參數(shù)

一、主要的技術(shù)指標(biāo)：

技術(shù)指標(biāo)單門雙開門

門重量130kg×1扇100kg×2扇

導(dǎo)軌長度2000~5000mm

開門速度200~450mm/秒(可調(diào))

閉門速度200~450mm/秒(可調(diào))

慢行速度30~50mm/秒(可調(diào))

開門時間開門靜止后1~10秒的范圍內(nèi)(可調(diào))

控制器高速智能電腦處理器控制

馬達(dá)DC24V40W無刷步進(jìn)電機(jī)

電源電壓AC220V50Hz

消耗功率100W

手動開啟力3.5公斤以下

安全功能開閉時遇到障礙物能立即開啟,晚間轉(zhuǎn)換到報警功能

使用環(huán)境-20℃～+50℃

二、主要構(gòu)造部件

部件特性

智能控制器：自動檢測門的重量、寬度，使門保持在最佳運行狀態(tài)。

步進(jìn)電機(jī)：高效率、省電、低噪音、高轉(zhuǎn)速、高扭力、連續(xù)使用不發(fā)熱。

皮帶：高效同步齒型帶，防止打滑，保證平穩(wěn)運行。

吊架：用于運動門扇的懸掛，安全可靠。1.5該設(shè)計的基本設(shè)計思路1、有人來時（進(jìn)門或出門）開門。當(dāng)人走到離門不遠(yuǎn)的時候時，安裝在門上側(cè)的熱釋紅外線傳感器信號檢測裝置檢測到有人時，將啟動電動機(jī)帶動傳動鏈開門。2、無人時關(guān)門延遲,當(dāng)熱釋收發(fā)裝置沒有檢測到有人在離門1N的范圍內(nèi)，將延遲1秒啟動電動機(jī)帶動傳動鏈關(guān)門。3、關(guān)門中途來人，立即開門。當(dāng)啟動電動機(jī)帶動傳動鏈關(guān)門時，感應(yīng)探頭突然檢測到在離門1m的范圍內(nèi)有人，則立即停止電動機(jī)關(guān)門，啟動電動機(jī)帶動傳動鏈開門?？傮w結(jié)構(gòu)圖如下圖一：圖1—1設(shè)計總結(jié)構(gòu)圖第二章方案論證2.1調(diào)速控制方法及選擇伺服電機(jī)也稱執(zhí)行電機(jī)，它具有一種服從控制信號的要求而動作的只能，在信號來到之前，轉(zhuǎn)子靜止不動；信號來到之后，轉(zhuǎn)子立即轉(zhuǎn)動；當(dāng)信號小時，轉(zhuǎn)子能即使自行停轉(zhuǎn)，由于這種“伺服”性能，因此而得名。

按照在自動控制系統(tǒng)中的功用所要求，伺服電機(jī)具備可控性好、穩(wěn)定性高和速應(yīng)性強(qiáng)等基本性能?？煽刂菩院檬侵笇ず孟б院螅芰⒓醋孕型＾D(zhuǎn)；穩(wěn)定性高是指轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加而均勻下家，速應(yīng)性強(qiáng)是指反應(yīng)快，靈敏。直流伺服電機(jī)與普通直流電機(jī)以及交流伺服電機(jī)的比較直流伺服電機(jī)的工作原理和普通直流電機(jī)相同。只要在其勵磁繞組中有電流通過且產(chǎn)生了磁通，當(dāng)電樞繞組中通過電流時，這個電樞電流與磁通互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使伺服電機(jī)投入工作。這兩個繞組其中的一個斷電時，電動機(jī)立即停轉(zhuǎn)，它不象交流伺服電動機(jī)那樣有“自轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。所以我們選擇直流伺服電動機(jī)來進(jìn)行自動門的拖動。選用PWM調(diào)速系統(tǒng)控制直流伺服電機(jī)與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用可能就足以獲得脈沖動很小的直流電流，電樞容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。又由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。

由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率比較高。2．2單片機(jī)的選擇20世紀(jì)80年代以來，單片機(jī)的發(fā)展非常迅速，就通用單片機(jī)而言，世界上一些著名的計算機(jī)廠家已投入市場的產(chǎn)品就有50多個系列，數(shù)百個品種。盡管單片機(jī)的品種很多，但是在我國使用的最多的是INTER公司的MCS-51系列單片機(jī)，直到現(xiàn)在MCS-51系列單片機(jī)仍不失為主流系列。在最近的若干年仍是工業(yè)檢測控制的主角。MCS-51系列單片機(jī)有3個基本類型：8031、8051、8751。這里選用的是8751單片機(jī)。8031內(nèi)部包括一個8位CPU，128個字節(jié)RAM，21個特殊功能寄存器，4個8位并行I/O口，1個全雙功串行口，2個16位定時器/計數(shù)器，但片內(nèi)無程序存儲器，需要外擴(kuò)EPROM芯片。

8051在8031基礎(chǔ)上，片內(nèi)又集成有4KROM，作為程序存儲器，是一個程序不超過4K字節(jié)的小系統(tǒng)。ROM內(nèi)的程序是公司制作芯片時，代為用戶燒制的，出廠的8051都是含有特殊用途的單片機(jī)。所以8051適合用于應(yīng)用在程序已定的產(chǎn)品中。8751是在8031的基礎(chǔ)上，增加了4K字節(jié)的EPROM，它構(gòu)成了一個程序小于4KB的小系統(tǒng)。用戶可以將程序固化在EPROM中，可以反復(fù)修改程序。本系統(tǒng)需要通過對程序的修改，來達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，可能需要反復(fù)的寫入程序，所以選用8751單片機(jī)的定時器配合P0口輸出來產(chǎn)生PWM調(diào)制波，來控制直流伺服電動機(jī)。2．3門控傳感器的選擇微波感應(yīng)器：又稱微波雷達(dá)，對物體的移動進(jìn)行反應(yīng)，因而反應(yīng)速度快，適用于行走速度正常的人員通過的場所，它的特點是一旦在門附近的人員不想出門而靜止不動，雷達(dá)便不再反應(yīng)，自動門就會關(guān)閉，有可能出現(xiàn)夾人現(xiàn)象。熱釋紅外感應(yīng)器：對物體的存在進(jìn)行反應(yīng)，不管人員是否移動，只要處于感應(yīng)器的掃描范圍內(nèi)，它都會反應(yīng)。紅外感應(yīng)器的反應(yīng)速度比微波感應(yīng)器慢。本系統(tǒng)首先要求的是安全，所以選用熱釋紅外線傳感器。第三章主要器件的介紹3.1熱釋紅外傳感器的原理和使用熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，它能組成防入侵報警器或各種自動化節(jié)能裝置。熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，同時，它還能鑒別出運動的生物與其它非生物。熱釋電紅外傳感器既可用于防盜報警裝置，也可以用于自動控制、接近開關(guān)、遙測等領(lǐng)域。熱釋電效應(yīng)：自然界的任何物體，只要其溫度高于絕對零度（－273℃），總是不斷地向外發(fā)出紅外輻射，并以光的速度傳播能量。物體向外輻射紅外輻射的能量與物體的溫度和紅外輻射的波長有關(guān)。物體的溫度越高，它所發(fā)射的紅外輻射的峰值波長越小，發(fā)出紅外輻射的能量也越大。通常，電介質(zhì)的內(nèi)部是沒有載流子的，因此它沒有導(dǎo)電能力。但是任何電介質(zhì)毫無例外地都是由帶電粒子組成的，即自由電子和原子核組成的。在外加電壓的作用下，這些帶電粒子也要發(fā)生移動，帶正電荷的粒子趨向負(fù)極，帶負(fù)電荷的粒子趨向正極。其結(jié)果是使電介質(zhì)的一個表面帶正電，另一個表面帶負(fù)電，我們稱這種現(xiàn)象為電極化。對于上述現(xiàn)象，某些鐵電體電介質(zhì)材料卻是個例外，像上述的幾種鐵電體材料，當(dāng)被極化后撤去外加電壓時，這種極化現(xiàn)象仍然保留下來，這種現(xiàn)象被稱為自發(fā)極化。自發(fā)極化的強(qiáng)度與溫度相關(guān)，當(dāng)溫度升高時，極化強(qiáng)度降低。自發(fā)極化的鐵電體平時靠捕捉大氣中的浮游電荷保持平衡狀態(tài)。當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度，下圖表示了熱釋電效應(yīng)形成的原理。將釋放出的電荷通過放大器放大后就成了一種控制信號，利用這一原理制成的紅外傳感器稱為熱釋電紅外傳感器。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。由于系檢知從物體放射出出來的紅外線，所以不必直接接觸就能夠感知物體表面的溫度，故人體檢知以及移動中物體的溫度當(dāng)然均能以非接觸之方式測得。熱電型紅外線傳感器系接受檢知對象物所發(fā)出的紅外線，因此是被動型，由于不是主動型，所以并不需要校對投光器、受光器之光軸等煩瑣的作業(yè)。熱電效果系溫度變化而產(chǎn)生的，這將在稍后說明之，因此只接受因溫度變化之能量(Energy)，而熱電型紅外線傳感器將電壓微分而輸出之。如果紅外輻射持續(xù)下去，電介質(zhì)的溫度就會升到新的平衡狀態(tài)，表面電荷也同時達(dá)到平衡。這時它就不再釋放電荷，也就不再有信號輸出了，如下圖圖3—1所示。因此，對于這類熱釋電紅外傳感器，只有在紅外輻射強(qiáng)度不斷變化，它的內(nèi)部溫度隨之不斷升降的過程中，傳感器才有信號輸出，而在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出信號則為零。因此在應(yīng)用這類傳感器時，應(yīng)設(shè)法使紅外輻射不斷變化，這樣才能使傳感器不斷有信號輸出。為了滿足這一要求，通常在熱釋電傳感器的使用中，總是要在它的前面加裝一個菲涅爾透鏡。圖3—1熱釋電效應(yīng)的形成原理能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單晶(LiTaO3等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。熱釋紅外線傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電路如下圖3—2所示。熱釋電傳感器利用的正是熱釋電效應(yīng)，是一種溫度敏感傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，元件兩個表面做成電極，當(dāng)傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱電壓ΔV。由于它的輸出阻抗極高，所以傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會跟空氣中的離子所結(jié)合而消失，當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，ΔT=0，傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)時，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有信號輸出；若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出，所以這種傳感器能檢測人體或者動物的活動。熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路見下圖所示。傳感器主要有外殼、濾光片、熱釋電元件PZT、場效應(yīng)管FET等組成。其中，濾光片設(shè)置在窗口處，組成紅外線通過的窗口。濾光片為6mm多層膜干涉濾光片，對太陽光和熒光燈光的短波長（約5mm以下）可很好濾除。熱釋電元件PZT將波長在8mm~12mm之間的紅外信號的微弱變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺瑸榱酥粚θ梭w的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅耳濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的抑制作用。圖3—2熱釋電紅外線傳感器的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部電路3.2BISS0001芯片介紹和典型電路BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理集成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動快速開啟各類白熾燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門、電風(fēng)扇、烘干機(jī)和自動洗手池等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家庭的過道、走廊等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動燈光、照明和報警系統(tǒng)。它不僅能和熱釋電紅外傳感器的輸出良好地匹配，而且也能和其他多種傳感器進(jìn)行匹配。它的內(nèi)都是由運算放大器、電壓比較器、與門電路、狀態(tài)控制器、定時控制器、鎖定時間控制器和禁止電路等組成。

BISS0001采用16腳標(biāo)準(zhǔn)型塑料封裝結(jié)構(gòu)。①腳（A）為觸發(fā)方式控制端，當(dāng)A＝1時，電路可重復(fù)觸發(fā)；當(dāng)A＝0時，電路不可重復(fù)觸發(fā)。②腳（V0）為控制信號輸出端，當(dāng)有傳感信號輸人時，V0輸出高電平。③腳（RX）和④腳（CX）為輸出定時控制器T，的外接元件端，定時時間為：TX＝50×103RXCX。⑤腳（Ri）和⑥腳Ci）為鎖定時間控制器Υi的外接元件，鎖定時間Ti＝24RiCi。⑧腳（VRF）為參考電壓及復(fù)位端，使用時一般接VDD，若按ⅤSS，可使定時器復(fù)位。⑨腳（Vc）為觸發(fā)禁止端，當(dāng)VC＜VR時禁止觸發(fā)；當(dāng)VC＞VR時，允許觸發(fā)，VR＝0.2VDD.⑩腳（IB）為偏置電流設(shè)置端，由外接電阻RB接ⅤSS端，RB一般取1MΩ的電阻。12腳（OUT2）和13腳（IN2-）分別為第二級運放的輸出端和反相輸人端。14腳（IN1+）和15凈（IN1-）分別為第一運放的同相和反相輸入端。16腳（OUT1）為第一運放的輸出端。11腳（VDD）和7腳（VSS）分別為電源正、負(fù)端。BISS0001的內(nèi)部：圖3—3熱釋紅外傳感器處理芯片BISS0001的內(nèi)部電路上圖中，運算放大器OPl將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器01：'2進(jìn)行第二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COPl和ODP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號VO經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動繼電器去接通負(fù)載。BISS0001的特點：*CMOS工藝，公耗低*數(shù)?；旌?具有獨立的高輸入阻抗運算放大器*內(nèi)部的雙向鑒幅器可有效抑制干擾*內(nèi)設(shè)延遲時間定時器和封鎖時間定時器*采用16腳DIP封裝*內(nèi)置參考電源

*工作電壓范圍寬（3V～5V)BISS001管腳圖：圖3—4BISS001管腳圖BISS001管腳說明：引腳名稱I/O能說明1AI可重復(fù)觸發(fā)和不可重復(fù)觸發(fā)選擇端。當(dāng)A為“1”時，允許重復(fù)觸發(fā)；反之，不可重復(fù)觸。2VOO控制信號輸出端。由VS的上跳變沿觸發(fā)，使Vo輸出從低電平跳變到高電平時視為有效觸發(fā)。在輸出延遲時間Tx之外和無VS的上跳變時，Vo保持低電平狀態(tài)。3RR1--輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端4RC1--輸出延遲時間Tx的調(diào)節(jié)端5RC2--觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端6RR2--觸發(fā)封鎖時間Ti的調(diào)節(jié)端7VSS--工作電源負(fù)端8VRFI參考電壓及復(fù)位輸入端。通常接VDD，當(dāng)接“0”時可使定時器復(fù)位9VCI觸發(fā)禁止端。當(dāng)Vc<VR時禁止觸發(fā)；當(dāng)Vc>VR時允許觸發(fā)(VR≈0.2VDD)10IB--運算放大器偏置電流設(shè)置端11VDD--工作電源正端122OUTO第二級運算放大器的輸出端132IN-I第二級運算放大器的反相輸入端141IN+I第一級運算放大器的同相輸入端151IN-I第一級運算放大器的反相輸入端161OUTO第一級運算放大器的輸出端BISS0001的參數(shù)：符號參數(shù)測試條件參數(shù)范圍單位Vm電源/電壓———0.3~6.0VV1/V0輸入/輸出電壓——Vss-0.3~Vdd+0.3VIm最大輸出電流Vm10MATopr工作溫度———20~+70℃Tstg貯存溫度———40~+125℃BISS0001直流特性參數(shù):（除特殊說明外，Tamb=25℃）符號參數(shù)測試條件最小值最大值單位Vm工作電壓范圍——35VIm工作電流無負(fù)載Vm=3V50uAVm=5V100Vos輸入失調(diào)電壓Vm=5V50mVIos輸入失調(diào)電流Vm=5V50mAAvo開環(huán)電壓增益Vm=5V,RL=105M?60dBCMRR工模抑制比Vm=5V,RL=105M?60dBV?h運放輸出高電平Vm=5VRl=500K?接1/2Vm4.25VVV?l運放輸出低電平0.75VVrmVc端輸入高電平Vm=5V1.1VVrlVc端輸入低電平0.9VVohVc端輸出高電平Vm=5V4VVolVc端輸出低電平Vm=5V0.4VVahA端輸入高電壓Vm=5V3.5VValA端輸入低電壓Vm=5V1.5VBISS0001工作原理BISS0001是由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時間定時器以及封鎖時間定時器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。以下圖所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形首先，根據(jù)實際需要，利用運算放大器OP1組成傳感信號預(yù)處理電路，將信號放大。然后耦合給運算放大器OP2，再進(jìn)行第二級放大，同時將直流電位抬高為VM(≈0.5VDD)后，將輸出信號V2送到由比較器COP1和COP2組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發(fā)信號Vs。由于VH≈0.7VDD、VL≈0.3VDD，所以，當(dāng)VDD=5V時，可有效抑制±1V的噪聲干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。COP3是一個條件比較器。當(dāng)輸入電壓Vc<VR(≈0.2VDD)時，COP3輸出為低電平封住了與門U2,禁止觸發(fā)信號Vs向下級傳遞；而當(dāng)Vc>VR時，COP3輸出為高電平，進(jìn)入延時周期。當(dāng)A端接“0”電平時，在Tx時間內(nèi)任何V2的變化都被忽略，直至Tx時間結(jié)束，即所謂不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。當(dāng)Tx時間結(jié)束時，Vo下跳回低電平，同時啟動封鎖時間定時器而進(jìn)入封鎖周期Ti。在Ti時間內(nèi)，任何V2的變化都不能使Vo跳變?yōu)橛行顟B(tài)（高電平）,可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。1、不可重復(fù)觸發(fā)工作方式以下圖所示的不可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來說明工作過程。圖3-5BISS0001不可重復(fù)觸發(fā)工作方式以下圖所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來說明其工作過程。可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形在Vc=“0”、A=“0”期間，信號Vs不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。在Vc=“1”、A=“1”時，Vs可重復(fù)觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)，并可促使Vo在Tx周期內(nèi)一直保持有效狀態(tài)。在Tx時間內(nèi)，只要Vs發(fā)生上跳變，則Vo將從Vs上跳變時刻起繼續(xù)延長一個Tx周期；若Vs保持為“1”狀態(tài)，則Vo一直保持有效狀態(tài)；若Vs保持為“0”狀態(tài)，則在Tx周期結(jié)束后Vo恢復(fù)為無效狀態(tài)，并且，同樣在封鎖時間Ti時間內(nèi)，任何Vs的變化都不能觸發(fā)Vo為有效狀態(tài)。2、可重復(fù)觸發(fā)工作方式以下圖所示的可重復(fù)觸發(fā)工作方式下的波形，來說明工作過程。圖3-6BISS0001可重復(fù)觸發(fā)工作方式當(dāng)熱釋電紅外傳感器接收到人體紅外輻射后輸出檢測信號，然后由14腳輸入BISS0001,經(jīng)地內(nèi)部電路處理，由2腳輸出探測信號（正向脈沖信號）。輸出脈沖信號的寬度由外接電阻R9和電容C6來決定。當(dāng)2腳輸出控制脈沖后，電子開關(guān)被接通，數(shù)字編碼電路和無線電發(fā)射電路由于得到電源而開始工作。電源變壓器為5W/15V，E為12V免維護(hù)蓄電池，供停電使用。S1為鎖控電源開關(guān)，可根據(jù)需要安裝在適當(dāng)處所，用來接通工作電源，無必要時可取消設(shè)置。SCR采用1A的單向可控硅。HFC9301為軟封裝發(fā)聲電路，發(fā)聲為“嘀、嘀”聲。電路的調(diào)試主要是主機(jī)與各分機(jī)之間的統(tǒng)調(diào)。將發(fā)射電路和接收電路組裝好后，先將發(fā)射機(jī)中C10的調(diào)至適當(dāng)位置后固定不動，接著調(diào)整接收機(jī)中的C1，使接收機(jī)能收到發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號。若為“一對多”或“多對一”報警系統(tǒng)，應(yīng)先將主機(jī)“一”（可以是發(fā)射機(jī)，也可以是接收機(jī)）調(diào)好固定，然后調(diào)整各分機(jī)，使其與主機(jī)統(tǒng)調(diào)。BISS0001應(yīng)用線路圖如3-7所示:圖3-7BISS0001的熱釋電紅外開關(guān)應(yīng)用電路圖上圖中，運算放大器OP1將熱釋電紅外傳感器的輸出信號作第一級放大，然后由C3耦合給運算放大器OP2進(jìn)行第二級放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器，輸出信號Vo經(jīng)晶體管T1放大驅(qū)動繼電器去接通負(fù)載。上圖中，R3為光敏電阻，用來檢測環(huán)境照度。當(dāng)作為照明控制時，若環(huán)境較明亮，R3的電阻值會降低，使9腳的輸入保持為低電平，從而封鎖觸發(fā)信號Vs。SW1是工作方式選擇開關(guān)，當(dāng)SW1與1端連通時，芯片處于可重復(fù)觸發(fā)工作方式；當(dāng)SW1與2端連通時，芯片則處于不可重復(fù)觸發(fā)工作方式。圖中R6可以調(diào)節(jié)放大器增益的大小，原廠圖紙選10K，實際使用時可以用3K，可以提高電路增益改善電路性能。輸出延遲時間Tx由外部的R9和C7的大小調(diào)整，觸發(fā)封鎖時間Ti由外部的R10和C6的大小調(diào)整，R9/R10可以用470歐姆，C6/C7可以選0.1U。在BISS0001的內(nèi)電路中，運放A是一個獨立的放大器，由它放大后輸出的信號電壓通過.3.3AT89C51單片機(jī)簡介單片機(jī)是把微型計算機(jī)主要部分都集成在一個芯片上的單芯片微型計算機(jī)，即將運算器，控制器，輸入輸出接口，部分存儲器以及其他一些邏輯部件集成在一個芯片上，故可以把單片機(jī)看成是一個不帶外部設(shè)備的微型計算機(jī)，相當(dāng)于一個沒有顯示器，沒有鍵盤，不帶監(jiān)控程序的單板機(jī)。其結(jié)構(gòu)如圖2-8所示：圖3-8單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖由于單片計算機(jī)具有體積小，重量輕，耗電少，功能強(qiáng)和價格低等特點，又由于數(shù)據(jù)大多是在芯片內(nèi)傳送處理，所以運行速度快，抗干擾能力強(qiáng)。單片機(jī)從七十年代問世以來，在二十多年的時間里，發(fā)展異常迅速，并已廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。單片機(jī)具有通訊接口，用單片機(jī)進(jìn)行接口的控制與管理，單片機(jī)與主機(jī)可并行工作，大大地提高了系統(tǒng)的運行速度，所以在網(wǎng)絡(luò)通訊領(lǐng)域也得到了越來越多的應(yīng)用。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案，外形及引腳排列如圖3-9所示。圖3-9AT89C51外形及引腳排列AT89C51主要特性：*與MCS-51兼容*4K字節(jié)可編程閃爍存儲器*壽命：1000寫/擦循環(huán)*數(shù)據(jù)保留時間：10年*全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz*三級程序存儲器鎖定*128*8位內(nèi)部RAM*32可編程I/O線*兩個16位定時器/計數(shù)器*5個中斷源*可編程串行通道*低功耗的閑置和掉電模式*片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.3.2AT89C51管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。在實際應(yīng)用中，大多數(shù)情況下都使用P3口的第二功能。P3.0—RXD：串行輸入口P3.1—TXD：串行輸出口P3.2—/INT0：外部中斷0P3.3—/INT1：外部中斷1P3.4—T0：記時器0外部輸入P3.5—T1：記時器1外部輸入P3.6—/WR：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7—/RD：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。3．3.3振蕩器特性：XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復(fù)位為止。3.4菲涅爾透鏡原理菲涅爾鏡片是根據(jù)法國光物理學(xué)家FRESNEL發(fā)明的原理采用電鍍模具工藝和PE（聚乙烯）材料壓制而成。鏡片（0.5mm厚）表面刻錄了一圈圈由小到大，向外由淺至深的同心圓，從剖面看似鋸齒。圓環(huán)線多而密感應(yīng)角度大，焦距遠(yuǎn)；圓環(huán)線刻錄的深感應(yīng)距離遠(yuǎn)，焦距近。紅外光線越是靠進(jìn)同心環(huán)光線越集中而且越強(qiáng)。同一行的數(shù)個同心環(huán)組成一個垂直感應(yīng)區(qū)，同心環(huán)之間組成一個水平感應(yīng)段。垂直感應(yīng)區(qū)越多垂直感應(yīng)角度越大；鏡片越長感應(yīng)段越多水平感應(yīng)角度就越大。區(qū)段數(shù)量多被感應(yīng)人體移動幅度就小，區(qū)段數(shù)量少被感應(yīng)人體移動幅度就要大。不同區(qū)的同心圓之間相互交錯，減少區(qū)段之間的盲區(qū)。區(qū)與區(qū)之間，段與段之間，區(qū)段之間形成盲區(qū)。由于鏡片受到紅外探頭視場角度的制約，垂直和水平感應(yīng)角度有限，鏡片面積也有限。鏡片從外觀分類為：長形、方形、圓形，從功能分類為：單區(qū)多段、雙區(qū)多段、多區(qū)多段。鏡片主要有三種顏色：聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易變形。白色主要用于適配外殼顏色。三、黑色用于防強(qiáng)光干擾。鏡片還可以結(jié)合產(chǎn)品外觀注色，使產(chǎn)品整體更美觀。

菲涅爾透鏡是一種精密的光學(xué)系統(tǒng)，專門是用來與熱釋電紅外傳感器配套使用，其結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。圖3-10菲涅爾透鏡它由經(jīng)過特殊設(shè)計的透鏡組構(gòu)成，上面的每個透鏡單元都只有一個不大的視場，相鄰兩個單元透鏡的視場即不連續(xù)也不重疊，都相隔一個盲區(qū)。當(dāng)熱源(比如人)在透鏡前運動時，順次從某一單元透鏡視場進(jìn)入又退出，投射信號會出現(xiàn)一個接一個的斷續(xù)信號，但是熱源信號始終都是集中在透鏡中部的。將連續(xù)的熱源信號變成斷續(xù)的輻射信號，使熱釋電傳感器能正常工作。菲涅爾透鏡作用有兩個：一是聚焦作用，即將熱釋紅外信號折射（反射）在PIR上，第二個作用是將探測區(qū)域內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測區(qū)域的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號。菲涅爾透鏡的主要技術(shù)指標(biāo)①外形尺寸，根據(jù)傳感器和探測摘要來設(shè)計和生產(chǎn)不同尺寸的透鏡。②水平視角和垂直視角，它表明透鏡的可監(jiān)視范圍。③焦距，它表明鏡片與傳感器的安裝距離3.5步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電動機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動機(jī)：它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移．即結(jié)一個脈沖信號，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)動一個角度．因此作常適合于單片機(jī)控制。近30年來．?dāng)?shù)字技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和水磁材料的迅速發(fā)展．推動廠步進(jìn)電動機(jī)的發(fā)展，為步進(jìn)電動機(jī)的應(yīng)用開辟了廣鬧的前景。步進(jìn)電動機(jī)有如下特點:步進(jìn)電動機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比具有良好的跟隨型。以由步進(jìn)電動機(jī)與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價，又非?？煽俊Ｍ瑫r．它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉外數(shù)控系統(tǒng)。步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快。易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)。低速下仍能保證獲很大轉(zhuǎn)矩，因此，一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。步進(jìn)電動機(jī)只能通過脈沖電源供電才能遠(yuǎn)行。它不能直接使用交流電源和直流電源步進(jìn)電動機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象．必須對控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。6、步進(jìn)電動機(jī)自身的噪音和振動較大．帶慣性負(fù)載的能力較差。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)以下是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看出，它分成轉(zhuǎn)于和定子兩部分。定子是由砧鋼片疊成的。定子上有6個磁極(大極)，每2個相對的磁極(N、S極)組成一對，共有3對。每對磁極都纏有同一繞組，也即形成一相，這樣3對磁極有3個繞組，形成三相。

如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電．則轉(zhuǎn)子在電磁力的作躺下，將向磁導(dǎo)率最大(或磁阻最小)的位置轉(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電動機(jī)就是越于這一原理轉(zhuǎn)動的。每個磁極的內(nèi)表面部分布著多個小齒，它們大小相同，間距相同。轉(zhuǎn)子是由軟磁材料制成的，其外表面也均勻分布著小齒，這些小齒與定子磁極上的小齒的齒距相同．形狀相似。由于小齒的齒距相同，所以不管是定子還是轉(zhuǎn)子，它們的齒距角都可以由下式來計算：

式中Z是轉(zhuǎn)子的齒數(shù)

如果轉(zhuǎn)子的齒數(shù)為40，則齒距角為9度。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)運動的動力來自于電磁力。在電磁力的作用下，轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行推動到最大磁導(dǎo)率(或者最小磁阻)的位置(如下圖3-11所示，定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊的倫置)，共處于平衡狀態(tài)。對三相步進(jìn)電動機(jī)來說，當(dāng)某一相的磁極處于最大磁導(dǎo)位置時，另外兩相必須處于非最大磁導(dǎo)位置(如下圖3-11所示，定子小齒與轉(zhuǎn)于小齒不對齊的位置)。圖3-11三相步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)我們把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒對齊的狀態(tài)稱為對齒：把定子小齒與轉(zhuǎn)子小齒不對齊的狀態(tài)稱為錯齒。錯齒的存在是步進(jìn)電動機(jī)能夠旋轉(zhuǎn)的前提條件。所以。在步進(jìn)電動的結(jié)構(gòu)中必須保證有錯齒存在．也就是說，當(dāng)某一相處于對齒狀態(tài)時，其他相必須處錯齒狀態(tài)。反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的步進(jìn)原理如果給處于錯齒狀態(tài)的相通電．則轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，將向磁導(dǎo)率最大(或磁阻最小)的位置轉(zhuǎn)動，即向趨于對齒的狀態(tài)轉(zhuǎn)動。步進(jìn)電動機(jī)就是越于這一原理轉(zhuǎn)動的。步進(jìn)電動機(jī)步進(jìn)的過程也可通過下圖進(jìn)一步說明。省開關(guān)Ka合上時，A相繞組通電，使A相磁場建立。A相定子磁極上的齒與轉(zhuǎn)子的齒形成對齒，同時。B相、C相上的齒與轉(zhuǎn)子形成錯齒。

圖3-11步進(jìn)電機(jī)工作原理將A相斷電。同時將Kb合上，使處于1/3個齒距角的B相通電，并建立磁場。轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下，向與B相成對齒的位置轉(zhuǎn)動。其結(jié)果是：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動了1/3個齒距角，B相與轉(zhuǎn)子形成對齒：C相與轉(zhuǎn)子錯1/3個齒距角；A相與轉(zhuǎn)子錯2/3個齒距角；相似地，在B相斷電的同時，合開開關(guān)Kc給C相通電建立磁場。轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動了1/3個齒距角。與C相形成對齒，并且A相與轉(zhuǎn)子錯1/3個齒距角；B相與轉(zhuǎn)于錯2/3個齒距角。當(dāng)C相斷電。再給A相通電時，轉(zhuǎn)子又轉(zhuǎn)動1/3個齒距角。與A相形成對齒，與B、C兩相形成錯齒。至此，所有的狀態(tài)與最初時一樣．只不過轉(zhuǎn)子累計轉(zhuǎn)過了一個齒距。可見，如于按A-B-C-A順序輪流給各相繞組通電，磁場按A-B-C方向轉(zhuǎn)過了360度。轉(zhuǎn)子則沿相同方向轉(zhuǎn)過一個齒距角。同樣。如果改變通電順序，即按與上面相反的方向(A-C-B-A的順序)通電，則轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向也改變。如果對繞組通電一次的操作稱為一拍，那么前面所述的三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的流通電就需要三拍。轉(zhuǎn)于每拍走一步．轉(zhuǎn)一個齒距角需要3步。轉(zhuǎn)子走一步所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角，θN可用下式計算：式中N--步進(jìn)電機(jī)工作拍數(shù)。自動門選用的是三相六拍的工作方式，即：步進(jìn)電動機(jī)的正轉(zhuǎn)通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA；反轉(zhuǎn)通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA。磁場旋轉(zhuǎn)一周。通電需要換相6次(即六拍)，轉(zhuǎn)子才轉(zhuǎn)動一個齒距角。如于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一個齒距角要六伯。根據(jù)上式，六拍工作時的步進(jìn)精度要高。六拍工作時，各相通電的電壓和電流波形如下圖3-12所示?？梢钥闯觯谑褂昧墓ぷ鞣绞綍r，有三拍是單相通電，有三拍是雙相通電；對任一相來說，它的電壓波形是一個方波，周期為六拍。其中毛三拍連續(xù)通電，有三拍連續(xù)斷電。圖3-12六拍工作方式相電壓電流波形驅(qū)動控制系統(tǒng)組成使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如3-13所示：圖3-13驅(qū)動控制系統(tǒng)方框圖.1脈沖信號的產(chǎn)生與分配步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作。在步進(jìn)電動機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制作用如下:1)反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)控制換相順序步進(jìn)電動機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格安照步進(jìn)電動機(jī)的工作方式進(jìn)行。通常我們把通電換相這—過程稱為脈沖分配。三相六拍步進(jìn)電機(jī)工作方式通電換相的正序是A-AB-B-BC-C-CA；反序為A-CA-C-BC-B-AB；共有八個通電狀態(tài)P1口輸出控制信號，0表示繞子通電，1表示繞子斷電，則可以用六個字來表示六個通電狀態(tài)。這六個字表示如下表：2)通電狀態(tài)P1.2(C)P1.1(B)P1.0(A)控制字A11006HAB10008HB10109HBC00101HC01103HCA01002H3)控制電路模型如3-14圖所示：圖3-14控制電路模型斬波驅(qū)動下面講的是斬波恒流驅(qū)動的原理圖。T1是一個高頻開關(guān)管。T2開關(guān)管的發(fā)射極接一只小電阻只，電動機(jī)繞組的電流經(jīng)這個電阻到地，所以這個電阻是電流取樣電阻。比較器的一端接給定電壓Uc，另一端接取樣電阻上的壓降，當(dāng)取樣電壓為0時，比較器輸出高電平。圖3-14斬波恒流驅(qū)動電路原理圖當(dāng)控制脈沖Ui為低電平時．T1和T2兩個開關(guān)管均截止；當(dāng)U1為高電平時，T1和T2兩個開關(guān)管均導(dǎo)通，電源向繞組供電。由于繞組電感的作用，只上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過給定電壓Uc的值時,比較器輸出低電平，使與門輸出低電平、Tl截止，電源被切斷；當(dāng)取樣電阻上的電壓小于給定電壓時，比較器輸出高電乎，與門也輸出高電平，T1又導(dǎo)通，電源又開始向繞組供電。這樣反復(fù)循環(huán)，直到Ui為低電平。以上的驅(qū)功過程表現(xiàn)為：T2每導(dǎo)通一次，T1導(dǎo)通多次．繞組的電流波形為鋸齒形，如下圖所示:圖3-15繞組的電流波形圖在T2導(dǎo)通的*時間里，電源是脈沖式供電(見Ua波形)，所以提高了電源效率，并且熊有效地抑制共振。由于無需外接影響時間常數(shù)的限流電阻，所以提高了高頻性能；但是，由于電流波形為鋸齒形，將會產(chǎn)生較大的電磁噪聲。第四章系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1設(shè)計電路的電框圖和原理紅外自動門控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示。本系統(tǒng)主要由AT89C51單片機(jī)及其外圍電路、紅外檢測電路，門行程檢測電路、步進(jìn)電機(jī)控制電路、故障檢測電路、故障顯示電路、控制方式切換電路等七部分組成。單片機(jī)循環(huán)檢測紅外檢測電路和門行程檢測電路輸出信號，據(jù)此產(chǎn)生步進(jìn)電機(jī)控制信號，電動機(jī)帶動門運行，當(dāng)系統(tǒng)檢測到控制方式發(fā)生改變時，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的控制方式。如門在關(guān)門過程中遇到人或其他障礙物時門無條件朝相反方向打開，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，進(jìn)入故障處理程序。圖4-1紅外線自動門控制系統(tǒng)硬件框圖系統(tǒng)硬件總體邏輯設(shè)計感應(yīng)自動門的種類很多，在此，僅以平移型感應(yīng)自動門機(jī)作為設(shè)計的重點。首先，平移式自動門機(jī)組由以下部件組成：主控制器：它是自動門的指揮中心，通過內(nèi)部編有指令程序的大規(guī)模集成塊，發(fā)出相應(yīng)指令，指揮馬達(dá)或電鎖類系統(tǒng)工作；同時人們通過主控器調(diào)節(jié)門扇開啟速度、開啟幅度等參數(shù)。感應(yīng)探測器：負(fù)責(zé)采集外部信號，如同人們的眼睛，當(dāng)有移動的物體進(jìn)入它的工作范圍時，它就給主控制器一個脈沖信號。動力馬達(dá)：提供開門與關(guān)門的主動力，控制門扇加速與減速運行。門扇行進(jìn)軌道：就象火車的鐵軌，約束門扇的吊具走輪系統(tǒng)，使其按特定方向行進(jìn)。門扇吊具走輪系統(tǒng):用于吊掛活動門扇，同時在動力牽引下帶動門扇運行。同步皮帶（有的廠家使用三角皮帶）：用于傳輸馬達(dá)所產(chǎn)動力，牽引門扇吊具走輪系統(tǒng)。下部導(dǎo)向系統(tǒng)：是門扇下部的導(dǎo)向與定位裝置，防止門扇在運行時出現(xiàn)前后門體擺動。當(dāng)門扇要完成一次開門與關(guān)門，其工作流程如下：感應(yīng)探測器探測到有人進(jìn)入時，將脈沖信號傳給主控器，主控器判斷后通知馬達(dá)運行，同時監(jiān)控馬達(dá)轉(zhuǎn)數(shù)，以便通知馬達(dá)在一定時候加力和進(jìn)入慢行運行。馬達(dá)得到一定運行電流后做正向運行，將動力傳給同步帶，再由同步帶將動力傳給吊具系統(tǒng)使門扇開啟；門扇開啟后由控制器作出判斷，如需關(guān)門，通知馬達(dá)作反向運動，關(guān)閉門扇。4.2設(shè)計電路原理圖圖4-2電路原理圖第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)整個系統(tǒng)軟件主要由主程序、開門子程序、關(guān)門子程序、T0中斷服務(wù)程序、T1中斷服務(wù)程序、外部中斷服務(wù)子程序組成。主程序主要是完成系統(tǒng)進(jìn)行初始化、中斷設(shè)置等功能。程序設(shè)計中設(shè)置了一個外部中斷0，它保證紅外自動門能夠在無人操控情況下自動運行，主要功能是當(dāng)檢測到有人出入門時，啟動電機(jī)，從而實現(xiàn)自動開關(guān)門的目的。5.2各部分程序設(shè)計紅外自動門運行狀態(tài)分為慢速開門、加速開門、減速開門、延時開門、慢速關(guān)門、加速關(guān)門、減速關(guān)門幾個部分。在開門過程中首先進(jìn)行門狀態(tài)檢測，根據(jù)所檢測到的信號判斷自動門上次停機(jī)所處位置。根據(jù)檢測結(jié)果確定門此刻應(yīng)運行方式，如檢測出門是半開狀態(tài)，門直接轉(zhuǎn)入加速開門的過程。如檢測出門是全開狀態(tài)，門轉(zhuǎn)入延時開門過程。如檢測出門是全關(guān)狀態(tài)，那么在檢測到有人出人時，門會緩慢打開，之后加速運行，接著減速運行，最后電機(jī)停止運轉(zhuǎn)，門由于慣性緩慢關(guān)閉。自動門開門后暫停一段時間，然后關(guān)門。關(guān)門是開門的一個反過程，它經(jīng)過慢速運行、加速運行、減速運行、慣性運動直至停止這幾個過程。在自動門關(guān)閉過程中當(dāng)系統(tǒng)接收到由紅外線傳感器電路發(fā)出的有人出入的信號時，門會重新打開。與開門情況不同的是當(dāng)在關(guān)門過程中檢測到故障信號時門會朝反方向運動，將門打開，這樣可以排除因自動門遇到障礙物或人身體而產(chǎn)生故障信號使整個系統(tǒng)停止工作的可能。開門子程序流程圖T0中斷服務(wù)程序流程圖主程序：MOVR4，AINCR1CLRR5，ASUBBA，R4XCHA，R4DECR1SJMPLP2JB00H，ROLESPEED0BITP1.0；門行程行狀1SPEED1BITP1.1；門行程行狀2SPEED2BITP1.2；門行程行狀3SPEED3BITP1.3；門行程行狀4KEYDOOROPENBITP1.4；手動門開按鈕KEYDOORCLOSEBITP1.5；手動門關(guān)按鈕MODEBITP1.6；手動/自動切換DOOROPENBITP3.0；門開驅(qū)動信號DOORCLOSEBITP3.1；門關(guān)驅(qū)動信號SIGNALBITP3.2；紅外線傳感器信號A0809E0CBITP3.3；A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號HSPEEDBITP3.4；電機(jī)速度變換DOORSTATEBIT00H；門狀態(tài)RERRORBIT01H；系統(tǒng)故障ORG0000HAJMPSTARTORG0003HAJMPINT0ORG000BHAJMPT0ORG001BHAJMPT1ORG0050HSTART:CLRDOOROPEN；關(guān)電機(jī)驅(qū)動CLRDOORCLOSEMOVTMOD,#11H；定時器工作方式MOVTLO,#OFOH；置定時器常數(shù),MOVTH0,#08DHMOVTL1,#0E0HMOVTH1,#0B1HMOVTCON,#50HMOVIP,#08H；優(yōu)先級設(shè)置MOVIE,#80H；開中斷LOOP:ACALLSYSERROR；調(diào)用系統(tǒng)故障子程序JBRERROR,WAIT；有故障等待處理MOVA,P2ANLA,#OFHJNZWAIT；無按鍵等待JBMODE,AUTO；運行方式判斷CLREXOSETBETOSJMPLOOPAUTO:SETBETOSJMPLOOPWAIT:SJMP$；等待開門子程序：DOOR_OPEN:JBDOORSTATE,LOOP3；門已開退出CLRHSPEEDCLRDOORCLOSESETRDOOROPEN；低速啟動JNPSPEED1,$SETBHSPEED；高速開門JNBSPEED2,$CLRHSPEED；低速運行JNBSPEED3,$CLRDOOROPEN；停機(jī)SETBDOORSTATE；保存門狀態(tài)LOOP3：RET關(guān)門子程序:DOOR_CLOSE:JNBDOORSTATE,LOOP4；門已關(guān)退出CLRHSPEEDCLRDOOROPENSETBDOORCLOSE；低速啟動JBSPEED2,$CLRHSPEED；高速關(guān)門JBSPEED0,$CLRDOORCLOSE；停機(jī)CLRDOORSTATELOOP4:RETT0中斷服務(wù)程序:T0：CLRET0；關(guān)中斷JBKEYDOOROPENLOOP1；開門否ACALLDOOR_OPEN；調(diào)開門子程序SJMPLOOP2LOOP1：JBKEYDOORCLOSE，LOOP2；關(guān)門否ACALLDOOR_OPEN；調(diào)關(guān)門子程序LOOP2：MOVTL0，#0F0H；重裝定時常數(shù)MOVTH0，#08DHSETBET0；開中斷RETIT0中斷服務(wù)程序:T0：CLRET0；關(guān)中斷JBKEYDOOROPEN，LOOP；開門否ACALLDOOR_OPEN；調(diào)開門子程序SJMPLOOP2LOOP1：JBKEYDOORCLOSE,LOOP2；關(guān)門否ACALLDOOR_OPEN；調(diào)關(guān)門子程序LOOP2：MOVTL0，#0F0H；重裝定時常數(shù)MOVTH0，#08DHSETBET0；開中斷RETI5.2.1信號流程說明為了運行過程可靠，在以不同速度運行過程中，對運行時間做了安全設(shè)置，當(dāng)在開門狀態(tài)下檢測到運行時間超過安全時問或系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，程序轉(zhuǎn)人故障處理程序。T1中斷服務(wù)程序：ORG000HAJMPMAINORG0003HAJMPSERVEMAIN:ORLP1,#0FFHSETB1T0；選擇邊沿觸發(fā)方式SETBEX0；允許INTO中斷SETBA；CPU開中斷AJMP$；等待中斷T1：CLRET1MOVR1，#03HMOVRO，#20HMOVDPTR，#ADDR0809；0809地址MOVR2，#00HLOOP5：MOVA，R2；通道號MOVX@DPTR,A；啟動A/D轉(zhuǎn)換JBA0809EOC,$；轉(zhuǎn)換是否結(jié)束MOVXA