学位论文红外感应自动移动门设计与实现.docx

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学位论文红外感应自动移动门设计与实现

红外感应自动移动门

设计与实现

论文作者姓名：

XXX

申请学位专业：

自动化（工业）

申请学位类别：

工学学士

指导教师姓名（职称）：

XXX（讲师）

论文提交日期：

2015年06月06日

红外感应自动移动门设计与实现

摘要

随着科学技术的不断发展，人们对生活条件的不断追求，自动门这种高科技产品也因此应运而生。

自动门在人们的日常生活中得到了广泛的应用，但同时人们对自动门的安全性及各方面性能的要求也越来越高。

由于单片机系统的适应能力强，稳定性高，所以本次设计采用AT89C51单片机作为主控制器。

本次设计是红外感应自动移动门的设计与实现，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，将其转化为电压信号，传给单片机，步进电机作为门动力装置。

通过单片机控制步进电机的转动，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的单片机的控制系统,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：

自动门单片机红外线传感器步进电机

Designandimplementationofautomaticmovingdoorforinfraredsensor

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,peopleconstantlypursuethelivingconditions,andtheautomaticdoorofthishigh-techproductscameintobeing.Automaticdoorshavebeenwidelyusedinpeople'sdailylife,butatthesametime,thesafetyandperformancerequirementsoftheautomaticdoorsarealsohigherandhigher.BecauseoftheadaptabilityofSCMsystemandhighstability,thedesignusesAT89C51microcontrollerasthemaincontroller.

Thedesignofinfraredinductionautomaticmobileportaldesignandimplementation,usinginfraredsensorsassensor,thedetectionofradiationtothehumanbodyinfraredenergychange,theconversionofvoltagesignal,transmittedtothesinglechipmicrocomputer,steppingmotorasapowerdevice. Controltherotationofthesteppermotorthroughthemicrocontroller,sothatthedoorautomaticallyopens,whenthedoorcanautomaticallyshutthedoor.

ThispaperismainlytoachieveinfrareddetectionandcontrolsystembasedonAT89C51singlechipmicrocomputer.Itsadvantageisthatthehardwarecircuitissimple,thesoftwarefunctionisperfect,thecontrolsystemisreliable,theperformancetopriceratiohighercharacteristic,withcertainuseandreferencevalue.

Keywords:

AutomaticDoorSinglechipmicrocomputerInfraredsensorSteppermotor

论文总页数：

29页

1引言

随着科学技术的不断提升，社会向高速信息化时代发展，使人们的生活水平不断提升，随之而出的是快速发展的电子产品，本可以设计智能自动门也在人们的生活中慢慢的体现出重要性。

随着自动门的技术、性能越来越成熟各方面也在完善，因此自动门技术被广泛应用在不同的领域，提高人们的生活水平。

自动门不但能节约空调能量、防尘、防噪音等密闭性的好处，还可以给我们带来人出入方便，使我们的建筑物体现出现代化的标志。

1.1课题背景

从古到今门体现的一种安全，而在科学飞速发展的21世纪着重强调了有效性:

有效的防范疏散、通行，不仅如此还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调和谐强调门与建筑艺术的理念。

自动门大多数在大中小型等公共场所中使用，这样的目的是为建筑增添了亮丽、时尚的姿态。

自动门从根本上来说应该是对门的研究，是人们根据需要对门的功能的更高一层次的使用。

因此对自动门的认识应该从人们对门的基本功能的要求开始。

门作为建筑物的一部分，从最基本的意义来说，要同时满足两种要求及隔离外部环境和不妨碍人的通行。

因此门体本身应坚固、封闭。

自动门在生活中的普遍应用不仅提醒了人们的防护意识，而且从根本上提升了人们的安全理念。

但在我国没有对自动门进行标准化的要求，导致自动门档次、质量各种各样，因此选择自动门的时候应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。

千万不要误解样本上全是英语语，资料也是英语或其他外语的商品就是进口商品，其实这是有些不良生产商为盈利而做的违反法律的做法。

真正的知名品牌，他们将会做出自己的品牌。

自动门机及门内外两侧加红外线感应是自动门平移门最常见的形式之一，当人走近自动门时，红外线就会感应到人的存在，同时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。

由于自动平移门在通电后可以实现无人管理，既方便又提高了建筑的档次，于是快速的在国内外建筑市场上得到大众的认可。

1.2自动门发展历史与现状

自动门从理论上理解应该是门的理念上的延伸，是将门的功能进一步的完善和不断提升。

自动门的意思是：

在人接近门（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。

自动门是在二十世纪年以后开始在建筑物上使用。

二十年代后期，由于美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受到了很大的影响，多玛在当时世界第一的品牌在1945年开发出油压式、空气式自动门，同时新建大楼的正门也开始使用了。

到了1962年，电气式己开始浮现在人们的生活中，因为城市建设的需求，自动门技术的领域每年都在持续增长。

最初用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，因而能源转换率很低使能源十分的浪费，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为当前的流行趋势。

例如：

各种用可识别控制的自动专用门，如：

感应自动门（红外感应，微波感应，触摸感应，脚踏感应）、刷卡自动门等。

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的专业制造商。

门的高级形式--自动门发源地是欧美，这个技术迅速发展到今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。

1.3课题研究的意义和目的

随着科技的不断进步，智能控制系统慢慢进入人们的生活。

而本课题设计的自动门控制系统成为超市、商场、地铁等人流密集地方疏导人流、控制人员出入的首要选择。

自动门不仅能实现入门授权的自动识别和控制，还可以实现防挤压等功能。

自动门可根据使用的地点、形状和功能的不同进行分类，可分为自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动折叠门等多种形式的门，其中自动平移门使用得最广泛，我们口中最常说的自动门、感应门就是自动平移门。

自动平移门最常见的结构是由自动门机械驱动装置和门内外两侧红外线组成，每当人走近自动门时，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。

自动门在通电后可以实现智能控制，同时又能节约空调能量、防风、防尘、降低噪音等实用性功能，美观又实用，同时提升了建筑的美感。

2系统方案

2.1系统总体规划

本系统主要由51单片机及其外围电路、红外线检测电路、步进电机、同步传送带和自动门主体框架等组成。

正常工作时,红外检测电路不断检测人体信号并将其转化为电压信号传送给单片机，单片机接受到此信号，据此给步进电机控制信号，电动机转动带动传送皮带运行，传送皮带将动力传给门使其移动。

当系统检测到传送的信号发生变化时，系统进入相应模式。

如门在的控制方关门过程中检测到人体信号时，门无条件向两边打开。

液晶屏则可以显示当前的工作状态和显示自动移动门状态。

其原理方框图如2-1所示。

图2-1原理方框图

2.2器件介绍

2.2.1单片机

主控制处理系统模块选用的芯片为STC89C51。

选用STC单片机的理由：

性能较高但成本低，只需加些外部电路即可工作。

产品小巧，轻便,功耗低，用通用的下载软件即可将2进制代码、16进制代码下载进单片机。

STC89C51单片机简介

1.增强型8051单片机：

6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可任意选择，指令代码完全兼容传统8051

2.工作电压：

5.5V-3.3V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）

3.工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz.

4.用户应用程序空间：

4K/8K/13K/16K/32K/64K字节

5.片上集成1280字节或512字节RAM

6.通用I/O口（35/39个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）；P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片

8.有EEPROM功能

9.看门狗

10.内部集成MAX810专用复位电路（HD版本和90C版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路。

11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。

12.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒􀇄。

13.通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART

14.工作温度范围：

-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）

15.封装：

LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,PQFP-44

STC89C51管脚图如2-2所示

图2-2STC89C51管脚图

引脚介绍：

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复位，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTE逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。

。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（ILL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能。

如表2-3P3口第二功能：

表2-3P3口第二功能

端口引脚

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（定时/计数器0外部输入）

P3.5

T1（定时/计数器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）

RST：

复位端。

当晶体在运行时，只要此引脚上出现2个机器周期高电平即可复位，内部有扩散电阻连接到Vss，仅需要外接一个电容到Vcc即可实现上电复位。

ALE/PROG：

地址锁存使能。

在访问外部存储器时，输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下，ALE输出信号恒定为1/6振荡频率。

并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时，一个ALE脉冲将被忽略。

PSEN：

程序储存使能。

读外部程序储存。

当从外部读取程序时，PSEN每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时PSEN无效，访问内部程序存储器时PSEN无效。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH）。

EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是:

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。

Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VCC。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

VCC：

工作电压（+5V）输入端。

VDD:

接地端。

2.2.2人体感应模块

人体红外感应模块是选用DYP-ME003，这是一种基于红外线技术的自动控制产品,灵敏度高，可靠性强，能在超低电压下工作,广泛应用于各种红外感应电器设备,尤其是干电池供电的自动控制产品。

电器参数如表2-4：

表2-4DYPME003电气参数

电气参数

DYP-ME003人体感应模块

工作电压范围

DC4.5-20V

静态电流

<50uA

电平输出

高3.3V/低0V

触发方式

H重复触发/L不可重复触发

延时时间

5S-200S（可调）可制作范围零点几秒-几十分钟

封锁时间

2.5S（默认）可制作范围零点几秒-几十秒

电路板外形尺寸

32mm*24mm

感应角度

<100度锥角

感应距离

7米以内

工作温度

-15-+70度

感应透镜尺寸

直径:

23mm（默认）

其功能特点：

1.全自动感应:

人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。

2.光敏控制（可选择，出厂时未设）：

可设置光敏控制，白天或光线强时不感应。

3.温度补偿（可选择，出厂时未设）：

在夏天当环境温度升高至30～32℃，探测距离稍变短，温度补偿可作一定的性能补偿。

4.两种触发方式：

（可跳线选择）

a.不可重复触发方式:

即感应到人体后输出高电平，延时时间段一结束，输出将自动从高电平变为低电平；

b.可重复触发方式：

即感应到人体后输出高电平，在延时时间段内，如果有人体在其感应范围活动，将一直保持在高电平输出，直到人离开感应范围后才延时，然后将高电平变为低电平（感应模块检测到人体的每一次活动后会自动顺延一个延时时间段，并且以最后一次活动的时间为延时时间的起始点）。

5.具有感应封锁时间（默认设置:

2.5S封锁时间）：

感应模块在每一次感应输出后（高电平变成低电平），可以紧跟着设置一个封锁时间段，在此时间段内感应器不接受任何感应信号。

6.工作电压范围宽：

默认工作电压DC4.5V-20V。

7.微功耗:

静态电流<50微安，特别适合干电池供电的自动控制产品。

8.输出高电平信号：

可方便与各类电路实现对接。

使用说明:

1.感应模块通电后有一分钟左右的初始化时间，在此期间模块会间隔地输出0-3次，一分钟后进入待机状态。

2.应尽量避免灯光等干扰源近距离直射模块表面的透镜，以免引进干扰信号产生误动作；使用环境尽量避免流动的风，风也会对感应器造成干扰。

3.感应模块采用双元探头，探头的窗口为长方形，双元（A元B元）位于较长方向的两端，当人体从左到右或从右到左走过时,红外光谱到达双元的时间、距离有差值，差值越大，感应越灵敏，当人体从正面走向探头或从上到下或从下到上方向走过时，双元检测不到红外光谱距离的变化，无差值，因此感应不灵敏或不工作；所以安装感应器时应使探头双元的方向与人体活动最多的方向尽量相平行，保证人体经过时先后被探头双元所感应。

为了增加感应角度范围，本模块采用圆形透镜，也使得探头四面都感应，但左右两侧仍然比上下两个方向感应范围大、灵敏度强，安装时仍须尽量按以上要求。

2.2.3ULN2003芯片

在大型仪器仪表系统中,经常要用到伺服电机、步进电机、各种电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的器件。

ULN2000、ULN2800是高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品,具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

美国TexasInstruments公司、美国Sprague公司生产的ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动7组负载的能力,为单片双极型大功率高速集成电ULN2003A电路主要用于伺服电机;步进电机;电磁阀;可控照明灯等电路。

ULN2003A电路的管脚排列如图2-5所示，其原理和引脚功能图如图2-6所示，各引出端的功能符号及说明如表2-7所列，极限参数如表2-8所列，主要点特性参数如表2-9所列。

图2-5ULN2003A管脚图图2-6ULN2003功能框图

表2-7ULN2003A引出端功能符号

引出端序号

符号

功能

引出端序号

符号

同意功能

1

1B

输入

9

COM

公共端

2

2B

输入

10

7C

输出

3

3B

输入

11

6C

输出

4

4B

输入

12

5C

输出

5

5B

输入

13

4C

输出

6

6B

输入

14

3C

输出

7

7B

输入

15

2C

输出

8

E

发射极

16

1C

输出

表2-8ULN2003A极限参数

表2-9ULN2003A主要点特性参数

特性

符号

条件

（若无其它规定,TA=-40～85℃）

规范值

单位

最小

最大

直流放大倍数

hEF

VCE=2V,Ic350mA

1000

-

集电极-发射极饱和电压

VCE（sat）

IB=500μA,IC=350mA

-

1.6

V

箝位二极管正向电压

VF

IF=350mA,输入开路

-

2.0

V

集电极截止电流

ICEX

VCE=50V

Ii=0mA

-

50

μA

Vi=6V

-

500

μA

箝位二极截止电流

IFEX

VF=50V

TA=25

-

50

μA

Vi=85

-

100

μA

集电极最大电压

Vamx

空载

50

-

V

集电极最大电流

Imax

VCE=2V

500

-

mA

开态延迟时间

ton

VCE=5V,16kHz的方波输入

-1.0

μS

关态延迟时间

toff

VCE=5V,16kHz的方波输入

-1.0

μS

2.2.4步进电机

步进电动机是一种将电脉冲信号转换变为角位移或线位移的开环控制元件，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

在数字控制系统中，它既可以用作驱动电动机，也可以用作伺服电动机。

步进电机在工业过程控制中应用的很广泛，特别是应用在智能仪表和需要精确定位的场合等地方。

此次设计所用的步进电机为四相步进电机，用单极性直流电源供电。

当对步进电机的各相绕组按照一定的顺序通电时，步进电机步进就能转动。

图2-10是该四相反应式；开始时，接通开关SB电源，断开SA、SC、SD，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。

当接通开关SC电源，断开SB、SA、SD时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。

而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。

依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。

　　四相步进电机根据供电的顺序不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。

单四拍与双四拍的步距角相等，转动力矩小。

八拍的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。

图2-10四相步进电机步进示意图

单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图2-11：

a.单四拍b.双四拍c八拍

图2-11

单片机驱动步进电机的驱动电压为12V，步进角为7.5度。

一圈360度，需要48个脉冲完成。

图2-12步进电机图

图2-12中该步进电机有6根引线，排列次序如下：

1:

红色、2:

红色、3:

橙色、4:

棕色、5:

黄色、6:

黑色。

采用51驱动ULN2003的方法进行驱动，如图2-13

图2-13

2.2.5液晶显示

LCD1602主要技术资料

显示容量：

16×2个字符

芯片工作电压：

4.5～5.5V

工作电流：

2.0mA（5.0V）

模块最佳工作电压：

5.0V

字符尺寸：

2.95×4.35（WXH）mm

引脚说明如表2-14：

表2-14LCD1602引脚说明

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源接地

9

D2

Dat