红外线控制自动门

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1、红外线控制自动门摘要：随着经济的发展和人民生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛，它已经成为宾馆、超市等现代建筑所必备的，是建筑智能化水平的重要指标。自动门控制系统作为自动门系统的控制核心，决定了自动门系统的性能。国外生产的自动门控制系统性能比较优良，但是价格偏高；国内的同类产品虽然价格便宜，但是性能较差，故障率较高。本文研究一种基于AT89C51的自动门控制系统，功能强大，运行可靠，用户操作方便，而且成本适中，在市场上有较强的竞争力。关键词：自动门控制系统； AT89C51； ABSTRACT：With the development of economy and living stand

2、ard,automatic doors are being widely used.It is absolutely necessary to a modern building such as hotel,supermarket.As the controlling core of the automatic door,the automatic door controller determines its performance.Most of automatic door controllers that have been sold in our country are made by

3、 foreign manufactures.The performance of these products is high, but they are very expensive. Our home-made automatic door controllers are not so expensive,however,the performance is unsatisfied and the faulty rate is high. So we have developed a new kind of automatic door controller based on AT89C5

4、1. The controller has good competitive ability because its powerful, reliable, convenient and low-cost.Key words:automatic door controller； AT89C51； 目录第一章绪论31.1引言31.2系统功能简介31.2.1实用的操作模式31.2.2完善的故障监测和故障/状态显示功能41.2.3灵活的参数设置41.2.4智能化处理41.2.5紧急按钮41.2.6手动复位41.3系统结构和工作原理51.3.1电源51.3.2主控芯片、存贮器及外围电路61.3.3步进

5、电机控制及驱动电路61.3.4红外传感器部分61.3.5电流电压监测电路7第二章 红外线感应原理82.1红外传感技术简介82.2. 1主动式82 .2. 2被动式8第三章 硬件电路设计123.1电源部分123.1.1整流滤波电路123.1.2开关电源133.2主控芯片AT89C51接口电路143.3控制面板电路163.4电磁锁控制电路173.5制动控制电路193.6电流电压监测电路213.6.1总电流监测电路213.6.2交流电掉电检测电路223.7红外传感器和光电管22第四章 系统程序流程234.1定时中断服务程序244.2门的运动264.2.1电机的操作274.2.2输入捕捉程序314.3

6、控制面板按键程序324.3.1修改系统操作模式334.3.2修改运动参数334.3.3系统复位334.3.4自由滑动33参考文献35第一章 绪论1.1引言随着经济的发展和人们生活水平的提高，自动门的应用也越来越广泛。它现在为许多宾馆、超市、百货大楼等现代建筑所必备，不仅可以美化出入口环境，而且具有节能、防尘、隔音等功能，同时也是建筑物智能化的重要指标。目前国内的产品多为从国外进口。国外生产自动门的公司很多，常见的公司有德国的BLASL，瑞士的TORMAX，意大利的PA，日本的National等等。这些产品功能繁多，性能可靠，但普遍价格偏高，操作复杂。而国内设计的同类产品性能不稳定，故障率较高，

7、需要频繁的维护，增加了运营成本。我设计的这款红外线自动门控制系统要求功能强大，而且具有完整的抗干扰和故障诊断功能，性能稳定可靠，用户操作方便，而且成本适中，在市场上有较强的竞争力。1.2系统功能简介我们所研制的自动门控制系统功能具体特点如下：1.2.1实用的操作模式自动门控制系统有五种实用的操作模式，即自动、常开、锁门、单向只出不入和窄开门工作模式。自动模式也就是最常用的模式，当有人靠近时自动开门，当人通过后自动关门；常开模式，无论是否有人通过，一直保持开门状态不变；锁门模式即关门并且上锁的状态。单向只出不入模式对时间有限制的公共场所非常有用，比如商店晚上打烊之前可以设定为此工作模式，此时自动

8、门只对门内的顾客有响应，可以让顾客出去，对于门外要进入的顾客则不予响应。窄开门模式和自动模式类似，只是当执行开门动作时只开到某一宽度（可由用户调节），而不是全部打开，这种模式在冬天或夏天室内外温差较大时是一种非常实用的工作模式，可以减少室内外的热量交换。1.2.2完善的故障监测和故障/状态显示功能本系统具有完善的故障检测和抗干扰功能，保证系统安全可靠的运行。对市电、直流电源电压、系统总电流、制动电流、锁电流、电机温度、系统环境温度都有相应的监测电路，一旦发生掉电、欠压、过流、过热等情况将会立即执行相应的故障处理程序，同时通过5个LED闪烁显示相应故障，提醒相关人员及时维护，保证系统的安全和人身

9、安全。正常情况下，LED显示当前系统的运行状态。1.2.3灵活的参数设置通过控制面板可以随时调节系统参数，使之更符合用户的需要。通过控制面板用户可以调节的参数有开门速度、关门速度、开门宽度以及保持开门时间等参数。用户设置的参数会存贮在EEPROM中，掉电不丢失。1.2.4智能化处理复位之后，系统自动执行校准运行，测量门的宽度，计算门的运动曲线（各运行阶段的位移和速度），无需人工干预。在此后门的运动中，不管开启或关闭，当门在运动方向上遇到意外的障碍物，会立即停止门的运动，然后倒转，同时记住障碍物的位置和显示故障信息。如果障碍物仍未被移走，当门再次到达此位置时，系统就执行校准运行，自动把此位置作为

10、终点位置，重新计算门的运动曲线。1.2.5紧急按钮在屋内一侧，有两个紧急按钮，开门按钮K&S和紧急停止按钮E.P，用于紧急情况下的处理。按下K&S，不管系统处于什么操作模式下，门都会打开。按下E.P，首先立即停止门的运动，然后使门体脱离系统控制，可以自由滑动。1.2.6手动复位同时按下控制面板上的两个按键至少5秒，再松开，就可以使系统复位。1.3系统结构和工作原理自动门控制系统结构如下所示：图1-1自动门控制系统结构我选择主控芯片AT89C51作为系统的控制核心。主控芯片循环检测传感器、紧急按钮和光电管的状态，结合门体的当前运动状态，产生对步进电机或者制动的控制信号。制动信号使制动动作，阻止门

11、体移动；而电机控制信号通过脉冲编码电路产生相应的时序，然后经驱动放大送给电机，从而带动门体相应的运动。光电编码器监测门体的运动方向和速度，并反馈回主控芯片，形成闭环控制。通过控制面板，用户可以调整系统工作模式和门体的运动速度等参数，LED显示当前控制系统工作模式或者故障显示信息。系统掉电时，用户调整的参数被送到EEPROM中保存起来，供电恢复以后主控芯片从EEPROM中读出这些参数，系统可以按照掉电以前用户设定的参数重新运行而无须由用户重新设定。1.3.1电源系统的供电为220伏、50Hz的市电，经变压器变压后输出27伏的交流电，经整流滤波后产生35伏的准直流输出，然后再经过开关电源产生24伏

12、和5伏直流电，24伏用于微波传感器、光电管、控制面板、运算放大器的供电，5伏用于主控芯片、片外存贮器及其他数字逻辑电路的供电，而步进电机、制动和电磁锁这些大功率部件的供电是35伏准直流电。5伏经升压电路后输出15伏直流电，用于电机驱动电路中悬浮自举供电电压，控制大功率MOSFET管的正常导通和截止。1.3.2主控芯片、存贮器及外围电路AT89C51内部存储器容量有限，在本系统中采用扩展工作模式，在外部扩展了128KB EPROM（M27C1001）和8KB SRAM（SRAM6264）。EPROM用于贮存系统程序，SRAM储存处理数据和临时参数。AT89C51内部自带了640字节EEPROM，

13、用来存储用户设定的参数。主控芯片需要访问传感器、控制面板、过热过流保护信号、电机方向等接口信号。这些信号如果直接接到主控芯片的I/O引脚将占用较多的资源，因此本系统将这些信号通过三态总线缓冲器74HC541和8D触发器74HC574接到主控芯片的数据总线，将地址总线经过译码器译码后控制缓冲器的使能端，相当于赋予接口电路以不同的地址，主控芯片可以像读写外部存储器一样通过接口地址读入或写出接口信号。1.3.3步进电机控制及驱动电路对步进电机的控制是系统重要的组成部分，包括脉冲编码电路、功率驱动电路。本系统采用一片Xilinx公司的复杂可编程逻辑器件（CPLD）XC9536实现脉冲分配功能，主控芯片

14、只需要输出启动/停止信号、转动方向信号以及表示转动速度的PWM信号，具体时序的产生都由CPLD完成，减轻了主控芯片的负担，并具有良好的扩展性和灵活性。功率驱动电路是大功率MOSFET管组成的H桥式放大电路。具体电路见第四章。1.3.4红外传感器部分红外传感器信号输入到外围处理电路，对其进行准确的判断和处理也是至关重要的。桑斯达公司开发的BISS0001是一款具有较高性能的热释电红外传感信号处理芯片，它是CMOS数模混合专用集成电路，具有独立的高输入阻抗运算放大器和双向鉴幅器，可有效抑制干扰，内设延迟时间定时器和封锁时间定时器，结构新颖，稳定可靠，调节范围宽。1.3.5电流电压监测电路本系统对系

15、统中各个电流、电压设置了监测电路，监测电路将电流转换成电压，然后用主控芯片内部的A/D转换器将其转换为数字信号，判断是否发生了欠压、过压、过载等情况，如检测到异常情况将执行故障处理子程序。第二章 红外线感应原理2.1红外传感技术简介红外传感技术可分为主动式传感技术和被动式传感技术。2.2. 1主动式图2. 1主动式红外探测器的基本组成红外发射机驱动红外发光二极管发出一束调制的红外光束。在距发射机一定距离处，与之对准放置一红外接收机。它通过光敏晶体管接收发射端发出的红外辐射能量，并经过光电转换将其转换为电信号。分别在收、发端放置一光学透镜，将红外光聚集成较细的平行光束，以使红外光的能量能集中传送

16、。采用调制的红外光源具有以下几个优点: .降低电源的功耗。 .使红外探测器具有较强的抗干扰能力，提高了工作的稳定性。 红外光束构成了一道人眼看不见的封锁线，当有人穿越或阻挡这条红外光束时，接收机输出的电信号强度就会发生变化，从而发出信号。2 .2. 2被动式 被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源，本身不向外界发射任何能量，而是由探测器直接探测来自移动目标的红外辐射，因此才有被动式之称。被动式红外探测器是利用热释电效应进行探测的。（1）自然界物体的红外辐射特性 自然界的任何物体，只要温度高于绝对零度C273 C )，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

17、物体的温度和红外辐射的波长有关。假定物体发射红外辐射的峰值波长为几，它的温度为T，则辐射能量等于红外辐射的峰值波长戈与物体温度T的乘积。这一乘积为一常数，即。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。（2）热释电效应 被动式红外探测器又称为热释电红外探测器，其主要工作原理便是热释电效应。 热释电效应是指如果使某些强介电质材料(如钦酸钡、钦错酸铅(PZT)等)的表面温度发生变化，则随着温度的上升或下降，材料表面发生极化，即表面上就会产生电荷的变化，从而使物质表面电荷失去平衡，最终电荷变化将以电压或电流形式输出。 在热释电红外探测器中有两个关键性的元件，一个是热释

18、电红外传感器(PTR)PTR能将红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用。另一个是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜，它用来配合热释电红外线传感器，以提高接收灵敏度。用菲涅尔透镜配合放大电路将信号放大6070db，就可以检测1020m处人的活动。 热释电传感器具有自极化效应，晶体处于低于Curie温度的恒温环境时，其自极化强度保持不变，即极化电荷面密度保持不变。这些极化电荷被空气中的带电粒子中和，当红外辐射入射晶体，被晶体吸收后，晶体温度升高，自极化强度变小，即电荷面密度变小。这样，晶体表面存在多余的中和电荷，这些电荷以电压或电流的形式输出，该输出

19、信号可用来探测辐射。相反，当截断该辐射时，晶体温度降低，自极化强度增大，由相反方向的电流或电压输出。（3）热释电红外传感器的基本结构 热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。按照探测元的数目来分，热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种，用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构。按照热释电红外传感器的用途来分，有以下几种:用于测量温度的传感器，它的工作波长为120,cm;用于火焰探测的传感器，它的工作波长为4.3 S士0.1 S fnn;用于人体探测的传感器，它的工作波长为7 15 fan。 图2.2是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图。该传感器将两个极

20、性相反、特性一致的探测元串接在一起，目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰。它利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理，使传感器起到补偿作用。当人体处于静止状态时，两元件极化程度相同，相互抵消;当人体移动时，两元件极化程度不同，净输出电压不为0，从而达到探测移动人体的目的。图2.2热释电红外传感器的内部结构示意图 使用时一般在管壳顶端装有滤光镜片及窗口，用以选择接收不同的波长。在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器。一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的(并且不受可见光的影响)。一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜，它能以非接触形式检测出物体放射出来

21、的红外线能量变化，并将其转换成电信号输出。传感器探头前部装有菲涅尔透镜。菲涅尔透镜是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系数的透镜，它由一组平行的棱柱型透镜所组成，它的每一单元透镜都只有一个不大的视场角，而相邻的两个单元透镜的视场既不连续，也不重叠，都相隔着一个盲区，这样就在传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”。视场的侧视图和俯视图如图2.3所示。图2.3菲涅耳透镜和视场图当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断在“盲区”和“高灵敏区”内切换，这样就使接收到的信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，增强了能量变化幅度，从而提高了探测灵敏度。（4）热释电红外探测器的基本原理 热释电红外传感器

22、通过接收移动人体辐射出的特定波长的红外线，可以将其转化为与人体运动速度，距离，方向有关的低频电信号。 当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时，其内部敏感材料的温度将升高，极化强度减弱，表面电荷减少，通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷。由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化，所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化，从而探测出红外辐射能量的变化。红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上，这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化。 当防范区域内没有移动的人体时，由于所有的背景物体(如墙壁、家具等)在室温下红外辐射的

23、能量比较小，而且基本上是稳定的，所以不能触发报警器。当有人体突然进入探测区域时，会造成红外辐射能量的突然变化，红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电信号，电信号的大小，决定于敏感元件温度变化的快慢，经过后级比较器与状态控制器产生相应的输出信号Uo，送往报警器，发出报警信号。红外探测器的探测波长为8-14微米，人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内，因此能较好的探测到活动的人体。被动式红外探测器属于空间控制型探测器，其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态，组成锥体感热区域，构成立体警戒。第三章 硬件电路设计在第一章绪论中已经简要的介绍了红外线控制自动门控制系

24、统的结构，下面将详细介绍各个部分的具体硬件实现及其工作原理。3.1电源部分本系统电源部分的框图如图3-1所示。图3-1电源框图220伏、50Hz的市电，经变压器后输出27伏的交流电，经整流滤波后产生35伏的直流电压。35伏电源直接供给步进电机、制动和电磁锁这些大功率部件，另一方面再经过开关电源产生24伏和5伏直流电。24伏用于微波传感器、光电管、手动控制面板、运算放大器的供电，5伏用于主控芯片、CPLD、片外存贮器及其他数字逻辑电路的供电。5伏经升压电路输出15伏直流电，用于电机驱动电路中悬浮自举供电电压，使MOSFET功率管栅源极有足够高的电压，保证功率管的正常导通和截止。3.1.1整流滤波

25、电路图3-2整流滤波电路整流滤波部分见图3-2所示。图中的C1到C3三个0.1F的电容是为了滤除电网中的尖峰干扰。两个0.1欧姆的电阻（R62、R63）并联作为整机总电流采样电阻，将电流转化为负电压GDU,配合监测电路，用于监测系统的总工作电流，确保系统安全。3.1.2开关电源上面提到了系统是用开关电源产生5伏和24伏的直流电压。本系统采用的开关电源是LM2575HV系列单片集成的开关整流器，最大输出电流为1A，输入电压最大为60V，输出电压有3.3V、5V、12V、15V和可调输出电压几种版本，可调输出范围从1.23V到37V。在规定的输入电压和输出负载范围，输出电压波动不大于4。内部有固定

26、频率的振荡器和频率补偿电路，其震荡频率是52KHz。LM2575HV是传统的三端式稳压集成电路的理想替代品。外部电路简单，只需要四个外围元器件即可，而且其转换效率高，在77%以上，在大多数情况下不需要散热片。内部有完善的保护电路，具有过热和过流自动关闭功能。该系列开关整流器还有一个TTL电平的使能输入端，可控制是否有电压输出。图3-3 5V电源电路图3-4 24V电源电路本系统中开关电源的具体的电路如图3-3、3-4所示。LM2575HV的1脚为输入端，2脚为输出端，3脚接地，4脚是反馈端，5脚是输出使能端，低电平有效。LM2575HVT-5.0输出为固定的正5V，LM2575HVT-ADJ为

27、可调输出，通过调节其输出端的反馈分压电阻R64、R65，使之输出电压为24V。由图3-4知：其中为LM2575HVT-ADJ内部参考电压。，通常，则。考虑温度系数以及随时间的稳定性，R64、R65选用精度为1的金属膜电阻。本系统中，5V电源的使能端ON/OFF接地，一直处于正常工作状态；而24V电源的使能端接到MCU的一个I/O口，由程序控制它是否正常输出24V电压。图3-3和图3-4中的电感L1和L2的选择主要取决于输入电压和最大负载电流两个参数。对于+5V的电源，估算出最大负载电流约为200mA，输入电压约为35V，根据LM2575HVT-5.0上提供的表格可以得到L2的数值为220H。同

28、样可以得到电感L1的数值为1000H。开关整流器的输出端必须加一个电容对输出电压滤波和保持环路稳定性。推荐使用低等效串联电阻（ESR）的电容以减小输出纹波电压和保证较好的环路稳定性。一般容量小或耐压低（小于12V）的ESR值较大。我们选择330uF，50V耐压的的开关电源用的电解电容，并联0.01uF的瓷片电容。当整流器内部的开关关闭时需要一个二极管为电感电流提供一个回路。因为其具有较快的开关速度和较低的正向导通电压，可以得到较高的转化效率，我选择肖特基二极管。具有“软恢复”特性的快恢复二极管也适合用于这种场合。3.2主控芯片AT89C51接口电路控制系统接收的外部输入信号有门内和门外传感器的

29、信号，控制面板按键的信号，两个安全光束的信号，紧急按键K&S和E.P的信号，电机过热信号，电源掉电指示信号，以及一些出错指示信号等。同时主控芯片还要输出信号来初始化电路状态，控制安全光束发光等。第二章中介绍过，主控芯片AT89C51的I/O资源丰富，但是众多的输入输出信号仍然使主控芯片IO资源难以满足要求。图3-6外部接口电路示意图为了解决此问题，本系统设计了图3-6所示的接口电路，让输入信号通过缓冲器74HC541，由数据总线读到内部存储器中；输出的信号由数据总线送给8D触发器74HC574输出。图3-6中，74HC139是二四译码器，输入端接主控芯片的地址线A0和A1，使能端与主控芯片的I

30、/O片选CSIO相连。本设计中，片选CSIO有效的地址为$1000到$1FFF，有效的极性为低电平，相关的设置见第五章5.1节。74HC541具有两个输入使能端G1和G2，只有当这两个使能端都为低电平时，输出Y7:0等于输入A7:0，否则输出为高阻状态。G1接到74HC139的输出端，G2由读信号和E时钟输出口共同控制。当8D触发器74HC574的时钟输入端CLK上跳沿有效时，主控芯片的输出数据D7:0被锁存到74HC574的输出端Q7:0，而CLK=Y0+E?W。如果地址线A1:0=00，则Y3=0，选中使能端G1和Y3相连的那片HC541，该HC541的地址即为100011（二进制），不妨

31、设它的地址为$1003（十六进制）。同理另一片HC541的地址为$1002，74HC574的地址为$1000。经过如上处理，主控芯片对外部接口的读写操作和读写存储器或I/O口完全一样，十分方便，更重要的是大大节省了主控芯片的口线资源。3.3控制面板电路如图3-7所示，控制面板包括两个输入按键（UP和DOWN）和五个发光二极管。通过UP和DOWN键，用户可以调整门的工作模式和运动参数。系统的工作模式有锁门（OFF）、自动（AUTO）、窄开门（RED）、单向只出不入（EXIT）和常开（OPEN）五种，绪论中已作过介绍。运动参数同样有五个，分别是窄开门模式下的开门保持时间（Tr）、自动模式下的开门保

32、持时间（To）、窄开门时门打开的宽度（Pr）、开门速度（Vo）、关门速度（Vc）。图3-7控制面板外观通常，发光二极管用来指示门的当前工作模式。当控制系统出现错误的时候，发光二极管通过不同的发光组合指示不同的错误。用户通过按键调整运动参数的时候，发光二极管以不同的闪烁频率指示所调参数的大小变化。图3-8控制面板电路图控制面板的电路如图3-8所示。按键信号通过缓冲器HC541送给主控芯片。按键合下时为低电平，松开时对24V进行电阻分压，HC541收到约5V的电平。图3-9中的电容C滤去线上的干扰，对去按键抖动也有一定的作用。主控芯片的IO口PD2:5和PG6经驱动器ULN2004控制LED。UL

33、N2004为7路高电压、大电流集电极开路的达林顿管矩阵，每路输出最大电流500mA。3.4电磁锁控制电路图3-9电磁锁控制电路框图本系统采用的锁是KGS公司的双稳态自保持电磁锁，该锁的锁舌有锁上、锁两种状态，在无电时自动保持原来的状态。该锁的主要电气结构是一个电感线圈（12mH，直流电阻14欧姆），在线圈上加不同方向的电流锁舌产生往复运动。我们使用NS公司的H桥驱动电路LMD18200来驱动该锁。锁的控制电路框图见3-9。单片机输出的锁控制信号有三个，一个是I/O口PA3输出的启动/停止信号，该信号用于控制是否禁止锁运动；另一个是I/O口PH5输出的方向信号，用于控制电感线圈中的电流方向，从而

34、控制锁执行关闭还是打开动作；还有一个是PH3/PWM4引脚输出PWM信号，调节PWM信号的占空比，就可以控制线圈中的工作电流的大小。控制信号经过ULN2004传输到H桥功率驱动电路LMD18200的输入端。LMD18200是单片集成H桥电路，内部原理框图如图3-10所示，外围电路图如图3-11所示。图3-10 LMD18200内部原理框图图3-11 LMD18200外围电路LMD18200最大运行工作电流3A，工作电压55V。内部功率开关管导通电阻RDS小于0.3欧姆，内置钳位二极管，并有负载短路保护。内部有温度检测电路，当温度超过145时，温度标志引脚9输出警告信号，超过170时，将关闭所有

35、输出。LMD18200内部有充电泵电路，外部只需要在引脚1、2和10、11加两个自举电容C74和C75，电磁锁的的线圈（电感）直接连接到输出引脚2和10。6脚Vs接工作电源35V。输入控制引脚3控制输出电流在输出引脚2和10之间的电流流向，从而控制锁的开关。引脚4为制动，当它高电平有效后，将使所有功率开关管截止，锁不能动作。PWM输入则是用来控制锁线圈中的电流。此外LMD182000还有一个电流监测输出引脚8，该引脚输出一个电流信号，该电流值正比于工作电流，典型值为377A/A。将该引脚通过精度为1%的采样电阻R22接地，变电流为电压信号，然后将该电压信号送至单片机的A/D转换输入端口PE3，

36、从而可以实时检监测锁的工作电流。PE3上的电压与锁电流关系如下： 在电磁锁内还有两个霍尔效应开关A3141，当穿过该开关的磁场强度超过100高斯（典型值）时，该开关输出低电平，否则输出高电平。它们用于检测锁的确切状态。在锁舌内安装有一小块磁铁，当锁处于弹出或者打开状态，这块磁铁分别对准其中的一个霍尔开关，使其输出低电平。当单片机发出锁控制信号之后约30ms，就会通过外部接口读取霍尔开关的状态，判断锁是否已经处于指定状态。如果检测到的锁的状态与发出的指令不符，就会加大锁的工作电流，重新执行该动作，并检测。如果尝试两次之后仍然不正确，放弃努力，单片机发报警信号。当锁锁上后，CPU就禁止各种开门操作

37、。3.5制动控制电路在关门过程中，可能遇到意外的障碍物和人，为了保证安全，必须设置“制动”。本系统采用的制动是电磁制动器，它的主要电气组成部分也是一个电感线圈（93mH，直流内阻50欧姆），被密封在金属结构中。当线圈中通电后，产生磁力，吸合在它上面运动的刹车圆片，门就被制动了。线圈中电流消失后，磁力也随之消失，不再制动。制动控制电路如图3-12所示。当MOS场效应管T6的栅极为高电平时导通，电流流经制动线圈，制动起作用；当T6的栅极为低电平时FET截止，制动无效。三个或非门HC02A-HC02C组成的单稳态电路，其输出端A和单片机管脚PH2/PWM3输出的PWM信号一起控制T6的导通和截止。单

38、片机IO管脚PA6用来初始化单稳态电路，当PA的电平有个下跳沿时，A点为低电平，此时PWM信号控制T6，其占空比决定了通过制动的电流，也就决定了制动力的大小。图3-12制动控制电路电阻R13是制动电流采样电阻，制动电流较小时，采样电阻电压Vs较小，运放2902B输出端电压较高，比较器2902C输出低电平，不改变单稳态电路的状态。当制动电流过大时，Vs超过门限电压，2902B输出端电位低于3伏，2902C输出高电平，导致单稳态电路翻转，A点电位为高电平，从而截止T6，制动失效。下面计算制动停止工作时的最大电流。由运放的虚地条件可以得到：Vrh5V，为参考电压；P5E=P5C=1.2K，R2=R4

39、=39K，Ibrake为制动电流，VPE2是2902B的输出电压，代入上式可以得到：。比较器的正输入端（电阻R7、R8分压）电压为3V，当正负输入端相等时，即时，输出翻转，此时制动电流为Ibrake=615mA。当制动电流超过此值时，比较器输出高电平，禁止制动工作，保护制动器的安全。2902B的输出还连接到A/D变换的输入端PE2，单片机通过监测VPE2的值来监测制动的工作电流。系统中，设定制动的PWM信号为30Hz、占空比为1:1的方波，检测PE2脚，得到制动电流约480mA。图3-12中，运放2902A构成电压跟随器，其输入为滤波后的电源VCC，目的是为了提供一个比较纯净的参考电压Vrh。

40、单片机管脚PH2/PWM3内部有上拉电阻，初始化时为高电平，禁止制动动作。为了保证过流保护电路的准确性，电路中采用精度为1的高精度电阻。3.6电流电压监测电路为了保证系统安全运行，本系统设置了许多电流电压监测电路，一旦检测到异常情况，将采取相应的保护措施，并报警。上一节中，就介绍了对制动电流的监测。系统中需要检测的电流电压还包括以下部分：总电流、锁电流、市电掉电、35V和24V直流电平。35V和24V的直流电平经过相应的分压电阻，送到主控芯片AT89C51的A/D转换管脚PE6和PE7，予以监测。3.6.1总电流监测电路总电流监测电路见图3-12的下面部分。运算放大器2902 D为同向电压放大

41、器，将总电流采样电压GDU（见图3-2）输出到单片机PE1管脚，进行A/D转换。当总电流过大时，系统暂停电机和锁这些功率级器件的操作。R6，C21组成低通滤波器，时间常数,检测到的总电流是平均电流。根据运放的虚地条件得到如下公式：其中P5A=P5B=1.2K，R62=R3=0.1，R3R539K，Vrh5V，Iall为总电流，VPE1是放大器输出，也是单片机AD输入端PE1的输入电平，代入上述条件化简得到总电流监测电路电流与输出电压的关系：，由A/D得到的电压数据就可以判断总工作电流的大小。3.6.2交流电掉电检测电路交流电掉电检测电路如图3-13所示。电路图的上半部分为系统电源的整流滤波部分

42、，在前面已经介绍过。交流电检测电路是下半部分，由两个二极管和分压电阻及一个非门HC14组成，非门的输出送到接口电路，由单片机查询。两个二极管D3A和D3B的作用是全波整流，27V、50Hz的交流电经全波整流后变成周期为10ms的周期信号，在经过分压电阻分压得到的信号峰值为，是高电平，经过反相器后输出低电平。图3-13掉电检测电路由以上分析可以得出，在交流电正常的情况下，非门输出端大部分时间内为低电平，如果交流电掉电，那么输出一直保持高电平。单片机每隔1ms读一次该端口，如果连续8次为高电平，那么就可以判断交流电源掉电了。检测到交流掉电以后，单片机及时禁止所有大功率器件工作，并利用全波整流电路中

43、的两个4700F大电容中的能量，把重要的参数存储到EEPROM中去。为了保证电流电压电路的准确性，电路中采样电阻、分压电阻、运算放大器周围的电阻使用精度均应在1以内。3.7红外传感器和光电管红外线控制自动门系统一般有两个传感器，分别检测门内和门外两个方向是否有人通过。本系统采用的传感器为红外传感器，工作频率24.5GHz，工作电压24V，检测精度为5cm/s，也就是说运动速度大于5cm/s的物体都会被检测到。检测到运动物体后传感器输出低电平有效信号。在门框上，安装了一对红外光的发光管和接收管，工作电压也是24V。当有人或物通过时，红外光线被阻挡，立即输出低电平有效信号。主控芯片AT89C51通

44、过外部接口不断查询微波传感器和光电管的信号，控制门运动。第四章 系统程序流程红外线控制自动门控制系统软件的总体流程图如图4-1所示。系统复位后，首先执行初始化工作，如设置存贮器扩展相关的寄存器，各个I/O的方向，启动A/D转换，允许24V电源输出等等。然后从内部EEPROM中读取复位前系统的操作模式以及系统各项参数。这些参数包括：开门、关门速度（Vo/Vc），窄开门模式的宽度（Pr）、自动模式和窄开门模式的开门保持时间（To/Tr）。自动门控制系统第一次运行调用的是默认值。接着系统通过AD管脚测量35V和24V电源的电平值。因为35V电源给电机、锁、制动这些功率级器件供电，为了保证驱动能力，要

45、求35V电源的电平至少为26V。24V电源供给传感器、运算放大器等器件，传感器电压不够，将会输出错误的开门信号，运算放大器电压不够，将导致电流检测错误。为了保证系统的可靠性，24V电源至少有16V以上的输出。如果35V和24V电源达不到要求，系统就等待2秒钟后，再次检测，直至其满足要求，才执行后面的程序。系统自动地把复位前的操作模式作为复位后的初始模式。如果是锁门模式OFF，系统若发现门未锁上，则启动电机合上门，再操作锁，使门锁上。系统从OFF模式转为其他模式时，首先要进行校准运行。如果系统初始工作在非OFF模式下，则复位后就必须执行校准运行。校准运行的过程如下：系统首先关门，确定开门起始位置

46、，再开门到最大位置，从而确定了门的开门终点。如果系统工作模式是全开模式(OPEN)，则门以后一直停留在开门终点上；如果工作在其他模式（AUTO/RED/EXIT）下，则门到达开门终点后，保持一段时间（称为开门保持时间To或Tr）后，如果没有开门信号，就返回到开门起始位置。校准运行的开门关门速度为正常开门关门速度的一半（1/2Vo和1/2Vc）。校准运行程序可以确定门的宽度，从而计算门操作过程中的加速、匀速、减速过程的速度和距离。然后，LED显示出系统的操作模式。此后的程序是一个循环操作，包括查询传感器，光电管，按键K&S、EP是否有信号，在结合上一状态执行相应门的操作；查询控制面板按键（UP、

47、DOWN键）是否合下，执行按键子程序；执行必要的锁操作；若系统存在故障，则用LED显示故障原因。图4-1系统主程序框图4.1定时中断服务程序自动门控制系统具有完善的故障检测和自我保护功能，执行主程序时，定时响应中断，检查是否交流电掉电、电流(总电流、锁电流、制动电流)过流以及电机过热、功率管过热，并分别执行相应的操作（如图4-2）。图4-2周期为1ms的定时中断部分程序框图检测到交流电掉电了，系统立即停止电机、锁和制动操作，然后禁止24V电源的输出，迅速将用户参数和操作模式存入EEPROM中，最后用剩余的能量制动，等待系统复位。检测到功率管过热或电机过热时，显示故障信息，禁止电机的操作。如果此

48、时门体停在关门终点处，则以后一直被制动，不能再执行开门操作；如果此时门正在运动，则停止电机，以后门体处于自由滑动状态。当系统检测到功率管和电机不再过热，则延迟5分钟，再清除故障信息，允许电机的操作。如果此时有开门信号，就启动电机执行开门操作；如果没有开门信号且门没有停在关门终点处，则要执行关门操作。检测到锁电流过流时，停止锁的操作，显示故障信息，并禁止以后锁的操作。检测到制动电流过流时，停止制动的操作，显示故障信息，并禁止以后制动的操作。检测到总电流过流时，停止电机的操作，显示故障信息，并禁止以后电机的操作。因为这些故障处理不能延时太长，定时中断的周期我们设为1ms。由于MC68HC11K1集

49、成了输出比较功能OC1:5，当输出比较锁存器TOC1:5中的值与计数器TCNT相同时，可以产生中断请求。我们选择其中OC1实现定时中断功能。在定时中断服务程序的开始部分，清零本次中断产生的标志，将当前TOC1的值加上表示1ms的常数N，存入TOC1中，以准备下次比较，从而形成定时中断。本系统TCNT的频率等于E时钟，即2MHz，1ms需要TCNT累加2000次，故常数N=2000。系统还设置了另外的一个定时中断，就是TCNT溢出中断TOI。由于TCNT频率是2MHz，TOI中断周期是2160.5us =32.768ms。系统在RAM中开辟若干单元，作为各个延时操作的计数器。根据延时的长短，选择

50、TOI和TOC1作为计数时钟。举例说，按键的去抖动延时为20ms，于是在每次TOC1中断中，给按键去抖动计数器加1，直至等于20为止。对于延时几秒甚至几十秒的操作，则采用TOI中断来计数。各延时计数器都有自己的使能标志位，中断程序计数前先要查询标志位，只有使能时才予以计数。如果某个延时计数器需要计数，则需要在主程序中置位相应的标志位，计数结束后也要在主程序中清零标志位。系统复位后，缺省设置时是不会产生中断的，我们在主程序中35V和24V电源检测程序之后，设置了与这些中断相关的寄存器，并清零了CPU内部寄存器CCR的全局中断屏蔽位I，从而允许中断的请求。下面将详细介绍几个关键程序。4.2门的运动

51、门的运动过程如下所述。当系统查询到传感器、光电管或K&S键送出开门信号，立即停止制动，启动电机，执行开门操作。开门至终点后，停止电机，门保持在终点位置持续一段时间。当保持时间完成后，如果有开门信号，则继续保持状态，否则重新启动电机，执行关门操作。如果关门过程中，没有收到开门信号，门就一直运动到关门终点，然后系统停止电机，加上制动。如果关门中收到开门信号，就立即停止门的运动，然后重新开门。在开门和关门的过程中，系统通过光电编码器，一直监视电机的速度和位移。如果电机的速度远小于期望的速度，我们就认为撞到了障碍物或人，就会立即使门停下，然后执行倒转运动。如果开门时倒转，系统使门后退5cm，如果此时位

52、置离开门起始位置距离不足5cm，就退至开门起始处。然后门以Vo/2的速度再次开门，如果在同一位置再次遇到障碍物，系统就复位；如果没有障碍物，门一直运动到开门终点，就转为正常的操作，好象没有发生倒转运动似的；如果在其他位置上再次遇到障碍物，就再次倒转。关门过程中的倒转与开门时倒转类似。不过系统得退至开门终点位置（也就是关门的起点），并保持一段时间。然后如果没有开门信号的话，门以Vc/2的速度再次关门。同样，如果在同一位置再次遇到障碍物，系统就复位；如果门一直运动到开门起点位置，就转为正常的操作；如果在其他位置上再次遇到障碍物，就再次倒转。与开门倒转不同的是，此时如果系统检测到开门信号，则立即开门

53、，下次关门过程再检查障碍物。不管门是否在运动，如果按下E.P键，就可以使门脱离电机和制动的控制，而自由滑动，同时通过LED显示出来。只有上电复位或通过控制面板导致的软件复位，系统才能重新控制门的运动。如果出现有关门的故障，如过热，过流，电压过低时，系统暂停对门的控制，使门自由滑动。一旦故障清除了，系统重新控制门的运动，如果有开门信号就开门操作，否则就关门。4.2.1电机的操作MC68HC11K1控制电机控制信号有三个：PG0、PG1和PWM信号。PG0是电机使能信号，低电平有效。PG1是电机方向信号，PG1=1时，电机逆时针转动，PG1=1时，电机顺时针转动。而PWM信号的周期决定了电机的速度

54、，脉宽大小决定了电机线圈中的电流大小，从而控制了电机的力矩。低速度对应的PWM信号周期长，脉宽设计灵活，可以提供高力矩，高速度则力矩较小。电机启动时要求电机力矩大，从而减少电机失步，延长电机寿命。所以电机以较低的初速度启动，然后加速至最大。正常开门关门过程中，我们把电机运动都分成四个阶段：加速、高速匀速、减速、低速保持，如图5-9所示。电机首先从33%Vo(或Vc)初速度加速，直至最高速度Vo(或Vc)，维持一段距离，就开始减速，最后以超低速（2.5cm/s）运动到终点，以尽量减少门对门框或对另一扇门的撞击。假设门的宽度为L，我们设定加速和减速距离均为1/4L，高速匀速距离长（1/2L-2cm

55、），最后低速保持距离为2cm。在减小开门模式（RED）下，门不会开到最大，一般每扇门打开40cm，如果有两个人分别从里面和外面同时到达，每扇门会再扩大30cm，到达70cm。图4-3开门关门示意图对于电机控制来说，加速减速过程实际上是若干个匀速过程的组合。在系统中，各匀速过程按指数规律分布，以加速为例，开始时加速度比较大，各匀速的速度差大，随着电机速度的升高，加速度逐渐减小，这样比较符合步进电机的输出转距随转速的升高而减少的实际状况。我们把加速过程分成33%VO(或Vc)、60%VO(或Vc)、80%VO(或Vc)、90%VO(或Vc)四个等距离的匀速过程，如图4-4所示。减速过程也分成同样四

56、段，只是顺序相反而已。图4-4加速的分解这样我们整个开门或关门过程分成了十个速度阶段，每个阶段都分配一定的距离，当门完成某一阶段时，我们就改变PWM信号，给电机以下一阶段的速度。除了第一阶段（电机刚启动）和第十阶段（等待门在终点停下），系统在每个阶段都要监视电机的速度，如果小于某一门限速度，就执行倒转运动。我们设定第二阶段至第九阶段的门限速度分别是：30%VO(或Vc)、50%VO(或Vc)、70%VO(或Vc)、80%VO(或Vc)、80%VO(或Vc)、70%VO(或Vc)、50%VO(或Vc)、30%VO(或Vc)。为了减少程序的计算量，事先我们把涉及到的各个速度对应的的相关数据（如PW

57、M寄存器PWDTY和PWPTY的值）烧入EPROM某段位置中，系统程序只需以查表的方式，就可以读出它们。我们在RAM中开辟一个单元，用来存贮电机运动的状态，如是否在运动，正常运动或倒转运动，开门或关门或保持开门，倒转运动中的倒转、保持、重新逼近三个阶段等等。在RAM中，我们还定义了保持开门时间计数器OPENCNT，门位置存贮器POSITION，反馈速度存贮器SPEED等。系统主程序采用分时操作的方式，根据开门信号（来自传感器、光电管、K&S键）和电机的上一状态，发出本次操作指令，并更新电机状态。然后CPU执行其他程序，如控制面板的操作。循环一周后CPU再执行电机程序。具体电机操作程序如图5-1

58、1所示。（a）部分是门运动程序的主程序，（b）部分是正常运动中的一个子程序MOVING，（c）部分是倒转运动的程序REVERSE。（a）(b)程序块MOVING(c)程序RESERVE图4-5电机操作程序流程图4.2.2输入捕捉程序在门的运动过程中，需要光电编码器来测量电机的速度和位移，形成闭环控制。光电编码器安装在电机的从动轮上，每转一圈，输出256个脉冲。实际上，门的运动程序中，门的位移量是以编码器输出脉冲的个数作为单位。门的宽度就是门从开门起点运动到终点过程中，编码器输出的脉冲总数。测量光电编码器脉冲周期，就得到门的速度信息。上一节说过，在开关门的第一阶段至第九阶段中，如果电机的速度小于

59、门限速度，就执行倒转运动。判别条件反映到实际的程序中是，脉冲周期大于某个门限值。在临近终点的第十阶段，如果脉冲周期大于0.5s，我们就认为门已经停下来了。光电编码器输出信号送到MC68HC11K1的输入捕捉管脚IC3上。我们设置IC3捕捉下跳沿或者上跳沿，也可以为了增加测量精度而设置为捕捉下跳沿和上跳沿。当IC3管脚上出现了期望的脉冲沿时，就可以产生相应的中断请求，并把此时计数器TCNT的值写入锁存器TIC3中。我们在中断服务程序中，根据电机运动的方向，对RAM中门位置存贮器POSITION进行加1或减1操作，从而记录门的位置信息。我们将本次的TIC3的值存到RAM中，并把本次的值减去上次的值

60、，再结合两次中断之间TCNT溢出的次数，就得到门的速度信息。我们用计数器TIC3CNT来统计两次中断之间TCNT溢出的次数。输出捕捉程序具体见图4-5，图中（a）是主程序中有关输入捕捉设置的程序，（b）是输入捕捉IC3的中断服务程序。图4-5输入捕捉程序4.3控制面板按键程序控制面板上有两个输入键（UP、DOWN），如图4-6，它们可以单个使用，也可以同时使用。用户通过控制面板按键，可以修改工作模式和运动参数，或者使系统复位，也可以关闭自动控制系统，使门自由滑动。下面分别介绍。图5-13控制面板4.3.1修改系统操作模式按下UP键或DOWN键，LED的显示向上或向下移动。在顶端OFF模式下按U

61、P键，就跳到底端OPEN。如果一直按下，LED以每秒一次的速度循环。到达想要的操作模式，松开一秒钟后，该操作模式才生效。利用这个特点，可以快速跳过其他模式，寻找想要的模式。4.3.2修改运动参数按UP键或DOWN键，找到要修改的参数，然后同时按下UP和DOWN键，就可以修改参数了。此时，参数对应的LED开始闪烁。按UP键或DOWN键一次或多次，增加或减小参数。同时LED闪烁的频率变快或变慢。如果60秒内没有键按下，退出修改参数过程，回到修改工作模式过程中，但不存贮新参数。想要存贮参数，必须再同时按下双键。4.3.3系统复位同时按下UP和DOWN键至少5秒，然后松开，系统软件复位。4.3.4自由

62、滑动同时按下UP和DOWN键至少10秒，然后松开，关闭自动控制系统，门可以自由滑动。要想退出自由滑动，只有硬件复位，或者再同时按下双键至少5秒，实施软件复位。按键操作程序类似于电机操作程序，根据输入信号（UP和DOWN键信号）和上一个状态，CPU发出控制命令，并且更新按键操作状态。然后CPU执行其他程序，循环一周后，CPU再来执行按键操作程序。按键状态包括是否有键按下，UP、DOWN键的状态，处于哪个操作过程（修改参数、修改操作模式或者是自由滑动），是否去抖动等。详细的程序流程图见图4-7。（a）是按键操作的主程序，（b）是修改系统操作模式的子程序块。修改参数与和自由滑动的程序较为简单，就不再

63、赘述。其中，KCYCNT是按键计数器，用来对按键持续按下进行计时。TIMEOUT则对在按键松开时间计时，松开1s后，实际的操作模式才被改变，这样做是为了避免在寻找要修改的参数过程中导致操作模式错误地被改变。因为单键持续按下每隔一秒钟改变一个LED显示，所以我们设置计数器INTERVAL，也对按键持续按下进行计时，一秒钟后清零INTERVAL，然后重新计数。(a) 按键操作的主程序(b)修改系统操作模式的子程序图4-7按键操作程序流程图参考文献1涂时亮，主控芯片AT89C51原理、应用及技术手册，上海：复旦大学出版社1992.5,19302刚寒冰齐秋群，MOTOROLA8位增强型单片机AT89C51原理与应用，北京：北京理工大学出版社，1993.2,1631973MC68HC11K4 TECHNICAL DATA，MOTOROLAINC.，19924Xilinx Data Book,XILINX INC.,20025李广军孟宪元，可编程ASIC设计及应用，成都：电子科技大学出版社，2002.10，1982206侯伯亨顾新，VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计，西安：西安电子科技大学出版社，2000.57陈里璧，步进电动机及其应用，上海：上海科学技术出版社，19858王宗培孔昌平李楚武