红外线感应自动门的理论设计

摘　要：给出了红外线探测器的选择及红外感应自动门控制电路的设计方案。阐述了以单片机为主体，红外专用控制芯片AT89C51及步进电机为核心的红外感应自动门系统。

关键词：单片机；自动门控制；红外线；传感器
以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。单片机与门结合的产物即自动门系统。主要应用于通过单片机对步进电机的正转、反转进行控制，从而对门进行开、关的控制。在门的两侧各有一个感应器，分别感应从里面出去和从外面进来的人。当有人或物品进入到感应器的扫描范围内，感应器就会做出感应，向中央处理器提出申请，中央处理器转而控制电机进行正转，实现了开门的过程。
一、红外线探测器的选择与设计
（1）红外线探测器的电路设计。由电压响应度表达式可知，传感器的电压响应度与入射光辐射变化的频率成反比，因此物体移动速度越快，同样的入射功率下输出电压就会越小，只有达到报警阈值电平时，探测器电路才会有电压信号输出。利用热释电探测器Pspice 等效电路模型设计实用探测器电路原理：当人体进入警戒区，人体温度会引起环境温度辐射场的变化，通过菲涅尔透镜，热释电红外探头感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，则在负载电阻上产生一个电信号，采集的电信号触发外围电路，最终实现报警。热释电红外探测器外电路采用的器件：红外探测器专用芯片红外传感信号处理器BISS0001，热释电红外探头RE200B （传感器），及一些外围元件（电阻电容）。检测元件BISS0001 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，可与多种传感器匹配，进行信号预处理，另外，它还具有双向鉴幅器，可有效抑制干扰，其内部设有延迟时间定时器和封锁时间定时器。
（2）红外专用芯片BISS0001。热释电红外线传感器是一种新型高灵敏度探测元件。主要用于电源开关控制、防盗防火报警、自动门等。本次设计采用红外专用芯片BISS0001，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。
二、红外感应自动门控制电路的设计
2.1主控芯片的选取与设计
　　外感应控制芯片种类繁多，如HT-7610系列，WT8075控制芯片，KC778B红外传感专用集成芯片，AT89C51红外专用芯片等。通过综合它们的性能及本设计的设计要求，本次设计选用AT89C51红外专用集成芯片。
（1）功能特性。AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个可编程I/O口线，2个16位定时/记数器，一个5向量两极中断结构，一个双工串行通信口，片内振荡器及其时钟电路。AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/记数器，串行通信口及中断系统继续工作，掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
（2）接口功能：Vcc：电源电压，GND：接地；P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，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，对端口写“1”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）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校检时，输出指令字节，校检时，要求外接上拉电阻。P1口：P1口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TTL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。Flash编程和程序校检时，P1接收低8位地址。P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的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。在访问外部程序存储器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口线上的内容（也即特殊功能寄存器区中的R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程和程序校检时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。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口写如“1”时，它们被上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。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。端口引脚第二功能：P3.0 RXD （串行输入口）
P3.1TXD （串行输出口）；P3.2NT0 （外中断0）；P3.3INT1（外中断1）；P3.4T0（定时/记数器0）P3.5T1 （定时/记数器1）；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口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号；RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于地址的低8位直接。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。
2.2红外感应自动门的控制电路的设计
　　整个过程由红外探头探测人体红外信号，然后由S源极输出给BISS0001的14脚，1IN+脚为芯片内第一级运放的同相输入端，具有极高的输入阻抗 ，极易与外接PIR的源极S相匹配，能将PIR探测到的人体微弱红外信号无损耗的传过来，经第一级运放高增益放大后，由C4耦合至第二级运放再次放大，经比较器，双向鉴幅器后，检出有效触发信号，去启动延迟时间定时器，由2脚输出高电平的控制信号加至AT89C51的P3.2脚。人体的移动频率一般在0.1～10Hz的范围内，因此在设计放大器时既要考虑需要放大的信号的频率，使人体辐射的微弱信号得以通过，又要考虑抑制其他物体辐射来的红外信号和干扰信号的混入，故选择0.2～8Hz的低频带通滤波器，计算：f = 1/2 C3R3=1/6.28×103×2M = 8 Hz；f =1/2 C1R1=1/6.28×3.3K×103=0.2 Hz
当f=1Hz时，其单级增益G1为：G1=20㏒2 fC2R3/(1+2 fC2R2)(1+2 FC3R3)
　　由分析可知：C2=47u；R2=47K；C3=103u；R3=2M；带入公式计算得G1≈35dB,故单级增益为35dB。
　　同理可计算二级增益。C4=10u；R4=10K；C5=103u；R5=1M；带入公式得G2 ≈ 40dB，故总增益为75dB。以满足后级所须的驱动信号。COP1、COP2为电压比较器，组成一个双相鉴幅器。由于V =3.15V，V =1.35V，所以当V 为+5 V电压时，可有效地抑制±0.9 V 的噪声干扰，提高系统的可靠性。COP3为一条件比较器，当输入电压VC＜VR 时，COP3 输出为低电平，封锁了与门U2， 禁止触发信号向下级传递，当VC ＜VR 时，COP3 输出为高电平，则打开与门U2， 此时如果有触发信号VS 的上跳变沿到来，将启动延迟时间定时器。BISS0001的3脚 4脚为输出延迟时间T 的调节端 ，其输出延迟时间由R11和C11决定， T ≈49152 R11 C11=49152×330K×10n=0.16s；5脚 6脚为触发封锁时间T 的调节端，由R10 C10决定，T ≈24 R10 C10=24×330×102=0.8s。主控芯片AT89C51由P3.2/INT0脚接收由BISS0001的2脚输出的控制信号V ，经芯片内部处理，分别由P3.0、P3.1、P3.4提供PG0、PG1、PWM三个信号，PGO是电机使能信号，低电平有效。PGl是电机方向信号，PG1=0时，电机逆时针转动，PGl=1时，电机顺时针转动。而PWM信号的周期决定了电机的速度，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。
　　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P1口的P1.0～P1.3口与行程开关相连，与行程开关相连电阻提供电流，当对引脚写“1”时，芯片通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，进而可驱动TTL逻辑门电路。其中四个行程开关为两个控制电机减速，两个控制电机停止。P1口的P1.4、P1.5口连接手动开关按纽，与上述同样的原理，作为I口用时，当对引脚写“1”时，芯片通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，进而可驱动TTL逻辑门电路。P2口的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别连接嗡鸣报警，电机过热报警，电压过高报警，速度异常报警，此时作O口用，由相应的检测模块检测状态，出现异常便输送信号给相应引脚，输出电流，导通二极管，驱动报警器。C1～C12采用RTX-1/8W型碳膜电容器；R1～R16采用RT-1/8W型碳膜电阻器。
参考文献
[1] 陈永甫，红外探测与控制电路[M].北京：人民邮电出版社，2004. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/zhinengkeji/232076.html