采用单片机控制的红外自动门

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采用单片机控制的红外自动门　

郑小芹，李钟慎　（华侨大学机电及自动化学院，福建泉州３６２０２１）　摘要：文章介绍一种以ＭＣ６８ＨＣ１　１　Ｋ４单片机为控制核心的红外自动门的硬件组成及软件实现方法。　采用热释电红外传感器作为探头检测人体的出现，从而实现整个红外自动门控制流程智能化。　硬件电路简单，软件功能完善，整个系统性能可靠、灵敏度高。　关键词：单片机；热释电红外传感器；自动门　中图分类号：ＴＰ２７３　文献标识码：Ｂ　文章编号：１　００９－０１　３４（２００８）０１－００７９－０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｄｏｏｒ　ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ＺＨＥＮＧ　Ｘｉａｏ．ｑｉｎ．ＬＩ　Ｚｈｏｎｇ．ｓｈｅｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈｕａｑｉａｏ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，３６２０２１，Ｑｕａｎｚｈｏｕ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｎｆｒａｒｏｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ．ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｄｏｏｒ　ｂｖ　ＭＣ６８ＨＣ　１　１　Ｋ４　ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ　ａｓ　ｓｃａｎｎｅｒ　ｔｏ　ｇｅｔ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　ｈｕｍａｎ　ｂｏｄｙ．ａｎｄ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｇｏｏｄ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｒｅｌｉａｂｌｅ，ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｈｉｇｈ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ－—ｃｈｉｐ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｉｎｆｒａｒｅｄ　ｓｅｎｓｏｒ；ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ－－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｄｏｏｒ　０引言　随着社会的飞速发展，自动门逐渐进入我们的　日常生活，成为许多宾馆、超市等现代建筑的必备　之物。它具有美观大方、节约空调能源、防风、防　尘、降低噪音等优点。国外的自动门控制系统性能　比较优良，但是价格偏高；国内的同类产品价格便　宜但是性能较差，故障率较高。因此本文设计了一　种简单、实用，运行可靠，而且成本较低的红外自　动门控制系统。本系统采用热释电红外传感器作为　探头，它通过对人体的出入的自动检测来控制自动　门的开、关，具有智能运行、故障检测、故障显示、　手动／自动切换等功能。　１硬件组成　红外自动门控制系统的硬件组成如图１所示。　本系统主要由ＭＣ６８ＨＣ１１Ｋ４单片机及其外围　电路、红外检测电路、门行程检测电路、步进电机　控制电路、故障检测电路、故障显示电路、控制方　式切换电路等七部分组成。　单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电　路输出信号，据此产生步进电机控制信号，电动机　带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，　系统进入相应的控制方式。如门在关门过程中遇到　人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开，当系　统出现故障，进入故障处理程序。　ＥＰＲＯＭ　Ｌｂ——　＇／　ＳＲＡＭ　＿ｌ　步进电机控制　Ｌ　＝＝　红外线检测　电路　——　ＭＣ６８ＨＣ１ＩＫ４　单片机　故障显示　二二＝　一Ｎ　３－二二＝］门行程检测　Ｉ　；　控制方式切换［二二　＝　故障检测　｛　图１红外自动门控制系统的硬件组成框图　１．１　ＭＣ６８ＨＣ１　１　Ｋ４单片机及其外围电路　本系统采用ＭＣ６８ＨＣ１　１Ｋ４为控制核心，对接收　信号进行相应的处理，控制电机运转。其内部集成　了２４ＫＢ　ＥＰＲＯＭ，７６８字节ＲＡＭ，两个１６位的定　时器，８通道Ａ／Ｄ转换器，脉宽调制（ＰＷＭ）信号，　输入捕捉、输出比较，脉冲累加器，８通道Ｄ／Ａ转　收稿日期：２００７—０８—２０　基金项目：泉州市科技计划重点项目（２００６Ｇ６）　作者简介：郑小芹（１９８２一），女，湖北仙桃人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统、过程控制。　第３Ｏ卷第１期２００８—０１　［７９１

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换器、异步串行通信接口（ＳＣＩ），同步串行外设接　口（ＳＰＩ）等。　在ＭＣ６８ＨＣ１　１Ｋ４单片机外部扩展了１２８ＫＢ　ＥＰＲＯＭ用于存储系统程序，同时扩展了８ＫＢ　ＳＲＯＭ用于存储处理数据和临时参数。单片机内部　自带的６４０字节的用来存储用户参数，当系统掉电　时用户参数被送到里面保存，当系统供电恢复后，　系统可以按照原方式运行…。　１．２红外检测电路　红外检测电路主要由红外传感器和检测放大电　路组成。红外检测电路的核心元件是红外传感器，　它能以非接触形式检测人体辐射出的红外线能量变　化，并将此变化转化为电压信号输出。不需要红外　线和电磁波发射源以及各种主动接触开关。从经济　和实用方面考虑，为了探测到移动的人体，采用双　元件型热释电红外传感器，其内部电路如图２所示。　它主要用于检测人体发射的红外线。在这种传感器　内部，两个敏感元件反相串联。由于敏感元件的输　出电压极微弱且其阻抗很高，故在传感器内部设有　场效应管及偏置厚膜电阻（ＲＧ、ＲＳ），从而构成信号　放大及阻抗变换电路　】，一般热释电红外传感器自　身的接收灵敏度较低，检测距离仅２　ｍ左右。为了　提高检测灵敏度及频率响应速度，在传感器前配用　了菲涅尔透镜，可使有效检测距离达１２　ｍ左右。　

——一　＋　，　ＲＧ　＋　Ｉ　ＦＥＴ　

ＲＳ　

图２双元件型热释电红外传感器内部电路　双元件型热释电红外传感器的特点是当入射能　量顺序地射到两个敏感元件上时，其输出要比单元　件高出一倍，由于两元件是逆向串联，对于同时输　入的能量会相互抵消，可防止太阳或灯头等红外线　引起的误动作。它还可以防止因温度变化而引起的　检测误差。当人体静止在自动门外时两元件极化程　度相同，互相抵消。但当人体移动，欲进出自动门　时，两元件极化程度不同，净输出电压不为０，从而　达到了探测移动人体的目的　】。　有人靠近自动门时，身体辐射出的７～１３　ｕｍ红外线　经菲涅耳透镜后，被热释电红外传感器接收下来，　并将其转换成信号，经检测放大电路内部放大等处　理后输出给ＭＣ６８ＨＣｌｌＫ４单片机。单片机根据收到　的信号，驱动步进电机以适当的速度将门打开。　１．３门行程检测电路　门行程检测电路通过检测门行程开关的闭合情　况来发送不同的信号，使电机改变转速，进而控制　门运行的速度以提高运作效率。为了保护门不受到　损害和保证门运行效率，在门行程检测电路中设置　了四个行程开关。它们分别代表开门极限、行程极　限１、行程极限２、关门极限。门在开启过程中，分　别经过慢速、加速、减速和停止四个过程，门的关　闭过程则与上述过程相反。门运行到极限位置时，　限位开关动作，单片机根据接收到响应的信号，改　变电机运行速度。　１．４步进电机控制电路　步进电机控制电路的控制对象为电机拖动的自　动门。它是根据ＣＰＵ发送的指令来控制门的运行速　度和方向。本电路采用可编程逻辑器件（ＣＰＬＤ）　ＸＣ９５３６产生时序脉冲从而实现对步进电机的控制。　单片机向步进电机控制电路输出启动、停止、转动　方向以及两路的ＰＷＭ信号，具体的时序产生均由　ＣＰＬＤ来完成　］。　１．５故障检测及显示电路　在故障检测电路中，配置了温度和速度传感　器，用来监测电机的工作情况，从而实现电机过热　保护和门运行障碍保护，同时还设置了电压监控电　路，用于检测系统异常情况。检测电路首先将检测　到的信号转换成电压，然后经单片机内部的Ａ／Ｄ转　换器变成数字信号，单片机定期读取数据，一旦发　现数据异常，即马上采取相应的紧急措施，向系统　发出故障信号，系统停止工作，ＣＰＵ向故障显示电　路发出指令，发出报警信号并显示故障类型。　２软件设计　本系统的软件设计面向硬件，选用汇编语言。　整个系统软件主要由自动门主程序、开门和关门子　程序、故障处理程序和中断服务程序组成。　２．１主程序设计　热释电红外传感器主要安装在自动门两侧，当　置、　１８ｏ１　第３０卷第１期２００８一Ｏｌ　自动门主程序主要完成系统初始化、中断设　

故障监控、手动与自动方式切换和门运行过程　维普资讯 http://www.cqvip.com 、ｌ　訇　似　

控制等功能。程序设计中设置了一个外部中断０，它　保证红外自动门能够在无人操控情况下自动运行，　主要功能是当检测到有人出入门时，启动电机，从　而实现自动开关门的目的ｌ　５】。主程序流程图如图３所示。　

！．．．．　

……　…　中断设置　｝　

一一—　笙壅．，＞　图３主程序流程图　２．２运行状态程序设计　红外自动门运行状态分为慢速开门、加速开　门、减速开门、延时开门、慢速关门、加速关门、减　速关门几个部分。在开门过程中首先进行门状态检　测，根据所检测到的信号判断自动门上次停机所处　位置，主要分为门全关、门半开、门全开三种。根　据检测结果确定门此刻应运行方式，如检测出门是　半开状态，门直接转入加速开门的过程。如检测出　门是全开状态，门转入延时开门过程。如检测出门　是全关状态，那么在检测到有人出入时，门会缓慢　打开，２ｓ后加速运行，接着减速运行，最后电机停　止运转，门由于惯性缓慢关闭。为了运行过程可靠，　在以不同速度运行过程中，对运行时间做了安全设　置，当在开门状态下检测到运行时间超过安全时间　或系统出现故障时，程序转入故障处理程序。开门　流程图如图４所示。　自动门开门后暂停一段时间，然后关门。关门　是开门的一个反过程。它经过慢速运行、加速运行、　４开门流程　减速运行、惯性运动直至停止这几个过程。在自动　门关闭过程中当系统接收到由红外线传感器电路发　出的有人出入的信号时，门会重新打开。与开门情　况不同的是当在关门过程中检测到故障信号时门会　朝反方向运动，将门打开，这样可以排除因自动门　遇到障碍物或人身体而产生故障信号使整个系统停　止工作的可能。　３结束语　本红外自动门系统使用了性价比较高的　ＭＣ６８ＨＣ１　１Ｋ４单片机，设计了必要的外围电路，合　理利用了单片机ＭＣ６８ＨＣ１　１Ｋ４的片内资源，将系统　结构简化，提高了系统的稳定性和可靠性。设计中　采用了双元件型热释电红外传感器，针对人出入情　况对门进行自动控制，排除太阳光、灯头、温度变　化等引起的误动作。本系统已通过硬件和软件调试，　在宾馆的现场调试也获得成功，将在宾馆、超市等　获得广泛应用。　参考文献：　［１】刘军，丁朋林．ＭＣ６８ＨＣ１　１Ｇ５在自动门控制系统中应用　ｆＪ１．电子测量技术，２００２，（４）．　第３Ｏ卷第１期２００８—０１　

【８１】　维普资讯 http://www.cqvip.com 、Ｉ　訇　似　

【２］瞿贵荣．热释电红外传感器的结构原理及特性【Ｊ１．家庭电　子（爱好者），２００５，（４）．　【３］吴英才，林华清．热释电红外传感器在防盗系统中的应用　【Ｊ１．传感器技术，２００２，（７）．　【４］刘志刚，丁朋林，郝长海，赵淑珍．自动门控制系统【Ｊ１．电子　测量技术，２００５，（６）．　【５］杨光友，朱宏辉．单片微型计算机原理及接口技术【Ｍ１．北　京：中国水利水电出版杜，２００２．　出‘毒出‘毒品‘　盎‘　出‘．　．．　．　出‘　出‘专　出‘．　．　出‘　出‘　出‘　出‘　出‘　出‘　出‘专鑫‘　出‘　出‘　出‘毒品‘　【上接第７４页】　构可有效地将待测产品分开、送入，节拍清晰。　１．４流程　断路器经条码扫描后，由输送线送入检测台，　两个工位同时测试两台断路器的内阻值。视几极产　品不同，接触器ＫＭ１、ＫＭ２或断开或闭合以便形成　回路。然后通大电流，测出每极两端电压，由压差　计算出阻值。内阻检测完毕后，断路器下降回到传　送线上，如合格，流向下一工位；不在合格范围内　的产品，将被分出。　如测试结果超过标准值，测试台对超差值进行　提示并可将相关数据打印输出，指导操作人员进行　调试，直至测试结果合格。　２确保检测精度采取的措施　２．１可程控电源　设备采用了以色列ＬＡＭＢＤＡ的可程控电源作　为恒流发生器，这种电源具有精度高、恒压／恒流输　出可选择、响应快、输出电流大、体积小的优点，同　时还具有ＲＳ２３２／４８５、模拟量两种控制方式，在实际　应用时，我们采用了ＲＳ２３２控制方式，这比模拟量　控制方式具有更高的精度。　２．２减小电极与检测点的接触电阻　首先，按照被测产品的最大级需输入电流值。　计算出检测电极最小截面积。其次，检查检测电极　与产品接触点面积大小，防止发热。可通过修磨电　极接触面平面度、调整被测产品角度等方法，尽量　减小接触电阻，并保证测量的一致性。　２．３探针的位置　通大电流时采集断路器静触头电压的探针，最　好放在两端检测电极之间，这样不会受到接触点发　热的干扰。　２．４阻值校正常数　由于检测的系统和环境不同，检测数值会有差　别。为了与用户要求数值一致，便于检查，可在计　算中加入计算常数。　１８２１　第３Ｏ卷第１期２００８—０１　ｉ　一　＿　，，　●　，　／，一　／　，一　一，　，Ｒ＝Ｕ｛ｌ　／一　。　／，　“；　／／　／一　：：……　…～　一一　ｊ　．　／　，　Ｊ　通　苣，直秽　定＆荆率　口为　睛　２．５校合标准模块　按测量要求做一个或几个阻值固定的模块，用　来标定设备的整齐性。可在每天检测之前校合一次，　如有干扰尽快排除。　３结束语　由于塑壳断路器结构紧凑、空间狭小，一般测　量探头无法深入，有些参数必须在特定动作中才能　测出，在线测试必须达到测量精度高、重复性误差　小、测量速度快等要求，才能适应生产线流水节拍　等一系列的复杂要求。　本设备研制完成后，能达到断路器生产线要　求，实际运行情况表明：该系统设计合理，技术先　进，操作方便，测试产品精度高、速度快，能对塑　壳断路器产品逐个进行全面在线检测，并对产品不　合格项目进行在线调校，极大地提高产品合格率和　生产效率，使塑壳断路器整体质量水平和工艺装配　水平上了一个新的台阶。　参考文献：　【１］成大先．《机械设计手册））【Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００６．　【２］《回路电阻测试仪与直流电阻快速测试仪检定规程》中　华人民共和国国家发展和改革委员会．中国电力出版社，　２００６．　【３］连理枝．《低压断路器及其应用》【Ｍ］．北京：中国电力出版　社，２００６．　【４］陆俭国，王景芹．《低压保护电器可靠性理论及其应用》　『Ｍ］．北京：机械工ｌｌ　出版社，２００４．