【文章內(nèi)容簡介】 時(shí)應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極， 然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。 人體都有恒定的體溫，一般在 37 度，所以會(huì)發(fā)出特定波長 10UM 左右的紅外線，被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的 10UM 左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的 10UM 左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。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(shí)就會(huì)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)生信號(hào)。 8 1—— D 腳 2—— S 腳 3—— G 腳 圖 26 熱釋電紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 26 是一個(gè)雙探測元熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。使用時(shí) D 端接電源正極， G 端接電源負(fù)極， S 端為信號(hào)輸出。該傳感器將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測元串接在一起，目的是消除因環(huán)境和自身變化引起的干擾。它利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來使傳感器得到補(bǔ)償。對于輻射至傳感器的紅外輻射，熱釋電傳感器通過安裝在傳感器前面的菲涅爾透鏡將其聚焦后加至兩個(gè)探測元上，從而使傳感器輸出電壓信號(hào)。 制造熱釋電紅外探測元的高熱電材料是一種廣譜材 料，它的探測波長范圍為～ 20μm。為了對某一波長范圍的紅外輻射有較高的敏感度，該傳感器在窗口上加裝了一塊干涉濾波片。這種濾波片除了允許某些波長范圍的紅外輻射通過外，還能將燈光、陽光和其它紅外輻射拒之門外。 9 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 基本單片機(jī)系統(tǒng) 8051 單片機(jī)最早由 Intel公司推出， 作為系統(tǒng)的控制器，單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法，并且具有功耗低，體積小，技術(shù)成熟，成本低廉。在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。而且我們也比較熟悉這款芯片，因此采用 8051 構(gòu)成系統(tǒng)控制部分 。 這是自動(dòng)門系統(tǒng)的控制核心， 一般情況下以單片機(jī)片內(nèi)的基本硬件資源為主，有必要時(shí)再擴(kuò)展部分外部器件。在本設(shè)計(jì)中需要完成的控制比較簡單，以單片機(jī)片內(nèi)的基本硬件資源完全可以實(shí)現(xiàn)， 因此不需擴(kuò)展。其單片機(jī)電路圖如圖31。 圖 31 單片機(jī)電路圖 紅外檢測電路 紅外檢測電路主要由熱釋電紅外傳感器和檢測放大電路組成，核心元件是熱釋電紅外傳感器，它能以非接觸形式檢測人體輻射出的紅外線能量變化，并將此變化轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)輸出。不需要紅外線和電磁波發(fā)射源以及各種主動(dòng)接觸開關(guān)由于敏感元件的輸出電壓極微弱且其阻抗 很高，故在傳感器內(nèi)部設(shè)有場效應(yīng)管及 10 偏置厚膜電阻，從而構(gòu)成信號(hào)放大及阻抗變換電路， 一般熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低， 檢測距離僅 2m 左右。當(dāng)有人靠近自動(dòng)門時(shí)，被熱釋電紅外傳感器接收下來，并將其轉(zhuǎn)換成信號(hào)，經(jīng)檢測放大電路內(nèi)部放大 （約 500倍）后使繼電器產(chǎn)生吸合，從而輸出開關(guān)量 輸出給單片機(jī)。其熱電釋紅外檢測電路如圖 32 所示。 圖 32 熱電釋紅外檢測電路 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)：它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即 接收 一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。因此作常適合于 單片機(jī)控制，近30 年來，數(shù)字技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和水磁材料的迅速發(fā)展推動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用開辟了廣闊的前景。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn) 及選型 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)： (1)步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既非常簡單、廉價(jià)，又非?？煽?。 11 同時(shí)，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)。 (2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于起停、正反轉(zhuǎn)及變速。 (3)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(dòng)負(fù)載。 (4)步進(jìn)電動(dòng)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步進(jìn)電源。 (5)步進(jìn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)自身的噪音和振動(dòng)較大，帶慣性負(fù)載的能力較差。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型： （ 1） 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩，近似于傳統(tǒng)電機(jī)所稱的“功率”。當(dāng)然，有著本質(zhì)的區(qū)別。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的物理結(jié)構(gòu)，完全不同于交流、直流電機(jī)，電機(jī)的輸出功率是可變的。通常根據(jù)需要的轉(zhuǎn)矩大小 (即所要帶動(dòng)物體的扭力大小 )，來選 擇哪種型號(hào)的電機(jī)。大致說來，扭力在 以下，選擇 2 3 3 42(電機(jī)的機(jī)身直徑或方度，單位： mm)。扭力在 左右的，選擇 57 電機(jī)較為合適。扭力在幾個(gè) 或更大的情況下，就要選擇 8 1 130 等規(guī)格的步進(jìn)電機(jī)。 （ 2） 步過電機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 對于電機(jī)的轉(zhuǎn)速也要特別考慮。因?yàn)椋姍C(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，與轉(zhuǎn)速成反比。就是說，步進(jìn)電機(jī)在低速 (每分鐘幾百轉(zhuǎn)或更低轉(zhuǎn)速，其輸出轉(zhuǎn)矩較大 )，在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)矩 (1000 轉(zhuǎn) /分 9000 轉(zhuǎn) )就很小了。當(dāng)然，有些工況環(huán)境需要高速電機(jī) ，就要對步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的線圈電阻、電感等指標(biāo)進(jìn)行衡量。選擇電感稍小一些的電機(jī)，作為高速電機(jī)，能夠獲得較大輸出轉(zhuǎn)矩。反之，要求低速大力矩的情況下，就要選擇電感在十幾或幾十 mH,電阻也要大一些為好。 （ 3） 步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率的選擇 步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率，通常稱為“空起頻率”。這是選購電機(jī)比較重要的一項(xiàng)指標(biāo)。如果要求在瞬間頻繁啟動(dòng)、停止，并且，轉(zhuǎn)速在 1000 轉(zhuǎn) /分鐘左右 (或更高 )，通常需要“加速啟動(dòng)”。如果需要直接啟動(dòng)達(dá)到高速運(yùn)轉(zhuǎn)，最好選擇反應(yīng)式或永磁電機(jī)。這些電機(jī)的“空起頻率”都比較高。 （ 4） 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)選擇 步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)選擇，這項(xiàng)內(nèi)容，很多客戶幾乎沒有什么重視，大多是隨便購買。其實(shí)，不同相數(shù)的電機(jī)，工作效果是不同的。相數(shù)越多，步距角就能夠做的比較小，工作時(shí)的振動(dòng)就相對小一些。大多數(shù)場合，使用兩相電機(jī)比較多。在高速大力矩的工作環(huán)境，選擇三相步進(jìn)電機(jī)是比較實(shí)用的。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)需要步進(jìn)電機(jī) 空氣頻率較高，所以設(shè)計(jì) 選用的是永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 。 12 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的組成 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)， 因此 ，選用 ULN20xx 作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器。 其方框圖如圖 33 所示。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制中，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本控制作用如下 : 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制換相順序：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電換相順序嚴(yán)格安照步進(jìn)電動(dòng)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 AABBBCCCA ；反序?yàn)锳CACBCBAB；共有八個(gè)通電狀態(tài)。 斬波驅(qū)動(dòng) 斬波恒流驅(qū)動(dòng)的原理如圖 34 所示。 T1 是一個(gè)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(dòng)機(jī)繞組的電流經(jīng)這個(gè)電阻到地，所以這個(gè)電阻是電流取樣電阻。比較器的一端接給定電壓 Uo，另一端接取樣電阻上的壓降，當(dāng)取樣電壓為 0 時(shí)，比較器輸出高電平。 圖 34 斬波恒流驅(qū)動(dòng)電路原理圖 當(dāng)控制脈沖 Ui 為低電平時(shí)． T1 和 T2 兩個(gè)開關(guān)管均截止；當(dāng) U1 為高電平時(shí)， T1 和 T2 兩個(gè)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(shí)，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(shí)，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。 信號(hào)分配 脈沖信號(hào) 負(fù)載 步進(jìn)電機(jī) 功率放大 圖 33 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)圖 13 檢測模塊 檢測有無人進(jìn)出采用對射主動(dòng)紅外探測器。限位開關(guān)則由磁開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。 生活中的檢測防范裝置有許多種，其中對射紅外探測器的應(yīng)用最為廣泛，它由發(fā)射器和接收器兩部分組成。其中發(fā)射器發(fā)射出一定波長的紅外線，平時(shí)狀態(tài)下由接收器接收，但如果發(fā)射器所發(fā)射的紅外線被物體擋住，就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 設(shè)計(jì)在自動(dòng)門的門內(nèi)門外一定高度處各設(shè)置一個(gè)對射探測器。并由導(dǎo)向管套住發(fā)射管和接收管，確保所發(fā)出的光線是一束，而且不宜受其他 光線的干擾。接收管的光線被阻擋時(shí)輸山高電平信號(hào)。兩接收器的輸出端接到一個(gè)或門上，再經(jīng)過一個(gè)非門接到 INT0 引腳。這樣不論是有人進(jìn)門或有人出門，都會(huì)有低電平信號(hào)輸入 INT0 端口，從而使單片機(jī)得到有人的信息，并調(diào)用相應(yīng)程序執(zhí)行相應(yīng)的開門動(dòng)作。限位開關(guān)分別設(shè)置在開門極限位置、關(guān)門極限位置、和一半處的位置。此開關(guān)是這樣種器件：半有磁鐵在其附近時(shí)，磁開關(guān)就被吸為關(guān)閉狀態(tài)，輸出高電平，相反輸出低電平。 將兩小塊磁鐵分別置于門的右上角位置，則當(dāng)自動(dòng)門移到限位開關(guān)處時(shí)，此開關(guān)就會(huì)被吸合，發(fā)出高電平信號(hào)，分別輸出給 、 、 這三個(gè)引腳，單片機(jī)經(jīng)過查詢這三個(gè)引腳來判斷到那個(gè)限位開關(guān)，再執(zhí)行變速或停止的相應(yīng)動(dòng)作。整體電路如圖 35 所示。 14 圖 35 整體電路圖 15 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 整個(gè)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(jì)中設(shè)置了一個(gè)外部中斷 0，它保證紅外自動(dòng)門能夠在無人操控情況下自動(dòng)運(yùn)行，主要功能是當(dāng)檢測到有人出入門時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)門的目的。 系統(tǒng)主程序及主流程圖 主程序源代碼 ： K0 BIT 。 開關(guān) 1 K1 BIT 。 開關(guān) 1 K2 BIT 。 開關(guān) 1 K3 BIT 。 開關(guān) 1 YR