热释电红外自动门控制器的设计(已修改).doc

烟台工程职业技术学院

机电工程 系 机电一体化 专业 08 级

毕业设计（论文）

题 目: 热释电红外自动门控制器设计

姓名 魏星刚 学号

指导教师（签名）

二○ 一零 年 十 月十六 日

机电工程系08级 高职学生毕业设计（论文）任务书

设计题目 热释电红外自动门控制器设计
学生姓名 魏星刚 系别 机电工程系 专业 机电一体化技术 班级 机电08302
指导教师 仇清海 职称 助工 课题来源 任务书下达时间 2010-09-15
系主任签字 教研室主任签字
1、 毕业设计（论文）主要内容及技术指标
主要内容：热释电、红外线、自动控制、
技术指标：了解接收与发射电路

2、毕业设计（论文）基本要求
要求：能按时完成毕业设计（论文）各阶段所要求的工作，
论文结构完整、合理、条理清晰、对实验方案的论述正确

3、所需数据资料及参考文献

[1] 胡乾斌，李光斌，李玲等. 单片微型计算机原理与应用[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005，8
[2] 王永军、从玉珍 主编，数字逻辑与数字系统[M].北京：电子工业出版社，1999年8月

4、进度计划

序号
阶段性工作及成果
时间安排
1
申报毕业设计（论文）课题
2010年6月—2010年7月
2
开题会，各指导教师下达任务书。
2010年9月

3
课题设计、撰写论文、实物制作
2010年9月—11月
4
上交有关材料给指导老师
2010年11月10日前
5
答辩时间
2010年11月10日-20日

烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)
诚 信 承 诺 书

本人慎重承诺：
我所撰写的设计（论文）《 热释电红外自动门控制器设计 》是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。
毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。

学生(签名)
年 月 日

热释电红外自动门控制器的设计
魏星刚
随着：社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的自动门系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，使人们相信这是科技进步的成果。它更让人类懂得，数字时代的发展将改变人类的生活，将加快科学技术的发展。
由于自动门在通电后可以实现无人看管，同时又可节约空调能源、防风、防尘、降低噪音，既方便又提高了建筑的档次，于是迅速在国内外的建筑市场上得到大范围的普及。同时也几乎成为了银行，写字楼，酒店等办公娱乐场所装修必不可少的一项配置。自动平移门最常见的形式是自动门机及门内外两侧加雷达，当人走近自动门时，雷达感应到人的存在，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，于是迅速在国内外建筑市场上得到大范围的普及。

关键词：热释电、红外线、自动控制、自动门

目录
一．引 言 3
二.平移门的主要部件性能 5
1．自动平移门机组部件组成： 5
（1） 主控制器： 5
（2） 感应探测器 5
（3） 动力马达： 5
（5） 门扇吊具走轮系统: 5
（6） 同步皮带 5
（7） 下部导向系统： 5
2． 自动门主控器 5
3. 感应探测器 5
3．1热释电红外传感器内部结构 6
3．2热释电红外传感器的原理特性 6
3.3 热释电效应 7
3． 4 被动式热释电红外传感器的工作原理与特性 8
3．5被动式热释电红外探头的特点： 9
三.平移门控制原理 10
平移门控制单元 12
四．自动门安装： 12
五．类型 13
1）全玻璃平移自动门 13
2）有框平移自动门 13
3）重叠平移自动门 13
全玻璃自动平移门 14
4）工厂平移自动门 14
六．结 论 14
七． 结束语 14
八．[参考文献] 15
一．引 言
今天，人类已进入科学技术空前发展的信息社会，电子计算机、机器人、自动控制技术以及单片机嵌入系统的迅速发展，迫切需要行行色色的传感器。作为“感觉器官”，传感器用于将各种各样的信息检测并转换为工作系统能进行处理的信息。显而易见，传感器在现代科学技术领域中占有极其重要的地位，了解、掌握和应用传感器成了许多专业工程技术人员的必需，“传感器技术与应用”成了应用电子技术、自动控制技术、自动信号技术、测量技术、机器人技术及计算机应用等专业的必修课。
目前，市场上出现的热释电人体红外线传感器主要有上海产的SD02、PH5324，德国产的LH1954、LH1958，美国HAMAMATSU公司产P2288，日本NIPPON CERAMIC公司的SCA02-1、RS02D等。虽然它们的型号不一样，但其结构、外型和电参数大致相同，大部分可以彼此互换使用。

1．自动平移门机组部件组成：　
　　（1） 主控制器：它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。　
　　（2） 感应探测器：负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号；　
　　（3） 动力马达：提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。
　　（4） 门扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。　
　　（5） 门扇吊具走轮系统:用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。　
　　（6） 同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统
（7） 下部导向系统：是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。　当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：　感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇
2． 自动门主控器
自动门采用美国微芯公司16位单片机dsPIC30F3010做主控芯片.以及PWM脉宽调制、PID自动反馈调节等多种现代高新技术,驱动无刷电机拖动自动门运行。具有自识别、自恢复、自保护等多项智能化功能。
3. 感应探测器
在自动门领域中，被动式人体热释电红外线感应开关的应用非常广泛，因其性能稳定且能长期稳定可靠工作而受到广大用户的欢迎，这种开关主要由人体热释电红外线传感器、信号处理电路、控制及执行电路、电源电路等几部分组成
3．1热释电红外传感器内部结构

1——D脚 2——S脚 3——G脚

热释电红外传感器内部结构图
3．2热释电红外传感器的原理特性
热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰 该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化 并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用 因而需要用电阻将其转换为电压形式 该电阻阻抗高达104ＭΩ，故引入的Ｎ沟道结型场效应管应接成共漏形式 即源极跟随器 来完成阻抗变换。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。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。
3.3 热释电效应
当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度，图1表示了热释电效应形成的原理。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单(LiTaO3 等)、
压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

菲涅耳透镜（图3）根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。
如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。

3． 4 被动式热释电红外传感器的工作原理与特性
人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 　　
　　1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。
　　2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。
　　3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。
　　4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。
　　5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。 　　
　3．5被动式热释电红外探头的特点：
　　1）优点：
　　 本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。 　　
　　2）缺点：
　　① 容易受各种热源、光源干扰
　　② 被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。
　　③ 易受射频辐射的干扰。
　　④ 环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。 　　
　　3）抗干扰性能：
　　① 防小动物干扰
　　 探测器安装在推荐地使用高度，对探测范围内地面上地小动物，一般不产生报警。
　　② 抗电磁干扰
　　 探测器的抗电磁波干扰性能符合GB10408中4.6.1要求，一般手机电磁干扰不会引起误报。
　　③ 抗灯光干扰
　　 探测器在正常灵敏度的范围内，受3米外H4卤素灯透过玻璃照射，不产生报警。

三.平移门控制原理
在该探测技术中，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外自动平移门的特点是能够响应人体在探测区域内移动时所引起的红外辐射变化，
　待测
目标
光学系统
（菲涅尔透镜）
热释电红
外传感器
信号
处理
平移门控
制电路

　当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出电压信号，然后使该信号先通过一个由Ｃ１、Ｃ２、Ｒ１、Ｒ２组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为１６Ｈｚ，下限截止频率为０．１６Ｈｚ。由于热释电红外传感器输出的探测信号电压十分微弱（通常仅有１ｍＶ左右），而且是一个变化的信号，同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的移动速度决定，通常为０．１～１０Ｈｚ左右），所以应对热释红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成运算放大器ＬＭ３２４来进行两级放大，以使其获得足够的增益。
当传感器探测到人体辐射的红外线信号并经放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过窗口比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时则输出低电平信号。在该比较器中，Ｒ９、Ｒ１０、Ｒ１１用做参考电压，两个运算放大器用做比较，两个二极管的主要作用是使输出更稳定。窗口比较器的上下限电压即参考电压分别为３．８Ｖ和１．２Ｖ。将这个高低电平变化的信号上升沿信号作为单稳电路ＨＥＦ４５３８Ｂ的触发信号，并让其输出一个脉宽大约为１０ｓ的高电平信号。再用这一脉宽信号作为报警电路ＫＤ９５６１的输入控制信号，来使电路产生１０ｓ的报警信号，最后用三极管ＶＴ１和ＶＴ２再一次对电信号进行放大，以便有足够大的电流来驱动喇叭使其连续发出１０ｓ的报警声。
前两个LM324是两级放大器。传感器检测到人体红外线后产生的感应信号很微弱，电路中设置了诸多旁路电容都是为了抑制干扰，避免误动作。后两个LM324是上、下限电压比较器。只有传感器感应产生的交变信号经放大达到足够电平才能使其输出为高电平，以控制后面继电器K1是否得电。K1得电，此时将进入平移门控制部分。K1得电则KA2得电吸合，KA2常开闭合自锁，电机开始正转，门就慢慢打开。当接触到行程开关QS1后，之前动作的触点复位，电机停止，门也不动了，一直处于开启状态。同时行程开关的常开触点闭合，时间继电器KT得电延时5S。5S后KT常开闭合， KA得电，KA3常开闭合自锁，电机开始反转，直到碰到行程开关QS2，门已关上，电机停止反转。以上为电路运行的所有过程。

平移门控制单元

四．自动门安装：
　自动门安装主要是红外线热释电传感器的安装， 红外线热释电人体传感器只能安装在室内，其误报率与安装的位置和方式有极大的关系.。正确的安装应满足下列条件：
　　1）红外线热释电传感器应离地面2.0-2.2米。
　　2）红外线热释电传感器远离空调, 冰箱，火炉等空气温度变化敏感的地方。
　　3）红外线热释电传感器探测范围内不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔离物。
　　4）红外线热释电传感器不要直对窗口，否则窗外的热气流扰动和人员走动会引起误报，有条件的最好把窗帘拉上。红外线热释电传感器也不要安装在有强气流活动的地方。
红外线热释电传感器对人体的敏感程度还和人的运动方向关系很大。红外线热释电传感器对于径向移动反应最不敏感, 而对于横切方向 (即与半径垂直的方向)移动则最为敏感. 在现场选择合适的安装位置是避免红外探头误报、求得最佳检测灵敏度极为重要的一环。

五．类型
1）全玻璃平移自动门
　　此类自动平移门导轨大多是采用铝合金型材， 门体设计采用钢化玻璃，透明度高，结构简洁，豪华气派。美容会所，写字楼等常使用这一类型自动门

重叠平移自动门
[1]
2）有框平移自动门
　　导轨为铝合金型材，传动结构合理、可靠、寿命达到100万次以上。
　　门体设计采用欧洲流行款式，外包不锈钢或铝合金边框，造型精炼，线条流畅，用料精

有框平移自动门
良，可根据需要喷涂多种色彩。内嵌大平面高强度玻璃，整体尊贵大方，富有现代感。
3）重叠平移自动门
　　重叠品议自动门的开启宽幅是标准平移自动门的1.3倍。
　　适用于人流量大、需搬运超宽物体的通道口，
　　如汽车展厅、展览馆、会议中心等场所。门体可采用不锈钢边框，也可采用铝型材门框或高强度的钢化玻璃。

全玻璃自动平移门
4）工厂平移自动门
　　导轨为铝合金型材，传动结构合理、可靠、寿命达100万次以上。
　　门体设计采用彩钢板发泡工艺或大平面亚光不锈钢板材或铝板，隔音性能好。 活动门运行平稳。也可用手控开关操作。
　　使用于工厂、仓库等场所。

工厂平移自动门
六．结 论

随着相关信号处理器性能和可靠性的不断提高，热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎，广泛应用于各种自动化控制装置中，既可作为红外激光的一种较理想的探测器，又可适用于防盗报警、自动门等红外领域。
七． 结束语
本论文设计在仇老师的悉心指导和严格要求下完成，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着杨老师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，仇老师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向杨老师表示深深的感谢和崇高的敬意。
在临近毕业之际，我还要借此机会向在这两年中给予了我帮助和指导的所有老师表示由衷的谢意，感谢他们两年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。

八．[参考文献]
【1】 张岳.自动控制原理[M].清华大学出版社.2005.8
【2】 汪学典.电子技术基础实验[M]. 华中科技大学出版社.2006.08
【3】 薛安克.自动控制原理[M].西安电子科技大学出版.2004.6
【4】 王义玉.红外探测器[M].兵器工业出版社.2005.8
【5】 杰哈.红外技术应用[M] .化学工业出版社.2004.10
【6】 朱强.自动检测技术[M].山东科学技术出版社.2005.8
【7】 赵秀丽.  红外光学系统设计[M].机械工业出版社.1986.10
【8】 陈永甫.红外探测与控制电路[M].人民邮电出版社.2004.6

烟台工程职业技术学院
毕业（设计）成绩评定评分表

评价基元
评价内涵
满分
实评分
平时成绩
30％
能按时完成毕业设计(论文)各阶段所要求的工作
10

能综合运用所学知识分析与解决问题的能力、独立工作能力和实际动手能力
14

工作态度认真、端正、虚心、严谨，严格遵守纪律
6

小计
30

评阅成绩
30%
能按任务书要求出成果
3

论文结构完整、合理，条理清晰，对实验方案的论述正确
5

能运用本学科常规研究方法及相关研究手段（如计算机、实验仪器设备等）进行实验、实践并加工处理、整合信息，实验数据可靠,实验结果正确
5

设计用语、格式、图纸（图表）、数据、量和单位符合国家标准，各种资料引用规范
4

视角新颖，主题突出，论据充分，论证有力，分析透彻，计算和结论正确
5

论文中所表述的基本概念清楚，基础知识和专业知识的掌握牢固扎实
6

文字表达通顺无误，字数符合要求
2

小计
30

答辩成绩
40％
答辩时基本概念清楚, 基础知识和专业知识的掌握牢固扎实
10

答辩过程中的自述简明无误，语言流畅
10

能正确回答问题,特别是本课题范围内的基本理论和基本技能问题
20

课题范围以外的提问仅作参考,不计分

小计
40

总成绩合计
100

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毕业设计（论文）成绩评定评审等级表

指导教师评审意见

评语：

评定等级：
指导教师（签名）：
答辩小组意见

评语：

评定等级：
负责人（签名）：
学院抽查意见

评语：

评定等级：
负责人（签名）：

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毕业设计（论文）情况汇总表

系别： 班级： 填表时间： 年 月 日
序号
学 生
题 目 名 称
类别
（设计/论文）
指导教师
总成绩
学号
姓名
姓名
职称

总人数： 优秀人数： 良好人数： 中等人数： 及格人数： 不及格人数：

21