基于热释电传感器的自动门控系统设计论文.doc

密 级 公 开 学 号2

衡水学院
毕业论文（设计）

基于热释电传感器自动门控系统设计

论文作者
：
张卫波
指导教师
：
侯晓云
系别
：：
物理及电子信息系
专业
电子信息工程
年级
：
2015级
提交日期
：
2017年4月18日
答辩日期
：
2017年5月05日

21 / 34
毕业论文（设计）学术承诺
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作者签名： 指导教师签名：

日 期： 日 期：

论文题目：基于热释电传感器自动门控系统设计
摘 要：随着经济水平提高和科技飞快发展，红外检测行业也迅速突起。自动门在人们进出门当中变得越来越重要。对它使用要求变得越来越高。自动门控制设计是随着人们对生活水平不断追求，科技和经济不断发展才出现高科技产品。由于单片机比较稳定，简单易操作，所以作为设计控制器。
本次设计热释电传感器自动门控制系统用AT89C51为主控芯片步进电机作为门驱动装置。通过单片机来控制步进电机实现门开关。主要利用热释电传感器实现信号检测和单片机控制系统两部分实现功能。因为在设计上比较简单，稳定性好，所以具有一定使用价值。

关键词：AT89C51；热释电红外传感器；BIS0001芯片；智能控制

窗体底端

TITLE：AUTOMATIC DOOR CONTRO SYSTEM DESIGN BASED ON PYROELECTRIC SENSOR
Abstract: With the improvement of economic level and rapid development of science and technology, infrared detection industry also rapidly swelled. Automatic door is becoming more and more important in the middle of the people to go out. The use of it is becoming more and more demanding. Automatic door control design is as people the pursuit of better living standards, the continuous development of science and technology and economic phenomenon of high-tech products. Because single chip microcomputer is stable, simple and easy to operate so as to design the controller.
The automatic door control system of the electric sensor of this design is the main control chip of AT89C51 and the step motor is the door actuator. The switch of the step motor actuator is controlled by a single chip. The two parts of the system are realized by means of heat release sensor. Because the design is simpler, the stability is good, so have certain use value.

Key words：AT89C51；Pyroelectric Infrared Sensor；BIS0001 Chip；Intelligent Control

目 录
摘 要 Ⅰ
Abstract Ⅱ

1 绪论 1
1.1课题背景 1
1.2国内外研究现状 1
1.3课题设计目标 2
2 系统硬件电路设计 3
2.1主控设计及电路分析 3
2.2单片机引脚介绍 3
2.3单片机最小系统设计 4
2.4热释电传感器设计 5
2.4.1热释电原理介绍 5
2.4.2 BISS0001介绍 5
2.4.3电路分析 6
2.5 步进电机电路设计 6
2.5.1 步进电动机特点 7
2.5.2 驱动控制系统组成 7
2.5.3 步进电机电路 7
2.5.4 步进电机控制电路 8
3 系统软件设计 9
3.1整体软件设计 9
3.2检测驱动设计 10
3.2.1 系统驱动流程 10
3.2.2 系统误差调试 11
4 系统调试 12
结语 13
参考文献 14
致谢 15
附录 16

1 绪论
1.1 课题背景
今天，自动门在建筑设计中表现了较强使用理念，为人们出入门时带来极大便利。作为建筑物组成部分，使得建筑物整体设计上变得越来越时尚。
自动门因为在各大公共场所广泛使用，在建筑整体设计上添加了时尚气息。以及对门使用观念改变，使得它发展不断提升和完善。从整体方面上讲，自动门作为建筑物组成一部分，必须要达到阻止恶劣环境和不能阻碍人通行这两种要求。经过不断发展，也渐渐地改变了人们对防护意识，对出入安全考虑也因此增加。因为中国在自动门制作方面没有统一要求，使得自动门质量快速下降。因此要在具有专业生产能力和提供高质量服务厂家购买。
自动门常见组成部分是主控制器、检测电路、步进电机驱动电路。当人走近自动门时，热释电传感器检测到人体红外线，单片机给步进电机发出开关信号。人离开后使得自动关闭。自动门不仅给人们生活提供了巨大便利，也展示了我国科技进步。
1.2 国内外研究现状
国外各大厂商研究对自动门发展起了很大作用。随着自动化技术飞速发展，自动门技术已经相当成熟，国外自动门已经走在世界前端。自动化技术为自动门发展提供了设计基础。现实生活中自动门应用不仅给人们出行带来了便利而且减少了建筑空间使用，有效阻止噪音、粉尘对人类影响。自动门也为酒店、公共地方彰显了高贵气质。正是自动门作为新时代产物，给人们生活，社会良好现状因为自动门在国外各种场所起到了画龙点睛作用所以它发展变得十分迅速。
因为我国技术手段比较落后，在自动化方面研制和发展都处于起步阶段，一些技术性问题没有解决。随着我国经济腾飞和科技高速发展下，国家对自动化产业重视也越来越大。使得自动门得到了快速发展。自动门在各种公共场所广泛运用。
1.3 课题设计目标
自动门控制系统在功能上具有如下功能：
1、当有人靠近门时人体释放红外线被热释电传感器检测到，把电信号传输给单片机。由单片机控制步进电机，实现门开关。
2、如果在关门过程发现有人走进来。自动门要马上停止关门，立即开门。
3、在自动门运行过程中如果因为感应器原因不能实现自动开门，可以利用手动开关来控制。
根据检测装置一些情况，此设计主要用来解决问题有：
1、硬件电路设计以及电路仿真。
2、传感器程序编写及调试问题。
3、各功能模块程序运行及系统调试。
4、温湿度检测过程中受其它因素影响而造成测量误差。

2 系统硬件电路设计
21 主控设计及电路分析
系统硬件部分是单片机控制，检测电路和步进电机控制电路构成。在运行过程中，传感器保持持续检测，一旦检测到人体信号立刻传输到单片机中。单片机得到信息后发出步进电机控制指令，实现运行。如果在关门过程中有人再次走进门里面，那么自动门会停止关门并立刻重新开门。总体框图如图2-1。

AT89C51
单片机
传感器检测电路
步进电机电路
电机驱动电路
单片机外围电路

传感器检测电路

图2-1 总体框图

2.2 单片机引脚介绍
单片机是不仅可以编程还可以擦除只读存储器它性能比较高，处理信息速度快，抗干扰能力强。完整最小计算机系统就是单片机。CPU、内存、总线、外存、接口、定时器、实时时钟等都集成在一块芯片上。它质量比较轻，体积小，开发便利，大大减轻了简单电路设计学习时复杂程度。引脚功能如表2-1所示。

表2-1引脚说明表
编号
符号
引脚说明
1-7
P0.0~P0.07
输入/输出断口
8
P1.0~P1.07
标准I/O口
9
P2.0~P2.07
不仅可以作为输入/输出口，也可以作为高8位地址总线使用
10
P3.0/RXD
串行输入口
11
P3.1/TXD
串行输出口
12
P3.2/INT0
外部中断0
13
P3.3/INT
外部中断1
14
P3.4/T0
记时器0外部输入
15
P3.5/T
记时器1外部输入
16
P3.6/WR
外部数据存储器写
17
P3.7/RD
外部数据存储器读
18
ALE/PROG
地址锁存输出/编程脉冲输入
19
EA
内外存储器选择引脚
20
RST
复位脚
21
VCC
电源正极
22
GND
电源负极
23
XTAL1
内部时钟电路反相放大器输入端
24
XTAL2
内部时钟电路反相放大器输出端
2. 3单片机最小系统设计
系统用主控制器是AT89C51，该芯片有40个引脚。此设计由5V直流稳压电源来提供电。最小系统由复位和晶振电路构成。单片机复位引脚上接电容

图2-2 最小系统电路图
和电阻。在复位操作中有自动和手动两种方式。晶振电路采用11.0592MHz无源晶振，用两个30pF电容起并联起来谐振作用。因为最小系统外围电路精巧简单易行，所以普遍使用。最小系统如图2-2所示。
2.4热释电传感器设计
2.4.1 热释电原理介绍
热释电传感器可靠性能强，灵敏度比较高，所以广泛应用在各种红外检测设备中。因为传感器由单电源供电，所以输出引脚及电源直接相连，另外两个引脚接电源和地。同时要注意灯光等干扰源反射到透镜上，从而产生错误电信号。热释电传感器作为一种检测人体红外转换成电信号，通过和单片机连接实现检测。它采用单线串口，功耗小，体积小，使用方便。
2.4.2 BISS0001介绍
引脚
名称
I/O
功能说明
1
A
I
触发方式
2
VO
O
控制信号输出端
3
RR1

输出延迟时间TX调节端
4
RC1

输出延迟时间TX调节端
5
RC2

触发封锁时间Ti调节端
6
RR2

触发封锁时间Ti调节端
7
VSS

工作电源负端
8
VRF
I
参考电压及复位输入端
9
VC
I
触发禁止端。当VCVR时允许触发
10
IB

电流设置端
11
VDD

工作电源正端
12
OUT
O/I
运算放大器输出输入端
14
IN
I
运算放大器同相输入端
16
OUT
O
运算放大器反相输出端
表2-2引脚功能

BISS0001是热释电传感器和多种相关元件组成被动式红外开关。作为一种传感信号处理集成电路。不仅和热释电传感器输出进行良好地匹配，也能和各种各样传感器进行匹配。在企业、写字楼、商场等地方或者自动照明和报警系统等安防领域，有着广泛应用。该元件不仅仅有独立高阻输入阻抗，还有抑制干扰作用。采用是16脚封装。引脚说明如表2-2所示。
2.4.3 电路分析
检测系统电路由热释电传感器及BISS0001芯片所组成。接收到信号在R8、C5去除交流干扰、限幅后，整流输入到BISS000114管脚上。在14管脚和15管脚经过一级放大处理后由芯片16管脚输出。通过双向鉴幅经过处理后由2管脚输出。8，11管脚接电源，7管脚接地。10管脚外接一个较大电阻。3，4管脚为延迟端口，由R9，C7来完成延时。输出延迟时间TX由外部R13和C12来调整，值为TX≈24576xR15C11；当VC>VR时触发允许。环境照度检测由光敏电阻实现。因为环境亮度低，R9阻值就会上升。将热释电和芯片结合组成HC-SR501模块，使检测范围扩大，干扰能力加强。电路如图2-3所示。

图2-3热释电红外检测电路
2.5 步进电机电路设计
步进电动机转动角度有脉冲信号控制。所以说是一种由数字控制电动机。在一些课题设计方面通常适合于单片机控制。因为科技和相关自动化技术发展，使得步进电动机发展十分迅速。通过单片机控制可以方便进行实验设计，为以后各种自动设计提供了良好条件。
2.5.1 步进电动机特点
1、步进电动机可以容易实现停止转动、正转和反转，价格便宜，干扰能力强。
2、步进电机速度可以进行非常方便调整。在速度比较低状态下依旧可以保持较高转矩，直接驱动负载。
3、步进电动机在交直流电源下不能工作。只有利用脉冲电源供电才能很好工作。
4、步进电动机因为有失步问题，所以在电路设计上要采取相应措施避免。
5、步进电动机因为自身硬件问题，所以它带负载能力比较差。
2.5.2 驱动控制系统组成
步进电机通过环形脉冲，功率放大电路来实现驱动控制。驱动电路如图2-4所示。

信号分配
脉冲信号

负载
步进电机
功率放大

图2-4驱动电路
驱动电路是热释电传感器检测到人体红外能量变化时，产生脉冲信号，经过功率放大转换成电信号传送到单片机上。单片机再根据检测信号来控制步进电机运转。根据相应状态发出驱动指令使步进电机工作。
2.5.3 步进电机电路
步进电机和驱动元件ULN2003A构成了自动门系统运行电路。要想实现有效实现相应运转，必须通过驱动芯片连接步进电机。利用四个颜色不同LED灯来显示各自运行情况。通过灯光闪烁可以直观发现在运行过程中可能出现问题，并及时做出调整来保证电机顺利运行。电路图如图2-5所示。

图2-5步进电机电路图

2.5.4 步进电机控制电路
步进电机控制方式手动和自动两种。其中手动控制由按键S1实现。按下按键S3控制正转开门，按键S4控制反转关门。当按S2时处在自动模式LED1亮绿灯，自动门正转是LED3亮黄灯，反转是LED4亮红灯。电路图如图2-6所示。

图2-6步进电机控制电路图

3 系统软件设计
3.1整体软件设计
软件设计也是重要系统中组成部分，硬件只是实现模块连接，软件编程部分才是系统大脑支配。经过编写，运行，调试，软件部分基本可以实现所需要部分功能。
首先在软件上根据设置要求实现自动门运行。在程序设计上考虑在单片机控制下，可以使相关指令有效应用在各个状态之下。如果有人进入检测范围，根据检测信息单片机给步进电机发出开门指令。当人离开了检测范围信号消失，单片机发出关闭指令。如果在关门过程中，有人走到门前单片机立刻发出指令停止关门。为了防止出现自动门无法正常工作现象，所以设置了手动操作模式。通过手动操作可以及时运行，避免影响正常工作。工作流程图如图3-1所示。

中途有人
延时控制

手动控制

初始化

开始
信息采集

有人
电机正转 开门

电机反转 关门

无人

图3-1工作流程图
3.2检测驱动设计
3.2.1 系统驱动流程
程序启动之后，会依次进行执行代码，初始化程序之后。通过检测人体释放红外线，进行选择如果检测到开信号则开启红外探头将其转化成数信号传输到单片机中。如果检测到时关信号则关闭红外探头，循环进行检测状态。程序流程如图3-2所示。
是
开启（关闭）红外探头工作
定时将MAX设置为发送状态，发送中到高电平，设置为接受
否
检测是否有开关信号
启动
初始化

图3-2程序流程

3.2.2 系统误差调试
因为传感器本身就存在误差。基于所需要传感器检测范围，精确度大小，传感器反应速度等一系列问题考虑，最终选定相对稳定了HC-SR501模块。在检测中要考虑到因为环境温度、热源、光源干扰，造成检测短时失灵问题。要进行反复运行和调试，让检测误差缩到最小。

4 系统调试
在整个设计完成以后，需要对系统进行整体测试和比对，发现其中不正确加以改正。测试主要部分分为软件和硬件，记录是否可以使软件所运行功能在硬件上有效实施。而且硬件部分主要是步进电机部分和传感器部分，是否可以正常运行，是否可以正常显示，也是要检测关键。
通过仿真测试，检查程序能否达到要求。首先初始化程序，检测单片机发出开门指令之后步进电机不能进行开门指令。后来经过程序改进，解决了此困难。观察程序是否跳出红外检测程序实现信号传输。测试中断程序是否在出发后能进入中断。软件测试完成之后对系统硬件进行测试。首先对整体电路焊接检查。有没有虚焊地方。在硬件调试过程中步进电机没有运行，检测步进电机各项电压值是正常电路连接图正常，经过反复查看发现步进电机没有和单片机引脚连接好，有虚焊地方导致运行失败。检查传感器模块能否在有效距离内检测到人头红外并且转换成电信号传输到单片机上。
经过软件和各个模块化测试和调试，系统基本可以实现所需要功能，并且达到预期要求。测试过程中并没有出现较大偏差情况。经过严格测试，系统并没有出现其他异常情况。

结语
本课题主要研究是基于热释电传感器自动门控系统设计。利用AT89C51单片机进作为主控制。通过步进电机、热释电传感器等相关电路结合组成实现设计要求。本次设计采用两个热释电传感器模块，一个放在门前面，一个放在门后面。人体红外线被热释电传感器检测到后变成数字信号反馈给单片机。单片机得到红外检测电路发出信号。步进电机得到指令控制电动机带动门运行。如果在关门过程中遇到有人进来，自动门会停止关闭重新开门。此次系统在设计上比较简单，开发也容易。在实际操作中十分方便，在性能方面比较好，也安全可靠。对以后电子产品开放也有很大指导意义。
在科技飞速发展环境下，使得自动门在设计和实际应用中不断升级。自动门给人们带来巨大好处。正是因为热释电传感器在各个检测领域都有着重要作用。使基于热释电传感器自动门设计也将广泛应用到每一个家庭中，提高人们生活质量，实现自动门价值。

参考文献
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Switzerland), 2016.16(6).

致谢
十分感谢我指导侯晓云老师在做设计这期间对我耐心指导和帮助。大学期间，感谢侯老师对我关爱、爱护和教导，并让我受益匪浅。候老师对工作兢兢业业，时刻关注我们论文完成情况。能师从侯老师，我为自己感到自豪。
毕业设计不仅检验了我们大学时期学习成果，更是对我们磨砺和锻炼。通过毕业设计可以使我们看到自己不足之处，为以后工作、生活、学习带来巨大好处。使我们不断学习进步。
在做毕业设计时候，有许多不懂问题。通过询问同学、老师解决问题。感谢我在遇到困难时，你们鼓励和帮助。正是因为有你们存在我校园生活才会变得多姿多彩。期待在不久未来，我们可以共创辉煌，实现人生价值。
希望，学校在以后日子可以越好越好，为社会培育大量优秀人才。希望老师、同学们身体健康。十分感谢学校和老师们对我辛辛教导，我会用所学知识回报社会，为学校争光！

附录
电路图