还剩34页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
红外线控制自动门摘要随着经济的发展和人民生活水平的提高,自动门的应用也越来越广泛,它已经成为宾馆、__等现代建筑所必备的,是建筑智能化水平的重要指标自动门控制系统作为自动门系统的控制核心,决定了自动门系统的性能国外生产的自动门控制系统性能比较优良,但是__偏高;国内的同类产品虽然__便宜,但是性能较差,故障率较高本文研究一种基于AT89C51的自动门控制系统,功能强大,运行可靠,用户操作方便,而且成本适中,在市场上有较强的竞争力关键词自动门控制系统;AT89C51;ABSTRACT Withthedevelopmentofeconomyandlivingstandardauto__ticdoorsarebeingwidelyused.Itisabsolutelyne__ssarytoamodernbuildingsuchashotelsuper__rket.Asthecontrollingcoreoftheauto__ticdoortheauto__ticdoorcontrollerdeterminesitsperfor__n__.Mostofauto__ticdoorcontrollersthath__ebeensoldinourcountryare__debyforeign__nufactures.Theperfor__n__oftheseproductsishighbuttheyareveryexpensive.Ourhome-__deauto__ticdoorcontrollersarenotsoexpensivehowevertheperfor__n__isunsatisfiedandthefaultyrateishigh.Soweh__edevelopedanewkindofauto__ticdoorcontrollerbasedonAT89C
51.Thecontrollerhasgoodcompetitiveabilitybecauseit’spowerfulreliableconvenientandlow-cost.Keywords:auto__ticdoorcontroller;AT89C51;目录TOC\o1-3\h\z\u第一章绪论
31.1引言
31.2系统功能简介
31.
2.1实用的操作模式
31.
2.2完善的故障监测和故障/状态显示功能
41.
2.3灵活的参数设置
41.
2.4智能化处理
41.
2.5紧急按钮
41.
2.6手动复位
41.3系统结构和工作原理
51.
3.1电源
51.
3.2主控芯片、存贮器及__电路
61.
3.3步进电机控制及驱动电路
61.
3.4红外传感器部分
61.
3.5电流电压监测电路7第二章红外线感应原理
82.1红外传感技术简介
82.
2.1主动式
82.
2.2被动式8第三章硬件电路设计
123.1电源部分
123.
1.1整流滤波电路
123.
1.2开关电源
133.2主控芯片AT__C51接口电路
143.3控制面板电路
163.4电磁锁控制电路
173.5制动控制电路
193.6电流电压监测电路
213.
6.1总电流监测电路
213.
6.2交流电掉电检测电路
223.7红外传感器和光电管22第四章系统程序流程
234.1定时中断服务程序
244.2门的运动
264.
2.1电机的操作
274.
2.2输入捕捉程序
314.3控制面板按键程序
324.
3.1修改系统操作模式
334.
3.2修改运动参数
334.
3.3系统复位
334.
3.4自由滑动33____35第1章绪论
1.1引言随着经济的发展和人们生活水平的提高,自动门的应用也越来越广泛它现在为许多宾馆、__、百货大楼等现代建筑所必备,不仅可以美化出入口环境,而且具有节能、防尘、隔音等功能,同时也是建筑物智能化的重要指标目前国内的产品多为从国外进口国外生产自动门的公司很多,常见的公司有德国的BLASL,瑞士的TOR__X,意大利的PA,__的National等等这些产品功能繁多,性能可靠,但普遍__偏高,操作复杂而国内设计的同类产品性能不稳定,故障率较高,需要频繁的维护,增加了运营成本我设计的这款红外线自动门控制系统要求功能强大,而且具有完整的抗干扰和故障诊断功能,性能稳定可靠,用户操作方便,而且成本适中,在市场上有较强的竞争力
1.2系统功能简介我们所研制的自动门控制系统功能具体特点如下
1.
2.1实用的操作模式自动门控制系统有五种实用的操作模式,即自动、常开、锁门、单向只出不入和窄开门工作模式自动模式也就是最常用的模式,当有人靠近时自动开门,当人通过后自动关门;常开模式,无论是否有人通过,一直保持开门状态不变;锁门模式即关门并且上锁的状态单向只出不入模式对时间有限制的公共场所非常有用,比如商店晚上打烊之前可以设定为此工作模式,此时自动门只对门内的顾客有响应,可以让顾客出去,对于门外要进入的顾客则不予响应窄开门模式和自动模式类似,只是当执行开门动作时只开到某一宽度(可由用户调节),而不是全部打开,这种模式在冬天或夏天室内外温差较大时是一种非常实用的工作模式,可以减少室内外的热量交换
1.
2.2完善的故障监测和故障/状态显示功能本系统具有完善的故障检测和抗干扰功能,保证系统安全可靠的运行对市电、直流电源电压、系统总电流、制动电流、锁电流、电机温度、系统环境温度都有相应的监测电路,一旦发生掉电、欠压、过流、过热等情况将会立即执行相应的故障处理程序,同时通过5个LED闪烁显示相应故障,提醒相关人员及时维护,保证系统的安全和人身安全正常情况下,LED显示当前系统的运行状态
1.
2.3灵活的参数设置通过控制面板可以随时调节系统参数,使之更符合用户的需要通过控制面板用户可以调节的参数有开门速度、关门速度、开门宽度以及保持开门时间等参数用户设置的参数会存贮在EEPROM中,掉电不丢失
1.
2.4智能化处理复位之后,系统自动执行校准运行,测量门的宽度,计算门的运动曲线(各运行阶段的位移和速度),无需人工干预在此后门的运动中,不管开启或关闭,当门在运动方向上遇到意外的障碍物,会立即停止门的运动,然后倒转,同时记住障碍物的位置和显示故障信息如果障碍物仍未被移走,当门再次到达此位置时,系统就执行校准运行,自动把此位置作为终点位置,重新计算门的运动曲线
1.
2.5紧急按钮在屋内一侧,有两个紧急按钮,开门按钮KS和紧急停止按钮E.P,用于紧急情况下的处理按下KS,不管系统处于什么操作模式下,门都会打开按下E.P,首先立即停止门的运动,然后使门体脱离系统控制,可___滑动
1.
2.6手动复位同时按下控制面板上的两个按键至少5秒,再松开,就可以使系统复位
1.3系统结构和工作原理自动门控制系统结构如下所示图1-1自动门控制系统结构我选择主控芯片AT89C51作为系统的控制核心主控芯片循环检测传感器、紧急按钮和光电管的状态,结合门体的当前运动状态,产生对步进电机或者制动的控制__制动__使制动动作,阻止门体__;而电机控制__通过脉冲编码电路产生相应的时序,然后经驱动放大送给电机,从而带动门体相应的运动光电编码器监测门体的运动方向和速度,并反馈回主控芯片,形成闭环控制通过控制面板,用户可以调整系统工作模式和门体的运动速度等参数,LED显示当前控制系统工作模式或者故障显示信息系统掉电时,用户调整的参数被送到EEPROM中保存起来,供电恢复以后主控芯片从EEPROM中读出这些参数,系统可以按照掉电以前用户设定的参数重新运行而无须由用户重新设定
1.
3.1电源系统的供电为220伏、50Hz的市电,经变压器变压后输出27伏的交流电,经整流滤波后产生35伏的准直流输出,然后再经过开关电源产生+24伏和+5伏直流电,+24伏用于微波传感器、光电管、控制面板、运算放大器的供电,+5伏用于主控芯片、片外存贮器及其他数字逻辑电路的供电,而步进电机、制动和电磁锁这些大功率部件的供电是35伏准直流电+5伏经升压电路后输出+15伏直流电,用于电机驱动电路中悬浮自举供电电压,控制大功率MOSFET管的正常导通和截止
1.
3.2主控芯片、存贮器及__电路AT89C51内部存储器容量有限,在本系统中采用扩展工作模式,在外部扩展了128KBEPROM(M27C1001)和8KBSRAM(SRAM6264)EPROM用于贮存系统程序,SRAM储存处理数据和临时参数AT89C51内部自带了640字节EEPROM,用来存储用户设定的参数主控芯片需要访问传感器、控制面板、过热过流保护__、电机方向等接口__这些__如果直接接到主控芯片的I/O引脚将占用较多的资源,因此本系统将这些__通过三态总线缓冲器74HC541和8D触发器74HC574接到主控芯片的数据总线,将地址总线经过译码器译码后控制缓冲器的使能端,相当于赋予接口电路以不同的地址,主控芯片可以像读写外部存储器一样通过接口地址读入或写出接口__
1.
3.3步进电机控制及驱动电路对步进电机的控制是系统重要的组成部分,包括脉冲编码电路、功率驱动电路本系统采用一片Xilinx公司的复杂可编程逻辑器件(CPLD)XC9536实现脉冲分配功能,主控芯片只需要输出启动/停止__、转动方向__以及表示转动速度的PWM__,具体时序的产生都由CPLD完成,减轻了主控芯片的负担,并具有良好的扩展性和灵活性功率驱动电路是大功率MOSFET管组成的H桥式放大电路具体电路见第四章
1.
3.4红外传感器部分红外传感器__输入到__处理电路,对其进行准确的判断和处理也是至关重要的桑斯达公司__的BISS0001是一款具有较高性能的热释电红外传感__处理芯片,它是CMOS数模混合专用集成电路,具有__的高输入阻抗运算放大器和双向鉴幅器,可有效抑制干扰,内设延迟时间定时器和封锁时间定时器,结构新颖,稳定可靠,调节范围宽
1.
3.5电流电压监测电路本系统对系统中各个电流、电压设置了监测电路,监测电路将电流转换成电压,然后用主控芯片内部的A/D转换器将其转换为数字__,判断是否发生了欠压、过压、过载等情况,如检测到异常情况将执行故障处理子程序第二章红外线感应原理
2.1红外传感技术简介红外传感技术可分为主动式传感技术和被动式传感技术
2.
2.1主动式图
2.1主动式红外探测器的基本组成红外发射机驱动红外发光二极管发出一束调制的红外光束在距发射机一定距离处,与之对准放置一红外接收机它通过光敏晶体管接收发射端发出的红外辐射能量,并经过光电转换将其转换为电__分别在收、发端放置一光学透镜,将红外光聚集成较细的平行光束,以使红外光的能量能集中传送采用调制的红外光源具有以下几个优点:.降低电源的功耗.使红外探测器具有较强的抗干扰能力,提高了工作的稳定性红外光束构成了一道人眼看不见的封锁线,当有人穿越或阻挡这条红外光束时,接收机输出的电__强度就会发生变化,从而发出__
2.
2.2被动式被动式红外探测器不需要附加红外辐射光源,本身不向外界发射任何能量,而是由探测器直接探测来自__目标的红外辐射,因此才有被动式之称被动式红外探测器是利用热释电效应进行探测的
(1)自然界物体的红外辐射特性自然界的任何物体,只要温度高于绝对零度C273C,总是不断地向外发出红外辐射,并以光的速度传播能量物体向外辐射红外辐射的能量与物体的温度和红外辐射的波长有关假定物体发射红外辐射的峰值波长为几,,它的温度为T,则辐射能量等于红外辐射的峰值波长戈与物体温度T的乘积这一乘积为一常数,即物体的温度越高,它所发射的红外辐射的峰值波长越小,发出红外辐射的能量也越大
(2)热释电效应被动式红外探测器又称为热释电红外探测器,其主要工作原理便是热释电效应热释电效应是指如果使某些强介电质材料如钦酸钡、钦错酸铅PZT等的表面温度发生变化,则随着温度的上升或下降,材料表面发生极化,即表面上就会产生电荷的变化,从而使物质表面电荷失去平衡,最终电荷变化将以电压或电流形式输出在热释电红外探测器中有两个关键性的元件,一个是热释电红外传感器PTRPTR能将红外__变化转变为电__,并能对自然界中的白光__具有抑制作用另一个是菲涅尔透镜,菲涅尔透镜是一种由塑料制成的特殊设计的光学透镜,它用来配合热释电红外线传感器,以提高接收灵敏度用菲涅尔透镜配合放大电路将__放大60~70db,就可以检测10~20m处人的活动热释电传感器具有自极化效应,晶体处于低于Curie温度的恒温环境时,其自极化强度保持不变,即极化电荷面密度保持不变这些极化电荷被空气中的带电粒子中和,当红外辐射入射晶体,被晶体吸收后,晶体温度升高,自极化强度变小,即电荷面密度变小这样,晶体表面存在多余的中和电荷,这些电荷以电压或电流的形式输出,该输出__可用来探测辐射相反,当截断该辐射时,晶体温度降低,自极化强度增大,由相反方向的电流或电压输出
(3)热释电红外传感器的基本结构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按照探测元的数目来分,热释电红外传感器有单元、双元和四元等几种,用于人体探测的红外传感器采用双元或四元式结构按照热释电红外传感器的用途来分,有以下几种:用于测量温度的传感器,它的工作波长为1~20cm;用于火焰探测的传感器,它的工作波长为
4.3S士
0.1Sfnn;用于人体探测的传感器,它的工作波长为7~15fan图
2.2是一个双探测元的热释电红外传感器的结构示意图该传感器将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起,目的在于消除因环境温度和自身变化引起的干扰它利用两个极性相反、大小相等的干扰__在内部相互抵消的原理,使传感器起到补偿作用当人体处于静止状态时,两元件极化程度相同,相互抵消;当人体__时,两元件极化程度不同,净输出电压不为0,从而达到探测__人体的目的图
2.2热释电红外传感器的内部结构示意图使用时一般在管壳顶端装有滤光镜片及窗口,用以选择接收不同的波长在窗口上装滤光镜的目的是使不需要的红外线不能进入传感器一般热释电红外传感器在光谱范围内的灵敏度是相当平坦的并且不受可见光的影响一般常用硅质聚乙烯材料的滤光镜,它能以非接触形式检测出物体放射出来的红外线能量变化,并将其转换成电__输出传感器探头前部装有菲涅尔透镜菲涅尔透镜是用透明塑料制成的一种具有特殊光学系数的透镜,它由一组平行的棱柱型透镜所组成,它的每一单元透镜都只有一个不大的视场角,而相邻的两个单元透镜的视场既不连续,也不重叠,都相隔着一个盲区,这样就在传感器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”视场的侧视图和俯视图如图
2.3所示图
2.3菲涅耳透镜和视场图当有人从透镜前走过时,人体发出的红外线就不断在“盲区”和“高灵敏区”内切换,这样就使接收到的__以忽强忽弱的脉冲形式输入,增强了能量变化幅度,从而提高了探测灵敏度
(4)热释电红外探测器的基本原理热释电红外传感器通过接收__人体辐射出的特定波长的红外线,可以将其转化为与人体运动速度,距离,方向有关的低频电__当热释电红外传感器受到红外辐射源的照射时,其内部敏感材料的温度将升高,极化强度减弱,表面电荷减少,通常将释放掉的这部分电荷称为热释电电荷由于热释电电荷的多少可以反映出材料温度的变化,所以由热释电电荷经电路转变成的输出电压也同样可以反映出材料温度的变化,从而探测出红外辐射能量的变化红外探测器的光学系统可以将来自多个方向的红外辐射能量聚焦在探测器上,这样红外探测器就可以探测到某一个立体探测空间内热辐射的变化当防范区域内没有__的人体时,由于所有的背景物体如墙壁、家具等在室温下红外辐射的能量比较小,而且基本上是稳定的,所以不能触发__器当有人体突然进入探测区域时,会造成红外辐射能量的突然变化,红外探测器将接收到的活动人体与背景物体之间的红外热辐射能量的变化转化为相应的电__,电__的大小,决定于敏感元件温度变化的快慢,经过后级比较器与状态控制器产生相应的输出__Uo,送往__器,发出____红外探测器的探测波长为8-14微米,人体的红外辐射波长正好处于这个范围之内,因此能较好的探测到活动的人体被动式红外探测器属于空间控制型探测器,其警戒范围在不同方向呈多个单波束状态,组成锥体感热区域,构成立体警戒第三章硬件电路设计在第一章绪论中已经简要的介绍了红外线控制自动门控制系统的结构,下面将详细介绍各个部分的具体硬件实现及其工作原理
3.1电源部分本系统电源部分的框图如图3-1所示图3-1电源框图220伏、50Hz的市电,经变压器后输出27伏的交流电,经整流滤波后产生35伏的直流电压35伏电源直接供给步进电机、制动和电磁锁这些大功率部件,另一方面再经过开关电源产生24伏和5伏直流电24伏用于微波传感器、光电管、手动控制面板、运算放大器的供电,5伏用于主控芯片、CPLD、片外存贮器及其他数字逻辑电路的供电5伏经升压电路输出15伏直流电,用于电机驱动电路中悬浮自举供电电压,使MOSFET功率管栅源极有足够高的电压,保证功率管的正常导通和截止
3.
1.1整流滤波电路图3-2整流滤波电路整流滤波部分见图3-2所示图中的C1到C3三个
0.1μF的电容是为了滤除电网中的尖峰干扰两个
0.1欧姆的电阻(R
62、R63)并联作为整机总电流采样电阻,将电流转化为负电压GDU配合监测电路,用于监测系统的总工作电流,确保系统安全
3.
1.2开关电源上面提到了系统是用开关电源产生5伏和24伏的直流电压本系统采用的开关电源是LM2575HV系列单片集成的开关整流器,最大输出电流为1A,输入电压最大为60V,输出电压有
3.3V、5V、12V、15V和可调输出电压几种版本,可调输出范围从
1.23V到37V在规定的输入电压和输出负载范围,输出电压波动不大于4%内部有固定频率的振荡器和频率补偿电路,其震荡频率是52KHzLM2575HV是传统的三端式稳压集成电路的理想替代品外部电路简单,只需要四个__元器件即可,而且其转换效率高,在77%以上,在大多数情况下不需要散热片内部有完善的保护电路,具有过热和过流自动关闭功能该系列开关整流器还有一个TTL电平的使能输入端,可控制是否有电压输出图3-35V电源电路图3-424V电源电路本系统中开关电源的具体的电路如图3-
3、3-4所示LM2575HV的1脚为输入端,2脚为输出端,3脚接地,4脚是反馈端,5脚是输出使能端,低电平有效LM2575HVT-
5.0输出为固定的正5V,LM2575HVT-ADJ为可调输出,通过调节其输出端的反馈分压电阻R
64、R65,使之输出电压为+24V由图3-4知其中为LM2575HVT-ADJ内部参考电压,通常,则考虑温度系数以及随时间的稳定性,R
64、R65选用精度为1%的金属膜电阻本系统中,5V电源的使能端ON/OFF接地,一直处于正常工作状态;而24V电源的使能端接到MCU的一个I/O口,由程序控制它是否正常输出24V电压图3-3和图3-4中的电感L1和L2的选择主要取决于输入电压和最大负载电流两个参数对于+5V的电源,估算出最大负载电流约为200__,输入电压约为35V,根据LM2575HVT-
5.0上提供的表格可以得到L2的数值为220μH同样可以得到电感L1的数值为1000μH开关整流器的输出端必须加一个电容对输出电压滤波和保持环路稳定性推荐使用低等效串联电阻(ESR)的电容以减小输出纹波电压和保证较好的环路稳定性一般容量小或耐压低(小于12V)的ESR值较大我们选择330uF,50V耐压的的开关电源用的电解电容,并联
0.01uF的瓷片电容当整流器内部的开关关闭时需要一个二极管为电感电流提供一个回路因为其具有较快的开关速度和较低的正向导通电压,可以得到较高的转化效率,我选择肖特基二极管具有“软恢复”特性的快恢复二极管也适合用于这种场合
3.2主控芯片AT89C51接口电路控制系统接收的外部输入__有门内和门外传感器的__,控制面板按键的__,两个安全光束的__,紧急按键KS和E.P的__,电机过热__,电源掉电指示__,以及一些出错指示__等同时主控芯片还要输出__来初始化电路状态,控制安全光束发光等第二章中介绍过,主控芯片AT89C51的I/O资源丰富,但是众多的输入输出__仍然使主控芯片IO资源难以满足要求图3-6外部接口电路示意图为了解决此问题,本系统设计了图3-6所示的接口电路,让输入__通过缓冲器74HC541,由数据总线读到内部存储器中;输出的__由数据总线送给8D触发器74HC574输出图3-6中,74HC139是二四译码器,输入端接主控芯片的地址线A0和A1,使能端与主控芯片的I/O片选CSIO相连本设计中,片选CSIO有效的地址为$1000到$1FFF,有效的极性为低电平,相关的设置见第五章
5.1节74HC541具有两个输入使能端G1和G2,只有当这两个使能端都为低电平时,输出Y[7:0]等于输入A[7:0],否则输出为高阻状态G1接到74HC139的输出端,G2由读__和E时钟输出口共同控制当8D触发器74HC574的时钟输入端CLK上跳沿有效时,主控芯片的输出数据D[7:0]被锁存到74HC574的输出端Q[7:0],而CLK=Y0+EW如果地址线A[1:0]=00,则Y3=0,选中使能端G1和Y3相连的那片HC541,该HC541的地址即为1000××××××××××11(二进制),不妨设它的地址为$1003(十六进制)同理另一片HC541的地址为$1002,74HC574的地址为$1000经过如上处理,主控芯片对外部接口的读写操作和读写存储器或I/O口完全一样,十分方便,更重要的是大大节省了主控芯片的口线资源
3.3控制面板电路如图3-7所示,控制面板包括两个输入按键(UP和DOWN)和五个发光二极管通过UP和DOWN键,用户可以调整门的工作模式和运动参数系统的工作模式有锁门(OFF)、自动(AUTO)、窄开门(RED)、单向只出不入(EXIT)和常开(OPEN)五种,绪论中已作过介绍运动参数同样有五个,分别是窄开门模式下的开门保持时间(Tr)、自动模式下的开门保持时间(To)、窄开门时门打开的宽度(Pr)、开门速度(Vo)、关门速度(Vc)图3-7控制面板外观通常,发光二极管用来指示门的当前工作模式当控制系统出现错误的时候,发光二极管通过不同的发光组合指示不同的错误用户通过按键调整运动参数的时候,发光二极管以不同的闪烁频率指示所调参数的大小变化图3-8控制面板电路图控制面板的电路如图3-8所示按键__通过缓冲器HC541送给主控芯片按键合下时为低电平,松开时对24V进行电阻分压,HC541收到约5V的电平图3-9中的电容C滤去线上的干扰,对去按键抖动也有一定的作用主控芯片的IO口PD[2:5]和PG6经驱动器ULN2004控制LEDULN2004为7路高电压、大电流集电极开路的达林顿管矩阵,每路输出最大电流500__
3.4电磁锁控制电路图3-9电磁锁控制电路框图本系统采用的锁是KGS公司的双稳态自保持电磁锁,该锁的锁舌有锁上、锁两种状态,在无电时自动保持原来的状态该锁的主要电气结构是一个电感线圈(12mH,直流电阻14欧姆),在线圈上加不同方向的电流锁舌产生往复运动我们使用NS公司的H桥驱动电路LMD18200来驱动该锁锁的控制电路框图见3-9单片机输出的锁控制__有三个,一个是I/O口PA3输出的启动/停止__,该__用于控制是否禁止锁运动;另一个是I/O口PH5输出的方向__,用于控制电感线圈中的电流方向,从而控制锁执行关闭还是打开动作;还有一个是PH3/PWM4引脚输出PWM__,调节PWM__的占空比,就可以控制线圈中的工作电流的大小控制__经过ULN2004传输到H桥功率驱动电路LMD18200的输入端LMD18200是单片集成H桥电路,内部原理框图如图3-10所示,__电路图如图3-11所示图3-10LMD18200内部原理框图图3-11LMD18200__电路LMD18200最大运行工作电流3A,工作电压55V内部功率开关管导通电阻RDS小于
0.3欧姆,内置钳位二极管,并有负载短路保护内部有温度检测电路,当温度超过145℃时,温度标志引脚9输出警告__,超过170℃时,将关闭所有输出LMD18200内部有充电泵电路,外部只需要在引脚
1、2和
10、11加两个自举电容C74和C75,电磁锁的的线圈(电感)直接连接到输出引脚2和106脚Vs接工作电源35V输入控制引脚3控制输出电流在输出引脚2和10之间的电流流向,从而控制锁的开关引脚4为制动,当它高电平有效后,将使所有功率开关管截止,锁不能动作PWM输入则是用来控制锁线圈中的电流此外LMD182000还有一个电流监测输出引脚8,该引脚输出一个电流__,该电流值正比于工作电流,典型值为377μA/A将该引脚通过精度为1%的采样电阻R22接地,变电流为电压__,然后将该电压__送至单片机的A/D转换输入端口PE3,从而可以实时检监测锁的工作电流PE3上的电压与锁电流关系如下在电磁锁内还有两个霍尔效应开关A___1,当穿过该开关的磁场强度超过100高斯(典型值)时,该开关输出低电平,否则输出高电平它们用于检测锁的确切状态在锁舌内__有一小块磁铁,当锁处于弹出或者打开状态,这块磁铁分别对准其中的一个霍尔开关,使其输出低电平当单片机发出锁控制__之后约30ms,就会通过外部接口读取霍尔开关的状态,判断锁是否已经处于指定状态如果检测到的锁的状态与发出的指令不符,就会加大锁的工作电流,重新执行该动作,并检测如果尝试两次之后仍然不正确,放弃努力,单片机发____当锁锁上后,CPU就禁止各种开门操作
3.5制动控制电路在关门过程中,可能遇到意外的障碍物和人,为了保证安全,必须设置“制动”本系统采用的制动是电磁制动器,它的主要电气组成部分也是一个电感线圈(93mH,直流内阻50欧姆),被密封在金属结构中当线圈中通电后,产生磁力,吸合在它上面运动的刹车圆片,门就被制动了线圈中电流消失后,磁力也随之消失,不再制动制动控制电路如图3-12所示当MOS场效应管T6的栅极为高电平时导通,电流流经制动线圈,制动起作用;当T6的栅极为低电平时FET截止,制动无效三个或非门HC02A-HC02C组成的单稳态电路,其输出端A和单片机管脚PH2/PWM3输出的PWM__一起控制T6的导通和截止单片机IO管脚PA6用来初始化单稳态电路,当PA的电平有个下跳沿时,A点为低电平,此时PWM__控制T6,其占空比决定了通过制动的电流,也就决定了制动力的大小图3-12制动控制电路电阻R13是制动电流采样电阻,制动电流较小时,采样电阻电压Vs较小,运放2902B输出端电压较高,比较器2902C输出低电平,不改变单稳态电路的状态当制动电流过大时,Vs超过门限电压,2902B输出端电位低于3伏,2902C输出高电平,导致单稳态电路翻转,A点电位为高电平,从而截止T6,制动失效下面计算制动停止工作时的最大电流由运放的虚地条件可以得到Vrh=5V,为参考电压;P5E=P5C=
1.2K,R2=R4=39K,Ibrake为制动电流,VPE2是2902B的输出电压,代入上式可以得到比较器的正输入端(电阻R
7、R8分压)电压为3V,当正负输入端相等时,即时,输出翻转,此时制动电流为Ibrake=615__当制动电流超过此值时,比较器输出高电平,禁止制动工作,保护制动器的安全2902B的输出还连接到A/D变换的输入端PE2,单片机通过监测VPE2的值来监测制动的工作电流系统中,设定制动的PWM__为30Hz、占空比为1:1的方波,检测PE2脚,得到制动电流约480__图3-12中,运放2902A构成电压跟随器,其输入为滤波后的电源VCC,目的是为了提供一个比较纯净的参考电压Vrh单片机管脚PH2/PWM3内部有上拉电阻,初始化时为高电平,禁止制动动作为了保证过流保护电路的准确性,电路中采用精度为1%的高精度电阻
3.6电流电压监测电路为了保证系统安全运行,本系统设置了许多电流电压监测电路,一旦检测到异常情况,将采取相应的保护措施,并__上一节中,就介绍了对制动电流的监测系统中需要检测的电流电压还包括以下部分总电流、锁电流、市电掉电、35V和24V直流电平35V和24V的直流电平经过相应的分压电阻,送到主控芯片AT89C51的A/D转换管脚PE6和PE7,予以监测
3.
6.1总电流监测电路总电流监测电路见图3-12的下面部分运算放大器2902D为同向电压放大器,将总电流采样电压GDU(见图3-2)输出到单片机PE1管脚,进行A/D转换当总电流过大时,系统暂停电机和锁这些功率级器件的操作R6,C21组成低通滤波器,时间常数检测到的总电流是平均电流根据运放的虚地条件得到如下公式其中P5A=P5B=
1.2K,R62=R3=
0.1,R3=R5=39K,Vrh=5V,Iall为总电流,VPE1是放大器输出,也是单片机AD输入端PE1的输入电平,代入上述条件化简得到总电流监测电路电流与输出电压的关系,由A/D得到的电压数据就可以判断总工作电流的大小
3.
6.2交流电掉电检测电路交流电掉电检测电路如图3-13所示电路图的上半部分为系统电源的整流滤波部分,在前面已经介绍过交流电检测电路是下半部分,由两个二极管和分压电阻及一个非门HC14组成,非门的输出送到接口电路,由单片机查询两个二极管D3A和D__的作用是全波整流,27V、50Hz的交流电经全波整流后变成周期为10ms的周期__,在经过分压电阻分压得到的__峰值为,是高电平,经过反相器后输出低电平图3-13掉电检测电路由以上分析可以得出,在交流电正常的情况下,非门输出端大部分时间内为低电平,如果交流电掉电,那么输出一直保持高电平单片机每隔1ms读一次该端口,如果连续8次为高电平,那么就可以判断交流电源掉电了检测到交流掉电以后,单片机及时禁止所有大功率器件工作,并利用全波整流电路中的两个4700μF大电容中的能量,把重要的参数存储到EEPROM中去为了保证电流电压电路的准确性,电路中采样电阻、分压电阻、运算放大器周围的电阻使用精度均应在1%以内
3.7红外传感器和光电管红外线控制自动门系统一般有两个传感器,分别检测门内和门外两个方向是否有人通过本系统采用的传感器为红外传感器,工作频率
24.5GHz,工作电压24V,检测精度为5cm/s,也就是说运动速度大于5cm/s的物体都会被检测到检测到运动物体后传感器输出低电平有效__在门框上,__了一对红外光的发光管和接收管,工作电压也是24V当有人或物通过时,红外光线被阻挡,立即输出低电平有效__主控芯片AT89C51通过外部接口不断查询微波传感器和光电管的__,控制门运动第四章系统程序流程红外线控制自动门控制系统软件的总体流程图如图4-1所示系统复位后,首先执行初始化工作,如设置存贮器扩展相关的寄存器,各个I/O的方向,启动A/D转换,允许24V电源输出等等然后从内部EEPROM中读取复位前系统的操作模式以及系统各项参数这些参数包括开门、关门速度(Vo/Vc),窄开门模式的宽度(Pr)、自动模式和窄开门模式的开门保持时间(To/Tr)自动门控制系统第一次运行调用的是默认值接着系统通过AD管脚测量35V和24V电源的电平值因为35V电源给电机、锁、制动这些功率级器件供电,为了保证驱动能力,要求35V电源的电平至少为26V24V电源供给传感器、运算放大器等器件,传感器电压不够,将会输出错误的开门__,运算放大器电压不够,将导致电流检测错误为了保证系统的可靠性,24V电源至少有16V以上的输出如果35V和24V电源达不到要求,系统就等待2秒钟后,再次检测,直至其满足要求,才执行后面的程序系统自动地把复位前的操作模式作为复位后的初始模式如果是锁门模式OFF,系统若发现门未锁上,则启动电机合上门,再操作锁,使门锁上系统从OFF模式转为其他模式时,首先要进行校准运行如果系统初始工作在非OFF模式下,则复位后就必须执行校准运行校准运行的过程如下系统首先关门,确定开门起始位置,再开门到最大位置,从而确定了门的开门终点如果系统工作模式是全开模式OPEN,则门以后一直停留在开门终点上;如果工作在其他模式(AUTO/RED/EXIT)下,则门到达开门终点后,保持一段时间(称为开门保持时间To或Tr)后,如果没有开门__,就返回到开门起始位置校准运行的开门关门速度为正常开门关门速度的一半(1/2Vo和1/2Vc)校准运行程序可以确定门的宽度,从而计算门操作过程中的加速、匀速、减速过程的速度和距离然后,LED显示出系统的操作模式此后的程序是一个循环操作,包括查询传感器,光电管,按键KS、EP是否有__,在结合上一状态执行相应门的操作;查询控制面板按键(UP、DOWN键)是否合下,执行按键子程序;执行必要的锁操作;若系统存在故障,则用LED显示故障原因图4-1系统主程序框图
4.1定时中断服务程序自动门控制系统具有完善的故障检测和自我保护功能,执行主程序时,定时响应中断,检查是否交流电掉电、电流总电流、锁电流、制动电流过流以及电机过热、功率管过热,并分别执行相应的操作(如图4-2)图4-2周期为1ms的定时中断部分程序框图检测到交流电掉电了,系统立即停止电机、锁和制动操作,然后禁止24V电源的输出,迅速将用户参数和操作模式存入EEPROM中,最后用剩余的能量制动,等待系统复位检测到功率管过热或电机过热时,显示故障信息,禁止电机的操作如果此时门体停在关门终点处,则以后一直被制动,不能再执行开门操作;如果此时门正在运动,则停止电机,以后门体处于自由滑动状态当系统检测到功率管和电机不再过热,则延迟5分钟,再清除故障信息,允许电机的操作如果此时有开门__,就启动电机执行开门操作;如果没有开门__且门没有停在关门终点处,则要执行关门操作检测到锁电流过流时,停止锁的操作,显示故障信息,并禁止以后锁的操作检测到制动电流过流时,停止制动的操作,显示故障信息,并禁止以后制动的操作检测到总电流过流时,停止电机的操作,显示故障信息,并禁止以后电机的操作因为这些故障处理不能延时太长,定时中断的周期我们设为1ms由于MC68HC11K1集成了输出比较功能OC[1:5],当输出比较锁存器TOC[1:5]中的值与计数器TCNT相同时,可以产生中断请求我们选择其中OC1实现定时中断功能在定时中断服务程序的开始部分,清零本次中断产生的标志,将当前TOC1的值加上表示1ms的常数N,存入TOC1中,以准备下次比较,从而形成定时中断本系统TCNT的频率等于E时钟,即2MHz,1ms需要TCNT累加2000次,故常数N=2000系统还设置了另外的一个定时中断,就是TCNT溢出中断TOI由于TCNT频率是2MHz,TOI中断周期是216×
0.5us=
32.768ms系统在RAM中开辟若干单元,作为各个延时操作的计数器根据延时的长短,选择TOI和TOC1作为计数时钟举例说,按键的去抖动延时为20ms,于是在每次TOC1中断中,给按键去抖动计数器加1,直至等于20为止对于延时几秒甚至几十秒的操作,则采用TOI中断来计数各延时计数器都有自己的使能标志位,中断程序计数前先要查询标志位,只有使能时才予以计数如果某个延时计数器需要计数,则需要在主程序中置位相应的标志位,计数结束后也要在主程序中清零标志位系统复位后,缺省设置时是不会产生中断的,我们在主程序中35V和24V电源检测程序之后,设置了与这些中断相关的寄存器,并清零了CPU内部寄存器CCR的全局中断屏蔽位I,从而允许中断的请求下面将详细介绍几个关键程序
4.2门的运动门的运动过程如下所述当系统查询到传感器、光电管或KS键送出开门__,立即停止制动,启动电机,执行开门操作开门至终点后,停止电机,门保持在终点位置持续一段时间当保持时间完成后,如果有开门__,则继续保持状态,否则重新启动电机,执行关门操作如果关门过程中,没有收到开门__,门就一直运动到关门终点,然后系统停止电机,加上制动如果关门中收到开门__,就立即停止门的运动,然后重新开门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,然后执行倒转运动如果开门时倒转,系统使门后退5cm,如果此时位置离开门起始位置距离不足5cm,就退至开门起始处然后门以Vo/2的速度再次开门,如果在同一位置再次遇到障碍物,系统就复位;如果没有障碍物,门一直运动到开门终点,就转为正常的操作,好象没有发生倒转运动似的;如果在其他位置上再次遇到障碍物,就再次倒转关门过程中的倒转与开门时倒转类似不过系统得退至开门终点位置(也就是关门的起点),并保持一段时间然后如果没有开门__的话,门以Vc/2的速度再次关门同样,如果在同一位置再次遇到障碍物,系统就复位;如果门一直运动到开门起点位置,就转为正常的操作;如果在其他位置上再次遇到障碍物,就再次倒转与开门倒转不同的是,此时如果系统检测到开门__,则立即开门,下次关门过程再检查障碍物不管门是否在运动,如果按下E.P键,就可以使门脱离电机和制动的控制,而自由滑动,同时通过LED显示出来只有上电复位或通过控制面板导致的软件复位,系统才能重新控制门的运动如果出现有关门的故障,如过热,过流,电压过低时,系统暂停对门的控制,使门自由滑动一旦故障清除了,系统重新控制门的运动,如果有开门__就开门操作,否则就关门
4.
2.1电机的操作MC68HC11K1控制电机控制__有三个PG
0、PG1和PWM__PG0是电机使能__,低电平有效PG1是电机方向__,PG1=1时,电机逆时针转动,PG1=1时,电机顺时针转动而PWM__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低速度对应的PWM__周期长,脉宽设计灵活,可以提供高力矩,高速度则力矩较小电机启动时要求电机力矩大,从而减少电机失步,延长电机寿命所以电机以较低的初速度启动,然后加速至最大正常开门关门过程中,我们把电机运动都分成四个阶段加速、高速匀速、减速、低速保持,如图5-9所示电机首先从33%Vo或Vc初速度加速,直至最高速度Vo或Vc,维持一段距离,就开始减速,最后以超低速(
2.5cm/s)运动到终点,以尽量减少门对门框或对另一扇门的撞击假设门的宽度为L,我们设定加速和减速距离均为1/4L,高速匀速距离长(1/2L-2cm),最后低速保持距离为2cm在减小开门模式(RED)下,门不会开到最大,一般每扇门打开40cm,如果有两个人分别从里面和外面同时到达,每扇门会再扩大30cm,到达70cm图4-3开门关门示意图对于电机控制来说,加速减速过程实际上是若干个匀速过程的组合在系统中,各匀速过程按指数规律分布,以加速为例,开始时加速度比较大,各匀速的速度差大,随着电机速度的升高,加速度逐渐减小,这样比较符合步进电机的输出转距随转速的升高而减少的实际状况我们把加速过程分成33%VO或Vc、60%VO或Vc、80%VO或Vc、90%VO或Vc四个等距离的匀速过程,如图4-4所示减速过程也分成同样四段,只是顺序相反而已图4-4加速的分解这样我们整个开门或关门过程分成了十个速度阶段,每个阶段都分配一定的距离,当门完成某一阶段时,我们就改变PWM__,给电机以下一阶段的速度除了第一阶段(电机刚启动)和第十阶段(等待门在终点停下),系统在每个阶段都要监视电机的速度,如果小于某一门限速度,就执行倒转运动我们设定第二阶段至第九阶段的门限速度分别是30%VO或Vc、50%VO或Vc、70%VO或Vc、80%VO或Vc、80%VO或Vc、70%VO或Vc、50%VO或Vc、30%VO或Vc为了减少程序的计算量,事先我们把涉及到的各个速度对应的的相关数据(如PWM寄存器PWDTY和PWPTY的值)烧入EPROM某段位置中,系统程序只需以查表的方式,就可以读出它们我们在RAM中开辟一个单元,用来存贮电机运动的状态,如是否在运动,正常运动或倒转运动,开门或关门或保持开门,倒转运动中的倒转、保持、重新逼近三个阶段等等在RAM中,我们还定义了保持开门时间计数器OPENCNT,门位置存贮器POSITION,反馈速度存贮器SPEED等系统主程序采用分时操作的方式,根据开门__(来自传感器、光电管、KS键)和电机的上一状态,发出本次操作指令,并更新电机状态然后CPU执行其他程序,如控制面板的操作循环一周后CPU再执行电机程序具体电机操作程序如图5-11所示(a)部分是门运动程序的主程序,(b)部分是正常运动中的一个子程序MOVING,(c)部分是倒转运动的程序REVERSE(a)b程序块MOVINGc程序RESERVE图4-5电机操作程序流程图
4.
2.2输入捕捉程序在门的运动过程中,需要光电编码器来测量电机的速度和位移,形成闭环控制光电编码器__在电机的从动轮上,每转一圈,输出256个脉冲实际上,门的运动程序中,门的位移量是以编码器输出脉冲的个数作为单位门的宽度就是门从开门起点运动到终点过程中,编码器输出的脉冲总数测量光电编码器脉冲周期,就得到门的速度信息上一节说过,在开关门的第一阶段至第九阶段中,如果电机的速度小于门限速度,就执行倒转运动判别条件反映到实际的程序中是,脉冲周期大于某个门限值在临近终点的第十阶段,如果脉冲周期大于
0.5s,我们就认为门已经停下来了光电编码器输出__送到MC68HC11K1的输入捕捉管脚IC3上我们设置IC3捕捉下跳沿或者上跳沿,也可以为了增加测量精度而设置为捕捉下跳沿和上跳沿当IC3管脚上出现了期望的脉冲沿时,就可以产生相应的中断请求,并把此时计数器TCNT的值写入锁存器TIC3中我们在中断服务程序中,根据电机运动的方向,对RAM中门位置存贮器POSITION进行加1或减1操作,从而记录门的位置信息我们将本次的TIC3的值存到RAM中,并把本次的值减去上次的值,再结合两次中断之间TCNT溢出的次数,就得到门的速度信息我们用计数器TIC3CNT来统计两次中断之间TCNT溢出的次数输出捕捉程序具体见图4-5,图中(a)是主程序中有关输入捕捉设置的程序,(b)是输入捕捉IC3的中断服务程序图4-5输入捕捉程序
4.3控制面板按键程序控制面板上有两个输入键(UP、DOWN),如图4-6,它们可以单个使用,也可以同时使用用户通过控制面板按键,可以修改工作模式和运动参数,或者使系统复位,也可以关闭自动控制系统,使门自由滑动下面分别介绍图5-13控制面板
4.
3.1修改系统操作模式按下UP键或DOWN键,LED的显示向上或向下__在顶端OFF模式下按UP键,就跳到底端OPEN如果一直按下,LED以每秒一次的速度循环到达想要的操作模式,松开一秒钟后,该操作模式才生效利用这个特点,可以快速跳过其他模式,寻找想要的模式
4.
3.2修改运动参数按UP键或DOWN键,找到要修改的参数,然后同时按下UP和DOWN键,就可以修改参数了此时,参数对应的LED开始闪烁按UP键或DOWN键一次或多次,增加或减小参数同时LED闪烁的频率变快或变慢如果60秒内没有键按下,退出修改参数过程,回到修改工作模式过程中,但不存贮新参数想要存贮参数,必须再同时按下双键
4.
3.3系统复位同时按下UP和DOWN键至少5秒,然后松开,系统软件复位
4.
3.4自由滑动同时按下UP和DOWN键至少10秒,然后松开,关闭自动控制系统,门可___滑动要想退出自由滑动,只有硬件复位,或者再同时按下双键至少5秒,实施软件复位按键操作程序类似于电机操作程序,根据输入__(UP和DOWN键__)和上一个状态,CPU发出控制命令,并且更新按键操作状态然后CPU执行其他程序,循环一周后,CPU再来执行按键操作程序按键状态包括是否有键按下,UP、DOWN键的状态,处于哪个操作过程(修改参数、修改操作模式或者是自由滑动),是否去抖动等详细的程序流程图见图4-7(a)是按键操作的主程序,(b)是修改系统操作模式的子程序块修改参数与和自由滑动的程序较为简单,就不再赘述其中,KCYCNT是按键计数器,用来对按键持续按下进行计时TIMEOUT则对在按键松开时间计时,松开1s后,实际的操作模式才被改变,这样做是为了避免在寻找要修改的参数过程中导致操作模式错误地被改变因为单键持续按下每隔一秒钟改变一个LED显示,所以我们设置计数器INTERVAL,也对按键持续按下进行计时,一秒钟后清零INTERVAL,然后重新计数a按键操作的主程序b修改系统操作模式的子程序图4-7按键操作程序流程图____
[1]涂时亮,主控芯片AT89C51原理、应用及技术手册,__复旦大学出版社
1992.519~30
[2]刚寒冰齐秋群,MOTOROLA8位增强型单片机AT89C51原理与应用,北京北京理工大学出版社,
1993.2163~197
[3]MC68HC11K4TECHNICALDATA,MOTOROLAINC.,1992
[4]XilinxDataBookXILINXINC.2002
[5]李广军孟宪元,可编程ASIC设计及应用,成都电子科技大学出版社,
2002.10,198~220
[6]侯伯亨顾新,VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计,西安西安电子科技大学出版社,
2000.5
[7]陈里璧,步进电动机及其应用,____科学技术出版社,1985
[8]王宗培孔昌平李楚武,步进电动机及其控制系统,哈尔滨哈尔滨工业大学出版社,1984
[9]齐秋群刚寒冰Motorola单片机实用技巧集萃北京北京理工大学出版社,1996,1~17
[10]徐志军CPLD/FPGA的__与运用,北京电子工业出版社
2002.71~20
[11]边计年用VHDL设计电子线路北京清华大学出版社
2001.41~150
[12]赵雅兴FPGA原理及应用天津天津大学出版社,1999
[13]邵贝贝程建平,MC68HC11单片机__技术,北京清华大学出版社,
1995.1,24~26
[14]BobKingEdgarSaenzStepperMotorControlwithanMC68HC11E9MOTROLAINC.1997
[15]I__dKobeissiNoiseReductionTechniquesforMicrocontroller-BasedSystemMOTOROLAINC.1999
[16]CathyCoxClayMerrittMicrocontrollerOscillatorCircuitDesignConsiderationsMOTOROLAINC.1997
[17]RossMitchell128-KbyteAddressingwiththeAT89C51MOTOROLAINC.2001
[18]HowardW.Jonhson__rtinGrahamHigh-SpeedDigitalDesignNewJersey:Prenti__HallPTR19931~29
[19]BrianScottCrowHowtoWritetothe64-CycleTime-ProtectedRegistersoAT89C51DevelopmentToolsMOTOROLAINC.1999
[20]XC9536In-SystemProgram__bleCPLDDATASHEETXILINXINC.1998
[21]TheVHDLGoldenReferen__GuideDoulosCorp.
1995.12。