基于單片機控制下的紅外線自動門控制系統(tǒng)設(shè)計研究

徐 鳳，張 啟

（四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院a.機械工程系，b.電子電氣工程系，四川 遂寧 629000）

1 引言

伴隨著現(xiàn)代科技水平的不斷提高和發(fā)展，人工智能和自動化已經(jīng)逐步的成為了我們生活中的一部分，越來越多的人選用自動門作為房屋的選擇，因此對于自動門的控制系統(tǒng)也逐漸面向復(fù)雜化、大型化和智能化發(fā)展，被大眾所接受，例如超市、酒店、銀行和辦公大廈等現(xiàn)代化建筑中均有自動門的存在，久而久之自動門就成為了智能化水平的判斷依據(jù)[1]。對于傳統(tǒng)的自動門的控制系統(tǒng)進行分析，其大多數(shù)利用了單片機具有功耗低、速度快、抗干擾能力強的優(yōu)點，并集成了PWM、AD 轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)硬件可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單[3-5]。但目前使用的MCS-51 單片機，其運行耗能量大、運算速度較慢，因運作成本較高，難以被大范圍所使用[2]。本文基于MC68HCIIK4 單片機的片內(nèi)資源進行有效規(guī)劃和利用，最大程度降低系統(tǒng)的復(fù)雜程度，研究了在其控制下的紅外線自動門控制系統(tǒng)的設(shè)計。

2 系統(tǒng)組成

對于一款自動門其基本功能包括開關(guān)門速度調(diào)節(jié)、開關(guān)門方向調(diào)節(jié)、多門聯(lián)控及組網(wǎng)、外部傳感器支持接口、關(guān)門緊閉力大小調(diào)節(jié)等，本文研究的紅外線自動門控制系統(tǒng)，關(guān)于系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)包含以下幾個部分：外圍電路、單片機、門上檢測電路、紅外感應(yīng)檢測電路、直流電機控制電路、顯示電路和故障排查維修電路等等[9]。當(dāng)自動門正常工作的時候，單片機對控制面板狀態(tài)及紅外傳感器信號進行循環(huán)檢測，根據(jù)紅外感應(yīng)檢測電路所產(chǎn)生的控制信號，經(jīng)由功率驅(qū)動系統(tǒng)放大之后傳輸?shù)诫姍C從而控制門產(chǎn)生相應(yīng)的直線運動。并且使用用戶可以根據(jù)該系統(tǒng)的控制界面，對于門所移動的速度、紅外線感應(yīng)的靈敏程度等均進行調(diào)控，目前進行控制系統(tǒng)的工作均使用LCD 所展示。一旦自動門在關(guān)門運動的時候，紅外傳感器感應(yīng)到相關(guān)人或物的存在，將立即方向開門；而自動控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，則可以從控制界面進入到故障處理程序中解決問題。圖1 為整個紅外線自動門控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 單片機簡介

本系統(tǒng)控制核心采用MC68HCIIK4，可以對紅外傳感器所發(fā)射的接收信號進行處理工作，而后控制電機進行門體的直線運動。對MC68HCIIK4單片機內(nèi)部進行了相應(yīng)的擴展，作為對數(shù)據(jù)參數(shù)的儲存和處理，同時在MC68HCIIK4 單片機外部，對128KB EPROM 進行了擴展，作為系統(tǒng)的存儲空間。在MC68HCIIK4 單片機的內(nèi)部中，存在著640字節(jié)儲存用戶參數(shù)數(shù)據(jù)，一旦系統(tǒng)遭受斷電困擾后，就可以及時的利用該字節(jié)進行用戶的參數(shù)數(shù)據(jù)儲存；而后系統(tǒng)恢復(fù)供電后，又可以將所儲存的數(shù)據(jù)調(diào)出繼續(xù)使用。

3.2 紅外檢測電路

對于紅外線自動門控制系統(tǒng)中的紅外檢測電路的組成構(gòu)件，包含了紅外傳感器和檢測放大電路部件[10]。紅外傳感器是整個紅外檢測電路中最重要的核心技術(shù)，即通過非觸碰到人體的形式，發(fā)射相關(guān)肉眼不可見紅外光光頻，并對其所產(chǎn)生的能量進行監(jiān)控和接受，一旦感應(yīng)到人體或物件后，自動轉(zhuǎn)化為電壓的形式輸出，并不需要觸碰額外的開關(guān)等。為探測移動人體，采用雙元件型熱釋電紅外傳感器，具有見圖2 所示。

圖2 電紅外傳感器內(nèi)部電路

電紅外傳感器的工作原理來自于對人體發(fā)射紅外線，能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，被接受檢測出。紅外線傳感器其阻抗性能極好，所輸出的電壓非常微弱，在傳感器內(nèi)部，設(shè)有偏置厚膜電阻（RG、RS）及場效應(yīng)管（FET），二者之間形成阻抗結(jié)構(gòu)，對于所接收到的電壓信號可以進行變換和放大的作用。在一般的情況下，由于電紅外傳感器其本身的接受電壓信號能力較弱，對于信號的感應(yīng)程度也較低，因而其所能感應(yīng)到的范圍是以其為圓點，半徑為2m 的圓面積。因而需要在紅外傳感器前面配置菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)，不僅可以提高紅外射頻的響應(yīng)速度，同時還能大幅度的提高傳感器的靈敏程度，擴大檢測范圍，延長至12m。紅外傳感器裝配在自動門的兩側(cè)，即當(dāng)人體或物件靠近自動門的時候，會自動接受輻射并引起紅外傳感，發(fā)射出7μm-13μm 的紅外線，而后被菲涅爾透鏡所接收，并且處理成電壓力信號模式，提高其相應(yīng)速度和放大其電路。而后傳輸?shù)組C68HC11K4 單片機中，可以通過所接收到的電壓信號，控制門上的檢測電路進行直線驅(qū)動，從而將門以一定的速度開啟。

3.3 系統(tǒng)描述

3.3.1 工作過程

根據(jù)不同電機安裝方式，開關(guān)可設(shè)置關(guān)門、開門方向。當(dāng)為二次感應(yīng)時，門開到底以后，需給關(guān)門信號門才能關(guān)門；在非二次感應(yīng)時，門開到底后經(jīng)過一定時間延時后自動關(guān)門。該功能使用后，每次門關(guān)到底后進行上鎖，有開門信號后會自動進行解鎖并開門，不能強行拉門。常開時，門打開后不再關(guān)閉；半開時，門開到一半并延時后再關(guān)閉。

自動門上電后，先對開門進行自檢，然后進行關(guān)門自檢，自檢結(jié)束后，門處于關(guān)閉狀態(tài)。圖3為上電自檢流程圖。

圖3 上電自檢流程圖

當(dāng)有遙控常開信號或開門信號后，快速開門；若電機在開門過程中阻力突然變大或堵轉(zhuǎn)，根據(jù)霍爾和電流反饋信號，控制器可判斷是否夾人：在判斷夾到人后，電機反轉(zhuǎn)，變?yōu)榭焖訇P(guān)門；若未夾到人，則將門開到底，保持一段時間，若無遙控常開，則門自動關(guān)閉，進入快速關(guān)門。在關(guān)門時，若電機阻力突然變大或堵轉(zhuǎn)，根據(jù)霍爾和電流反饋信號，控制器可按開門的自檢原理判斷是否夾到人。

3.3.2 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

自動門內(nèi)部狀態(tài)包括開門檢測結(jié)束延時、開門檢測、關(guān)門檢測結(jié)束延時、關(guān)門檢測、等待開門信號、關(guān)門到底、快速開門和剎車、快速的開門、開門至最大、開門時的緩沖、快速的關(guān)門和剎車、快速的關(guān)門、關(guān)門至最大、關(guān)門緩沖、等待開門信號，具體見圖4 所示。

圖4 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

3.4 直流電機驅(qū)動電路

將專業(yè)H 橋組件LMD18200 作為驅(qū)動器，它主要是被用于點擊驅(qū)動上所提供功率的集成芯片，內(nèi)部包含了四個DMOS，四者相互連接，最終形成一個H 橋結(jié)構(gòu)，同時其內(nèi)部所配置芯片完整可以用于保護整個電機驅(qū)動電路不受損、同時具備邏輯控制電路，驅(qū)動電機在進行正常工作時，需要的工作電壓為55V，輸出峰值電流為6A，連續(xù)輸出電流為3A。在本文中所使用的單片機可以很好對直流電機的驅(qū)動電路信號進行控制，通過對多種電壓信號進行接收處理，從而控制自動門的開啟或閉合模式、自動門運動速度等等。為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，在LMD18200 上，采用高速光耦HC‐PL4504 接單片機的PWM 輸出，它控制電機轉(zhuǎn)速；通過低速光耦TLP521-2 接到LMD18200，從而對于自動門的運動方向和剎車情況進行控制，圖5 中為整個直流電機驅(qū)動電路的工作機理。

圖5 驅(qū)動電路原理

光電編碼器的相關(guān)工作機理，為其接口電路設(shè)計圖提供了相關(guān)技術(shù)支持，圖6 為其詳細結(jié)構(gòu)組成。

圖6 光電編碼器硬件接口電路

4 軟件設(shè)計

在本文的系統(tǒng)中，軟件將直接作用在自動門的控制上，因而對于系統(tǒng)的軟件設(shè)計包含了對自動門的開啟和關(guān)閉程序、自動門運行的剎車、對于自動門故障處理等等相關(guān)功能。

4.1 主程序設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)連接電路后，第一步開啟系統(tǒng)初始化操作，通過對使用用戶的各項參數(shù)數(shù)據(jù)進行調(diào)節(jié)；檢測整個系統(tǒng)電源是否滿足運行需求，待電源穩(wěn)定之后，對系統(tǒng)中斷向量進行設(shè)置，對門的運行情況進行檢測校正。而后包含了用戶訪問控制面板的設(shè)計、紅外傳感器的設(shè)計連接、電機相應(yīng)程度、自動門的運行速度和方向等。圖7 為主程序流程圖。

圖7 主程序流程

4.2 運行狀態(tài)程序設(shè)計

當(dāng)自動門控制系統(tǒng)開門時，第一步是檢測該自動門目前狀態(tài)，通過電壓信號對上次停留位置進行檢測，并判斷其處于何種狀態(tài)，包含了門半開狀態(tài)、門全開狀態(tài)和門全關(guān)狀態(tài)。而對所檢測到門開關(guān)狀態(tài)，來對其進行驅(qū)動應(yīng)用，例如當(dāng)門處于半開狀態(tài)時，自動控制門轉(zhuǎn)化為開門狀態(tài)，此時開門速度將會大幅提高。當(dāng)門的狀態(tài)為全開狀態(tài)的時候，則將自動控制門轉(zhuǎn)化為延時開門狀態(tài)。若門為全關(guān)狀態(tài)，則人體或物件經(jīng)過紅外傳感器檢測后，門的狀態(tài)為緩慢開啟，無紅外感應(yīng)信號的兩秒后，門開始先加速后減速的運動，最后門緩慢關(guān)閉。開門后暫停一段時間，然后關(guān)門。一旦自動門處于關(guān)閉狀態(tài)時，由于系統(tǒng)紅外傳感器接收到人體發(fā)射的紅外射頻，轉(zhuǎn)化為電壓信號，將門自動打開。

5 實驗結(jié)果

5.1 電動機空載實驗

在軟硬件完成調(diào)試后，在空載情況下對無刷直流電動機進行驅(qū)動控制，包括電動機正方轉(zhuǎn)、起停、速度控制等，在電動機空載下，實驗條件為電動機減速比為1：110；輸入直流側(cè)電壓為24V；給定轉(zhuǎn)速為60 度/秒；PWM 調(diào)制方式為PWM_ON。

圖8 相電壓波形

圖8 為示波器測得電動機運行過程中，A 相繞組波形，由圖8 知，在速度為60/秒時，電動機繞組平均電壓為6.45V。

圖9 為輸入到單片機捕捉口的三路霍爾傳感器信號的其中兩路，由圖9 知其相位互差為120度。

圖9 霍爾傳感器波形

5.2 樣門實驗

在電動機空載情況下，調(diào)試成功后，系統(tǒng)上電，進行門寬自學(xué)習(xí)，根據(jù)給定速度將門運行曲線設(shè)計出，見圖10 所示。

圖10 開門過程速度曲線

6 結(jié)語

紅外線自動門控制系統(tǒng)，其控制關(guān)鍵部門的性能和質(zhì)量決定了門的質(zhì)量。本文設(shè)計了必要的內(nèi)部電路，合理利用了單片機MC68HCIIK4 的片內(nèi)資源，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本文在紅外線自動門的控制系統(tǒng)設(shè)計環(huán)節(jié)中，使用雙元件型的熱釋電紅外傳感器，可以很好地在人通過的時候，對自動門進行控制。在電動機的空載下，電動機減速比為1：110，輸入直流側(cè)電壓為24V，給定轉(zhuǎn)速為60 度/秒時，電動機繞組平均電壓為6.45V，相位互差為120 度，通過實驗得到整個系統(tǒng)靈敏度高，性能可靠。