基于单片机控制下的红外线自动门控制系统设计研究

徐 凤，张 启

（四川职业技术学院a.机械工程系，b.电子电气工程系，四川 遂宁 629000）

1 引言

伴随着现代科技水平的不断提高和发展，人工智能和自动化已经逐步的成为了我们生活中的一部分，越来越多的人选用自动门作为房屋的选择，因此对于自动门的控制系统也逐渐面向复杂化、大型化和智能化发展，被大众所接受，例如超市、酒店、银行和办公大厦等现代化建筑中均有自动门的存在，久而久之自动门就成为了智能化水平的判断依据[1]。对于传统的自动门的控制系统进行分析，其大多数利用了单片机具有功耗低、速度快、抗干扰能力强的优点，并集成了PWM、AD 转换，使系统硬件可靠性高、结构简单[3-5]。但目前使用的MCS-51 单片机，其运行耗能量大、运算速度较慢，因运作成本较高，难以被大范围所使用[2]。本文基于MC68HCIIK4 单片机的片内资源进行有效规划和利用，最大程度降低系统的复杂程度，研究了在其控制下的红外线自动门控制系统的设计。

2 系统组成

对于一款自动门其基本功能包括开关门速度调节、开关门方向调节、多门联控及组网、外部传感器支持接口、关门紧闭力大小调节等，本文研究的红外线自动门控制系统，关于系统的组成结构包含以下几个部分：外围电路、单片机、门上检测电路、红外感应检测电路、直流电机控制电路、显示电路和故障排查维修电路等等[9]。当自动门正常工作的时候，单片机对控制面板状态及红外传感器信号进行循环检测，根据红外感应检测电路所产生的控制信号，经由功率驱动系统放大之后传输到电机从而控制门产生相应的直线运动。并且使用用户可以根据该系统的控制界面，对于门所移动的速度、红外线感应的灵敏程度等均进行调控，目前进行控制系统的工作均使用LCD 所展示。一旦自动门在关门运动的时候，红外传感器感应到相关人或物的存在，将立即方向开门；而自动控制系统出现故障后，则可以从控制界面进入到故障处理程序中解决问题。图1 为整个红外线自动门控制系统的原理结构图。

图1 系统原理结构

3 控制系统硬件设计

3.1 单片机简介

本系统控制核心采用MC68HCIIK4，可以对红外传感器所发射的接收信号进行处理工作，而后控制电机进行门体的直线运动。对MC68HCIIK4单片机内部进行了相应的扩展，作为对数据参数的储存和处理，同时在MC68HCIIK4 单片机外部，对128KB EPROM 进行了扩展，作为系统的存储空间。在MC68HCIIK4 单片机的内部中，存在着640字节储存用户参数数据，一旦系统遭受断电困扰后，就可以及时的利用该字节进行用户的参数数据储存；而后系统恢复供电后，又可以将所储存的数据调出继续使用。

3.2 红外检测电路

对于红外线自动门控制系统中的红外检测电路的组成构件，包含了红外传感器和检测放大电路部件[10]。红外传感器是整个红外检测电路中最重要的核心技术，即通过非触碰到人体的形式，发射相关肉眼不可见红外光光频，并对其所产生的能量进行监控和接受，一旦感应到人体或物件后，自动转化为电压的形式输出，并不需要触碰额外的开关等。为探测移动人体，采用双元件型热释电红外传感器，具有见图2 所示。

图2 电红外传感器内部电路

电红外传感器的工作原理来自于对人体发射红外线，能量转变为电压信号，被接受检测出。红外线传感器其阻抗性能极好，所输出的电压非常微弱，在传感器内部，设有偏置厚膜电阻（RG、RS）及场效应管（FET），二者之间形成阻抗结构，对于所接收到的电压信号可以进行变换和放大的作用。在一般的情况下，由于电红外传感器其本身的接受电压信号能力较弱，对于信号的感应程度也较低，因而其所能感应到的范围是以其为圆点，半径为2m 的圆面积。因而需要在红外传感器前面配置菲涅尔透镜结构，不仅可以提高红外射频的响应速度，同时还能大幅度的提高传感器的灵敏程度，扩大检测范围，延长至12m。红外传感器装配在自动门的两侧，即当人体或物件靠近自动门的时候，会自动接受辐射并引起红外传感，发射出7μm-13μm 的红外线，而后被菲涅尔透镜所接收，并且处理成电压力信号模式，提高其相应速度和放大其电路。而后传输到MC68HC11K4 单片机中，可以通过所接收到的电压信号，控制门上的检测电路进行直线驱动，从而将门以一定的速度开启。

3.3 系统描述

3.3.1 工作过程

根据不同电机安装方式，开关可设置关门、开门方向。当为二次感应时，门开到底以后，需给关门信号门才能关门；在非二次感应时，门开到底后经过一定时间延时后自动关门。该功能使用后，每次门关到底后进行上锁，有开门信号后会自动进行解锁并开门，不能强行拉门。常开时，门打开后不再关闭；半开时，门开到一半并延时后再关闭。

自动门上电后，先对开门进行自检，然后进行关门自检，自检结束后，门处于关闭状态。图3为上电自检流程图。

图3 上电自检流程图

当有遥控常开信号或开门信号后，快速开门；若电机在开门过程中阻力突然变大或堵转，根据霍尔和电流反馈信号，控制器可判断是否夹人：在判断夹到人后，电机反转，变为快速关门；若未夹到人，则将门开到底，保持一段时间，若无遥控常开，则门自动关闭，进入快速关门。在关门时，若电机阻力突然变大或堵转，根据霍尔和电流反馈信号，控制器可按开门的自检原理判断是否夹到人。

3.3.2 状态转换图

自动门内部状态包括开门检测结束延时、开门检测、关门检测结束延时、关门检测、等待开门信号、关门到底、快速开门和刹车、快速的开门、开门至最大、开门时的缓冲、快速的关门和刹车、快速的关门、关门至最大、关门缓冲、等待开门信号，具体见图4 所示。

图4 状态转换图

3.4 直流电机驱动电路

将专业H 桥组件LMD18200 作为驱动器，它主要是被用于点击驱动上所提供功率的集成芯片，内部包含了四个DMOS，四者相互连接，最终形成一个H 桥结构，同时其内部所配置芯片完整可以用于保护整个电机驱动电路不受损、同时具备逻辑控制电路，驱动电机在进行正常工作时，需要的工作电压为55V，输出峰值电流为6A，连续输出电流为3A。在本文中所使用的单片机可以很好对直流电机的驱动电路信号进行控制，通过对多种电压信号进行接收处理，从而控制自动门的开启或闭合模式、自动门运动速度等等。为确保系统稳定可靠，在LMD18200 上，采用高速光耦HC‐PL4504 接单片机的PWM 输出，它控制电机转速；通过低速光耦TLP521-2 接到LMD18200，从而对于自动门的运动方向和刹车情况进行控制，图5 中为整个直流电机驱动电路的工作机理。

图5 驱动电路原理

光电编码器的相关工作机理，为其接口电路设计图提供了相关技术支持，图6 为其详细结构组成。

图6 光电编码器硬件接口电路

4 软件设计

在本文的系统中，软件将直接作用在自动门的控制上，因而对于系统的软件设计包含了对自动门的开启和关闭程序、自动门运行的刹车、对于自动门故障处理等等相关功能。

4.1 主程序设计

当系统连接电路后，第一步开启系统初始化操作，通过对使用用户的各项参数数据进行调节；检测整个系统电源是否满足运行需求，待电源稳定之后，对系统中断向量进行设置，对门的运行情况进行检测校正。而后包含了用户访问控制面板的设计、红外传感器的设计连接、电机相应程度、自动门的运行速度和方向等。图7 为主程序流程图。

图7 主程序流程

4.2 运行状态程序设计

当自动门控制系统开门时，第一步是检测该自动门目前状态，通过电压信号对上次停留位置进行检测，并判断其处于何种状态，包含了门半开状态、门全开状态和门全关状态。而对所检测到门开关状态，来对其进行驱动应用，例如当门处于半开状态时，自动控制门转化为开门状态，此时开门速度将会大幅提高。当门的状态为全开状态的时候，则将自动控制门转化为延时开门状态。若门为全关状态，则人体或物件经过红外传感器检测后，门的状态为缓慢开启，无红外感应信号的两秒后，门开始先加速后减速的运动，最后门缓慢关闭。开门后暂停一段时间，然后关门。一旦自动门处于关闭状态时，由于系统红外传感器接收到人体发射的红外射频，转化为电压信号，将门自动打开。

5 实验结果

5.1 电动机空载实验

在软硬件完成调试后，在空载情况下对无刷直流电动机进行驱动控制，包括电动机正方转、起停、速度控制等，在电动机空载下，实验条件为电动机减速比为1：110；输入直流侧电压为24V；给定转速为60 度/秒；PWM 调制方式为PWM_ON。

图8 相电压波形

图8 为示波器测得电动机运行过程中，A 相绕组波形，由图8 知，在速度为60/秒时，电动机绕组平均电压为6.45V。

图9 为输入到单片机捕捉口的三路霍尔传感器信号的其中两路，由图9 知其相位互差为120度。

图9 霍尔传感器波形

5.2 样门实验

在电动机空载情况下，调试成功后，系统上电，进行门宽自学习，根据给定速度将门运行曲线设计出，见图10 所示。

图10 开门过程速度曲线

6 结语

红外线自动门控制系统，其控制关键部门的性能和质量决定了门的质量。本文设计了必要的内部电路，合理利用了单片机MC68HCIIK4 的片内资源，将系统结构简化，提高了系统的稳定性和可靠性。本文在红外线自动门的控制系统设计环节中，使用双元件型的热释电红外传感器，可以很好地在人通过的时候，对自动门进行控制。在电动机的空载下，电动机减速比为1：110，输入直流侧电压为24V，给定转速为60 度/秒时，电动机绕组平均电压为6.45V，相位互差为120 度，通过实验得到整个系统灵敏度高，性能可靠。