自动门控设计

余陈丽 自动门控系统设计目录测控系统设计课程设计任务书2一、序言4二、设计方案52.1、设计方案选择52.2、自动门控设计的基本原理5三、电路设计53.1 感应电路53.2 信号处理电路63.3 电压比较电路73.4 计数显示电路8四、电路调试104.1 感应电路与信号处理电路调试104.2 电压比较电路调试114.3 显示电路调试114.4 总体电路调试12五、心得体会12参考文献14附录一 自动门控系统设计原理图15附录二 元器件列表16附录三 自动门控系统设计实物图17测控系统设计课程设计任务书一、 总要求能够独立进行系统方案的设计及论证，设计合理的接口电路、控制电路、主机电路等，以及合理选择有关元器件及正确使用相关工具与仪器设备，设计接口程序、控制算法程序以及主程序等，并且能结合实际调试与实验进行有关精度分析与讨论。二、 总任务针对总要求进行原理及方案论证、系统设计、接口电路设计、焊接或插接与调试、控制与系统程序设计、精度分析以及撰写报告等工作。三、 设计题目自动门控系统设计（1人）四、设计内容1、有人来到门前，门打开（可用热释电）2、离开时，门自动关上3、记录人数（最好是进出人数）五、设计进度或计划1、 准备及查阅资料 一天2、 方案设计及论证（总体方案、硬件及软件方案） 二天3、 （十二周三要查看各人设计方案或论文提纲）4、 硬件电路设计、画图（PROTEL）及实验室调试 四天5、 （十三周五要查看各人实物或论文初稿）6、 软件设计、编程及调试 三天7、 系统联调及结果分析 二天8、 整理报告及准备答辩 二天9、 （十四周五全天答辩）六、设计说明书包括的主要内容1、 目录2、 设计任务书3、 设计题目4、 序言可包括系统工作原理的介绍等。5、 方案设计及论证可先进行总体方案设计与论证；再分模块进行方案设计与论证；各模块设计中应包括适当的精度分析及选型等。6、 实验或系统调试可包括实验调试工具仪器、实验结果及适当的分析等。7、 心得体会8、 主要参考文献另：撰写格式应符合一定的要求，请参照华东交通大学本科生毕业论文撰写规范进行。可参看撰写要求。七、考核方法考核根据学生平时学习态度（含出勤率）20%、设计完成情况（样机）50%、图纸及说明书质量（含答辩）30%等确定。八、装定要求装入统一的资料袋中，报告装定好，顺序：封面，目录，设计任务书，正文，参考文献，附录等。一、序言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，超市等现代建筑所必备的，是建筑智能化水平的重要指标。自动门的控制系统作为自动门系统的控制核心，决定了自动门的性能。早期的自动控制系统是依靠-接触器来实现的，其特点是：结构简单、价格低廉、抗干扰能力强，可以实现集中控制和远距离控制，但是其采用固定的接线，通用性和灵活性较差；又采用触点的开关动作，工作频率低，触点易损坏，可靠性差。而1969年，出现了可编程逻辑控制器PLC，其特点是：具备逻辑控制、定时、计数等功能，编程语言采用直观的梯形图语言，软件更改方便，通用性和灵活性好。目前，可编程控制器PLC主要朝着小型化、廉价化、标准化、高速化、智能化、大容量化、网络化的发展方向，与计算机技术相结合。自动门的感应设计也各有所不同，可用热释电红外传感器，红外发射接受管等。但是用热释电，处理信号比较难，因为信号比较微弱，需要放大。故在本设计中，选择红外发射接受管，作为自动门的感应设计。本设计主要基于以红外发射接收管的感应部分，经三极管信号放大，基于LM358的电压比较电路，以及基于74LS90计数器、74LS247的译码器、数码管组成的显示电路。本设计的特点是，结构简单，灵敏性好。二、设计方案2.1、设计方案选择自动门控正如字面上的意思，达到一个自动控制的效果。简单的来讲就是当有人进来时，门自动开，无人时，门自动关闭。但是现在高水平的生活中，人们的需求也随着增加，需要更智能化的功能，比如计数。自动门控设计对于生活中有很大的作用，所以需要朝更加智能，稳定等等的方向发展。对于本次设计的要求，主要的功能自动开门，关门，以及记录人数。2.2、自动门控设计的基本原理图1 自动门控系统设计原理框图在本设计中，自动门控系统设计的基本原理是，当有人经过时，经红外外发射接受管会产生电压变化，然经9014三极管将信号放大，在对其进行基于LM358的电压比较电路，输出的信号相当于一个脉冲，给与计数电路，译码显示。其原理框图见图一所示。三、电路设计3.1 感应电路红外发射管也称红外线发射二极管，属于二极管类。它是可以将电能直接转换成近红外光（不可见光）并能辐射出去的发光器件，主要应用于各种光电开关及遥控发射电路中。红外线发射管的结构、原理与普通发光二极管相近，只是使用的半导体材料不同。红外发光二极管通常使用砷化镓（GaAs）、砷铝化镓（GaAlAs）等材料，采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。红外接收管一般是接收、放大、解调一体头，一般红外信号经接收头解调后，数据 “0”和“1”的区别通常体现在高低电平的时间长短或信号周期上，单片机解码时，通常将接收头输出脚连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间从而获取数据。重点是找到数据“0”与“1”间的波形差别。3条腿的红外接收头一般是接收、放大、解调一体头，接收头输出的是解调后的数据信号（具体的信号格式，搜“红外 信号 格式”，一大把），单片机里面需要相应的读取程序。红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。这部分电路主要是用来感应是否有人经过的，所用的如图2所示的红外发射管与红外接收管。图中所示，长脚为正，短脚为负。根据红外发射接收管的特性，可以设计出电路如图3所示，当有人经过时，通过红外发射接收会产生一个不同的电压，作为自动门控系图2 红外发射管与红外接收管统的信号。图4 三极管图3 感应电路3.2 信号处理电路半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b表示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。三极管如图4所示。图5 信号处理电路这部分的电路比较简单，就是简单的把前面红外发射接收管所产生的电压变化信号用三极管放大。电路如图5所示。R5为保护电阻，A点的电压会发生变化，当有人通过时，A点的电压理论上接近5V，无人通过时，A点的电压理论上为0V，由此可以用来控制自动门控。其中的LED假设为自动门的门。图6 LM358引脚图3.3 电压比较电路LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。LM358的特点：内部频率补偿低输入偏流低输入失调电压和失调电流共模输入电压范围宽，包括接地差模输入电压范围宽，等于电源电压范围直流电压增高（约100dB）单位增益频带宽（约1MHz）电源电压范围宽：单电源（330V）；双电源（1.5 一15V）低功耗电流，适合于电池供电输出电压摆幅大（0 至Vcc-1.5V）其引脚图如图6所示。该部分电路图是通过LM358来实现的，电路图如图7所示。通过比较Ui与Ur的电压大小，决定输出端为高电平还是电平。其传输特性如图8所示。即当UiUr时，输出端为低电平。图8 电压比较器传输特性图7 电压比较图图9 电压比较电路这部分的电路图如图9所示，其中电阻为2k，作为参考电压的的LM358的引脚3，LM358的引脚2为比较电压的输入，及信号处理电路中A点的电压。这样通过电压比较的特性，LM358的引脚1输出，当无人通过是，输出的为低电平，当有人经过时，输出的为高电平，这样就相当于一个单次脉冲。就可以实现计数的条件。3.4 计数显示电路74LS90是二，五，十进制异步计数器。异步计数器如果设定初态，在每个脉冲的作用下是按顺序变化的（态序）。二进制计数器的每一状态相当一最小项，当最后一个脉冲到来后，电路返回原状态。直接置0（R0（1）R0（2）=1），直接置9（R9（1）R9（2）=1）。二进制计数（CP1输入Q0输出）图10 74LS90引脚图五进制计数（CP2输入Q3Q2Q1输出） 表1 74LS90工作原理表74LS90的工作原理表如表1所示，74LS90的引脚图如图10所示。Q0Q1Q2Q3LLLLHLLLLHLLHHLLLLHLHLHLLHHLHHHLLLLHHLLH4 线七段译码器/驱动器（BCD 输入，OC，15V）。74LS247引脚图如图11所示，电特性典型值如表2所示。简要说明：247 为集电极开路输出的 BCD七段译码器/驱动器，74LS247 24mA 15V 35mW图11 74LS247引脚图输出端（ag）为低电平有效，可直接驱动指示灯或共阳极 LED。当要求输入 015 时，消隐输入（/BI）应为高电平或开路，对于输出 0 时还要求脉冲消隐输入(/RBI)为高电平或开路。当 BI 为低电电平，不管其它输入端状态如何，ag 均为截止态。当/RBI 和地址端（AD）均为低电平，并且灯测试（/LT）为高电平时，ag 均为截止状态，脉冲消隐输出（/RBO）为低电平。当 BI 为高电平开路时，/L T 的低电平可使 ag 为低电平。引出段符号：A，B，C，D 译码地址输入端/BI，/RBO 消隐输入（低电平有效）脉冲消隐输出（低电平有效）/LT 灯测试输入端（低电平有效）/RBI 脉冲消隐输入端（低电平有效）表2 74LS247电特性典型值表ag 段输出（低电平有效）型号IV0PD54247/7424740mA15V320mW54LS24712mA15V35mW74LS24724mA15V35mW图12 数码管引脚图数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极（COM）的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。共阴数码管是指将所有发光二极管的阴极接到一起形成公共阴极（COM）的数码管。共阴数码管在应用时应将公共极COM接到地线GND上，当某一字段发光二极管的阳极为高电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阳极为低电平时，相应字段就不亮。引脚图如图11所示。计数显示部分就是有74LS90构成的2位十进制计数器，与74LS247的七段译码驱动，数码管显示电路。电路图如图13所示。图13 计数显示电路四、电路调试4.1 感应电路与信号处理电路调试这部分的电路的调试是很成功的，但是有白天夜晚的因素在，因为这部分的电路主要是根据红外发射管与红外接收管的特性而设计的，而白天会受红外线影响。这里为了是现象更明显，本人的设计用了3对并联的红外发射接收管。首先是在夜晚的情况下调试的，给电路连上电源，LED亮，把遮光物挡住红外发射管与红外接收管之间，发现LED不亮。说明A点的电压是有变化的，用电压表测量，会发现，没有遮光物挡住的时候，A点的电压为4.67V，当有遮光物挡住的时候，A点的电压却只有0.67V。为了实验的可行性，时候因为外在因素而影响到实验的现象时，进行了白天环境下的调试。给电路连上电源，LED亮，但是没有在夜间的亮度高，把遮光物挡住红外发射管与接收管之间时，发现LED不亮，但是有的时候也会发现LED有点点亮光，但是相比LED之前的亮度，可以将之视为LED是不亮的，测得A的电压变化是，当吾遮光物挡住时，A点的电压为3.72V，有遮光物挡住时，A点的电压为1.56V。综合以上两种情况的调试可是说明不管是在白天或者夜晚，实验都是可行的，能实现自动开门，关门的作用。4.2 电压比较电路调试电压比较电路的调试，主要在于参考电压的设定，根据前面A点的电压，可将参考电压设为2.5V。这样参考电压就在比较电压的范围之内。如图9所示，LM358的3脚用万用表测得的电压大约为2.47V，作为参考电压Ur。LM358的2脚电压在没有遮光物挡住时电压大约为3.72V，这时LM358的1脚输出的电压为0V。当有遮光物时，LM358的1脚输出的电压为3.72V。把LM358的1脚，即电压输出端连上示波器，用遮光物挡住，活发现示波器上马上跳上高电平，移开遮挡物，会发现示波器马上又跳变为低电平。由LM358的1脚输出电压，根据图8所示的一样，符合电压比较器的传输特性。也就是说，当无人通过时，输出的电压可视为低电平，当有人经过时，输出的电压可视为高电平。这一过程相当于一个脉冲。4.3 显示电路调试这部分的电路调试可以说是一波n折。首先是元器件的选择。开始选择的是CD40110，CD40110是集成芯片，集计数，译码，驱动，锁存四合一的芯片。更甚至采用了单片机编程，最后采用的74LS90与74LS247。本以为这部分电路是最简单的，因为每次课设，都有很多同学有计数这部分，包括自己在内，曾经也做过计数的设计。但是却成为我最为头痛的部分。首先是CD40110的显示电路，按照资料上的典型电路，接上电路之后却没用任何反映。要不就是数码管上显示的是乱跳的数字，要不就是连数字都不是。当时真的是很无奈，不管我怎么给他脉冲就是没用，最后接上了一个开机复位，复位是回了，显示却还是遥不可及。折腾了2天的CD40110，后来还请教了小唐同学，依然是无果，这个计数我算是放弃了，用CD40110我宣布放弃。再来就是单片机编程的了，采用MS-51单片机，当时是很多同学需要单片机编程的，也有很多同学是差不多的，说实话，我编程是完全不懂的，跟同学讲了下，我需要的功能，麻烦她帮我写了程序，然后用Proteus仿真，实现了我需要的功能，本以为这次没事了吧，但是不如所愿，按照电路连上，还是没反应，让我不禁感叹，理想与现实的差距也忒大了吧。后来老师听说我打算用单片机，说我不应该放弃，坚持用CD40110，于是MS-51我也放弃你了，我不懂你。接下来还是折腾了CD40110，可想而知，依然无果。最后就是74LS90，74LS247了，唉，这部分也是我查了一个晚上的资料，后来在万同学的帮助下，终于设计了一个电路图，然后用protues仿真也是可以实现的。第二天，在实验室上看见小唐同学还在帮我调那个该死的CD40110，我感动啊！然后我当然是继续我的第三方案了，连了电路，仔细的检查了一次，接上电源，却是发现，怎么74LS90那么烫呢，还以为是电压太高了，以为被我烧坏了，罪过。后来又麻烦小唐同学，后来帮我看，结果发现是74LS90的2个引脚弄反了，接地的接上了高电平，接高电平的接了地。这个改正过来之后，给它连续的脉冲却还是不计数，后来发现碰下就会计数，这样折腾几天，计数电路终于是出来了。4.4 总体电路调试前面的电路一部分一部分的都调试出来了，然后就是模块连接好，然后还是有少许的问题，可能是面包板的问题，或者是导线松动的问题，显示有些不稳定。但是总的来说，结果总算出来了，用遮光物挡在红外发射管与红外接收管之间，会看见LED灯灭，计数+1，一直到99，然后有跳变成00，如此循环。测得各点的电压也正常。五、心得体会这次课设本来以为是一个很简单的东西，因为上次传感器课程设计中有人做过。结果却不如我理想的那样。但是过程却足以让我学会了很多东西。首先是选题上，开始看见了家庭烟雾报警，心想这个简单啊，我选这个好了，因为上学期自己就做了这个差不多的。但是小蔡同学已经先选了，没办法，继续挑，看了任务书以及题目，发现很多设计都是那么的熟悉，于是选择了一个有人做过了的，当然做出来是更好的了，于是选择了这个自动门控系统设计。课设题目已经确定下来，开始的时候貌似大家都不着急，也没见有什么人去实验室，后来说要交方案了，然后去图书馆借了一些相关的书籍回来，以为是一个很简单的，打听下，发现是李一玲同学做过这个，然后看了她之前做的资料，又根据资料上所说的，设计出一个电路图。当然，元器件的选择也是一个部分，因为同一种功能，不一定用一种芯片才能实现，在自动门控系统设计上有提示，可以用热释电红外传感器，于是思维好像固定了一样，只是朝着热释电这方面进行。终于初步的方案是出来了。至于显示部分的电路，李一玲同学之前采用的是74LS160与74LS47的计数译码电路，但是想到曾经被显示的电路折腾够了，实在是不想用多一个芯片，于是初步确定选择的是CD40110这个集成芯片。再次，方案正式确定，在跟老师说了这个方案之后，老师也是觉得可行性行的，再加上实验室中我需要的芯片都是有的，于是信心满满的连了电路，自以为的计数显示电路是最简单的吧，我先从这部分开始吧，对照电路图，连好电路，结果是预知的，不能显示，然后对着电路图，检查了一遍电路，发现没什么地方接错线，后来弄了半天也没什么结果，心情都没了，只有放弃。后来仔细的了解了下CD40110各引脚的功能，发现自己有个地方的引脚功能弄错了，后来纠正了电路，数码管却是一点也没亮，更纠结的，唉，结果越来越烂。心情更糟了，然后在实验室查了一下午的CD40110，啥也没查出来，真是郁闷，后来怕是自己的计数器的进位弄错了，找了另外一块面包板，接了一个一位的计数器，按照电路接了，可是还是没反映，唉，真是太考验我的耐心了。后来不管怎么折腾就是没用，那个复位清零到时挺灵敏的，按下复位键，马上就变成0。计数显示电路真是太让人郁闷了，没办法下，先把他搁在了一边，进行第一部分的电路感应部分，按照电路图连好线，啥反映也没有，其中那个继电器也差点把我搞糊了。弄来弄去啥也没。唉！唉！唉！后开经周雅斌的指导，终于弄懂是怎么回事了，然后街上电路，记得自己用了一个LED，然后调试了几次，灯是亮了，本以为会好的，结果我转个身，它只是昙花一现啊，再也看不到了，不幸的是，周雅斌说，其实这个热释电很不好用，参数很难确定，我心顿时就拔凉拔凉的，说实话那个热释电的处理芯片BISS0001，只是懂点皮毛，没资料上的那些电路，是真的不晓得该怎么接，后来摆弄到了晚上，有点累了，在实验室活动活动，然后顺口就跟蔡春林同学谈起了这个，然后他说这个陈龙双基电子大赛做过这个类似的，我现在也在做过这个，不过我做的是铁轨上报警的，他采用的红外发射管与红外接收管，后来听了他给我的一番讲解，觉得这个可行，我干嘛非得在一颗树上吊死呢，我不用热释电了。后来连了红外发射管与红外接收管的感应电路，与信号处理电路，当时是晚上，红外线干扰也弱，为了加强这个功能，我用了3对并联的红外发射接收管。连好电路，调试的时候，我笑了，没想到这部分这么容易成功，测得各点的电压，电压的变化如预期一样。计数显示是我心头的痛啊，既然我的感应电路与信号处理电路都好了，我该折腾你了，CD40110我要把你征服，但是结果还是它把我征服了。我怎么弄还是没用，后来请教小唐同学帮忙，他帮我调试，也是无果，他对着我的笔记资料，各引脚的功能，也觉得我这样接是没有问题的，但是怎么都是调不出来，然后他叫我去看下CD40110计数的典型电路，我继续努力的看啊，真的，CD40110我都快背出来了，你的典型电路，我都看的多了，实在是想不出来我哪里有问题呢，唉怎么折腾也没出来，后来到了午饭的时间，小唐说去吃饭了，下午再帮你看，但是我不信我不能征服你么，既然继续着，还是没结果。下午的时候大家都在编程什么的，我又有歪想法了，我被你征服了，我去征服别人吧，不行我就用单片机呗，虽然我完全不晓得怎么编程，请教董凡，然后她帮我弄了一个程序，后来在Protues中能实现，以为这下可以了吧，都仿真出来了，当时信心是爆满啊，连上电路，结果确实让我欲哭无泪，没结果，我失败了。闷闷的回了寝室，打算换方法了，晚上在寝室找了很久的资料，打算用74LS160与74LS47，但是后来发现实验室没有74LS160只有74LS161，于是我参照一些电路，设计出的电路图，后来在protues中仿真，结果实在是太诡异了，数码管的显示，不亮的部分才是我需要的部分，最严重的是，它这个计数也不会进位，唉，怎么会这样呢。后来万同学说你就用74LS90咯，后来找了下资料，画了protues仿真图，发现真的可以，这次是纯电路，总没什么好大的问题吧。第二天到实验室，看见小唐同学还在帮我弄那个CD40110，真是感动啊！但是我实在是放弃了，怎么都弄不来，后来跟他说了下，我弄了个新方案，仿真也出来了。后来我连上了我的74LS90与74LS247，接上电源的时候却发现，74LS90很烫，开始以为是电源电压调高了，调低了却还是这样，不晓得为什么。然后又麻烦了小唐同学，调试了一下，也是只要接上电源，然后就会短路。后来发现自己发现了很低级的错误，原来是74LS90接电源的引脚弄反了，唉，这样的话，当然是会短路的。调整过来以后，确实数码管一根都不亮，为什么，为什么，为什么，现实与理想差距太大了吧，后来检查发现没什么线连错了，然后小唐同学提醒，说74LS247的引脚是什么样的呢，我立马百度一下，原来74LS247只能驱动供阳极数码管，我用的是供阴极数码管，会亮了才会奇怪，然后换上了供阳极的数码管，结果还是波折的，数码管是有反映了，但是当我们给他连续脉冲的时候，确实不计数的，这是为什么为什么呢，后来给他单次的脉冲，终于是会计数了。唉这部分总算是好了。总体电路调试，把各个模块连好，然后接上电源，LED的变化是有，计数确实有点不灵敏，经过一番调试，这个自动门控电路总算是全部出来了，那时，心里笑了。这次设计过程实在是很纠结的很，但是有一个满意的结果，自己的付出还是有收货的，我付出的努力，有了回报。当然这期间，要感谢同学们的帮助，老师的督促。让自己这次课设能够顺利的完工。我相信，只要有努力，就会有回报。参考文献1 秦曾煌.电工学电子技术M.北京:高等教育出版社,2004.72 兰吉昌.数字集成电路应用260例M.北京.化学工业出版社,2009.63 刘修文.新编电子控制电路300例M.北京.机械工业出版社,2005.10附录一 自动门控系统设计原理图附录二 元器件列表序号名称数量1红外发射管32红外接收管33发光二极管14三极管15LM3581674LS902774LS24728数码管29电阻1K1910电阻2K211电阻1M1附录三 自动门控系统设计实物图15