摘 要：介紹了醫(yī)用自動門的設(shè)計方案和特點，對單片機最小模塊紅、外檢測模塊步、進電機驅(qū)動模塊門行程檢測模塊和故障檢測模塊進行了詳細的闡述，同時說明了實際應(yīng)用中的各種情況。

　　0 引言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和人們生活水平的日益提高，各種自動化系統(tǒng)開始進入人類生活的方方面面。

　　自動門方便、高效，在醫(yī)院和制藥廠房使用自動門不但可以方便緊急病人和藥品的運送，而且自動門相對于傳統(tǒng)手動門具有噪音低、穩(wěn)定性好的特點、但是，在實際生活中，自動門在醫(yī)院和制藥行業(yè)并不普及，在當前這個數(shù)字化#信息化的時代里，生產(chǎn)適用于醫(yī)院和制藥行業(yè)的醫(yī)用自動門勢在必行。因此，本文設(shè)計出一種基于單片機的平開式醫(yī)用自動門。

　　1 系統(tǒng)模塊介紹

　　按照設(shè)計的基本要求，系統(tǒng)共分為8大模塊，即單片機最小系統(tǒng)模塊#紅外檢測模塊#步進電機驅(qū)動模塊、門行程檢測模塊和故障檢測模塊，如圖1所示。

　　1.1 單片機最小系統(tǒng)模塊

　　單片微型計算機是嵌入式微控制器，簡稱單片機，常用縮寫MCU表示。單片機最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域，后來隨著現(xiàn)代化技術(shù)的提高，逐漸擴展到各個領(lǐng)域。目前國內(nèi)外使用較多的是以51內(nèi)核擴展出的單片機，即單片機。

　　AT89C51單片機是51系列單片機中一款高性能、低功耗、低成本的微控制器，片上資源豐富，而且浪費少、穩(wěn)定性好，符合本設(shè)計的要求 ，故在此采用AT89C51單片機作為本設(shè)計的微控制器。

　　由AT89C51單片機及其外圍電路組成的單片機最小系統(tǒng)是醫(yī)用自動門主控系統(tǒng)的核心部分。單片機最小系統(tǒng)由AT89C51和少量外圍電路組成（電源供電電路、復(fù)位電路、晶體振蕩電路）。此電路的主要功能可實現(xiàn)對紅外熱釋電傳感器信號的接收及處理、對步進電機的控制、對門行程的檢測以及故障的檢測等，它是信號處理、傳送的核心電路。

　　本電路主要由復(fù)位電路和晶振電路組成。復(fù)位電路的功能是為系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。晶振電路的功能是為系統(tǒng)工作提供時鐘信號。單片機最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

　　1.2 紅外檢測模塊

　　熱釋電紅外傳感器是指利用熱電元件的熱釋電效應(yīng)探測人體的紅外傳感器$紅外感應(yīng)器的反應(yīng)速度雖然比微波感應(yīng)器慢，但它相對比較安全$因此，本設(shè)計采用熱釋電紅外傳感器。熱釋電紅外傳感器自身的接收靈敏度較低，檢測距離僅為2m左右，必須配有優(yōu)良的光學(xué)透鏡，本設(shè)計采用的是菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡可以將周圍的紅外能量聚集到傳感器的窗口，以提高傳感器的接收靈敏度，擴大監(jiān)視范圍，可以和熱釋電紅外傳感器配套使用。

　　BISS0001是一款具有較高性能的傳感信號處理成電路，它配以熱釋電紅外傳感器和少量外接元器件構(gòu)成被動式的熱釋電紅外開關(guān)$其不僅能和熱釋電紅外傳感器的輸出良好地匹配，也能和其他多種傳感器進行匹配。紅外檢測電路是由熱釋電紅外傳感器和BISS0001組成的。

　　其主要功能是實現(xiàn)對人等移動物體的檢測，然后將獲得的信號告知主控芯片（即AT89C51單片機）是否有物體要經(jīng)過自動門。

　　紅外檢測模塊電路原理圖如圖3所示。

　　1.3 步進電機驅(qū)動模塊

　　步進電機是數(shù)字控制電機，可以將電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移或線位移$當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號時，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的度。

　　步進電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入的脈沖數(shù)決定，而轉(zhuǎn)速由脈沖信號的頻率決定?；诓竭M電機的這些特點，可以達到準確定位和調(diào)速的目的。步進電機成本低、接線簡單#維修容易，而且由于步進電機能被脈沖控制，采用單片機進行控制會有很好的效果。所以，本設(shè)計選用步進電機作為醫(yī)用自動門的驅(qū)動設(shè)備。

　　步進電機驅(qū)動電路用來實現(xiàn)對步進電機工作狀態(tài)的控制。其中，驅(qū)動電路的穩(wěn)定性、抗干擾能力以及帶負載能力將直接影響到本設(shè)計的功能。

　　步進電機驅(qū)動模塊電路原理圖如圖4所示。

　　1.4 門行程檢測模塊

　　對于門行程檢測電路我們采用紅外對管來實現(xiàn)，這種方法完全可以滿足本設(shè)計的要求，而且比較節(jié)約成本。紅外對管是紅外線發(fā)射管與光敏接收管，或紅外

　　線發(fā)射管與紅外接收管，或紅外線發(fā)射管與紅外線接收頭配合在一起使用時的總稱。

　　紅外線發(fā)射管是指通電后可以發(fā)射紅外線的一種LED，在本設(shè)計中作為門行程檢測電路的紅外線發(fā)射器使用。

　　光敏接收管屬于光敏三極管，與普通半導(dǎo)體三極管相似，同樣具有單向?qū)щ娦?，工作時需加上反向電壓。但與普通半導(dǎo)體三極管不同的地方是，為適應(yīng)光電

　　轉(zhuǎn)換的要求，它的基區(qū)面積較大，發(fā)射區(qū)面積較小，入射光主要被基區(qū)吸收，具有光敏特征。當有光照射時，會形成光電流，光敏三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當無光照射時，會形成暗電流，此時光敏三極管處于截止狀態(tài)。

　　門行程檢測電路圖如圖5所示。

　　1.5 故障檢測模塊

　　在本設(shè)計中，故障檢測電路由3部分組成：電機溫度檢測電路、電機轉(zhuǎn)速檢測電路、報警顯示電路。下面分別介紹這3部分電路。

　　1.5.1電機溫度檢測電路

　　DS18B20是一款數(shù)字式的溫度傳感器，測溫范圍-55～+125℃，支持單總線連接方式，它在使用過程中不需要任何外圍元件，非常利于設(shè)計。

　　由于步進電機在正常工作情況下電機外表溫度在80～90℃左右。因此，在本設(shè)計中檢測溫度的傳感器采用DS18B20就完全可以滿足設(shè)計要求。

　　當傳感器檢測到的溫度高于100℃的時候就說明步進電機工作異常。

　　此時，AT89C51會停止系統(tǒng)的工作并通過顯示電路和報警電路提示自動門的工作異常狀態(tài)。

　　電機溫度檢測電路原理圖如圖6所示。

　　1.5.2電機轉(zhuǎn)速檢測電路

　　對于電機轉(zhuǎn)速檢測我們采用霍爾元件來實現(xiàn)測速功能，通過在電機轉(zhuǎn)子上安裝磁鋼（一般會在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)體上均勻安裝4—8個磁鋼，本設(shè)計使用4個磁鋼，旋轉(zhuǎn)時每當磁鋼經(jīng)過霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個信號，2個脈沖的間隔時間就是周期，由周期可以換算出轉(zhuǎn)速。

　　本設(shè)計使用了4個磁鋼，也就是說當電機旋轉(zhuǎn)一圈時，可以從霍爾元件得到4個脈沖信號，這樣算出的速度需要除以4才是電機真正的旋轉(zhuǎn)速度。采用4個磁鋼而不直接使用1個磁鋼的目的是為了減少檢測帶來的誤差。

　　電機轉(zhuǎn)速檢測也是為了保障系統(tǒng)工作異常時的人身安全，當系統(tǒng)檢測到電機轉(zhuǎn)速異常時，AT89C51也會停止系統(tǒng)的工作并通過顯示電路和報警電路提示自動門的工作異常狀態(tài)。

　　電機轉(zhuǎn)速檢測電路原理圖如圖7所示。

　　1.5.3報警顯示電路

　　為了減少設(shè)計的復(fù)雜度，報警顯示采用LED和蜂鳴器來實現(xiàn)，系統(tǒng)正常工作時綠色LED點亮；當系統(tǒng)工作異常時，紅色LED點亮，綠色LED熄滅，同時蜂鳴器發(fā)出報警聲。紅色LED-1點亮代表電機過熱、紅色LED-2點亮代表電機轉(zhuǎn)速異常、紅色LED-3點亮代表以上兩者均工作異常報警。

　　報警顯示電路原理圖如圖8所示。

　　2 工作原理介紹

　　2.1 醫(yī)用自動門的電路控制原理

　　醫(yī)用自動門的電路控制原理圖如圖9所示。

　　2.2 實際應(yīng)用

　　（1）來人時自動開門。當有人靠近門時，與周圍溫度形成溫度差，安裝在門上側(cè)的熱釋電傳感器探測到有人，從而將檢測信號傳遞給單片機最小系統(tǒng)，由單片機啟動電動機帶動傳動鏈開門。

　?。?）無人時關(guān)門延遲$當人走過醫(yī)用自動門后，熱釋電紅外傳感器不會再探測到溫度差，這時，延遲1s，再啟動電動機帶動傳動鏈關(guān)門。

　?。?）關(guān)門時來人，立即開門。當醫(yī)用自動門關(guān)門時，再次來人，熱釋電紅外傳感器會探測到有人，馬上將信號傳遞給單片機最小系統(tǒng)，立即停止自動門關(guān)門，并且啟動電動機帶動傳動鏈開門。

　?。?）當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，進入故障處理程序。

　　3 設(shè)計特點

　?。?）本設(shè)計利用AT89C51芯片和BISS0001芯片，再輔之以部分外圍電路實現(xiàn)對自動門的控制，性能穩(wěn)定，安全系數(shù)高，靈活性好。

　　（2）本文所設(shè)計的醫(yī)用自動門高效、低噪音、連續(xù)使用不過熱，可以很好地適用于醫(yī)院、制藥廠等特殊的場所。

　?。?）安裝了紅外對射（安全光線），使得自動門在關(guān)閉途中，如果碰到人#物體或其他事物阻隔了紅外對射，門就會立刻返回重新自動敞開。

　?。?） 步進電機具有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性，在急救病人的緊急情況下可以及時開啟，進出更為迅速，而且可以有效地防止夾人事件的發(fā)生。

　?。?）使用步進電機，使得速度可在相當寬的范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié)，低速下仍能保證獲得較大轉(zhuǎn)矩。這個特點方便了對醫(yī)用自動門運行速度的控制。

　　4 結(jié)語

　　當今世界是科技的世界，要想不被淘汰，就要不斷創(chuàng)新。隨著時代的發(fā)展，高效#便利#成本低的智能儀器越來越受歡迎，而智能儀器的核心部件就是單片機。本文設(shè)計的醫(yī)用自動門就是以單片機為核心，以傳感器為檢測入口，符合時代發(fā)展的潮流，可以滿足醫(yī)院和制藥行業(yè)的相關(guān)需求，應(yīng)用前景廣闊。