摘 要：介紹了醫(yī)用自動(dòng)門的設(shè)計(jì)方案和特點(diǎn)，對(duì)單片機(jī)最小模塊紅、外檢測(cè)模塊步、進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊門行程檢測(cè)模塊和故障檢測(cè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，同時(shí)說(shuō)明了實(shí)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(dòng)化系統(tǒng)開始進(jìn)入人類生活的方方面面。

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

　　1 系統(tǒng)模塊介紹

　　按照設(shè)計(jì)的基本要求，系統(tǒng)共分為8大模塊，即單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊#紅外檢測(cè)模塊#步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、門行程檢測(cè)模塊和故障檢測(cè)模塊，如圖1所示。

　　1.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

　　單片微型計(jì)算機(jī)是嵌入式微控制器，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，常用縮寫MCU表示。單片機(jī)最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域，后來(lái)隨著現(xiàn)代化技術(shù)的提高，逐漸擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域。目前國(guó)內(nèi)外使用較多的是以51內(nèi)核擴(kuò)展出的單片機(jī)，即單片機(jī)。

　　AT89C51單片機(jī)是51系列單片機(jī)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(fèi)少、穩(wěn)定性好，符合本設(shè)計(jì)的要求 ，故在此采用AT89C51單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的微控制器。

　　由AT89C51單片機(jī)及其外圍電路組成的單片機(jī)最小系統(tǒng)是醫(yī)用自動(dòng)門主控系統(tǒng)的核心部分。單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)紅外熱釋電傳感器信號(hào)的接收及處理、對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制、對(duì)門行程的檢測(cè)以及故障的檢測(cè)等，它是信號(hào)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(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。晶振電路的功能是為系統(tǒng)工作提供時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路原理圖如圖2所示。

　　1.2 紅外檢測(cè)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(cè)人體的紅外傳感器$紅外感應(yīng)器的反應(yīng)速度雖然比微波感應(yīng)器慢，但它相對(duì)比較安全$因此，本設(shè)計(jì)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(cè)距離僅為2m左右，必須配有優(yōu)良的光學(xué)透鏡，本設(shè)計(jì)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(kuò)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(hào)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(dòng)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(jìn)行匹配。紅外檢測(cè)電路是由熱釋電紅外傳感器和BISS0001組成的。

　　其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)人等移動(dòng)物體的檢測(cè)，然后將獲得的信號(hào)告知主控芯片（即AT89C51單片機(jī)）是否有物體要經(jīng)過(guò)自動(dòng)門。

　　紅外檢測(cè)模塊電路原理圖如圖3所示。

　　1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

　　步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，可以將電脈沖轉(zhuǎn)換成角位移或線位移$當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的度。

　　步進(jìn)電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入的脈沖數(shù)決定，而轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)的頻率決定?；诓竭M(jìn)電機(jī)的這些特點(diǎn)，可以達(dá)到準(zhǔn)確定位和調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)成本低、接線簡(jiǎn)單#維修容易，而且由于步進(jìn)電機(jī)能被脈沖控制，采用單片機(jī)進(jìn)行控制會(huì)有很好的效果。所以，本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)作為醫(yī)用自動(dòng)門的驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)的控制。其中，驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性、抗干擾能力以及帶負(fù)載能力將直接影響到本設(shè)計(jì)的功能。

　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖如圖4所示。

　　1.4 門行程檢測(cè)模塊

　　對(duì)于門行程檢測(cè)電路我們采用紅外對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法完全可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，而且比較節(jié)約成本。紅外對(duì)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(shí)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(jì)中作為門行程檢測(cè)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娦裕ぷ鲿r(shí)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(dāng)有光照射時(shí)，會(huì)形成光電流，光敏三極管處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)無(wú)光照射時(shí)，會(huì)形成暗電流，此時(shí)光敏三極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

　　門行程檢測(cè)電路圖如圖5所示。

　　1.5 故障檢測(cè)模塊

　　在本設(shè)計(jì)中，故障檢測(cè)電路由3部分組成：電機(jī)溫度檢測(cè)電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、報(bào)警顯示電路。下面分別介紹這3部分電路。

　　1.5.1電機(jī)溫度檢測(cè)電路

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

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

　　當(dāng)傳感器檢測(cè)到的溫度高于100℃的時(shí)候就說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)工作異常。

　　此時(shí)，AT89C51會(huì)停止系統(tǒng)的工作并通過(guò)顯示電路和報(bào)警電路提示自動(dòng)門的工作異常狀態(tài)。

　　電機(jī)溫度檢測(cè)電路原理圖如圖6所示。

　　1.5.2電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

　　對(duì)于電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)我們采用霍爾元件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)速功能，通過(guò)在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝磁鋼（一般會(huì)在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)體上均勻安裝4—8個(gè)磁鋼，本設(shè)計(jì)使用4個(gè)磁鋼，旋轉(zhuǎn)時(shí)每當(dāng)磁鋼經(jīng)過(guò)霍爾元件，霍爾元件就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，2個(gè)脈沖的間隔時(shí)間就是周期，由周期可以換算出轉(zhuǎn)速。

　　本設(shè)計(jì)使用了4個(gè)磁鋼，也就是說(shuō)當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，可以從霍爾元件得到4個(gè)脈沖信號(hào)，這樣算出的速度需要除以4才是電機(jī)真正的旋轉(zhuǎn)速度。采用4個(gè)磁鋼而不直接使用1個(gè)磁鋼的目的是為了減少檢測(cè)帶來(lái)的誤差。

　　電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)也是為了保障系統(tǒng)工作異常時(shí)的人身安全，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到電機(jī)轉(zhuǎn)速異常時(shí)，AT89C51也會(huì)停止系統(tǒng)的工作并通過(guò)顯示電路和報(bào)警電路提示自動(dòng)門的工作異常狀態(tài)。

　　電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路原理圖如圖7所示。

　　1.5.3報(bào)警顯示電路

　　為了減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，報(bào)警顯示采用LED和蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)正常工作時(shí)綠色LED點(diǎn)亮；當(dāng)系統(tǒng)工作異常時(shí)，紅色LED點(diǎn)亮，綠色LED熄滅，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。紅色LED-1點(diǎn)亮代表電機(jī)過(guò)熱、紅色LED-2點(diǎn)亮代表電機(jī)轉(zhuǎn)速異常、紅色LED-3點(diǎn)亮代表以上兩者均工作異常報(bào)警。

　　報(bào)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(dòng)門的電路控制原理

　　醫(yī)用自動(dòng)門的電路控制原理圖如圖9所示。

　　2.2 實(shí)際應(yīng)用

　　（1）來(lái)人時(shí)自動(dòng)開門。當(dāng)有人靠近門時(shí)，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(cè)到有人，從而將檢測(cè)信號(hào)傳遞給單片機(jī)最小系統(tǒng)，由單片機(jī)啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈開門。

　?。?）無(wú)人時(shí)關(guān)門延遲$當(dāng)人走過(guò)醫(yī)用自動(dòng)門后，熱釋電紅外傳感器不會(huì)再探測(cè)到溫度差，這時(shí)，延遲1s，再啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈關(guān)門。

　?。?）關(guān)門時(shí)來(lái)人，立即開門。當(dāng)醫(yī)用自動(dòng)門關(guān)門時(shí)，再次來(lái)人，熱釋電紅外傳感器會(huì)探測(cè)到有人，馬上將信號(hào)傳遞給單片機(jī)最小系統(tǒng)，立即停止自動(dòng)門關(guān)門，并且啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)鏈開門。

　?。?）當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)入故障處理程序。

　　3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

　?。?）本設(shè)計(jì)利用AT89C51芯片和BISS0001芯片，再輔之以部分外圍電路實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)門的控制，性能穩(wěn)定，安全系數(shù)高，靈活性好。

　?。?）本文所設(shè)計(jì)的醫(yī)用自動(dòng)門高效、低噪音、連續(xù)使用不過(guò)熱，可以很好地適用于醫(yī)院、制藥廠等特殊的場(chǎng)所。

　?。?）安裝了紅外對(duì)射（安全光線），使得自動(dòng)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(duì)射，門就會(huì)立刻返回重新自動(dòng)敞開。

　?。?） 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)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(shí)開啟，進(jìn)出更為迅速，而且可以有效地防止夾人事件的發(fā)生。

　　（5）使用步進(jìn)電機(jī)，使得速度可在相當(dāng)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(gè)特點(diǎn)方便了對(duì)醫(yī)用自動(dòng)門運(yùn)行速度的控制。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　當(dāng)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(shí)代的發(fā)展，高效#便利#成本低的智能儀器越來(lái)越受歡迎，而智能儀器的核心部件就是單片機(jī)。本文設(shè)計(jì)的醫(yī)用自動(dòng)門就是以單片機(jī)為核心，以傳感器為檢測(cè)入口，符合時(shí)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。