红外感应自动门的控制系统设计 、尸■ 、 ■ 前言
红外感应自动门是最近几年才发展起来的现代化自动门， 它不但继承了一般控制门 的特点外还具有灵敏度高，开门迅速、噪声小等优点。红外感应门在现今社会各界已广 泛使用并取得了较好的评价。现代人生活水平越来越高，审美观点也比以前提高了 , 因 此现代人对建筑房屋也非常审美。自动门在蓬勃发展现代建筑业内，一直是处于主导的 角色，这对自动门企业公司是个好时机，同时也推进了自动门市场的规范和技术革新。 在我国红外感应自动门起比较迟，现在大多数是靠单片机控制的，它的功能一般，但性 价比较高，为了完成更多难度的功能最近出现了用 FPGA空制的红外感应自动门。日前，日本Tanaka公司开发出一种智能自动门，它能够准确判断进出者的体型并根据不同人 的不同体型特征决定门需要开启多大。当人们需要穿过这扇门的时候，构成门扇的水平 条便根据人的头、肩、身躯、脚、手及随身携带的箱包等参数再加上 5 至 15厘米的盈 余活动空间准确打开。当然，进出这扇门的人如果是乘坐轮椅或者是带着宠物猫的话也 不会遇到任何困难。这道智能门能够识别出经常进入者的身份并阻止其他人随便进入， 大大增加了办公场所或家庭的安全。
1 红外感应自动门控制系统分析 现如今红外感应自动门已不在是原始的开关门那么简单了， 以前很多都只有自动的 开关门功能，而现在可以做到有人进入时有语音“欢迎光临”，出门时有语音“谢谢光 临”等问候语，还可以在屏幕显示相关信息，高级的还有密码保护、金属检测等安全检 测功能 1.1 设计任务分析
任务：完成红外感应自动门功能，使用 FPGA做一个能自动感应人开关门，并有发 出声音和显示的功能。 要求： A
、 当人靠近门时感应到人，很快反应打开门。
B、 当进入时，开门、发出声音欢迎进入。
C、 当人出门时，开门、发出欢送的声音。
D有人进或出门时，门打开后 8秒后自动关门。
E、在LED上显示出不同的状态以示有人进或出
本次设计为在节省成本的基础上完成较齐全的功能，大多功能都在主芯片中完成，
只通过外围设备显示出效果，因此没有很多外围电路 通过 HW_X NHAO 来控制输入
由 LED_OUT 控制显示信号
通过SAO_MIAO 来
控制红外信号的检测
LED模块
由SPKS控 制语音信号 FPGA芯片
在主芯片中完成红外信号感应的控制，电机的控制， LED显示的控制，蜂鸣器的控 制等功能。 1.2 系统结构设计
本次设计方案采用模块累加的方法组成主要顶层电路，其包括红外感应模块、 LED 显示模块、语音模块、电机模块和主芯片组成。连接如图 1.2-1所示：
红外感应模块
语音模块 通过S1_XINHAO给 电机不同信号控制电 机转动情况 直流电机模块 图1.2-1 硬件连接图 蜂呜器 开门响 关门响
LEL＞开门显壬_1、关门呈
示2、 常态显示0
常态（门关） 有人出门时（感 C感应器1中断）
1.3 实现过程
红外感应门控制功能的过程示意图如图1.3-1示:
电机启动反转（门关） 图1.3-1 过程示意图 2 硬件部分 2.1 红外感应部分
2.1.1红外感应（探测）实现的原理
2.1.1.1 被动探测方式
它主要利用在自然界，任何高于绝对温度（-273度）时物体都将产生红外光谱， 不同温度的物体，其释放的红外能量的波长是不一样的。全称是被动式热释电红外探测 器。在被动红外探测器中有两个关键性的元件。 一个是热释电红外传感器（PIR），它能将波长为8 一 12um之间的红外信号变化转变 为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此在被动红外探测器的警戒区 内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区， 通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号， 因此, 红外探测器的红外探测的基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。 另外一个器件就是菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两种形式，即折射式和反射式。菲涅 尔透镜作用有两个：一是聚焦作用，即将热释的红外信号折射（反射）在 PIR上，第
电机启动正转（门开） 个作用是将警戒区内分为若干个明区和暗区， 使进入警戒区的移动物体能以温度变化的 形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样 PIR就能产生变化的电信号。 人体都有恒定的体温，一般在 37度，所以会发出特定波长10微米左右的红外线， 被动式红外探头就是靠探测人体发射的 10微米左右的红外线而进行工作的。人体发射 的10微米左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通 常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平 衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。 2.1.1.2 主动探测方式
主动红外发射机通常采用红外发光二极管作为光源，用晶体管或集成电路直接驱 动，采用脉冲振荡电路作为驱动电源，经过脉冲调制电路，产生一定占空比的脉冲调制 波，加在红外发光管两端发射出去，这样既降低了电源的功耗，又增强了主动红外入侵 探测器的抗干扰能力。同时为了进一步降低误报率，防止入侵者刻意、有备而来的反防 入侵手段，近来又运用了先进数字变频的技术，即发射机与接收机的红外脉冲频率经过 数字调制后是可变的，接收机只认定所选好的频率，而对于其它频率则不予处理，可以 有效防止入侵者有目的发射某种频率的红外光入侵防区，而失去防范能力。 主动红外探测器由红外发射器和红外接收器组成。红外发射器发射一束或多数经过 调制过的红外光线投向红外接收器。发射器与接收器之间没有遮挡物时，探测器不会报 警。有物体遮挡时，接收器输出信号发生变化，探测器报警。 2.1.2自动门红外感应的实现
本次设计采用主动式的红外感应，无人靠近时检测信号正常，有人进入感应范围时 红外线被中断检测器发出中断信号驱动相应模块完成功能。实现过程如图 2.1.2-1示:
红外感应对1 发射 红外感应对2 图2.1.2-1 红外感应门的实现 2.2 FPGA 部分
2.2.1 FPGA的工作原理
1985年，美国Xilinx 公司推出了现场可编程门阵列（FPGA Field Programmable [1] Gate Array ）它是当今专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种 。用户可对FPGA
内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑，因而也被用于对CPU的模拟。 用户对FPGA勺编程数据一般存放在Flash芯片中，当上电位时加载到FPGA中，对其进 行初始化。还可以通过在线对其编程，实现在线系统重构，通过这一特性可以很快构建 一个实时定制的CPU FPGA勺编程资源主要有三类：可编程逻辑功能块、可编程 I/O块和可编程互连。可
编程逻辑功能块它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片，是实现用户功能的基本单 元；可编程I/O块常围绕着阵列排列于芯片四周，用以完成芯片上逻辑与外部封装脚的 接口功能；可编程内部
互连它们将各个可编程逻辑块或 I/O块连接起来，在可编程逻辑 块的内部以互连线的结构和采用的可编程元件实现可编程连接的开关，。 2.2.2 EP2C5系列器件（芯片）
自发明世界上第一个可编程逻辑器件开始， Altera公司秉承了创新的传统，是世界 上“可编程芯片系统”（SOPC解决方案的倡导者。而且 Altera公司在世界上PLD市 场占有率很高。Altera的主流FPGA分为3大类：低端FPGA侧重成本应用，容量中等， 性能可满足一般要求，如
Cyclone系列等；中端FPGA包括Arria GX系列等；高端FPGA 侧重于高性能应用容量大，性能好，
如 Startix系列等。 为节省成本本次设计选用 Cyclone U系列EP2C5Q208C8。作为第二代 Cyclone系 列，与第一代相比，它的成本更低，容量更大，特性更丰富。它采用 1.2V、90nm低K 值绝缘工艺，裸片尺寸被尽可能的最小化。I/O端口设置见表2.2.2-1 :
表2.2.2-1 I/O 端口设置 器件 逻辑单元 RAM块 总比特数 18*18乘法器 PLL IO 口数 差分通道
EP2C5 4608 26 119808 13 2 158 58
FPGA勺管脚图2.2.2-1主要包括：用户I/O （User I/O ）、配置管脚、电源、时钟
及特殊应用管脚等。其中有些管脚可有多种用途，所以在设计 FPGA电路之前，需要认 真的阅读相应FPGA勺芯片手册（下面管脚参数都是实际芯片引脚配置）。 /^ l~° Cyclone II EP2C5Q208C8
图 222-1 EP2C5Q208C8 管脚 2.2.2.1 用户 I/O l/Onum (LVDSnum):可用作输入或输出，或者双向口，同时可作为 LVDS差分对的 负端。其中
num表示管脚序号。
2.2.2.2 配置管脚
MSEL[1..O]:用于选择配置模式。FPGA有多种配置模式，比如主动、被动、快速、 正常、串行、
并行等，可以此管脚进行选择。 DATA0 : FPGA勺串行数据输入引脚，连接至配置器件的串行数据输出管脚。
DCLK : FPGA勺串行时钟输出引脚，为配置器件提供串行时钟信号。
nCSO (I/O ): FPGA勺片选信号输出引脚，连接至配置器件的 nCS管脚。
ASDO (I/O ): FPGA勺串行数据输出引脚，连接至配置器件的 ASDI管脚。
nCEO : FPGA下载链器件使能输出引脚。在一条下载链(Chain)中，当第一个器件
配置完成后，此信号将使能下一个器件开始进行配置。下载链的最后一个器件的 nCEO 应悬空。
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