1、家庭式自动推拉大门设计摘 要随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，人们越来越注重智能化的居住环境，自动大门的设计是其中一项重要的内容，本设计本着经济实用的原则，采用并列式红外发射器和接收器采集信号，耦合继电器实现强电和弱电的连接，互锁继电器接线实现大门的启闭，磁性行程限位开关实现电路的复位，大门为木质结构，齿轮齿条啮合拖动大门。当人们进出门时，红外收发装置采集相应信号传递给控制部分，互锁继电器的开合控制电机的正转，延时和反转，并且具有保护功能，避免人们在通过受伤。关键词：红外，自动，安全 The design of Automa
2、tic Sliding Door For FamilyAbstract With the development of society,advances in technology and peoples living standards gradually improved.A variety of convenient automatic control system begin come up in peoples lives. there is growing emphasis on smart living environment. the design of automatic d
3、oors is one of an important content.This design is based on the principle of economical and practical and use the parallel infrared transmitter and receiver signal acquisition, coupling the relay to achieve strong and weak electrical connections. wiring relay interlocking the door to achieve the hea
4、dstock , magnetic trip circuit limit reset switch.the door consists of the wood structure. rack and pinion engagement drag the door. When people go in or out , the infrared transceiver device collect the corresponding signal and deliver it to the control part. Signaling part of the opening and closi
5、ng of the relay interlocking control the motor when to transfer, delay and reverse, and have protection to prevent the people injured when they through the door.Key words: Infrared, Automatic, Security 1 引言随着社会的不断进步，人们不断去追求舒适的，方便的，智能化的生活环境。于是相应的电子产品产生，自动门同样出现在人们的生活中。随着门的技术、性能日趋成熟、完善，它被广泛应用在政府机关、银行、医
6、院、商业、工业等不同行业，改善了人们的生产生活条件。自动门的控制方式日趋多样化，有继电器控制，单片机控制，PLC控制等等。同时，人们也比较喜欢清静的居住环境，城市郊区的乡村院落时尚典雅，环境相对较好，是人们比较理想的选择。在各种自动化的家具中，院落大门是其中的重要一项。目前，自动门主要有自动平移门、自动平开门、自动旋转门、自动圆弧门、自动气密门以及自动屏蔽门。 带有红外感应的自动平移门在现在的市场上比较常见，这种门的工作流程是当有人站在大门前时，红外感应立刻采集到相应的信号，传递给控制部分，控制部分进行相应的判断，实现大门的启动，延时，等到人们通过之后，大门自动关闭，非常适合院落式居住家庭，但
7、是，目前的各种自动门的外型豪华，各种控制器件价格昂贵，主要应用在比较高级的场合，造价高，这种原因导致自动大门没能走进普通家庭，鉴于此，本设计本着经济实用的原则，选用各种廉价的元件，经过适当的组合，形成自动门的各个组成部分，即实现了既定的控制要求，又降低了成本。本设计主要应用在家庭式的院落大门，主要有红外感应，继电器控制和大门的设计几部分组成，优点主要是非接触式控制，造价低，性价比高，缺点是功能相对简单，灵敏度不高。 2 方案的选择本设计控制系统是采用红外线控制，红外线控制是个很广泛的技术领域，它是通过一定的技术对被控物体实施一定距离的控制, 红外探测器能探测到人体运动的红外光谱，人体运动产生相
8、应的信号将触发相应控制电路，大门会自动打开，十分方便。2.1 红外感应方式的选择红外线接收解调专用集成电路CX20106的控制：它的电路外围还需要接一些电阻和电容元件，做成印刷板时需要把二极管、三极管、电阻、电容、集成块做在一块，并且外壳需要金属封装，因此体积比较大，抗干扰能力也比较弱，长期使用会使它的频率发生偏移，现在市场上这种红外接收已被淘汰。TX05D反射式红外控制：实际上是一种一体化的红外线发射，接收器件，它内部包含红外线发射，接收及信号放大与处理电路，能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，并转换成高电平信号输出。由于TX05D内部采用了低功耗器件和抗干扰电路，所以工作稳定
9、可靠，性能优良，可广泛应用于各种自动检测，本器件属模块化产品，全部电路焊装在一只 46x32x17mm（不包括安装支架）的塑料盒内。盒的侧面设有状态指示和灵敏度调节孔，一只红色发光管用来指示开关的工作状态，平时熄灭，有反射物时发光。灵敏度调节孔用来调节反射检测距离，顺时针调整距离增大，逆时针调距离减小。TX05D通过一条1.5米的双芯屏蔽线作为输出引线，其中红色线为电源正极，白色线为输出端，铜网接电源负极。白色线静态时为低电平，有反射物时输出高电平。实际应用时，如需加长引出线，可选用相同材质的双芯屏蔽线即可。但是它的检测距离与工作电压有关，电压越高检测距离越远。在TX05D的前方或侧面不应有大
10、面积的阻挡物或反射物，影响其正常工作。所以根据本设计的要求不宜采用这种控制电路1。红外线二极管控制：使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。红外发光二极管的特性：红外线是一种不可见光，人眼是觉察不到的。电子技术中是用红外发光二极管(又称红外发射二极管)来产生红外线。常用的红外发光二极管(如SE303、PH303)，其外形和发光二极管LED相似，红外发光管正向导通工作时，发出红外光(近红外线约0.93m)。二极管的管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应不同的工作电压，
11、二极管的回路中常串有电阻作为二极管限流电阻。采用红外线二极管去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光电转换元件，如红外接收二极管，光电三极管等。红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式是指发光管和接收管安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管和接收管并列在一起，平时接收管始终无光照，在发光管发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线时工作。双管红外发射电路，可提高发射功率，增加红外发射的作用距离。本设计的红外光发射电路中，NE555时基振荡器产生一定占空比的脉冲信号，驱动红外发光二极管，使其发射出一系列等幅的红外光脉冲信号。在红外接收电路
12、中，光电探测器（红外光电二极管）用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号。光电接收管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外光脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减少，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。由于检测出的信号微弱，需经电压放大器放大后，输出正极性脉冲信号，加至触发电路，使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机构动作。红外发射、接收电路均有完整的配套器件，这些器件不仅售价低而且可靠，电路简单。依据本课题的要求使用这种控制方式最为经济。2.2 门的类型的选择 目前，市场上的门主要有平开门，折叠门，推拉门，
13、伸缩推拉门，升降门，卷帘门，各种大门的示意图如图1 2所示。 . 图1 各种大门示意图实现门的开启和关闭的电机主要有两种，分别是直线电机和转动电机，门的数量主要单扇和双扇，也有四扇的，门的性质主要分为两种，刚性的和伸缩的，这些门的各种特点的关系可用图2加以简单的说明。 图2 大门的技术实现途径 本设计主要考虑成本的高低，各种电动门的成本表1所示，显然，推拉单扇门的造价最低。各种门的优缺点如下：平开门的优点：地面不用安装导轨，减少了行车的颠簸和设施的造价，适用于大门两侧有建筑物的场合；缺点：需要有开门的相应空间，门在开启的过程中，在以门宽为半径的活动范围内不能有障碍物。表1 电动大门的技术组合类
14、型 转动电动机 直线电动机传动机构 执行机构门体机构数量/门成本平开门两扇简单2较低四扇折叠简单4较高推拉门 刚性单扇简单1较低简单1最低刚性双扇简单2较高简单2较高伸缩单扇复杂1高复杂1高 伸缩双扇复杂2较高复杂2较高升降门简单1较低 卷帘门 较复杂1较低推拉门，推拉门是指大门沿门宽方向移动，优点，结构简单，它所需要的空间较小，因为沿门宽方向移动，基本不需要其余空间，门的材料可以选用木材或者其它的，造价最低；缺点，地面需要安装导轨，考虑靠家庭应用，导轨的材料不需要太昂贵，主要是结实耐用，比如水泥的材料就行。伸缩门的优点：外观豪华大方，很好的塑造企事业单位的形象，重量轻；缺点：结构复杂，造价高
15、，维修不方便。综上所述，本设计选用推拉单扇门。3 系统图本设计是由多个模块组成 ，整个设计主要有红外感应模块，机电控制模块，大门模块等3大模块组成。系统各模块之间的关系示意图如图3所示。图3 系统总体框架红外模块中采用反射式收发模式，发光管和接收管并列在一起，平时接收管始终无光照，只在发光管发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。双管红外发射电路，可提高发射功率，增加红外发射的作用距离机电控制模块中采用互锁继电器控制，避免短路事故的发生，红外感应模块中采集到的信号控制互锁继电器，实现电机的正转和反转的转换，延时继电器实现大门的延时环节，确保人们安全通过。大门模块中采用木质大
16、门，时尚经济。大门的拖动选用齿轮齿条传动 ，因为齿轮齿条传动稳定性高，所以大门在开启和关闭的过程中都比较平稳。本设计中各个具体部分的关系如图4所示。 图4 各部分具体关系4 工作原理在本设计中，感应探测器负责采集外部信号，如同人们的眼睛，当有移动的物体进入它的工作范围时，它就给主控制器一个脉冲信号；动力马达：提供开门与关门的主动力，控制自动感应门门扇开启和关闭的动作。自动感应门扇行进轨道：就象火车的铁轨，约束门扇的吊具走轮系统，使其按特定方向行进。门扇吊具走轮系统：用于吊挂活动门扇，同时在动力牵引下带动门扇运行。齿轮齿条系统：齿条焊接在门的底部，与减速器相连接的齿轮与齿条相啮合，齿轮将电动机的
17、动力传递给齿条，齿条带动门的运动，实现门的启闭。系统的整个流程见图5。图5 系统流程图电机的正反转开关采用复合按钮，起到连锁作用，另一方面用的是接触器的动断触点之间的互锁，采用动断触点进行连锁，不论什么原因，只要是一个接触器是吸合状态，它的连锁动断触点就必然将另一个接触器线圈电路切断，就能避免主触点被强烈的电弧“烧焊”在一起而造成的电源短路事故。 磁性行程限位开关是指开关上带有磁性，在门复位的过程中，大门上面相应部位的磁性部位将使行程开关复位，不影响下次的运行。电机接线如图63所示。其中KM1为正向接触器，为KM2反向接触器。 图6 电机的接线图整个过程的流程如下，当有人进门或者出门时，红外感
18、应部分采集到相应的光信号并转换成电信号，生成的电信号使耦合继电器闭合，处于吸合状态的耦合继电器将其控制的按钮SB1启动，从而线圈KM1得电并实现自锁，其常开触点闭合，电动机正转电路接通，电机开始正转，大门按照设计的速度被拉开，磁性行程限位开关SB3复位。当完全打开时，大门会撞开磁性行程限位开关SB2，首先是KM1线圈失电，电动机正转电路被切断，电动机停止正转，延时开关KT打开，系统进入延时阶段，当预定的延时时间完成后，KM2线圈得电并实现自锁，其常开触点闭合，电动机反转电路接通，电动机开始反转，大门的磁性部位使磁性行程开关SB2复位，在关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2
19、或K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。当关门动作完成后，大门撞开行程开关SB3，SB3断开，KM2线圈失电，反转电路断开，电机停止。当再次有人靠近时，整个电路再次循环。 5 模块介绍5.1 红外感应模块 电源电路如图7所示。系统采用220V供电，220V市电经过T降压、D1D4整流、C1滤波后产生12V直流电，作为继电器的驱动电压。12V电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C3为滤波电容，C4为高频旁路电容。R1为限流电阻，在设计的过程中，滤波电容要尽量选择的大，因为在电路中要求电压比较稳定。红外信号发射模块是以
20、时基NE555集成电路为核心，由R11、R9、C1等组成无稳态多谐振荡器和红外光电发射管组成，NE555集成块各引脚的功能介绍如下：1脚： 电源负端(VSS) 2脚：低触发端3脚：输出端4脚：强制复位端5脚：控制端6脚：高触发端7脚：放电端8脚：电源正极(VDD)图7 电源电路 电源的工作原理分析如下：当接通电源后，电源+VCC通过R9、R11给C1充电，随着C1充电的进行，它的电压逐渐上升。当上升到（2/3）+VCC时，第一个比较器输出低电平，RS触发翻转到Q=0,电路输出为Vo=0,因而在此期间C1通过R11放电，随C1放电的进行，它上面的电压下降，当下降到（1/3）+VCC时，第二个比较
21、器输出为低电平，使触发器翻转为Q=1，电路输出再次变为Vo=1，电容C1再次充电，如此周而复始，电路输出得到周期性矩形脉冲信号,以驱动所接的红外发光二极管发出脉动的红外光信号。电路参数计算。当电容器C1上电压由（1/3）+VCC充到（2/3）+VCC时所需时间为t1,则 （1）当电容器C1上电压由（2/3）+VCC下降到（1/3）+VCC时所需时间为t2，则 （2）从而可求出图7所示电路的震荡频率f= （3） 由于NE555时基内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的震荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。NE555时基电路产生周期性振荡频率就是由上面的计算公式（3）计算出来的，其周
22、期性的振荡频率以驱动红外线发射二极管向外发射红外线光束作为传感信号。在红外感应模块中，红外信号发射模块是由NE555时基集成电路组成的多谐振荡器和红外线发光二极管Ds1、Ds2组成的。 由NE555时基集成电路组成的多谐振荡器，其振荡脉冲由555的3脚输出。输出的脉冲信号经R12后可直接驱动红外发光二极管Ds1、Ds2向外发射控制信号。由于一个发射器要同时为进、出两个接收器发送控制信号。因此采用两只红外发射二极管串联并分开安装。图8 红外线发射电路红外信号接收模块是由红外光电二极管U5、U6组成的，当红外光电二极管接收到红外线信号时便将光信号转换为电信号并送至运算放大器U1A和U1B，经放大后
23、，再经D3、D4、R5、R6送至运算放大器U1D、U1C，以作进一步放大，以提高输入信号增益。最后输出驱动后级负载。电路如图9所示。图9 红外线接收电路红外接收器有两个：一个为进门接收器，另一个为出门接收器。两个接收器均采用红外光电二极管。这样，当电路通电后，其发、收的中心频率一致，在红外光路传输正常（无人遮挡）时，Ds1、Ds2发出的红外光脉冲信号直射在光电接收管U5、 U6的窗口上，U5、U6将该红外光脉冲信号转换成相应的电信号，经LM324放大，D3、D4整流，R5、C2和R6、C3限幅、滤波后，在其4518的输出端14脚和8脚输出低电平信号。该低电平信号对后级电路不发生作用。 当有人走
24、进大门时，其红外光路被人体遮挡住，进门接收器U5接收不到Ds1发来的红外光信号，U5输出便转呈高电平。该上跳变脉冲经U12A、U12D门电路两次反向后，加至CD4518的1脚，经CD4518的3脚输出， 引起耦合继电器工作，并且LM324的14脚输出高电平加至CD4518的9脚复位端。 在另一条“出”红外光路中，“出”红外光路的电路工作原理与上述“进”红外光路类同。当“出”红外光路传输正常（不受遮挡）时，U6输出低电平，该低电平信号对后级的电路没有影响 。当“出”红外光路中有人出门时，光路被遮挡，出门接收器U6接收不到Ds2发来的红外光信号，U6输出便转呈高电平。该上跳变脉冲经U12B、U12
25、C门电路两次反向后，加至机械装置电路的9脚 ，经CD4518的11脚输出，跟上面的动作一样， 同样引起耦合继电器的开启。红外收发器安装在门的上方，向内向外各有一对收发装置，引出的管脚接到耦合继电器。5.2 机电控制模块在本设计中，采用耦合继电器实现弱电和强电的连接，耦合继电器的内部电路结构如图104所示。图10 耦合继电器内部结构交流固态继电器为四端元件，两个输出端，两个输入端。输入输出之间采用光电隔离，没有电气联系，控制电和输出电路之间不会互相干扰。其输入端仅要求很小的控制电流，输出回路采用双向可控硅来通断负载电源。内部结构如图11所示，其工作原理为：当有效控制信号从1、2端输入时，光耦GD
26、的二极管导通，通过光电耦合的作用，GD的三极管导通，造成T1截止，T1的集电极输出高电平。此时SCR的工作还取决于T2的状态，T2在这里是载电源的零点检测，负载电压通过电桥加在R4和R5上，只要R5、R4的分压超过T2的BE级的压降，T2将饱和导通，则SCR的控制级被箝位为低电平，SCR不导通。T1和T2组成的是与门电路，与门的输出端为SCR的控制级，只有当有效控制信号加入，T1截止，同时负载电压又处于零电压附近，来不及使T2进入饱和导通，此时SCR的门级才能注入控制电流而导通，使得双向可控硅BCR的控制级得到触发脉冲，双向可控硅BCR导通，负载接通电源。当输入的控制信号撤除之后，GD的三极管
27、截止，T1饱和，SCR截止，双向可控硅保持导通直到负载电流随外部电压减小到小于双向可控硅的维持电流为止，此时，双向可控硅才截止，负载断开电源。 红外接受器的输出端口耦合继电器的P2.0端口，红外感应模块中采集到的信号将通这一步的连接实现信号的传递，控制电机的开启以及正反转和延时的切换。耦合继电器是实现弱电控制强电的桥梁。在下图的右端，负载实际上继电器，继电器的开合将控制开关SB1的启闭，实现电动机的启动。耦合继电器在电路中的位置如图11所示。图11 耦合继电器接线图自动门控制装置由门内光电探测开关K1、门外光电探测开关K2、磁性行程限位开关SB2、磁性行程限位开关SB3、开门执行机构KM1（使
28、交流电动机正转）、关门执行机构KM2（使交流电动机反转）等部件组成。 控制要求：（1）当有人由内到外或由外到内通过光电检测开关K1或K2时，开门执行机构KM1动作，电动机正转，到达磁性开门限位开关SB2位置时，电机停止运行。（2）自动门在开门位置停留10秒后，自动进入关门过程，关门执行机构KM2被起动，电动机反转，当门移动到磁性关门限位开关SB3位置时，电机停止运（3）在延时或者关门过程中，当有人员由外到内或由内到外通过光电检测开关K2或K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。 (4）在门打开后的10秒等待时间内，若有人员由外至内或由内至外通过光电检测开关K2或K1时，必须重新开始等待10
29、秒后，再自动进入关门过程，以保证人员安全通过。5.3 大门模块5.3.1 木材的选用 一方面，家具用材中普通家具的选用原则是有适当的顺纹抗压强度，抗弯强度及抗裂强度，涨缩性小，不翘裂变形。其次要有适当大的强度和韧度，纹理直。根据这种原则，晋冀鲁豫地区的适宜木材有松树，华山松，落叶松，云杉，槐树，榆木等树种。另一方面，对于珍贵的，量少的，用途广泛的树种，尽量用其它树种代替，以便合理利用，充分发挥木材的价值，经过综合考虑，我决定选用槐木，它基本上满足上面两个方面的要求，其气干密度是0.702g/cm35。5.3.2 大门的设计长宽厚为 21.80.05 单位为m体积为V=2m1.8m0.05m=0
30、.18 m3 质量为M1=0.702 g/cm30.18106 cm3=126.36kg 门的上面用优质冷轧钢带紧固，钢带材料是45钢。门的下面用钢板紧固，钢板厚度为2mm，钢板体积为V=0.2cm5.4cm180.4cm+5cm180.4cm0.2cm2cm+2cm5.4cm0.2cm5cm=566.432 cm3 钢板质量 M2=0.0785kg/ cm3566.432 cm3=44.46kg 5.3.3 轴承的选择当量静载荷 (4)本设计中应用的是纯径向轴承 选用 (5) (6) So为轴承静强度安全系数，本设计选用So=1当量静载荷Po= （M1 +M2）g=（12.36kg+44.4
31、6kg）10N/kg=1708.2 N选用深沟球轴承 查表知道,选用代号为16001的轴承,内径为12mm,外径为28mm,轴承宽B=7mm,支撑方式为双支点各单向固定。5.3.4 轴的选择实心轴过盈配合，过盈量为 (7) A 磨削轴 A=3 精研轴 A=2 d 理论过盈量 dy 实际过盈量 dy=dd/(d+A)= 12mm2mm/(12mm+3mm)=1.6mm总的轴长为 L=50mm+40mm+14mm=104mm轴与钢板的下面为焊接。5.3.5 电动机的选择 轴承摩擦： (8)M 轴承摩擦力矩 轴承摩擦因数 F 轴承载荷 d 内径 对于深沟球轴承 =0.00015-0.00022 取=0.002=0.00021780.2 N 12/2 mm=2.2 N mm电动机，Y系列三相异步电动可作为一般
