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电动平移门设计,电动,平移,设计
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摘 要随着人们生活水平的提高和社会的进步，各类自动智能化设备逐渐走进了人们的日常生活中，成为了现代都市生活中不可或缺的一部分，自动门就是其中的重要代表。自诞生以来，自动门以其方便、美观等多种优点，在各类现代化建筑中得到了广泛的使用。但与此同时，由于某些自动门产品本身的设计缺陷或质量问题，由于自动门导致的各类日常问题和安全事故也时有发生。因此，设计一款安全合理、结构稳固、工作稳定且成本低廉的自动门控制系统就具有较高的实际意义。目前，市面上的低成本自动门控制系统往往直接使用少量模拟器件进行纯硬件控制，仅能够实现基本的感应开关门效果，不但功能少、灵活度低、同时往往极容易由于传感器探头探测盲点或元器件老化而导致自动门的误响应，导致夹人等严重安全事故。随着微控制器技术的普及应用，采用微型控制器驱动的各类消费电子产品也层出不穷。采用微控制器进行软件控制，不但不会由于模拟电路系统元器件老化造成安全事故，同时还可以实现更加复杂的动作和功能，更加适合于各类现代建筑的应用。因此，本项目选用一款应用极为广泛的，基于51内核的低成本微控制器STC89C52作为系统主控，通过使用高精度热释电传感器和红外对管传感器、微动开关等检测人员以及门开关程度、通过状态等等信息，经过分析后通过L298N电机驱动模块来驱动两个电机的动作，来实现自动门效果。与传统自动门控制器相比，具有工作稳定、安全性高、成本低廉和通用性高等优点。关键词：自动门、微控制器、热释电传感器、电机驱动AbstractWith the improvement of peoples life and social progress, all kinds of automatic intelligent equipment gradually into peoples daily life, become an indispensable part of modern urban life, automatic door is one of the important representative. Since its inception, automatic door with its convenience, aesthetics and other advantages, in a variety of modern buildings have been widely used. But at the same time, due to the design defects or quality problems of some automatic door products, all kinds of daily problems and safety accidents caused by automatic doors also occur. Therefore, it is of great practical significance to design an automatic door control system which is safe, reasonable, stable in structure, stable in operation and low in cost.At present, the market of the low cost automatic door control systems often use a small amount of direct analog hardware control, only to achieve the basic induction door effect, not only limited functionality, flexibility and low, often very easy because the sensor probe to detect the blind spot or the aging of components due to the response of automatic door, causing serious safety accident clamping etc. With the popularization and application of micro controller technology, all kinds of consumer electronic products driven by micro controller are emerging. The software is controlled by micro controller, not only because of the analog circuit components of the system safety accidents caused by aging, but also can realize the action and function is more complex, more suitable for all types of modern architecture. Therefore, this project used a very broad application, low cost 51 core micro controller based on STC89C52 as the main control system, through the use of high precision pyroelectric sensor and infrared tube sensor, micro switch and door switch, testing personnel through state information, after analysis by L298N motor drive module to drive two motor movements, to achieve automatic door effect. Compared with the traditional automatic door controller, the utility model has the advantages of stable operation, high safety, low cost and high universality.Keywords: automatic door, micro controller, pyroelectric sensor, motor drive1目录摘 要1第一章 绪论11.1 选题背景及意义11.2 自动门技术国内外发展概述11.3本文的主要内容2第二章 机械设计12.1 丝杆设计12.2 轴承选用13.3电机选用2第二章 电子门相关原理介绍32.1 热释电活体检测传感器原理及应用32.1.1 热释电红外传感器工作原理32.1.2 热释电传感器的主要优缺点32.2 红外对管原理及应用52.2.1 红外发射管原理52.2.2 红外接收管原理5223 红外对管应用场合62.3 直流电动机驱动原理6第三章 自动门控制系统硬件设计。73.1 元件选型73.1.1 单片机选型73.1.2 热释电红外传感器选型73.1.3 红外对管选型83.1.4 微动开关选型93.1.5 电机驱动器选型93.2 硬件电路设计103.2.1 单片机最小系统103.2.2 电机驱动设计113.2.3 热释电传感器电路113.2.4 人流量检测电路123.2.5 夹人检测电路123.2.6 门开关状态检测电路133.2.7 按键开门电路143.2.5 电源电路14第四章 自动门控制系统软件设计154.1 自动门流程设计154.2 按键开门流程设计16第五章 自动门结构设计15第六章 总结18致谢19参考文献201第一章 绪论1.1 选题背景及意义 自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。自动门是指：可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。自动门开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。例如：各种用可识别控制的自动专用门，如：感应自动门(红外感应，微波感应，触摸感应，脚踏感应)、刷卡自动门等。21世纪的今天，门更加突出了安全理念，强调了有效性：有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。门的高级形式-自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。1.2 自动门技术国内外发展概述门和人类文明是孪生的，它伴随着人类发展而跃动。门的高级形式-自动门起源在欧美，迅速发展至今天，已经形成了种类齐全、功能完善、造工精细的自动门家族。中国早在十多年前开始引进欧洲自动门，自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。自动门指：可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启,在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。 自动门一开始在建筑物上使用，是在二十世纪年以后。二十年代后期，美国的超级市场的开放，自动门开始被使用，受此影响，世界第一自动门品牌多玛在1945年开发出油压式、空气式自动门，新建大楼的正门也开始使用了。到了1962年，电气式己开始出现，之后伴随着城市的建设，自动门技术的领域每年都在增加。当初，用供给建筑物用电源进行电动机的速度控制很难，只好进行油压、空压速度控制，转换但因能源利用效率很低，然而伴随着电气控制的技术发展，现在电气控制技术已经成熟，直接控制电动机的电气式自动门逐渐成为主流。现如今，门更加突出了安全理念，强调了有效性：有效地防范、通行、疏散，同时还突出了建筑艺术的理念，强调门与建筑以及周围环境整体的协调、和谐。门大规模专业化生产始于150年前，在不断发展和完善的过程中，涌现出大批独具规模的专业制造商。1.3本文的主要内容本文在前人研究的基础上，通过对采用不同原理和硬件方案的自动水平仪设计方案进行研究，提出了一种基于51单片机的，采用热释电传感器、微动开关与红外对管传感器结合检测方案的智能自动门的软硬件设计方案。各章节内容安排如下：第一章为绪论，本章主要介绍了自动门的特点、原理、组成结构以及国内外的发展状况。通过查阅资料，了解了各类自动门方案的原理和区别，并分析其优缺点，阐明本课题的研究意义与主要内容。第二章介绍了自动门所使用的各类传感器和硬件电路的相关原理和实现方法，包括热释电传感器原理及应用、红外对管工作原理和电机驱动技术相关原理等。第三章介绍了基于单片机的电子水平仪的硬件设计内容，包括自动门所使用的各类元器件的选型、基于51单片机的最小硬件支持系统设计、热释电传感器驱动电路、红外对管开关电路、微动开关电路、按键电路、电机驱动电路和电源电路等的元器件选型和电路设计。第四章介绍了基于单片机的智能自动门的程序设计内容。包括系统总流程、开关门驱动流程和防夹人程序流程等。第五章为总结章，总结了全文的工作，点明了本文创新点，同时指出本文研究的不足以及尚未解决的问题，对后续研究提出建议。二,设计计算2.1丝杆设计 确定毛坯制造方法 本零件功能是传递运动，工作时承受载荷较小，要求大批量生产，故选择轧制圆棒料。 2.2 确定总余量 根据工件基本尺寸的最大外径为28fmm，由机械加工工艺手册表3.1-13查得需选34的棒料，机械加工工艺手册表3.1-14对应端面加工余量为2.0mm，两面和为4.0mm。据机械加工工艺手册表3.1-2知，当圆钢直径为3050时，其允许的偏差为0.5mm。 综上得出毛坯基本尺寸：直径方向330.5mm，长度方向2921 0滑动螺旋传动初始条件 轴向载荷F为：30000N 螺母形式为：整体式 滑动速度范围为：3m/min 螺杆材料为：40Cr 螺母材料为：ZCuZn25Al6Fe3Mn3耐磨性计算 的值为：0.8 的值为：1.8 许用压强p为：22MPa 螺纹中径d2的值(计算值)为：22.019mm 螺纹中径d2(选取值)为：44mm 公称直径为：48mm 外螺纹小径d1为：40mm 内螺纹大径d为：4mm 螺距P为：8mm 导程L为：4mm 螺母高度H的值为：79.2mm 旋合圈数z的值为：9.9 螺纹的工作高度h的值为：4mm 工作压强p的值为：5.481MPa验算自锁 螺旋副摩擦系数s为：0.088 螺纹升角为：1.658计算驱动转矩 驱动转矩T为：77375.629(N*mm)计算螺杆强度 螺杆当量应力的值为：26.068MPa螺纹牙强度计算 螺纹牙底宽度为：5.2mm 螺杆抗剪强度为：4.637MPa 螺杆抗弯强度为：10.702MPa 螺母抗剪强度为：46.374MPa 螺母抗弯强度为：107.017MPa螺杆的稳定性计算 螺杆的最大工作长度l为：50mm 一端固定，一端不完全固定长度系数为：0.6 螺杆材料的弹性模量E为：207000MPa 临界载荷Fc的值为：285257730.861N螺杆的刚度计算 螺杆材料的切变模量G为：83000MPa 轴向载荷使导程产生的变形量LF为：0.00046mm 转矩使导程产生的变形量LT为：1E-5mm 导程的总变形量L为：0.00045mm计算横向振动 螺杆两支承间的最大距离lc为：30mm 一端固定，一端不完全固定的系数1为：4.730 临界转速nc为： 5839642.607(r/min)计算效率 轴承效率为：0.95 效率为：46.675 液压缸活塞有如下形式活塞杆螺纹形式（内螺纹）活塞杆螺纹形式（外螺纹 带肩）活塞杆螺纹形式（外螺纹 无肩）2.2轴承选用因为轴承的类型多范围广，以下将主要对使用范围最广的深沟球轴承的使用与选择作一些分析。希望对轴承认识较少的人能加深对轴承的了解。 一、轴承的选择 1、轴承型号的选择：轴承型号一般是由用户的技术人员根据配套产品的使用条件及承受负荷对轴承进行选择。业务人员主要了解用户的实际负荷是否与所选轴承相符合，如果轴承达不到使用要求，应尽快建议客户改选型号，但除非特殊产品在选择型号上一般不会有什么问题。 2、轴承游隙的选择：用户在购买轴承时一般只会告知在什么型号、等级，很少会对轴承的游隙提出要求，业务人员必须问清轴承的使用条件、其中轴承的转速、温度、配合公差都直接关系到轴承游隙的选择。一般在3500转/分以下转速的电机大多采用CM游隙，如高温高速电机则要求采用相对较大的游隙。轴承游隙在装配后会因为内孔的涨大及外圆的缩小而导致减少，游隙的减少量=过盈量60%（轴承室是铝的除外）。比如轴承装配前游隙是0.01mm，装配时过盈量为0.01mm，则轴承装配后的游隙为0.004mm。在理论上轴承在零游隙时噪音和寿命都达到最佳的状态，但在实际运转中考虑到温升等问题，轴承在装配后游隙为0.002mm-0.004mm较好。 3、油脂的选择：油脂的选择一般是根据轴承的转速、耐温情况、噪音要求及起动力矩等方面进行选择，要求业务人员对各种油脂的性能很了解。 4、轴承密封型式的选择：轴承的润滑可分为油润滑和脂润滑。油润滑轴承一般是选用形式轴承，脂润滑轴承一般选用防尘盖或橡胶密封件密封。防尘盖适用于高温或使用环境好的部位，密封件分接触式密封和非接触式密封两种，接触式密封防尘性能好但起动力矩大，非接式密封起动力矩小，但密封性能没有接触式好。 人本轴承目前在汽车电机轴承、家电电机轴承、摩托车轴承、保健电机轴承等行业进行了专业化的制造，使轴承的噪音和寿命达到最佳状态。 二、轴承使用时应注意事项 1、轴和轴承室公差的选择与控制：轴承压入轴承后应转动灵活无阻滞感。如有明显转动不灵活，则表明轴的尺寸太大了，公差要下调。如轴承压入轴后用手转动有明显“沙沙”感，则可能是轴的公差太大或轴的圆度不好。所以在控制好轴和轴承室公差时也要控制好圆度，目前国内很多厂家只对公差进行控制，没有对圆度进行控制。 2、轴承的装配方式：因为轴承是高精度产品，如装配不当很容易对轴承沟道造成损伤，导致轴承损坏。轴承在装配时应有专用的模具，不能随意敲打，在压入轴时只能小圈受力，压大圈时只能大圈受力。装配时要求采用气压或液压，在压装时上下模要外于水平状态，如有倾斜会导致轴承沟道因受力损坏，而使轴承产生导响。 3、装配异物的防止：轴承在装到转子上做动平衡时很容易将动平衡时产生的铁屑进入轴承内部，因此最好是装轴承前做动平衡。有一些厂家为了装配方便，装配时在轴承室内涂上一些油或油脂起润滑效果，但往往操作人员很难将量控制好，如果油或油脂在轴承室内积留较多，在轴承转动时很容易沿着轴进入轴承内部。轴承室最好是不要涂油或油脂，如非涂不可则要控制不得在轴承室内有积留。 4、漆锈的预防：漆锈的特征是多发在封密式的电机，电机在装配时声音很好，但在仓库内放了一些时间后，电机异响变的很大，拆下轴承有严重生锈现象。以前很多厂家都会认为是轴承的问题，经过我们的不断宣传，现在电机厂已经意识到主要是绝缘漆的问题。该问题主要是因为绝缘漆挥发出来的酸性物质在一定的温度、湿度下形成腐蚀性的物质，把轴承沟道腐蚀后导致轴承损坏。该问题目前只能是选用好的绝缘漆，并在烘干后通风一段时间后装配。 轴承的寿命是与制造、装配、使用都紧密相关的，必须在每个环节都做好，才能使轴承处于最佳的运转状态，从而延长轴承的使用寿命。因为轴承的类型多范围广，以下将主要对使用范围最广的深沟球轴承的使用与选择作一些分析。希望对轴承认识较少的人能加深对轴承的了解。 受轴向载荷松螺栓连接校核计算结果 轴向载荷 Fc = 10 kN 螺栓小径 d1 = 8.376 mm 螺栓机械性能等级 = 4.8 螺栓屈服强度 s = 320 MPa 安全系数 Ss = 1.4 螺栓许用应力 = 228.57 MPa 螺栓计算应力 = 181.48 MPa 校核计算结果： 满足 2.3电机选用小型三相异步电动机，通常包括H80-315MM的电机，其产量大、用途广，在电网的总负荷中，它的用电量为40%左右。六十年代初流行的为JO2系列电动机，该系列电机的功率等级、安装尺寸与国际市场上的通用标准不同，另外该电机启动转矩较低和缺乏噪声控制指标，因此现在我国现在使用的电机为Y系列电机。该电机坚固耐用、安全可靠因此使用范围越来越广。然而有些用户使用的电机年损坏率高达5%，究其原因多半是选型不当、使用不妥、保护不善的缘故。因此本次讲课的主要目的是：发现电机使用中发生的质量问题，妥善的解决。 小型异步电动机的体系 小型异步电动机可分为：基本系列、派生系列和专用系列。 基本系列使用范围广、生产量大，是一种通用电机，如Y系列（IP44）小型三相异步电动机。 派生系列按照不同的使用要求，在基本系列的基础上做了部分改动，另部件与基本系列有较高的通用性和一定程度的统一性。派生系列有电气派生（如高效电机，YX系列）、结构派生（如绕线转子电动机YR系列）、特殊环境派生（隔爆型电动机，YB系列）等几种。 专用系列与一般用途不同，具有特殊使用要求和特殊防护条件系列，如YZYZR冶金及起重用异步电动机。第二章 电子门相关原理介绍2.1 热释电活体检测传感器原理及应用热释电传感器是一种常用的活体检测传感器，也称作人体红外传感器，是一种典型的被动式红外传感器。其主要原理是在接收到热信号之后，经过放大电路将其转换为电压信号进行处理，广泛应用于人体监测、防盗报警等领域中。2.1.1 热释电红外传感器工作原理热释电红外传感器是一种典型的非接触式被动红外传感器，其可以感应到红外辐射，并将其转换为电信号输出。与其他种类的被动式红外传感器相比，热释电红外传感器受小动物，以及阳光、灯光等环境因素的影响和干扰较小，但受限于工作原理，其使用时还是应该避光、避热部署，工作环境温度也应该避免与人体温度过于接近以免影响探测精度和灵敏度。同时还有功耗低、隐蔽性好、灵敏度高等优点，因此在各类防盗报警器材中得到了广泛的应用。热释电传感器的核心结构为热电单元，其作用为将红外辐射转换为电荷量变化信号。热电单元主要采用各类高热电系数的特殊材料制成，如由硫酸三甘钛、碳酸锂和锆钛酸铅陶瓷材料制作成一定厚度的复合材料薄片，并在薄片的两面通过特殊工艺镀上一层导电金属作为电极，这样就制成了微型片状热电探测单元。大多数低成本热释电传感器仅需一个热电探测单元元件，一些高端的热释电探测探头往往需要2个或更多数量的热电探测单元，将多个热电探测单元反极性串联部署可以有效的抑制由于传感器自身温度变化而造成的测量漂移，可以有效的提高测量精度。决定热释电传感器的性能和效果的另一个重要组成部分是基于N沟道型场效应管的共漏型高精度阻抗转换电路。由于热电探测单元元件所输出的是极少量的电荷信号，传统的使用电阻转换电压的方式无法满足测量要求，精度很低，因此需要使用MOSFET元件将其转变为可供电子系统使用的电压引号，使用N沟道结型场效应管，以共漏放大的方式来完成阻抗变换。此外，由于热电探测单元的灵敏度很高，在使用时非常容易受到各类环境因素的干扰，因此必须要在传感器的探测窗口位置添加一片干涉滤光片，将除所探测波长范围（人体探测应用往往所需的波长为7-10um）的红外辐射外的其他光线和辐射滤除，使其成为一种专门用于探测人体的活体传感器，以提高传感器的稳定性和实用性。由于热电探测元件为薄片形状，方向性较强，因此单独模块的探测角度往往较小，通常为2度以内。为了扩大传感器的探测角度，提高传感器的适用范围，因此往往在热释电传感器的探测窗口外添加一个由塑料制成的菲涅尔透镜。菲涅尔透镜是一种具有特殊光学效果的低成本透镜，与传感器板载低噪声放大电路相互配合可以提供70DB以上的输出增益，这样就可以测出大角度区域中10米乃至20米范围的人员活动情况。同时，由于菲涅尔透镜的特殊光学效果，在传感器探头的前方产生不同的聚焦点，因此就产生了了一个交替变化的“盲区”和“测量区”，当人体位于盲区时，人体产生的热红外辐射不会聚焦到热电测量单元上，传感器输出低电平信号；当人体位于测量区中时，由于透镜的聚焦作用，热电测量单元接受到的红外辐射量较高，模块输出高电平信号。因此，当有人从透镜前走过时，模块就会产生高低变化的电平信号，便于处理和应用。2.1.2 热释电传感器的主要优缺点作为一种被动式红外传感器，与其他类型的光热传感器相比，主要具有如下优点：灵敏度高。热释电传感器的热电检测单元与传统的光电二极管、热敏电阻等相比，响应速度快、灵敏度高。这是由于其不同的工作原理所决定的，传统的光电二极管和热敏电阻等的工作原理为随着温度和光照强度变化而使元器件自身的电导量发生变化，进而时输出信号发生变化，因此通常具有明显的反应滞后，环境条件变化迅速的使用场合应用效果较差。而热释电红外传感器所使用的热电检测单元可以把红外辐射直接以电荷量变化的形式表现出来，通过后续的采样电路和低噪声放大电路又可以直接将电荷量变化信号转换为可以直接供电子系统应用的高低电平信号，因此滞后和延时极小，适用于各类对响应速度要求较高的使用场合。功耗低。由于热释电传感器本身属于完全被动式的传感器，其不会主动发出任何形式的辐射和信号，而是接受外部的红外热辐射。所有表面温度高于绝对零度的物体都会产生红外热辐射。同时，与热敏电阻和光电二极管等电流器件不同，热释电传感器所使用的热电检测单元采用热电原理进行工作，直接以电压变化的方式输出测量信号，其功耗基本由内部的采样电路和低噪声放大电路所决定，因此模块的功耗很低。抗干扰能力强。由于热释电传感器带有专用的红外滤光透镜，只允许与人体发出的红外辐射的波长相近的红外辐射通过，因此其抗干扰性较强，基本不受电磁环境的影响，各种模块的抗电磁波干扰性能均很优秀，一般手机电磁干扰等常见电磁干扰源不会影响模块的正常工作。同时，与传统的光电二极管等红外线传感器相比，热释电人体红外传感器对光线变化也不敏感，对各类人造光源也有较高的耐受力，经过专业机构测试，在传感器正常灵敏度工作条件下，在三米外使用H4卤素灯对模块进行照射，不会造成模块误报。因此与传统光电器件相比热释电传感器的使用范围更广。检测针对性高。由于热释电传感器的工作原理和滤镜对红外辐射波长的选择作用，热释电传感器在日常使用中可以实现相对较为精准的人体检测效果，小猫小狗等比较矮的动物不会引起传感器的误报，同时各种物体也不会触发传感器动作，因此各类需要比较精确的人体检测的使用环境下，如自动门等，均可以获得比较理想的效果。但是热释电传感器也有一些缺点和不足之处，比如：容易受各类热源干扰。由于热释电传感器会对各类红外辐射信号起反应，因此各种热源会对热释电传感器的正常工作有一定的要求。由于热红外辐射比较容易被遮挡，因此若传感器和人体之间有一定的遮挡的话，如人体穿着比较厚的衣服，就会对热释电传感器的效果产生一定的影响，有可能会导致传感器的失灵。环境温度影响较大。由于热释电传感器是对红外辐射进行检测，而红外辐射量和物体表面温度成正比，因此相当于对温度的变化产生感应。若环境温度与人体温度过于接近，则就会对传感器的检测效果产生较大的影响。无法检测静止的人体。由于热释电传感器所检测的变量为温度的变化，当红外辐射量变化时，热释电传感器可以检测到变化的程度并以电信号的形式输出。但如果人体在传感器的检测范围内保持不动，则会导致传感器无法检测到温度变化，而造成输出数据的失效。这也是目前市面上仅使用热释电传感器方案的自动门，在人体长时间在门内停留时很容易发生夹人事故的根本原因。2.2 红外对管原理及应用红外对管是指红外发射管和红外接收管或光敏接收管组合使用时的常用名称。根据功能和用途的不同，红外对管通常有两种结构，一种是红外发射管和接收管安装在一起，两者之间使用隔断结构阻隔。这种结构的红外对管往往应用在接近开关和红外测距等场合。另一种红外对管的发射部分和接收部分采用分体结构，两者之间没有物理连接，在使用时，通常将发射部分和接收部分安装在门或其他结构的两侧，两部分相对安装，使发射管发出的红外线信号能够直接发送给接收管。这种结构的红外对管往往应用于遮挡检测的使用环境中。2.2.1 红外发射管原理红外发射管是一种特殊的发光二极管，其工作原理和普通的发光二极管相同，但压降往往较大，通常为1.4V。工作电流一般小于20mA。红外发光管主要采用红外辐射滤较高的材料，如砷化镓等制作PN结。在红外发射管外施加正向偏置电压，PN结导通后由电流激发发出一定波长的红外光。红外发射管最大的优点为输出波长稳定，通常完全没有无红暴现象或仅有围绕的红暴，因此使用寿命较长。与普通的LED相比，红外发射管往往具有比较强的方向性，若增加了透镜结构，则其指向性会更强。因此，各种采用红外发射管的电视遥控器等均具有较高的指向特性。红外发射管主要有三个发射波段，分别为850nm、875nm和940nm。波长不同的红外发射管的用途往往也不同。其中，850nm波长的红外发射管主要用于各类红外监控设备和红外测距设备，875nm波长主要用于各类微波治疗仪和其他种类的医用设备，而940nm波段则用于各种红外遥控器中。2.2.2 红外接收管原理红外接收管往往有二极接收管和三级接收管之分。二极接收管的导通特性受红外辐射的影响而变化，三级接收管除红外感应的效果还还具有电流放大的效果，在一些远距离红外传感的项目中有较多的应用。红外接收管的核心部分为一个特制的PN接，与普通二极管相比，在结构和材料上均有较大的变化。首先，红外接收管的材料选用对红外敏感的半导体材料进行加工制作。同时，为了尽可能的更大面积的接收红外光的入射面积，PN结的面积尽量做得比较大，而两端的金属电极的体积则尽量缩小，同时PN结的结深往往埋得比较浅，一般小于1微米，以免影响感光效果。与普通二极管不同，红外接收管是在反向偏置电压下进行工作的。没有红外光照射时，红外接收管的反向电流很小，通常小于0.1uA，通常称为暗电流。在由一定强度的红外光照射时，带有能量的红外辐射进入PN结结构时，可以将能量传递给共价键上的束缚电子，导致一部分电子脱离共价键，从而产生载流子，即电子-空穴对。它们在外部的反向偏置电压的作用下进行漂移运动，使反向电流明显变大。随着红外辐射强度的增强，产生的载流子数量也随之增加，使得反向电流也逐渐增大。这种现象被称为“光电导”，所产生的反向电流被称为“光电流”。在红外接收管的外电路接上负载，就把电流信号转变为了可供电子系统处理的电压信号，同时这个电压信号随着光照强度的变化而变化。光电三极管的原理与光电二极管类似，在光电材料制成的PN结构成的三极管结构中，将基极作为光电感应部分。在实现光电转换功能的同时，还提供信号放大的效果。与普通三极管相同，光电三极管也分为NPN型和PNP型，可根据项目的实际需要进行选择。223 红外对管应用场合红外对管作为一种常见的光电转换元件，在各类场合中均有较多的应用，其中并联式红外探头常用于工业设计生产行业中的非接触式无损探伤中，以及短距离精确测距等用途。分体式红外对射管则往往用于码盘测速、液体和气体测流速，以及人员和物体的通过检测和遮挡检测等。2.3 直流电动机驱动原理直流电动机是能够直接将直流电能转换为机械能的电气装置，主要由定子和转子两部分组成。定子的功能是提供磁场，主要组成部分为永磁体或电磁铁。此外为了电机正常工作还需要电机外壳、盖端、电刷、换向极、轴承等机构。转子是电机的电气部分，根据电磁感应原理进行工作，在转子的线圈通电时会产生磁性，与定子的磁铁作用产生安培力。当转子的线圈与磁场平行时，继续选择的话磁场方向将会改变导致反向选择，因此此时需要电刷和换向器工作使线圈的电流反向，使安培力的方向不变，保存电机继续旋转，因此电机能够保持一个方向转动。直流电机往往使用集成桥式电路，以H桥居多。全桥是电路设计中的重要部分。H桥的典型电路如下图所示：图2-1 H桥式电机驱动电路如上图所示。该电路得名为H桥式驱动电路的原因也很明显，其结构形状酷似一个大写的英文字母H。H桥式驱动电路包括四个三极管。在四个三极管的中间接有一个直流电机，要使直流电机运转，只需使位于对角方向的两个三极管导通，另外两个截止即可，如下图所示：图2-2 H桥电机驱动电机顺时针转动通过控制各个三极管的状态，就可以实现电机的驱动作用。第三章 自动门控制系统硬件设计。3.1 元件选型3.1.1 单片机选型单片机作为系统的控制核心，其稳定性直接决定着整个系统的稳定性。对于工作环境极其恶劣且复杂的引信电路来讲，其对单片机的稳定性和可靠性均有着极高的要求。因此，选择合适的单片机就是十分重要的工作。科学技术的高速发展也为单片机带来了很大的市场，各种型号的单片机种类繁多，让开发者们应接不暇。比较著名的国际厂商就有Atmel、TI、ST、MicroChip等等耳熟能详的品牌，国内的宏晶STC单片机也是可圈可点。为了满足项目的需求，就要针对这些单片机的特点进行横向比较。51单片机能够成为经典是有原因的。首先，它具有一整套完善的按位操作系统，配合双重功能的地址区间和乘法、除法指令，也为开发者带来了极大的便利。但其缺点也是极其明显的，作为单片机中的“老爷机”，其外设资源极其有限，常用的AD、EEPROM等功能均需要外接外设进行扩展，增加了软硬件负担。同时，IO口驱动能力很差，这也是51系列单片机最大的软肋，这一点直接限制了其在工业控制和军工等领域的应用。同时由于其老旧的硬件架构导致其运行速度过慢，代码效率极低。同时，51单片机的硬件保护能力非常差，稳定性和可靠性都不高，很容易烧毁芯片。但是低廉的成本和丰富的开发资料，使得51单片机仍然是国内占市场比例最高的低级单片机。MSP430系列单片机是德州仪器自1996年推出的一系列主打低功耗市场的16位混合信号处理器，其最大的亮点是低功耗同时能够提供很快的运行速度。得益于RISC指令集的强大处理能力，保证了其可以设计出高效率的源代码。同时，其丰富的唤醒和中断机制和完善的时钟和电源管理系统使其具有同类产品所无法比拟的超低功耗，甚至可达0.1uA。不过其缺点也不能忽视，首先就是开发资料较少，不适合初学者入门，同时其过于精密的功耗控制体系也成为了一大开发难度。此外，由于它是一款16位单片机，因此其代码占用空间相对较高。因此，MSP430往往在对功耗有极为苛刻的要求的使用场景下得到很广泛的应用，例如可穿戴设备等。应用于军工产品仍然不是十分合适。PIC系列单片机是美国微芯半导体主打的微控制器产品。由于内置CMOS互补推挽输出的IO口具有很强的外设驱动能力，是很多工业控制类项目的首选。同时，极强的抗干扰性也是PIC系列单片机的一大优点，得益于其简洁高效的硬件结构，PIC单片机的可靠性和稳定性均非常出色。但同样由于其硬件结构过于简化，导致其没有乘法指令等很多常用指令，这为开发工作带来了一定的难度。综合需求考虑，本项目选用宏晶半导体推出的STC89C52单片机作为项目主控。3.1.2 热释电红外传感器选型热释电红外传感器是自动门系统的重要传感器，该传感器的性能直接决定系统的工作效果和使用体验。为了减少硬件部署难度，提高系统的稳定性，避免引入不必要的额外误差，因此本项目不直接使用热释电红外传感器探头。而是选用集成度较高的热释电红外传感器模块。在模块上集成了稳压电源、信号调理等各种功能电路，同时带有菲涅尔透镜的安装位置，提高系统的精确度。图3-1 热释电红外传感模块HC-SR501综合项目实际需要，本项目选用了一款较为常用的集成热释电红外传感器模块HC-SR501。该热释电红外传感器采用德国热释电传感器探头LHI778作为热释电传感器，灵敏度高，可靠性强。同时，在模块上集成了高精度线性电源电路和信号调理电路，集成度高，并能够有效减少项目开发周期和硬件复杂程度，在各类人体检测系统中应用广泛。HC-SR501采用5V直流电源供电，静态工作电流仅50uA，功耗极低，同时其触发时间、触发模式和测量敏感度都可以手动设置，使用方便。模块上预留了菲尔透镜的安装位置，使用极为方便。3.1.3 红外对管选型由于热释电红外传感器无法检测静止不动的人体，单独使用热释电红外传感器很容易发生夹人等事故。因此，在项目中要添加红外对管传感器来检测人体通过状态。本项目共需要两种红外对管传感器，分别用于人体通过检测和夹人检测。其中，人体通过检测共需要两组红外对管，分别部署于自动门的入口和出口，因此该传感器需要较高的传感距离，以满足自动门的应用要求。而夹人检测仅需要比较短的检测距离，因此使用短距离红外对管传感器即可满足要求。同时，根据项目实际需要，均采用下图所示的分体式红外对管传感器。图3-2 分体式红外对管传感器综合项目需要，人体通过检测所选的红外对管传感器选用MK133，该传感器检测距离为2米，发射功耗500mw，采用5V供电，接收三极管采用NPN常开结构，便于应用。而夹人检测功能对红外对管的检测距离要求较小，检测距离过大反而会对功能正常使用造成影响。因此，夹人检测部分选用RAD20CM对射式光电开关。该对管的发射管的发射功耗为50mw，支持3V-5V宽电压供电，接收管同样采用NPN常开结构。输出电流可达100mA，可以直接驱动继电器，工作稳定，效果良好。3.1.4 微动开关选型为了提高系统工作的稳定性，因此需要对门的开关状态进行检测，以免由于电机行程达到极限导致电机和滑动杆等机构损坏。综合项目需要，本项目选用LXW5-11N1微动开关作为系统的行程检测开关。LXW5-11N1微动开关的外观结构如下图所示：图3-3 LXW5-11N1微动开关3.1.5 电机驱动器选型电机驱动模块是影响项目稳定性的一个重要因素。本项目使用两个直流电机作为系统的动力部分。H桥是直流电机各类驱动中最常用也是相对比较好用的方案。因此，本项目选用基于L298N双H桥集成电机驱动芯片的电机驱动模块作为本项目的电机驱动器。该电机驱动模块外观图如下图所示：图3-4 L298N电机驱动模块L298N是一款常用的双H桥电机驱动芯片，可以直接驱动两个直流电机，每个H桥可提供2A的电流，并且可以提供2.5V-48V的宽电压驱动能力，而且其逻辑驱动部分仅需5V电平即可控制，方便可靠。3.2 硬件电路设计3.2.1 单片机最小系统单片机最小系统由电源、复位电路、时钟电路和下载接口四个部分组成。本项目所选用的STC89C52的供电电压为5V，因此直接将来自电源的5V电压接入到单片机的电源引脚即可（原理图中电源引脚和地引脚省略）。复位电路是保持单片机正常工作的一个重要部分。本项目所使用的STC89C52单片机为高电平复位，低电平正常工作，因此在单片机正常工作时，复位引脚需要接一个10k欧姆的下拉电阻接地，以保证单片机正常工作，避免干扰影响。同时，为保证系统在开机时能够正常工作，因此增加了一个接到电源的电容提供上电复位功能。其原理是，在电源刚刚导通时，电容充电，为复位引脚提供一个可以保持一小段时间的高电平，使系统复位。然后，电容缓慢放电，复位引脚恢复到低电平，系统开始正常工作。同时，为提供手动复位功能，在复位引脚上添加了一个微动按键，按下按键时，将高电平接入到复位引脚时系统复位，松开按键后复位引脚由下拉电阻拉低回低电平，系统恢复正常工作。时钟电路也是单片机最小系统的重要组成部分。为提高系统的运行速度并保证精度，本项目使用了12M晶振作为系统的外部晶体振荡器。综上所述，单片机最小系统的原理图如下所示：图3-4 单片机最小系统3.2.2 电机驱动设计本项目使用L298N电机驱动模块作为电机驱动功能部分。在电机驱动模块上集成有5V稳压器，可以用作单片机和其他电子元件的供电电压。电机驱动该电路原理图如下图所示：图3-5 电机驱动电路原理图如图所示，在电机驱动电路的两个电机输出端MotorA和MotorB分别接入一个直流电机，在模块的电源端接入12V直流电源，并将5V电源输出端接入到单片机系统的5V电源中，为单片机系统和其他传感器供电。为了实现由单片机控制电机的效果，因此将单片机的三个控制引脚分别接到L298N电机驱动模块的四个逻辑控制引脚上。其中，P2.0和P2.1分别控制两个电机是否工作，而P2.2用作电机驱动的使能端，若P2.2拉高，则电机驱动不工作，进一步提高系统的可靠性和安全性。3.2.3 热释电传感器电路本项目所使用的热释电传感器的集成度较高，因此其支持电路较为简单，电源部分可直接将5V电源接入到系统中。尽管热释电传感器可以直接输出高低电平信号，但为了提高系统的稳定性，避免由于单片机引脚电平变化造成热释电传感器输出不稳定，因此在本项目设计中，使用光耦隔离设计来传递来自热释电传感器的电平信号。热释电传感器电路如下图所示：图3-6 热释电传感器电路原理图如图所示，热释电传感器的电源引脚直接接入系统的5V电源。热释电传感器的信号输出电路部分，采用三极管驱动光耦来实现信号传递信号。光电耦合器是一种典型的电-光-电转换期间，常用于各类电信号隔离传递信号。采用光电耦合器可以极大的提高电路工作的稳定性，减少系统干扰和电流冲击。3.2.4 人流量检测电路上文中提到，仅使用热释电传感器设计的自动门系统，由于受传感器工作原理限制，因此很容易发生夹人事故。因此，为了提高系统的安全性，在系统中加入了人流量检测电路。人流量检测电路由两个红外对管电路组成，如下图所示：图3-7 人流量检测电路如图所示，本项目设计的人流量检测电路使用两个红外对管传感器组成。使用的红外对管的检测距离为2米，发射管工作电流为100ma，因此在发射管的电源部分添加一个阻值为50欧姆的限流电阻。分别部署在门的入口和出口处，在人体经过了门口之后就可以检测人体的通过状态，当人走过红外对管时，红外发射管发出的红外信号被遮挡，接收端的光电三极管截止，信号端的电平被10k欧姆上拉电阻拉高。人走过之后，光电三极管接收到红外发射管发出的红外辐射，光电三极管导通，将信号端电平拉低。因此，单片机通过检测人流量检测信号就可以实现人流检测功能。3.2.5 夹人检测电路尽管在本项目设计中添加了人流量检测功能，可以明显的减少夹人事故的发生率，但在较为复杂的使用环境下，或者由于搬运货物等使用环境下造成误检测和误动作，因此还需要添加夹人检测电路。夹人检测电路与人流量检测电路原理相同，也采用红外对管作为传感器。但由于夹人检测电路的需要，因此使用检测距离较短的红外对管。具体电路设计如下图所示：图3-8 夹人检测电路原理图夹人检测电路的工作原理与人流量检测电路原理相同，由于夹人检测电路的测量距离较短，因此红外发射管的发射功率较低。查阅说明书可知其工作电流为20ma，因此使用阻值为250欧姆的限流电阻。3.2.6 门开关状态检测电路为了提高系统工作的稳定性，避免出现电机和滑竿机构的损坏，采用闭环控制可以有效的提高系统的稳定性和安全性。因此，本项目使用微动开关来检测自动门的开关状态。其原理图如下图所示：图3-9 门开关状态检测电路如图所示，门开关状态检测电路使用微动开关作为传感器。为了避免由于开关触点接触时产生的电流脉冲对单片机造成影响，因此在电路设计中使用三极管隔离微动开关的电信号。微动开关闭合后，三极管基极电平被上拉电阻抬高，三极管导通，使信号端产生一个低电平脉冲信号。为了提高系统的稳定性和准确性，避免由于开关触点结构的抖动造成系统误动作，因此在电路设计中，在信号端添加了一个103电容接地，起到硬件消抖的作用。3.2.7 按键开门电路在自动门实际使用中，有时需要手动控制开关门状态，如环境温度过高导致热释电传感器失灵，或搬运货物时需要保持门的常开状态避免误关门夹坏货物，因此在系统中添加了按键开门控制电路。电路原理图如下所示：图3-10 按键开门电路原理图3.2.5 电源电路本系统采用12V供电，因此直接在原理图中添加12V外部电源接口。为了便于显示当前电源状态，因此添加一个LED指示灯电路作为电源指示灯。同时，为了提高系统的稳定性，避免由于短路或电源反接等问题造成系统损毁，因此在电源电路中添加了由开关二极管和自恢复保险丝构成的防过流反接保护电路。如下图所示，在电源正常时，二极管截止，不会对电源产生影响。当电源反接时，二极管导通，使位于二极管前端的自恢复保险丝过流烧毁，避免影响后续其他电路。电源电路总体原理图如下图所示：图3-6 电源电路第四章 自动门控制系统软件设计运行在单片机中的软件是整个系统的灵魂，其决定了单片机以何种方式来驱使各个外设正常工作，进而实现所需的功能。在本章节中介绍基于单片机的程序流程设计。4.1 自动门流程设计图4-1 系统流程图本项目所设计的自动门控制系统的运行流程图如上图所示。单片机完成开机初始化流程后，开始查询热释电传感器的输出信号。若热释电传感器输出信号发生了变化，则单片机开始判断系统是否有人准备进门。若确定有人需要进门，则系统驱动电机驱动模块进行开门动作。开门完成后，系统周期性的判断人体或物体是否完全进门，若判断进门完成，则开始进行关门动作，同时判断是否出现了夹人状况。若发生了夹人事故，则停止关门动作，重新开门。若直到关门完成后都没有发生夹人事故，则回到程序循环起点重复自动门流程。4.2 按键开门流程设计图4-2 按键开门流程图在上文中提到，为提高系统的可靠性和实用性，在系统中添加了按键开门功能。按键开门的工作流程如上图所示，在检测到按键信号之后，首先执行开门动作，之后的动作与人体感应开门类似，只是在检测步骤中添加了一个判断按键是否松开的步骤，若按键长按则不会进行关门动作。之后的防夹人流程与上文相同，不重复介绍。第6章 自动门结构设计4.1丝杆设计 确定毛坯制造方法 本零件功能是传递运动，工作时承受载荷较小，要求大批量生产，故选择轧制圆棒料。 2.2 确定总余量 根据工件基本尺寸的最大外径为28fmm，由机械加工工艺手册表3.1-13查得需选34的棒料，机械加工工艺手册表3.1-14对应端面加工余量为2.0mm，两面和为4.0mm。据机械加工工艺手册表3.1-2知，当圆钢直径为3050时，其允许的偏差为0.5mm。 综上得出毛坯基本尺寸：直径方向330.5mm，长度方向2921 0滑动螺旋传动初始条件 轴向载荷F为：30000N 螺母形式为：整体式 滑动速度范围为：3m/min 螺杆材料为：40Cr 螺母材料为：ZCuZn25Al6Fe3Mn3耐磨性计算 的值为：0.8 的值为：1.8 许用压强p为：22MPa 螺纹中径d2的值(计算值)为：22.019mm 螺纹中径d2(选取值)为：44mm 公称直径为：48mm 外螺纹小径d1为：40mm 内螺纹大径d为：4mm 螺距P为：8mm 导程L为：4mm 螺母高度H的值为：79.2mm 旋合圈数z的值为：9.9 螺纹的工作高度h的值为：4mm 工作压强p的值为：5.481MPa验算自锁 螺旋副摩擦系数s为：0.088 螺纹升角为：1.658计算驱动转矩 驱动转矩T为：77375.629(N*mm)计算螺杆强度 螺杆当量应力的值为：26.068MPa螺纹牙强度计算 螺纹牙底宽度为：5.2mm 螺杆抗剪强度为：4.637MPa 螺杆抗弯强度为：10.702MPa 螺母抗剪强度为：46.374MPa 螺母抗弯强度为：107.017MPa螺杆的稳定性计算 螺杆的最大工作长度l为：50mm 一端固定，一端不完全固定长度系数为：0.6 螺杆材料的弹性模量E为：207000MPa 临界载荷Fc的值为：285257730.861N螺杆的刚度计算 螺杆材料的切变模量G为：83000MPa 轴向载荷使导程产生的变形量LF为：0.00046mm 转矩使导程产生的变形量LT为：1E-5mm 导程的总变形量L为：0.00045mm计算横向振动 螺杆两支承间的最大距离lc为：30mm 一端固定，一端不完全固定的系数1为：4.730 临界转速nc为： 5839642.607(r/min)计算效率 轴承效率为：0.95 效率为：46.675 液压缸活塞有如下形式活塞杆螺纹形式（内螺纹）活塞杆螺纹形式
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