自动平移门系统设计.docx
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自动平移门系统设计
自动平移门控制系统
1设计要求
1.1设计的必要性
在经济飞速发展的中国，高楼耸立的大都市里的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼，自动门已经是随处可见。
自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的感应开关来感应人的出入，当人走近自动门时，感应开关感应到人的存在，给控制器一个开门信号，控制器通过驱动装置将门打开。
当人通过门之后，再将门关闭。
由于自动门在通电后可以实现无人管理，不但能给我们带来人员进出方便、节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更令我们的大门增添了不少高贵典雅的气息。
自动门在国外早已得到普遍应用，在我国也以其优异的性能逐步得到大家的认同，中国已经迎来了自动门发展的黄金时期。
自动门的性能优劣主要取决于它的控制装置，早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，造成安装烦琐、体积大、不稳定、不易维修等缺点已逐渐被淘汰。
目前自动门及其自动化行业最稳定的控制装置是可编程控制器（以下简称PLC），PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式和开关量的逻辑控制的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
本文通过对“红外线自动门控制系统”的研究和设计，精心撰写了红外线控制自动门系统论文。
本论文着重阐述了以单片机为主体，步进电机、传感器为核心的系统。
所有产品的开发都要讲究实用，本文设计的自动门在许多场合都能适用，而且能够简单化，不论对于产品开发商还有使用者来说，都是最好的。
他们需要的是一个廉价的又是一个实用的产品。
此系统的设计正好具备了这样的一个要求，能够在大多数的地方应用。
因此本设计就是解决了这样一个问题，还可以保证自动门的稳定性。
例如，某商场要求营业期间的门都运用自动门，这就需要自动门要有极高的稳定性，且对于商场来说成本不能太高。
然而本课题意味着产品成本下降，效益提高。
因此是一个比较适合此类场合运用且经济的产品。
1.2国内自动门发展现状
在国外，进入90年代以来，自动化技术发展很快，技术已经相对成熟，并取得了惊人的成就，自动化技术是自动门的重要部分。
在现代人们生活中自动门可以节约空调能源、降低噪音、防风、防尘，同时可以使出入口显得庄重高档，因此应用非常广泛。
随着我国经济的飞速发展，自动门在人们的生活中的运用越来越广泛，自动门适合于宾馆、酒店、银行、写字楼、医院、商店等，使用自动门。
但在国内，自动门的自主研发尚处于初级阶段。
在自动门控制系统的设计中，稳定、节能、环保、安全及人性化是需要首先考虑的因素。
由于门体的重量及体积不同会对自动门驱动和传动系统提出不同的要求，所以各种自动门又可以分为重型自动门和轻型自动门。
客流量的差异会对自动门的使用产生很大影响，因此，自动门还可以分为一般自动门和可频繁使用的自动门。
具体的说，我们自动门还有着以下四个明显的特征：
1）厂家多，规模小5～6年来几年来，自动门在国内得到了快速的发展。
据不完全统计，目前国内大大小小生产自动门的厂家已有50多家，但普遍生产规模小，自主研发能力差。
从新产品开发能力和质量稳定性方面还不具备和进口产品竞争的实力。
2）专业化分工趋势显现早期的生产厂家，一般是自主研发和生产，顶多委托代加工部分零部件。
近两年来，出现了专门生产主要部件的厂家，如电机、主控板、遥控器传动件、塑料件等出现了专业生产厂家，这一趋势使生产的门槛降低，进入的厂家进一步增多，导致竞争更加激烈。
3）高、低档次的市场分明进口产品借助质量和品牌优势，占据了高端市场，目前国内厂家的产品基本上也都具备了比较完善的功能，但生产工艺略嫌粗糙，质量水平参差不齐，整体档次较低，主要集中在低端市场。
4）产品同质化和市场特点导致利润微薄产品同质化严重，加之自动门产品往往是开发商而非最终用户在选择产品，所以价格因素占的比重较大，加剧了市场竞争。
其结果是众多厂家一味地比拼价格，导致利润微薄。
同时，由于价格过低，也使产品的持续改进和发展受到限制。
1.3设计的功能概述
在自动门使用上要根据安装的环境及要求，考虑选择自动门的配置。
由于公共场所（像医院、机场等）的自动平移门使用频率非常高，而自动门的使用频率和寿命是有限的。
在这种情况下，要使用自动门必须进行综合考虑。
例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。
以上介绍的是自动门的安装使用要点。
而一个自动门的设计还要包括下面三个方面：
一、智能化设计
自动门选择配置智能化控制系统，可随意设定门扇的运行速度，并可设定半开状态，调节方便。
使自动门始终保持在最佳运行状态。
并具有自动矫正功能，即使遇到大风等原因引起的运行阻力增大，仍然能够保持平稳的开关门动作。
2、安全性设计
具有自动反转安全装置，当碰到障碍物或人体等异常状况时，门扇自动反转退出，并在下次接近阻力区域时以安全速度前进，避免夹人事件和机件损毁的现象发生，提高自动门运行时的安全性，延长自动门寿命。
门扇开启轻巧方便，当停电时，老人、儿童等均可开闭自如，开闭力量在3.5公斤以下，方便、安全、可靠。
3、稳定性设计
自动门采用步进电机，具有高效、省电、低噪音、高转速、高扭力、连续使用不过热等特性，大大超越传统交流伺服马达。
由于采用步进电机驱动，配合T型齿条同步带，使门体自低速至高速的运行中具有卓越的稳定性。
由于采用高性能的电源输入，不管电压波幅多大均可自动稳压。
此外在负载瞬间短路时还有过压及过流保护措施，有效保障自动门运转的稳定耐久和安全。
自动门在具体场合的使用设计上，还应注意做好以下配置的选用：
1、安全辅助装置
如在高档酒店等地方可以选择安装防夹人红外感应器，防止停留在门附近的人被门所夹住。
2、备用电源
为保证停电时自动门也能工作正常，应配置备用电源。
3、辅助光线传感器
在需要的地方，自动门可以安装辅助光线传感器（红外对射保护装置），当门打开时，人站着不动，用手遮挡辅助光线传感器，门应该保持打开状态。
当手离开后几秒后，门应该重新关闭。
综上所述，自动门在很多领域具有不可比拟的优越性，随着国民经济的快速发展，自动门在我国已经迎来了快速发展的黄金时期。
2自动平移门结构设计
本文设计的自动门针对人流较多的商场，应对周围环境进行综合考虑，所以在本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：
1．自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。
2．所有的组件都为元插入式件，使得安装很简便。
3．电机：
采用步进电机，性能好，可调性强。
4．导轨：
水平双导轨结构，形成正悬挂，解决了侧摆的问题，从而确保了门扇的稳定性。
5．滑轮：
采用特殊的尼龙滑轮，强度高，耐磨性好，同时还有一定的减震效果。
6．皮带：
采用齿形皮带,齿形皮带的齿形截面为曲线设计，增加了齿形的高度，提高了皮带与传动齿轮的吻合度，从而提高了机械效率。
皮带底部采用尼龙加强，减少了齿距变形，提高了使用寿命。
7．自动平移门缩略图如图2-1所示，传动图如图2-2所示
2-1自动平移门缩略图
2-2自动平移门传动结构图
2.1自动平移门参数选择
门体材料
固定门体采用不锈钢材料；活动门扇采用钢化玻璃。
门体尺寸：
（1）门体宽度：
活动门扇900
，固定门扇900
，共两扇。
（2）门体高度：
2100
，总高度为2500
（3）门体玻璃选择：
钢化玻璃，厚度为6
（4）活动门体质量（单扇）：
45
（5）门体滑动最大速度
（6）门体常速滑动速度
（6）开门后保持时间：
10
2.2自动平移门驱动装置计算及选择
平滑自动门总运行阻力包括摩擦阻力、坡度阻力、风阻力和惯性阻力。
惯性阻力常忽略不计。
（1）摩擦阻力
门滑动的滚动摩擦阻力：
式中
-移动键的质量，包括玻璃门和门吊件，双扇门及吊件总质量为，100
。
-滑动摩擦系数；查表得，0.05。
代入数值，得
（2）运行风阻力
。
门扇是安装在建筑物的门洞，因此必须考虑风载荷的作用。
自动门的风阻力：
-风力系数；平滑门取
。
-计算风压，
；取
-迎风面积，
；计算得，
-门滑轮与止摆器的综合摩擦系数。
计算得，
。
代入数值，计算得
。
（3）平滑自动门总运行阻力
2.3自动平移门驱动装置电机功率计算
电动机的功率选得是否合适，对其正常工作和经济性都有影响。
如果容量选得小于要求的功率，就不能保证自动门的正常工作，或因过载而过早损坏；如果容量选得过大，由于电动机价格高，容量未得到充分利用，电动机长期不满载运行，其效率和功率因数较低，增加电源能耗而造成浪费。
电动机的功率主要根据电动机运行时的发热条件决定的。
对于载荷比较稳定、长期连续运行的自动门或旋转门来说，只要所选电动机的额定功率
等于或稍大于所需要的工作功率
即可，即
，这时电动机就安全工作不会发热，一般情况下不必校验电动机的发热和启动力矩。
计算功率：
代入数值计算，得
电动机工作时需要的功率：
选择型号为85BYGH的步进电机，其主要技术参数如表2-1所示
表2-185BYGH步进电动机技术数据
电机型号
Model
步矩角
Stepangel（°）
机身长
MotorLengthL（mm）
相电压
RateVoltage
（V）
相电流
RateCurrent（A）
相电阻
PhaseResistance（Ω）
相电感
PhaseInductance（mH）
静力矩HoldingTorque（N.m）
引线数LeadWire（NO.）
转动惯量RotorInertia
（kg.c㎡）
重量MotorWeight（kg）
85BYGH450A-001
1.8
75
4.4
2
2.2
10
2.1
8
1.4
2.3
85BYGH450A-002
1.8
75
3
3
1
4.4
2.1
8
1.4
2.3
85BYGH450B-002
1.8
113
6.4
2
3.2
12
4.1
8
2.7
3.6
85BYGH450B-004
1.8
113
1.9
3.5
0.53
6.5
5.1
4
2.7
3.6
85BYGH450B-008
1.8
113
2.6
6
0.43
2.5
4.1
8
2.7
3.6
85BYGH450C-001
1.8
151
7.8
2
3.9
20
6.4
8
3.6
5
85BYGH450C-012
1.8
151
5.7
3
1.9
22
9.3
4
3.6
5
85BYGH450D-002
1.8
94
3.2
4
0.8
3.5
4.3
8
1.7
3
85BYGH450D-007
1.8
94
6.4
2
3.2
15
4.4
8
1.7
3
2.4同步带设计计算
（1）确定计算功率
查得工况系数，
（2）确定带轮基准直径并推算蜗杆转速
初选XL（特轻）型带，初选带轮基准直径
，取
。
蜗轮蜗杆传动比：
选择蜗杆头数为2，蜗轮齿数为25即可满足所需传动比。
（3）同步带齿型计算并修正其他参数
查表得，XL型节距
，取整得，
。
于是有
（4）确定同步带的中心距和基准长度
由活动门扇的长度以及门吊件距离，初选中心距为：
初选为
带所需的基准长度：
取
计算实际中心距：
2.5自动平移门三维建模
在solidworks中建立自动平移门的三维模型，具体外观如图2-3所示。
2-3自动平移门三维外观图
2-4自动平移门三维内部结构图
吊架机构如图2-5所示
2-5平移门吊架结构
自动平移门同步带及电机结构，如图2-6所示
2-6同步带及电机传动结构
2.6自动平移门装配图
2-7自动平移门装配图
3控制系统硬件设计
3.1设计电路的框图和原理
红外自动门控制系统的硬件组成如图3-1所示。
本系统主要由AT89C51单片机及其外围电路、红外检测电路，门行程检测电路、步进电机控制电路、故障检测电路、故障显示电路、控制方式切换电路等七部分组成。
单片机循环检测红外检测电路和门行程检测电路输出信号，据此产生步进电机控制信号，电动机带动门运行，当系统检测到控制方式发生改变时，系统进入相应的控制方式。
如门在关门过程中遇到人或其他障碍物时门无条件朝相反方向打开，当系统出现故障，进入故障处理程序。
感应自动门的种类很多，在此，仅以平移型感应自动门机作为设计的重点。
首先，平移式自动门机组由以下部件组成：
（1）主控制器：
它是自动门的指挥中心，通过内部编有指令程序的大规模集成块，发出相应指令，指挥马达或电锁类系统工作；同时人们通过主控器调节门扇开启速度、开启幅度等参数。
（2）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。
（3）动力马达：
提供开门与关门的主动力，控制门扇加速与减速运行。
（4）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。
（5）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。
同步皮带（有的厂家使用三角皮带）：
用于传输马达所产动力，牵引门扇吊具走轮系统。
（6）下部导向系统：
是门扇下部的导向与定位装置，防止门扇在运行时出现前后门体摆动。
（7）当门扇要完成一次开门与关门，其工作流程如下：
感应探测器探测到有人进入时，将脉冲信号传给主控器，主控器判断后通知马达运行，同时监控马达转数，以便通知马达在一定时候加力和进入慢行运行。
马达得到一定运行电流后做正向运行，将动力传给同步带，再由同步带将动力传给吊具系统使门扇开启；门扇开启后由控制器作出判断，如需关门，通知马达作反向运动，关闭门扇。
3.251单片机
*与MCS-51兼容
*4K字节可编程闪烁存储器
*寿命：
1000写/擦循环
*数据保留时间：
10年
*全静态工作：
0Hz-24Hz
*三级程序存储器锁定
*128*8位内部RAM
*32可编程I/O线
*两个16位定时器/计数器
*5个中断源
*可编程串行通道
*低功耗的闲置和掉电模式
*片内振荡器和时钟电路
3.3热释电红外传感器
热释电红外传感器主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。
在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。
由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。
为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10-20米范围内人的行动。
菲涅尔透镜利用透镜的特殊光学原理，在探测器前方产生一个交替变化的“盲区”和“高灵敏区”，以提高它的探测接收灵敏度。
当有人从透镜前走过时，人体发出的红外线就不断地交替从“盲区”进入“高灵敏区”，这样就使接收到的红外信号以忽强忽弱的脉冲形式输入，从而强其能量幅度。
人体辐射的红外线中心波长为9-10um，而探测元件的波长灵敏度在0.2-20um范围内几乎稳定不变。
在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7-10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。
图3-3热释电红外线传感器的结构及内部电路
热释红外线传感器内部结构与电路如图3-3所示。
热释电传感器利用的正是热释电效应，是一种温度敏感传感器。
它由陶瓷氧化物或压电晶体元件组成，元件两个表面做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上会产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微弱电压ΔV。
由于它的输出阻抗极高，所以传感器中有一个场效应管进行阻抗变换。
热释电效应所产生的电荷ΔQ会跟空气中的离子所结合而消失，当环境温度稳定不变时，ΔT=0，传感器无输出。
当人体进入检测区时，因人体温度与环境温度有差别，产生ΔT，则有信号输出；若人体进入检测区后不动，则温度没有变化，传感器也没有输出，所以这种传感器能检测人体或者动物的活动。
热释电红外传感器的结构及内部电路见下图所示。
传感器主要有外壳、滤光片、热释电元件PZT、场效应管FET等组成。
其中，滤光片设置在窗口处，组成红外线通过的窗口。
滤光片为6mm多层膜干涉滤光片，对太阳光和荧光灯光的短波长（约5mm以下）可很好滤除。
热释电元件PZT将波长在8mm-12mm之间的红外信号的微弱变化转变为电信号，为了只对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲涅耳滤光片，使环境的干扰受到明显的抑制作用。
3.4BISS0001芯片
BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。
它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干机和自动洗手池等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房及家庭的过道、走廊等敏感区域，或用于安全区域的自动灯光、照明和报警系统。
下图3-4中，运算放大器OPl将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器01：
'2进行第二级放大，再经由电压比较器COPl和ODP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号vs去启动延迟时间定时器，输出信号VO经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。
图3-4热释红外传感器处理芯片
*CMOS工艺，公耗低
*数模混合
*具有独立的高输入阻抗运算放大器
*内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰
*内设延迟时间定时器和封锁时间定时器
*采用16脚DIP封装
*内置参考电源
*工作电压范围宽（3V～5V）
BISS0001应用线路图如3-5所示。
图3-5BISS0001的热释电红外开关应用电路图
3.5步进电机驱动控制系统组成
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如图8所示：
信号分配
脉冲信号
负载
步进电机
功率放大
图3-6驱动控制系统方框图
本文设计的自动平移门采用的是比较电机的斩波驱动
下图为斩波驱动的原理图。
T1是一个高频开关管。
T2开关管的发射极接一只小电阻只，电动机绕组的电流经这个电阻到地，所以这个电阻是电流取样电阻。
比较器的一端接给定电压Uc，另一端接取样电阻上的压降，当取样电压为0时，比较器输出高电平。
图3-7斩波恒流驱动电路原理图
当控制脉冲Ui为低电平时．T1和T2两个开关管均截止；当U1为高电平时，T1和T2两个开关管均导通，电源向绕组供电。
由于绕组电感的作用，只上的电压逐渐升高，当超过给定电压Uc的值时,比较器输出低电平，使与门输出低电平、Tl截止，电源被切断；当取样电阻上的电压小于给定电压时，比较器输出高电乎，与门也输出高电平，T1又导通，电源又开始向绕组供电。
这样反复循环，直到Ui为低电平。
3.6设计电路原理图
通过以上对每个部件的分析，可是设计出平移自动门一个总的控制电路图，如图3-8所示
图8总电路图
4.控制系统软件设计
4.1系统软件结构
整个系统软件主要由主程序、开门子程序、关门子程序、T0中断服务程序、T1中断服务程序、外部中断服务子程序组成。
主程序主要是完成系统进行初始化、中断设置等功能。
程序设计中设置了一个外部中断0，它保证红外自动门能够在无人操控情况下自动运行，主要功能是当检测到有人出入门时，启动电机，从而实现自动开关门的目的。
4.2各部分程序设计
Y
开门
门状态检测
加速？
电机加速
减速？
电机减速
停止？
电机停止
返回
N
N
N
图4-1开门子程序流程图
Y
图4-2T0中断程序流程图
关T0中断
读按键操作
开门否
开门子程序
开门否
关门子程序
装载T0常数
开中断
中断返回
N
N
Y
Y
在开门过程中首先进行门状态检测，根据所检测到的信号判断自动门上次停机所处位置。
根据检测结果确定门此刻应运行方式，如检测出门是半开状态，门直接转入加速开门的过程。
如检测出门是全开状态，门转入延时开门过程。
如检测出门是全关状态，那么在检测到有人出人时，门会缓慢打开，之后加速运行，接着减速运行，最后电机停止运转，门由于惯性缓慢关闭。
自动门开门后暂停一段时间，然后关门。
关门是开门的一个反过程，它经过慢速运行、加速运行、减
速运行、惯性运动直至停止这几个过程。
在自动门关闭过程中当系统接收到由红外线传感器电路发出的有人出入的信号时，门会重新打开。
与开门情况不同的是当在关门过程中检测到故障信号时门会朝反方向运动，将门打开，这样可以排除因自动门遇到障碍物或人身体而产生故障信号使整个系统停止工作的可能。
是否手动方式？
关外部中断1
开定时器T0
开外部中断1
系统终止
定时器T0、T1设置
中断优先级设置
开定时器
开中断
系统是否有故障？
开始
Y
Y
N
N
图4-3系统主程序流程图
关T1中断
指向0809地址
启动下一通道
转换结束否？
数据存放
通道号加1
数据指针加1
采样结束否？
开T1中断
中断返回
N
Y
N
Y
图4-4T1中断服务程序流程图
信号流程说明：
为了运行过程可靠，在以不同速度运行过程中，对运行时间做了安全设置，当在开门状态下检测到运行时间超过安全时问或系统出现故障时，程序转人故障处理程序
5.设计总结与体会
本次设计的题目是“自动门控制系统设计”，我静下心来，用一种极为认真的学习态度完成了。
在第一次给卞老师看的时候，发现自己的不足太对，于是经过尽一个礼拜的再次完成，我学会了很多以前没有学到的知识，更重要的是明白了老师的良苦用心。
作为一个搞自己设计制造的人，再没一次的设计都要以一种严谨的态度去完成，不能马虎。
再设计初步完成时自己也觉得粗糙，比如格式不对、外观粗糙、模块设计的不合理等数不胜数。
至此，我发现，要干好一件事并非那么简单，但也不是很难，敷衍了事是万万不可的，对待任何事情都要认真去思考，用思想来完成任务。
通过自动门控制系统的设计，我发现我所学的东西的肤浅，知识面的不牢固，在选择方案的时候，产生模棱两可的情况。
经常是边设计边复习学习过的课本知识。
这些使我知道“纸上谈兵”是绝对不行，只有通过实践，自己亲自动手试一试，才能发现自己知识的缺陷，才能更好的与所学的知识相结合。
在设计中我们每个人都能学到很多，有很大的收获。
做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了做学问要一丝不苟，对于出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就打退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。
在工作中要学会与人合作的态度，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。
参考文献
[1]《传感器及其应用》.张金铎金欢阳名编著.西安电子科技大学出版社，2002.
[2]《传感器及其应用实例
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