基于单片机的遥控开门装置.docx
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基于单片机的遥控开门装置
2012年省高校大学生机械创新设计大赛
基于单片机控制的遥控开门装置
设
计
说
明
书
参赛者：
指导教师：
参赛单位：
南昌航空大学
二0一二年五月
基于单片机控制的遥控开门装置设计说明书
设计者：
~~~~~~~~~~~~~~~~~~
指导老师：
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
参赛单位：
航空大学
摘要：
立足于生活中的小细节，以生活为行动基础来为人们提供方便。
设计在寝室使用的遥控开门装置。
该装置制作简单、操作方便、实用性强。
关键字：
单片机；遥控；寝室；开门
1研究背景及意义
随着时代的进步，人们的生活节奏也日愈加快，在这个快节奏的时代里，任何影响生活节奏的事都会逐渐被取代。
而大学寝室更在大学里生活得最久，陪伴大学四年，同时也是最贴近生活，最能表现个人生活特色的地方。
在寝室手动开门就成了一个非常头疼的事！
每每在有人敲门时，要放下手中的事来手动开门。
这给学生带来很多不必要的麻烦。
这时一种不要走到门前的遥控开门装置就很需要了。
图1图2图3
现如今寝室大多为拧转式锁（图1）。
旋转锁芯（图2）实现带动锁栓（图3）开门的同时将带动一个弹簧旋转，锁芯旋转大约90度后，达到开门效果，并同时固定锁栓；关门时靠弹簧的扭力将锁栓弹出达到自动锁门的功能。
近年来，国外科技工作者申请了大量的自动开门专利，但大多适用于各种庭院门、栅栏门、别墅门等，对于学生宿舍这种普通旋转式门锁的自动开关研究甚少。
该装置可实现在寝室围用遥控器控制电路，带动锁芯实现开门，并在开门后电路能够自动断开回到未开门状态，以此保护电机和控制装置。
2设计方案
为了实现设备操作简单方便，设备要求由电路控制，而且电路开关应该随齿轮转动而闭合或断开；为了保证设备使用安全和经济实惠，设备要求电池电压不能大于36V，电路设计要求简单，接线口应接触良好；为了设备固定方便，齿轮应该质量轻、体积小。
2.1齿轮选择
本装置需要一对齿轮来传递动力，并有减速效果。
方案一；用圆柱齿轮连接电动机和锁芯，利用圆锥齿轮传动的速度和功率围很大，传动效率高，对中心距的敏感性小，互换性好等特点很好的设备衔接起来。
但是它只能传动同一平面的运动，这样就使电动机固定起来非常困难。
方案二；用圆锥齿轮连接电动机和锁芯，利用它可以改变设备的传动方向，使电动机可以与门面水平，是电动机固定起来方便。
而且 它寿命长，具有高负荷承载力，降噪和减震好。
相对其他齿轮，它重量轻，成本低，易于成型，润滑性好。
方案三；用涡轮蜗杆连接电动机和锁芯，首先可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑而且两轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构。
蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、噪音很小。
但是它具有自锁性，使门芯不能及时弹回，影响开门效果，而且它传动效率较低，使用时磨损较。
考虑到齿轮需要改变传动的方向，使电动机固定方便；而且蜗轮蜗杆自身会产生自锁现象，使设备无常工作，所以选择方案二
2.2电池选择
所需电池首先要可以带动设备正常工作，一方面要提供足够电流使开关控制能够工作，另一方面要提供足够大的功率是连接门芯的齿轮可以正常转动。
其次，电池应该质量轻、体积小，方便固定在设备上。
方案一：
锂电池，它额定电压高，具备高功率承受力，而且重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/5-6；，而且使用寿命较长， 但产品成本较高。
方案二：
铅酸电池，铅酸电池的循环寿命差，能大电流放电，比较重，装配不方便而且铅和硫酸都污染环境，但是比锂电池便宜。
综合考虑，选择方案一
2.3控制选择
开关控制首先要可以远程控制，并要操作简单
方案一：
单片机，单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机安装简单、调试工作量小而且方便，最重要的是它功耗较低，对电路的要求不高。
方案二：
继电器，继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器机械触电的串联或者并联及延时继电器T的之后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。
继电器控制逻辑是依靠触电的机械动作实现控制，工作频率底，毫秒级、机械触电有抖动现象。
经过我们多次调试发现，单片机不但出现故障比较少而且故障排除简单，可满足装置一些特殊要求，改动方便。
而继电器则出现许多故障，因为它机械触电有抖动现象，严重影响设备开门效果。
综合考虑，我们选择方案一。
2.4开关选择
当减速电机带动锁芯将门开启后的瞬间，需要使得电机迅速停止运转，防止因电路电流过大，烧坏电机。
这样就产生了两种控制开关设计方案，机械开关及集成单片机控制开关。
方案一：
机械开关。
按下无线遥控器，接通电源，此时，电路成闭合状态，电动机开始工作，此时金属触片从金属材料端滑过，当金属触片即将滑离金属材料端到达绝缘材料端的那一瞬间时，电路成断路状态，此时防盗门刚好打开。
此方案缺点：
一是满足要求的金属触片不容易加工（固定在电机出轴部分的材料不能为金属，否则无法断电）；二是可操作性差（要使电机准确停止在某固定点，难度偏大）。
方案二：
触片开关。
设计单片机程序，使得连杆碰触触片开关后的瞬间，电路自动断开。
……触片开关能准确定位电机的停止点，也能防止电机烧毁（本方案设计了一个自动断开程序，即当电机运转4秒后转盘还未到位，电机停转），并且调试装配简单，方便。
因此，采用方案二。
3运动与动力分析
3.1开门所需扭矩
在锁把手上固定一个空塑料瓶（2.5L可乐瓶），逐渐向其中加水，直到门锁打开。
见图4
塑料瓶质量M=2.5kg，g=9.8N\g
瓶和水的重力G=M*g=24.5N，半径r=2.2cm
开门所需要的扭力矩
T=G*r=0.539N.m
图4
3.2开门时间
本装置将电机经过一级齿轮减速，控制开门时间在1~2s。
电机主轴转速n=90rpm
锥齿轮间的传动比i=3
经过一级减速之后锁芯转速
=n/i=30rpm
开门角度
=95度
开门所需要的时间t=
/（
*2
/60）=0.53s
基本达到要求。
3.3扭力分析
各轴输入功率分别为
P1=Pedη1=2.4×80%=1.92
式中：
η1——电动机与齿轮之间的效率
图5所示传动系统中各轴扭矩为
T1=9550P1/n1=0.1146
T2=9550P2/n2=0.2750
表一
项目
电动机轴
低速轴
转速（r/min）
90
30
功率（w）
2.4
1.92
转矩（N.m）
0.2547
0.6112
传动比
3
效率
80%
T2=0.6112>0.539,所以电机提供的扭矩满足开门所需的扭力，能达到开门的目的。
图5
3.4锥齿轮参数
已知模数齿数，ha*=1，π=3.14，计算齿轮其他参数（如表二所示）。
表二
尺寸名称
小齿轮
大齿轮
模数
m1=1
m2=1
齿数
Z1=18
Z2=54
分锥角
δ1=arctan（z1/z2）=18.43
δ2=90-18.43=71.57
分度圆直径
d1=m1.z1=18
d2=m2.z2=54
齿顶高
ha=ha*m=1
齿根高
hf=（ha*+c*）m=1.2
齿顶圆直径
da1=d1+2hacosδ1=19.90
da2=d2+2hacosδ2=54.63
齿根圆直径
df1=d1-2hfcosδ1=15.72
df2=d2-2hfcosδ2=53.24
锥距
R=（m√z1^+z2^）/2=28.46
分度圆齿厚
s=πm=3.14
齿根角
θf=arctan（hf/R）=2.41
顶锥角
δa1=δ1+θf=20.84
δa2=δ2+θf=73.98
根锥角
δa1=δ1-θf=16.02
δa2=δ2-θf=69.16
顶隙
c=c*m=0.2m=0.2
当量齿数
Zv1=z1/cosδ1=18.97
Zv2=z2/cosδ2=170.81
齿宽
B<=R/3（取整）B=9
4电路分析
红外遥控是目前使用最广泛的一种遥控手段。
红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低、不影响周边环境、不干扰其它电器设备的特点。
由于其无法穿透墙壁，遥控距离可达8米，且不会产生相互干扰，故室遥控控制的电器绝大数采用红外线遥控，红外线遥控用在室遥控开门装置上相当合适。
电路：
5V稳压电路，红外发射电路，红外接收电路，单片机电路，电机驱动电路，和声音提示电路。
4.1电源电路
单片机需5V稳定电源，电机直接用电池电压（12.6V）
4.2发射电路
为减小制做难度和减小功耗我们采用现成的遥控发射装置，该遥控发射器为NEC编码格式（如图6）。
图6
该遥控器体积小、功耗低、成本低、且可实现多路遥控，没必要再自己设计一个发射电路。
4.3接收电路
采用红外接收一体头接收，STC89C52解码（信号由外部中断口INIT0（P3.2）输入）。
成品红外接收头的封装大致有两种：
一种采用铁皮屏蔽；一种是塑料封装。
都有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO或OUT）。
成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。
使用时应注意红外接收头的载波频率。
外形及引脚排列如图所示。
4.4单片机电路：
STCC89C52单片机的作用是解码，控制蜂鸣器的鸣响提示，给l293信号以控制电机的启停。
4.5电机驱动电路：
实现电机的驱动、启停。
4.6声音提示电路：
5单片机程序设计
用到的STC89C52单片机引脚有P0.0（蜂鸣器控制），P1.1（位置开关），P3.2（INIT0红外一体接收头信号输入），P2.6（电机控制）
当遥控器发出信号后，红外一体接收头将接收到的信号输入单片机，
经单片机解码后，若为“0”键（键值16H）则驱动电机正转，同时蜂鸣器短鸣；当转盘到位后会将位置开关按下（接地）），单片机检测到位置开关输入的电平信号为0时就控制电机停转，同时蜂鸣器短鸣；若2.5秒后位置开关未来被按下（即转盘未到位），则电机停转，蜂鸣器长鸣
程序如下：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
#definedelayNOP（）;{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;};
voiddelay（ucharx）;//x*0.14MS
voiddelay1（intms）;
voidbeep（）;
sbitIRIN=P3^2;//红外接收器数据线
sbitBEEP=P0^0;//蜂鸣器驱动线
sbitmoff=P1^0;//位置开关
sbitin3=P2^6;//电机控制
uinti,j,k;
ucharIRCOM[7];
main（）
{
IRIN=1;//I/O口初始化
BEEP=1;
delay1（10）;//延时
IE=0x81;//允许总中断中断,使能INT0外部中断
TCON=0x01;//触发方式为脉冲负边沿触发
while
（1）;
}//endmain
/**********************************************************/
voidIR_IN（）interrupt0using0
{
unsignedcharj,k,N=0;
EX0=0;
delay（15）;
if（IRIN==1）
{EX0=1;
return;
}
//确认IR信号出现
while（!
IRIN）//等IR变为高电平，跳过9ms的前导低电平信号。
{delay
（1）;}
for（j=0;j<4;j++）//收集四组数据
{
for（k=0;k<8;k++）//每组数据有8位
{
while（IRIN）//等IR变为低电平，跳过4.5ms的前导高电平信号。
{delay
（1）;}
while（!
IRIN）//等IR变为高电平
{delay
（1）;}
while（IRIN）//计算IR高电平时长
{
delay
（1）;
N++;
if（N>=30）
{EX0=1;
return;}//0.14ms计数过长自动离开。
}//高电平计数完毕
IRCOM[j]=IRCOM[j]>>1;//数据最高位补“0”
if（N>=8）{IRCOM[j]=IRCOM[j]|0x80;}//数据最高位补“1”
N=0;
}//endfork
}//endforj
if（IRCOM[2]!
=~IRCOM[3]）
{EX0=1;
return;}
/***********************/
if（IRCOM[2]==0x16）
{in3=0;
beep（）;
while
（1）
{
if（moff==0）
{
in3=1;
beep（）;
break;
}
/******************计时********************/
i++;
if（i==50）
{
i=0;
j++;
}
if（j==50）
{
j=0;
k++;
}
if（k==50）//若2.5秒后转盘还未到位，蜂鸣器长鸣，电机停转，防止电机烧毁
{
k=0;
in3=1;
beep（）;
beep（）;
beep（）;
beep（）;
break;
}
}
}
EX0=1;
}
/**********************************************************/
voidbeep（）
{
unsignedchari;
for（i=0;i<100;i++）
{
delay（4）;
BEEP=!
BEEP;//BEEP取反
}
BEEP=1;//关闭蜂鸣器
}
/**********************************************************/
voiddelay（unsignedcharx）//x*0.14MS
{
unsignedchari;
while（x--）
{
for（i=0;i<13;i++）{}
}
}
/**********************************************************/
voiddelay1（intms）
{
unsignedchary;
while（ms--）
{
for（y=0;y<250;y++）
{
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
}
}
6工作原理及性能分析
6.1工作原理
由发射器（遥控器）发射红外线信号，当单片机接收器接收红外线信号后，控制电路的闭合，从而使电动机带动一对锥齿轮，使防盗门锁芯转动，达到开门的目的。
当门打开后，单片机接到电信号，使电路断开，以此保护单片机和电机。
6.1.1当按下无线遥控器（如图7）上的“确定”键，遥控器发出红外线信号
图7
6.6.2固定在控制电路板上的接收器接收红外线信号,电路闭合，固定在防盗门上的电源开始供电。
（如图8）
图8
6.6.4使得减速电机（如图9）开始工作，减速电机由电机固定架固定在门上。
图9
6.6.5带动锥齿轮变速传动装置（如图10）的转动，小齿轮固定在减速电机出轴上，大齿轮固定在锁芯上。
图10
6.6.6扭转锁芯（如图11），从而拧开防盗门。
图11
6.6.7当固定在大锥齿轮上的触片恰好碰触单片机控制电路上的断开装置瞬间（如图12），电路自动断开，减速电机停止工作。
图12
6.6.8此时，压簧弹开防盗门（如图13）即可达到开启门的目的。
图13
6.6.9当防盗门关闭时，锁芯自动回到未开启状态，将防盗门锁住。
6.2性能分析：
红外线无线遥控器具有结构简单，抗干扰能力强，工作可靠性强等一系列优点，特别是室遥控的优先遥控方式，并且可控围在十米以，足以满足学生宿舍的需求。
单片机控制电路具有可操作性强，反应迅速，灵活，可实现复杂的控制，且随时可以修改程序。
减速电机：
具有减速的作用，同时，电机减速带来的却是大转矩，正是开启防盗门锁芯所需大力矩的最佳选择。
锥齿轮传动装置：
由两个锥齿轮组成，并且锥齿轮传动是用来传递两相交轴之间的运动和动力的，最重要的一点是锥齿轮可用于两个互相垂直的轴的传动，而一般圆柱齿轮只能用于平行轴，这也是本产品选用锥齿轮的重要依据。
其中小齿轮固定在马达的出轴上，大齿轮固定在锁芯上，两齿轮的传速比为：
3：
1。
远程遥控开门装置是机械技术和信息技术相结合的机电一体化产品，将单片机的信息处理功能与控制功能融合在齿轮装置上。
该装置可实现在寝室围要无线遥控控制开启防盗门，并且在门栓开启的瞬间，自动断开电路，当防盗门关上，锁芯自动回到未开启状态。
7创新点
立足于生活中的小细节，以生活为行动基础来为人们提供方便。
巧妙利用单片机控制机齿轮传动，实现开门效果。
产品制作简单，操作方便。
1、利用锥齿轮传动改变动力方向使得开门机构做到了简单、有效；2、利用单片机解码，到位后则控制电机停转，若一定时间后锁芯未到位则控制电机停转，防止电机堵转；3、产品零件简单易得，价格低廉。
8产品不足及改进
1、不够美观；2、关门阻力大。
9参考文献
9.1.开平，左宗义主编。
《画法几何与机械制图》[M].华南理工.2007
9.2俊谟.单片机中级教程[M].:
航空航天大学,2007.
9.3邹慧君，傅祥志等主编．机械原理．：
高等教育，1999
9.4邹慧君主编．机械运动方案设计手册．：
交通大学，1994
9.5孟宪源主编．现代机械手册．：
机械工业，1994
9.6文杰主编，机械原理电子教案.：
高等教育
9.7成先大主编，《机械设计手册（第5版）（第1卷）》化学工业2008-04
9.8邹慧君主编．机械系统设计原理．：
科学，2003
10实物照片（如下图）
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