基于慧鱼模型搭建的自动门设计

机电系统设计综合实训

报告

课题：自动门的设计及其控制电路设计

学院：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

班级：机械091

学生姓名：

指导老师：顾军、晟

引言

在经济飞速发展的当今社会，高楼耸立的大厦、宾馆、酒店、银行、商场、写字楼、车库等，自动门已是随处可见。自动门的工作方式是通过自动门内外两侧的传感器来感应人或车辆的出入，当人走近自动门时传感器感应到人的存在，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，不但能给我们带来进出方便，而且可以节约空调能源、防风、防尘、降低噪音等好处，更能让门显得大方美观。早期的自动门控制系统采用继电器逻辑控制，已逐渐被淘汰。基于慧鱼、PLC、单片机控制的自动门由于具有故障率低、可靠性高、维修方便等优点，因而得到广泛的应用。因此选择自动门作为典型综合实训课题来巩固我们对慧鱼软件、单片机、PLC等应用技术的学习。

1.系统功能分析

自动门整体结构图如图1.1所示。自动门控制装置的硬件组成：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，开门到位限位开关K3，关门到限位开关K4，开门、关门执行机构KM1（电动机正反转），传动机构等部件。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，到达开门限位开关K3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KM1被起动，电动机反转，当门移动到关门限位开关K4位置时，电机停止运行。

3）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或

K1时，应立即停止关门，并自动进入开门程序。

图1.1

2.总体方案

在本次综合实训中，我们分别采用了三种不同的应用技术对自动门进行控制，依次为慧鱼系统控制、PLC控制和单片机控制。其中慧鱼系统利用“六面可拼接体”这种开放的零件来完成机电一体化的工业设计为主的模型组建，来构建或者模拟现实，充分的培养和发挥了设计者的创新能力，有助于设计者在实践过程中将多学科多领域的综合知识融会贯通。在本次实训中，我们将分别利用这三种方法来实现一台电动机的正反转（正转开门，反转关门），并用两个行程开关来实现正反转的停止。自动门在接受到开门信号后，电动机正转开门，在碰到行程开关后停止正转，并在10秒后自动关门，即电动机反转，在碰到行程开关后停止反转。其中，在关门的时候，如果有开门信号，电动机立刻停止反转关门并正转开门。

2.1流程图

根据本课题的控制要求和安全要求，所设计的程序按照下图2.1所示的流程运行。

是

图2.1.1

2.2 参数选择

公共场所的自动平移门因为使用非常频繁，不同场合使用的情况也不一样，例如机场、大型超市和医院外门的人员流量每天可达成千上万人次，或者在特定时间段里集中通过大量人员，所以在这种情况下，要使用自动门就必须进行综合考虑。例如增加门的数量，加大门扇宽度，增加关门延迟时间等。本次设计的自动门具体参数如表2.1所示。

表2.2.1 自动门具体参数

2.3 传感器的选择

目前自动门行业的运用的感应开关主要有触摸感应开关，微波感应器，光电传感器，接近感应开关等，根据不同的功能和性能运用在各类不同场合的自动门控制系统中。

结合本课题的实际需要在设计的自动门的人员检测上运用的是微波感应器，又称微波雷达，对物体的移动进行反应，因而反应速度快，适用于行走速度正常的人员通过的场所，它的特点是几乎不受周围环境因素影响。

在防夹人感应器的选择上本设计选用光电传感器，可避免外界光线干扰。在门关闭时,当有人或车经过安全光线时,门体会自动停止关闭,并自动开门以起到安全作用。

自动门的速度信号采集上运用了非埋入型接近传感器，这种传感器的特点是能检测所有的金属，最大检测距离为20mm，检测距离调节方便，安装简单。

2.3.1 接近开关

接近开关又称无触点行程开关，它不仅能代替有触点形成开关来完成行程控制和限位保护，还可以用于高频计数、测速、检测零件尺寸、加工程序的自动衔接。

接近开关按工作原理来分：高频振荡型，感应电桥型，永久磁铁型等。

在这里我们选择高频振荡型来代替电路图中的限位开关。

高频振荡型接近开关，它的电路是由LC振荡电路，放大电路和输出电路三部分组成。其基本工作原理是：当被测物（金属）接近到一定距离时，不须接触，就能发出动作信号。常用的有LJ1、LJ2和LXJO的系列。

2.3.2 光电式传感器

光电式传感器工作原理

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器，接收器和检测电路。如图2.31所示:

图2.3.1

发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管（LED）和激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。

三角反射板是结构牢固的反射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。

光纤（又称光导纤维LWL），它扩大了光电传感器的使用范围，形成了特殊的嵌装式收发装置。它可以在特殊的环境中使用，检测微小的物体。它在非常高的外界温度中，在结构受限制的环境里，都可以获得满意的答案。

2.4 机械传动机构的设计

本课题的自动门机械传动设计中考虑了以下几个方面：

一．自动门的传动主要包括安装板，轨道，门机，皮带，吊挂件等。

二．所有的组件都为插入式元件，使得安装很简便。

三．电机：驱动电机采用转速不高于750r/min的380V三相交流电机，功率大，可调性强。

四．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。并配以双侧密封毛刷，形成密封式导轨，避免积尘对导轨及滑轮的磨损，实现了维护方面的特点。

五．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。

六．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。

七．传动结构如图2.4.1所示。其中马达皮带轮直径为5cm,皮带滑轮内径为13.5cm,外径为28.5cm。

图2.4.1

3.主要零部件的设计

3.1 电机的选择

驱动电机采用转速不高于750r/min 的380V 三相交流电机，功率大，可调性强。查文献[6],选择电机型号为Y132S-8。

3.2 V 带的设计

整体结构简图:

图3.1

3.2.1确定设计功率

已知电动机min /300,120

r n W P m d == 设计功率是根据需要传递的名义功率、载荷性质、原动机类型和每天连续工作的时间长短等因素共同确定的，表达式如下：

P k P A d ?= 公式1

式中

p ——需要传递的名义功率(kW)；

A K ——工作情况系数，查参考文献[3]表7.6，取A K =1.1 。

3.2.2选择带的型号

根据设计功率W P d 120=，小带轮转速min /3001r n n m ==，查参考文献[3]图7.11，可取Y 型带。

3.2.3确定带轮的基准直径1d d 和2d d

查参考文献[3]表7.7，可知A 带带轮最小基准直径mm d d 5.7min =。又由参考文献[3]表7.3，可取小带轮基准直径mm d d 401=，则大带轮基准直径

mm d n n d d d 8040222

1

2=?==

,则传动比误差 △%5%02

40

/802<=-=

i 公式2 误差在允许范围内，可用。

3.2.4验算带的速度V

V 带的速度条件为max v v ≤，max v 为带的允许最大速度。 带速s m n d v d /628.01000

60300

401000

601

1=???=

?=

ππ

式中 1n --电动机转速(r/min)；

1d d ——小带轮基准直径(mm)。

3.2.5确定中心距和V 带基准长度d L

根据：120120.7()2()d d d d d d a d d +≤≤+初步确定中心距

0.7（40+80）=84mm ≤0a ≤2（40+80）=240mm

考虑到既应使结构紧凑，又不应当使包角过小，选取中心距0a =100mm 初算带的基准长度'd L ：

()()mm a d d d d a L d d d d d 4.397100

420808*********)()(222

0212210=?-+

++?=-+++≈π

π

公式3中 d L ——带的标准基准长度；(mm)；

'd L ——带的初算基准长度(mm)；

0a ——初选中心距(mm)。

考虑到文献[3]表7.2，取与'd L 较接近的标准基准长度d L =400mm ，则实际中心距a 为：

mm L L a a d d 8.1012

4

.3974001002'0=-+=-+

≈ 公式4 3.2.6计算小轮包角1α

小轮包角?=??--?=??--

?≈8.1723.57320

40801803.57180121a d d d d α 公式5 3.2.7确定V 带根数Z

V 带根数的计算公式为L

d

K K P P P Z α)(00?+=

公式6

式中 αK ——包角修正系数，考虑包角180α≠?对传动能力的影响，查

参考文献[3]表7.8，可取αK =0.95;

L K ——带长修正系数，考虑带长不为特定带长时对使用寿命的影

响，查参考文献[3]表7.2，可取L K =0.91；

0P ——V 带基本额定功率，查参考文献[3]表7.3，可得单根V 带

所能传递的功率0P =0.95kW;

0P ?——考虑当实际工作条件与理想情况（既不打滑又有一定疲劳

强度）不同时，对0P 的功率增加量，按式)11(10i

b K n K P -=?计算。

对于式)1

1(10i

b K n K P -=? 公式7 其中：

b K ——弯曲影响系数，查参考文献[3]表7.4，对A 型带，

3107725.0-?=b K ；

i K ——传动比影响系数，查参考文献[3]表7.5，当传动比为3.2

时，i K =1.1373；

1n ——小带轮转速(r/min)。 对式（7）代入数据计算： kW K n K P i b 028.0)1373

.111(300107725.0)11(310=-???=-

=?- 对式（6）代入数据计算： 6.291

.095.0)028.095.0(2

.2)(00=??+=?+=

L d K K P P P Z α

圆整，选取V 带根数Z=3。

3.3齿轮的的设计

在本次实训中，自动门主要由齿轮进行传动，故此处主要对齿轮的进行设计和校核。

1、材料选择。小齿轮1选用45Gr ，调质处理，280 HBS ；大齿轮2选用45Gr ，调质处理， 240 HBS ，精度取7级。其中z 3=28， z 4=117。 2.按照接触强度设计

由[2]式（10-9a ）设计计算公式进行试算，即

3

2

11)]

[(132.2H E d t t Z u u T K d σφ+?≥ （1）确定公式内的各计算数值

１） 试选载荷系数Ｋt ＝1.3。 ２） 计算转矩 Ｔ１=54.1。 ３） 查[2]表10-7取齿宽系数 d =1

４） 查[2]表10-6 取材料弹性影响系数Z E =189.8MP 错误！未找到引用源。。

５） 查[2]图10-21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限按齿面硬

度取小齿轮接触疲劳强度极限MPa H 6001lim =σ；大齿轮接触疲劳强度极限MPa H 5502lim =σ。

６） 查[2]式（10-13）计算应力循环次数

N 1=60n 1jL h =60×527×1×(8×300×10)=7.589*108 N 2=60n 2jL h =60×128×1×(8×300×10) =1.85*108

７） 查[2]图10-19取接触疲劳寿命系95.0,90.021==H N H N K K . ８） 计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%，安全系数S=1，由[2]式（10-13）

[][]MPa

MPa S

K MPa

MPa S

K H HN H H HN H 5.522155095.0;5401

60090.02

lim 22

1

lim 11=?=?==?=

?=σσσσ

（2）计算

1） 计算小齿轮分度圆直径,代入错误！未找到引用源。 中较小的值

m m

m m d t 43.525.5228.189132.411.41101.543.132.232

3

1=???

???+???≥

2） 计算圆周速度 s m s m n d v t 45.11000

60527

43.521000

601

1=???=

???=

ππ。

3） 计算齿宽b 。

b= d 1t =1×52.43=52.43㎜

4） 计算齿宽与齿高之比 b/h 。

2

.123.4/43.52/3.425.29.125.29.128

43

.5243.5243.520.1111===?=====

=?=?Φ=h b mm mm m h mm mm z d m mm

mm d b nt t nt t d

5） 计算载荷系数K 。

查[2]表10-2查得使用系数KA=1。

根据v=1.45m/s,7级精度，查[2]图10-8取动载系数KV=1.06。 查[2]表10-3取1==ααF H K K 。 查[2]表10-4取2341.=βH K 。 查[2]图10-13取35.1=βF K 。 故载荷系数

51.1423.1106.11=???=???=βαH H V A K K K K K

6） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，[2]式(10-10a)得 mm mm K K d d t t 1.553

.151.143.523311=?== 7）计算模数m n

mm mm z d m n 97.128

1.5511===

(3) 按齿根弯曲强度设计

由[2]式（10-5）得弯曲强度的设计公式为

)]

[(

23

2

11

F Sa

Fa d n Y Y z KT m σφ?≥

① 确定公式内的各计算数值

1）查[2]图10-20c 取小齿轮的弯曲疲劳强度极限错误！未找到引用源。

=500MPa,大齿轮弯曲疲劳强度极限错误！未找到引用源。=380MPa 。

2）查[2]图10-18取弯曲疲劳寿命系数K FN1=0.85,K FN2=0.88。 3) 计算弯曲疲劳许用应力。

取弯曲疲劳安全系数S=1.4, 由[2]式（10-12）得：

错误！未找到引用源。1=错误！未找到引用源。=303.57MPa

错误！未找到引用源。2

=错误！未找到引用源。=238.86MPa

4）计算载荷系数。

K=K A K V 错误！未找到引用源。=1×1.06×1×1.35=1.44 5）查取齿形系数。

查[2]表10-5取Y Fa1=2.55；Y Fa2=2.175 6）查取应力校正系数。

查[2]表10-5取Y Sa1=1.61；Y Sa2=1.80

7）计算大、小齿轮的错误！未找到引用源。并加以比较

错误！未找到引用源。=0.0135 < 错误！未找到引用源。=0.0164

大齿轮的数值大，取大齿轮得值计算

②设计计算

5.10164.0*2810000

*43.52*44.1*23

2

=≥n m

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算模数m n 大于由齿根弯曲疲劳强度计算模数，取m n=2㎜，已可满足弯曲强度。 （4） 几何尺寸计算（标准齿轮 α=200 h a *

=1 c *

=0.25） 高速级传动齿轮

分度圆直径：d 1=mz 1=52mm d 2=mz 2=142mm

齿顶圆直径：d a1=(z 1+2h a *

)m=56 mm d a2=( z 2+2h a *

)m=146mm

齿根圆直径：d f1=(z 1-2h a *

-2c *

)m=47mm d f2=(z 2-2h a *

-2c *

)m=137mm 齿宽b=φd d 1=52mm 则取B 1=57mm B 2=52mm 中心距a 1=错误！未找到引用源。=97mm

低速级传动齿轮

分度圆直径：d 3=mz 3=56mm d 4=mz 4=234mm 齿顶圆直径：d a3=(z 3+2h a *

)m=60mm d a4=m(z 4+2h a *

)=238mm

齿根圆直径: d f3=(z 3-2h a *-2c *)m=51mm d f4=(z 4-2h a *-2c *)m=229mm

齿宽b=φ

d d

3

=56mm 则取B

3

=61mm B

4

=56mm

中心距a2=错误！未找到引用源。 =145mm

4. 慧鱼系统控制

4.1慧鱼的简介

慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充，如图4.1.1。在本次实训中，我们充分利用慧鱼软件的特点进行对自动门的安装及调试的应用。

图4.1.1

4.2 慧鱼程序设计思路

我们根据自动门的开门关门流程对慧鱼程序进行编写。首先，对开门信号进行反复的检测。当有开门信号输入时，启动电机的正转，并对正转停止行程开关I3进行反复检测，当检测到I3有信号输入时，停止电机的转动。然后进行10秒的延迟。10秒后，启动电机的反转，自动门开始关门，并对障碍检测开关I4

和反转停止行程开关I5进行反复的检测。当关门时遇到障碍，开关I4就会闭合，电机就会停止反转并进行正转开门。而当开关I5闭合时，电机则会停止反转。

4.3慧鱼程序的调试

程序启动后，光感信号灯亮。当我们挡住光感开关的光源时，电机正转，自动门开门。并在碰到正转停止行程开关后，电机停止转动。然后经过10秒后，电机反转，自动门开始关门，碰到反转停止行程开关后，电机停止反转。在自动门关门期间，即电机反转期间，我们按下障碍检测开关后，自动门停止关门并开始开门。并在碰到正转停止行程开关后，电机停止转动。然后经过10秒后，电机反转，自动门开始关门。

4.4慧鱼的照片

慧鱼模型图

5. PLC系统控制

5.1 PLC简介

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。它具有使用方便，编程简单；功能强，性能价格比高；硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强；可靠性高，抗干扰能力强；系统的设计、安装、调试工作量少；维修工作量小，维修方便等特点。

本次实训使用的是FX1N系列单片机，如图4.1。FX1N系列是功能很强大的微PLC，并且能增加特殊功能模块或扩展板。通信和数据链接功能选项使得FX1N在体积、通信和特殊功能模块和能源控制等重要的应用方面非常完美。主机点数14/24/40/60，分为晶体管输出/继电器输出，交流电源/ 直流电源，可扩展到128点。 8000步存储容量，并且可以连接多种扩展模块，特殊功能模块，最大可扩展到多达128I/O点。

图5.1

5.2 PLC设计思路

我们利用Y0来控制电动机的正转，Y1来控制电动机的反转，Y2来控制光感信号灯的启动。程序启动后，Y2输出，信号灯亮。当X0、X1、X4有信号输入时，启动Y0，电机正转。当碰到行程开关X2后，Y0断开，电机停止正转。同时T0开始计时，10秒后，Y1启动，电机反转，碰到行程开关X3后，电机停止。在10秒等待期间内，若X0、X1、X4有信号输入时，定时将断开，并在信号消失后重新开始计时。而在电机反转期间内，若X0、X1、X4有信号输入时，电机将立刻停止反转并正转开门。

5.3 PLC 的电路图

I/O 口分配表5.3.1:

PLC 电路图:

图5.3.1

5.4 PLC 程序的调试

程序启动后，光感信号灯亮。当我们挡住光感开关的光源时，电机正转，自动门开门。并在碰到正转停止行程开关后，电机停止转动。然后经过10秒后 ，电机反转，自动门开始关门，碰到反转停止行程开关后，电机停止反转。在自动门关门期间，即电机反转期间，我们按下障碍检测开关或再次挡住光感开关的光源时，自动门停止关门并开始开门。并在碰到正转停止行程开关后，电机停止转动。然后经过10秒后 ，电机反转，自动门开始关门。另外，在10秒等待期间内，如果按下障碍检测开关或挡住光感开关的光源，自动门将保持开启状态，只

有当障碍检测开关断开且光感开关的光源没有被挡住后，自动门才会在10秒后自动关闭。

5.5 PLC照片

6. 单片机系统控制

6.1单片机简介

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（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。

本课题使用的是STC89C52RC型号的单片机。STC89C52RC是一种带8K字节闪烁可编程可擦出只读存储器的低电平，高性能COM0S8的微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

单片机引脚图如图6.1.1所示:

图6.1.1

L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA 的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。管脚定义如下图所示:

图6.1.2

6.2 单片机设计思路

本课题是采用STC89C52RC单片机进行控制。通过单片机程序，判断开关以及传感器的输入信号，当采集到相应信号时，对L9110H驱动芯片输入正转、反转、停止信号，最后L9110H驱动芯片对电动机进行相应的控制，比如：电机的正转、反转控制。

6.3 单片机电路图

6.3.1 整体电路图

图6.3.1

6.3.2 L9110H应用电路图

图6.3.2

6.4 单片机程序的调试