基于單片機的遙控開門裝置

1、2012年江西省高校大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽基于單片機控制的遙控開門裝置設(shè)計說明書參 賽 者： 指導(dǎo)教師： 參賽單位： 南 昌 航 空大 學(xué) 二0 一二年五月基于單片機控制的遙控開門裝置設(shè)計說明書設(shè)計者： 指導(dǎo)老師： 參賽單位：南昌航空大學(xué)摘要：立足于生活中的小細節(jié)，以生活為行動基礎(chǔ)來為人們提供方便。設(shè)計在寢室內(nèi)使用的遙控開門裝置。該裝置制作簡單、操作方便、實用性強。關(guān)鍵字：單片機；遙控；寢室；開門1 研究背景及意義 隨著時代的進步，人們的生活節(jié)奏也日愈加快，在這個快節(jié)奏的時代里，任何影響生活節(jié)奏的事都會逐漸被取代。而大學(xué)寢室更在大學(xué)里生活得最久，陪伴大學(xué)四年，同時也是最貼近生活，最能表現(xiàn)個人生

2、活特色的地方。在寢室手動開門就成了一個非常頭疼的事！每每在有人敲門時，要放下手中的事來手動開門。這給學(xué)生帶來很多不必要的麻煩。這時一種不要走到門前的遙控開門裝置就很需要了。 圖1 圖2 圖3 現(xiàn)如今寢室大多為擰轉(zhuǎn)式鎖（圖1）。旋轉(zhuǎn)鎖芯（圖2）實現(xiàn)帶動鎖栓（圖3）開門的同時將帶動一個彈簧旋轉(zhuǎn)，鎖芯旋轉(zhuǎn)大約90度后，達到開門效果，并同時固定鎖栓；關(guān)門時靠彈簧的扭力將鎖栓彈出達到自動鎖門的功能。近年來，國內(nèi)外科技工作者申請了大量的自動開門專利，但大多適用于各種庭院門、柵欄門、別墅門等，對于學(xué)生宿舍這種普通旋轉(zhuǎn)式門鎖的自動開關(guān)研究甚少。該裝置可實現(xiàn)在寢室范圍內(nèi)用遙控器控制電路，帶動鎖芯實現(xiàn)開門，并在開

3、門后電路能夠自動斷開回到未開門狀態(tài)，以此保護電機和控制裝置。2 設(shè)計方案為了實現(xiàn)設(shè)備操作簡單方便，設(shè)備要求由電路控制，而且電路開關(guān)應(yīng)該隨齒輪轉(zhuǎn)動而閉合或斷開；為了保證設(shè)備使用安全和經(jīng)濟實惠，設(shè)備要求電池電壓不能大于36V，電路設(shè)計要求簡單，接線口應(yīng)接觸良好；為了設(shè)備固定方便，齒輪應(yīng)該質(zhì)量輕、體積小。2.1齒輪選擇本裝置需要一對齒輪來傳遞動力，并有減速效果。 方案一；用圓柱齒輪連接電動機和鎖芯，利用圓錐齒輪傳動的速度和功率范圍很大，傳動效率高，對中心距的敏感性小，互換性好等特點很好的設(shè)備銜接起來。但是它只能傳動同一平面內(nèi)的運動，這樣就使電動機固定起來非常困難。 方案二；用圓錐齒輪連接電動機和鎖芯

4、，利用它可以改變設(shè)備的傳動方向，使電動機可以與門面水平，是電動機固定起來方便。而且它壽命長，具有高負荷承載力，降噪和減震好。相對其他齒輪，它重量輕，成本低，易于成型，潤滑性好。方案三；用渦輪蝸桿連接電動機和鎖芯，首先可以得到很大的傳動比，比交錯軸斜齒輪機構(gòu)緊湊 而且兩輪嚙合齒面間為線接觸，其承載能力大大高于交錯軸斜齒輪機構(gòu)。蝸桿傳動相當于螺旋傳動，為多齒嚙合傳動，故傳動平穩(wěn)、噪音很小 。但是它具有自鎖性，使門芯不能及時彈回，影響開門效果 ，而且它傳動效率較低，使用時磨損較。 考慮到齒輪需要改變傳動的方向，使電動機固定方便；而且蝸輪蝸桿自身會產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，使設(shè)備無法正常工作，所以選擇方案二2.2

5、電池選擇 所需電池首先要可以帶動設(shè)備正常工作，一方面要提供足夠電流使開關(guān)控制能夠工作，另一方面要提供足夠大的功率是連接門芯的齒輪可以正常轉(zhuǎn)動。其次，電池應(yīng)該質(zhì)量輕、體積小，方便固定在設(shè)備上。 方案一：鋰電池，它額定電壓高，具備高功率承受力，而且重量輕，相同體積下重量約為鉛酸產(chǎn)品的1/5-6；，而且使用壽命較長，但產(chǎn)品成本較高。 方案二： 鉛酸電池，鉛酸電池的循環(huán)壽命差，能大電流放電，比較重，裝配不方便而且鉛和硫酸都污染環(huán)境，但是比鋰電池便宜。 綜合考慮，選擇方案一2.3控制選擇開關(guān)控制首先要可以遠程控制，并要操作簡單方案一：單片機，單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)

6、據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機安裝簡單、調(diào)試工作量小而且方便，最重要的是它功耗較低，對電路的要求不高。方案二：繼電器，繼電器的控制是采用硬件接線實現(xiàn)的，是利用繼電器機械觸電的串聯(lián)或者并聯(lián)及延時繼電器T的之后動作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。繼電器控制邏輯是依靠觸電的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率底，毫秒級、機械觸電有抖動現(xiàn)象。經(jīng)過我們多次調(diào)試發(fā)現(xiàn)，單片機不但出現(xiàn)故障比較少而且故障排除簡單，可滿足裝置一些特殊要求，改動方便。而繼電器則出現(xiàn)許多故障，因為它機

7、械觸電有抖動現(xiàn)象，嚴重影響設(shè)備開門效果。綜合考慮，我們選擇方案一。2.4開關(guān)選擇 當減速電機帶動鎖芯將門開啟后的瞬間，需要使得電機迅速停止運轉(zhuǎn)，防止因電路電流過大，燒壞電機。這樣就產(chǎn)生了兩種控制開關(guān)設(shè)計方案，機械開關(guān)及集成單片機控制開關(guān)。 方案一：機械開關(guān)。按下無線遙控器，接通電源，此時，電路成閉合狀態(tài)，電動機開始工作，此時金屬觸片從金屬材料端滑過，當金屬觸片即將滑離金屬材料端到達絕緣材料端的那一瞬間時，電路成斷路狀態(tài)，此時防盜門剛好打開。此方案缺點：一是滿足要求的金屬觸片不容易加工（固定在電機出軸部分的材料不能為金屬，否則無法斷電）；二是可操作性差（要使電機準確停止在某固定點，難度偏大）。

8、方案二：觸片開關(guān)。設(shè)計單片機程序，使得連桿碰觸觸片開關(guān)后的瞬間，電路自動斷開。觸片開關(guān)能準確定位電機的停止點，也能防止電機燒毀（本方案設(shè)計了一個自動斷開程序，即當電機運轉(zhuǎn)4秒后轉(zhuǎn)盤還未到位，電機停轉(zhuǎn)），并且調(diào)試裝配簡單，方便。因此，采用方案二。3 運動與動力分析3.1開門所需扭矩 在鎖把手上固定一個空塑料瓶（2.5L可樂瓶），逐漸向其中加水，直到門鎖打開。見圖4r塑料瓶質(zhì)量M= 2.5kg，g=9.8Ng瓶和水的重力G=M*g=24.5N，半徑r=2.2cm開門所需要的扭力矩T=G*r= 0.539 N.m 圖43.2開門時間本裝置將電機經(jīng)過一級齒輪減速，控制開門時間在12s內(nèi)。電機主軸轉(zhuǎn)速

9、n=90rpm錐齒輪間的傳動比 i=3經(jīng)過一級減速之后鎖芯轉(zhuǎn)速 =n/i=30rpm開門角度 =95度開門所需要的時間 t=/(*2/60)=0.53s基本達到要求。3.3扭力分析各軸輸入功率分別為 P1=Ped1=2.480%=1.92式中：1電動機與齒輪之間的效率圖5所示傳動系統(tǒng)中各軸扭矩為 T1=9550P1/n1=0.1146 T2=9550P2/n2=0.2750表一項目電動機軸低速軸轉(zhuǎn)速（r/min）9030功率（w）2.41.92轉(zhuǎn)矩（N.m）0.25470.6112傳動比3效率80%T2=0.61120.539,所以電機提供的扭矩滿足開門所需的扭力，能達到開門的目的。 圖53.

10、4錐齒輪參數(shù)已知模數(shù)齒數(shù)，ha*=1，=3.14，計算齒輪其他參數(shù)（如表二所示）。表二尺寸名稱小齒輪大齒輪模數(shù)m1=1m2=1齒數(shù)Z1=18Z2=54分錐角1=arctan(z1/z2)=18.432=90-18.43=71.57分度圓直徑d1=m1.z1=18d2=m2.z2=54齒頂高ha=ha*m=1齒根高hf=(ha*+c*)m=1.2齒頂圓直徑da1= d1+2hacos1=19.90da2= d2+2hacos2=54.63齒根圓直徑df1= d1-2hfcos1=15.72df2= d2-2hfcos2=53.24錐距R=（mz1+z2）/2=28.46分度圓齒厚s=m=3.14

11、齒根角f=arctan(hf/R)=2.41頂錐角a1=1+ f=20.84a2=2+ f=73.98根錐角a1=1- f=16.02a2=2-f=69.16頂隙c=c*m=0.2m=0.2當量齒數(shù)Zv1=z1/cos1=18.97Zv2=z2/cos2=170.81齒寬B=R/3(取整) B=94 電路分析紅外遙控是目前使用最廣泛的一種遙控手段。紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強、成本低、不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設(shè)備的特點。由于其無法穿透墻壁，遙控距離可達8米，且不會產(chǎn)生相互干擾，故室內(nèi)遙控控制的電器絕大數(shù)采用紅外線遙控，紅外線遙控用在室內(nèi)遙控開門裝置上相當合適。電路：5V穩(wěn)壓電路

12、，紅外發(fā)射電路，紅外接收電路，單片機電路，電機驅(qū)動電路，和聲音提示電路。4.1電源電路單片機需5V穩(wěn)定電源，電機直接用電池電壓（12.6V）4.2發(fā)射電路為減小制做難度和減小功耗我們采用現(xiàn)成的遙控發(fā)射裝置，該遙控發(fā)射器為NEC編碼格式（如圖6）。圖6該遙控器體積小、功耗低、成本低、且可實現(xiàn)多路遙控，沒必要再自己設(shè)計一個發(fā)射電路。4.3接收電路 采用紅外接收一體頭接收，STC89C52解碼（信號由外部中斷口INIT0(P3.2）輸入）。成品紅外接收頭的封裝大致有兩種：一種采用鐵皮屏蔽；一種是塑料封裝。都有三只引腳，即電源正（VDD）、電源負（GND）和數(shù)據(jù)輸出（VO或OUT）。成品紅外接收頭的優(yōu)

13、點是不需要復(fù)雜的調(diào)試和外殼屏蔽，使用起來如同一只三極管，非常方便。使用時應(yīng)注意紅外接收頭的載波頻率。外形及引腳排列如圖所示。4.4單片機電路：STCC89C52單片機的作用是解碼，控制蜂鳴器的鳴響提示，給l293信號以控制電機的啟停。4.5電機驅(qū)動電路：實現(xiàn)電機的驅(qū)動、啟停。4.6聲音提示電路： 5 單片機程序設(shè)計用到的STC89C52單片機引腳有P0.0（蜂鳴器控制），P1.1（位置開關(guān)），P3.2(INIT0 紅外一體接收頭信號輸入），P2.6（電機控制）當遙控器發(fā)出信號后，紅外一體接收頭將接收到的信號輸入單片機，經(jīng)單片機解碼后，若為“0”鍵（鍵值16H）則驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)，同時蜂鳴器短鳴；當

14、轉(zhuǎn)盤到位后會將位置開關(guān)按下（接地），單片機檢測到位置開關(guān)輸入的電平信號為0時就控制電機停轉(zhuǎn)，同時蜂鳴器短鳴；若2.5秒后位置開關(guān)未來被按下（即轉(zhuǎn)盤未到位），則電機停轉(zhuǎn)，蜂鳴器長鳴程序如下：#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void delay(uchar x); /x*0.14MSvoid delay1(int ms);void beep();sbit IRIN = P32; /紅外接收

15、器數(shù)據(jù)線sbit BEEP = P00; /蜂鳴器驅(qū)動線sbit moff= P10; /位置開關(guān)sbit in3=P26; /電機控制uint i,j,k;uchar IRCOM7;main() IRIN=1; /I/O口初始化 BEEP=1; delay1(10); /延時 IE = 0x81; /允許總中斷中斷,使能 INT0 外部中斷TCON = 0x01; /觸發(fā)方式為脈沖負邊沿觸發(fā) while(1); /end main/*/void IR_IN() interrupt 0 using 0 unsigned char j,k,N=0; EX0 = 0; delay(15); if

16、(IRIN=1) EX0 =1; return; /確認IR信號出現(xiàn) while (!IRIN) /等IR變?yōu)楦唠娖剑^9ms的前導(dǎo)低電平信號。 delay(1); for (j=0;j4;j+) /收集四組數(shù)據(jù) for (k=0;k=30) EX0=1; return; /0.14ms計數(shù)過長自動離開。 /高電平計數(shù)完畢 IRCOMj=IRCOMj 1; /數(shù)據(jù)最高位補“0” if (N=8) IRCOMj = IRCOMj | 0x80; /數(shù)據(jù)最高位補“1” N=0; /end for k /end for j if (IRCOM2!=IRCOM3) EX0=1; return; /*

17、/ if(IRCOM2=0x16) in3=0; beep(); while(1) if(moff=0)in3=1;beep();break;/*計時*/i+;if(i=50)i=0;j+;if(j=50)j=0;k+;if(k=50)/若2.5秒后轉(zhuǎn)盤還未到位，蜂鳴器長鳴，電機停轉(zhuǎn)，防止電機燒毀k=0;in3=1;beep(); beep();beep();beep();break; EX0 = 1; /*/void beep() unsigned char i; for (i=0;i100;i+) delay(4); BEEP=!BEEP; /BEEP取反 BEEP=1; /關(guān)閉蜂鳴器/*

18、/void delay(unsigned char x) /x*0.14MS unsigned char i; while(x-) for (i = 0; i13; i+) /*/void delay1(int ms) unsigned char y; while(ms-) for(y = 0; y250; y+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); 6 工作原理及性能分析6.1工作原理 由發(fā)射器（遙控器）發(fā)射紅外線信號，當單片機接收器接收紅外線信號后，控制電路的閉合，從而使電動機帶動一對錐齒輪，使防盜門鎖芯轉(zhuǎn)動，達到開門的目的。當門打開后，單片機接到電信號

19、，使電路斷開，以此保護單片機和電機。6.1.1當按下無線遙控器（如圖7）上的“確定”鍵，遙控器發(fā)出紅外線信號圖 76.6.2固定在控制電路板上的接收器接收紅外線信號, 電路閉合，固定在防盜門上的電源開始供電。（如圖8）圖86.6.4使得減速電機（如圖9）開始工作，減速電機由電機固定架固定在門上。圖96.6.5帶動錐齒輪變速傳動裝置（如圖10）的轉(zhuǎn)動，小齒輪固定在減速電機出軸上，大齒輪固定在鎖芯上。圖106.6.6扭轉(zhuǎn)鎖芯（如圖11），從而擰開防盜門 。圖116.6.7當固定在大錐齒輪上的觸片恰好碰觸單片機控制電路上的斷開裝置瞬間（如圖12），電路自動斷開，減速電機停止工作。圖126.6.8此時，壓簧彈開防盜門（如圖13）即可達到開啟門的目的。圖136.6.9當防盜門關(guān)閉時，鎖芯自動回到未開啟狀態(tài)，將防盜門鎖住。6.2 性能分析： 紅外線無線遙控器具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，工作可靠性強等一系列優(yōu)點，特別是室內(nèi)遙控的優(yōu)先遙控方式，并且可控范圍在十米以內(nèi)，足以滿足學(xué)生宿舍的需求。單片機控制電路具有可操作性強，反應(yīng)迅速，靈活，可實現(xiàn)復(fù)雜的控制，且隨時可以修改程序。減速電機：具有減速的作用，同時，電機減速帶來的卻是大轉(zhuǎn)矩，正是開啟防盜門鎖芯所需大力矩的最佳選擇。錐齒輪傳動裝置：由兩個錐齒輪組成，并且錐齒輪傳動是用來傳遞兩相交軸之間的運動和動力的，最重要的一點是錐齒輪可用于兩個互相垂直的軸