声控自动门

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我们制作的声控自动门装置可用于汽车、电瓶车出入频繁的厂房大门或仓库大门的自动控制。汽车行进到距门三十米左右处,司机按一声连续笛音(两秒以上),大门则自动打开,车进门后延续数秒门又自动关闭。如遇多辆车连续进门,门在关闭中的任意位置都能被笛音停住并再度打开。其它的噪声及汽车的断续笛音等干扰信号对此装置不起控制作用。

整个装置由声控电路、单相可控硅整流电路、继电器控制电路、执行电机等部分组成。下面分别予以介绍。

声控电路

声控电路是用来鉴别开门信号和干扰信号的。它由声电转换、前置放大、选频放大、鉴幅整形、积分延时继电器等部分组成。线路见图1。

图1
图1 🔍原图 (1792×526)
图2
图2 🔍原图 (437×338)

声电转换及前置放大:由两只8Ω扬声器及变压器B\(_{1}\)组成声电转换器。扬声器分别装在门的内外,用以接收门内外两个方向的声音信号并转换成电信号。B1用收音机输出变压器代用,初级接BG\(_{1}\)的输入端,次级接扬声器。BG1等组成前置放大器,它对声电转换后的电信号首先进行放大,保证一定的灵敏度。

选频放大器:为了将开门声控信号和各种干扰信号区分开来,采用了选频放大器。选频放大器就是利用开门声控信号和干扰信号频率的不同,而放大声控信号,压抑干扰信号。

选频放大器由BG\(_{2}\)等组成。B2初级等效电感L和C\(_{5}\)组成LC并联谐振回路作为BG2的集电极负载。当放大信号的频率接近LC谐振回路的中心频率f\(_{0}\)时,回路具有最大的等效阻抗,且呈现电阻性。此时,放大电路增益最大。当放大信号频率偏离f0时,LC回路等效阻抗显著减小,电路增益也显著减小。

据测定,汽车、电瓶车喇叭的基频约为780Hz左右。各种车辆喇叭频率并不一样,电瓶电压变化也会使频率发生变化,但这个变化范围大约在750Hz~850Hz。因此谐振电路的中心频率选在780Hz左右即可。为了保证不同汽车的连续喇叭声均能控制电路动作,通频带不宜过窄,可选在100Hz~200Hz范围内。各种干扰声音,如汽车、拖拉机发动机的声音,暴风雨声等等,频率一般在300Hz以下,因此被选频放大器所抑制。

选频特性的好坏决定于下列两个因素:

1.变压器的Q值。我们最初用收音机输入变压器代替,效果不佳,Q值低,通带太宽。后来用φ0.15漆包线重新改绕,初级800匝,次级约380匝,效果较好。

2.放大器本身的增益。放大器本身增益大,选频特性就好。不过选频特性和通带是一对矛盾,为了兼顾二者,BG\(_{2}\)发射极回路串有电流负反馈电阻R7,适当减小增益,保证通带。此外,各级放大器之间的耦合电容及发射极旁路电容都选得较小,因此能有效地抑制300Hz以下的噪音。BG\(_{3}\)是对选频放大后的信号再一次放大。

鉴幅整形电路:经选频放大后的各种声音信号幅度有了差别,开门的喇叭信号峰值大,而其它干扰信号峰值小。利用这个差别就可以通过鉴幅电路排除干扰,而让开门信号顺利通过。

鉴幅电路由BG\(_{4}\)、BG5组成。静态时BG\(_{4}\)截止,BG5饱和,发射极电位U\(_{e}\)≈2.3V。由R13、R\(_{14}\)组成分压电路,使BG4静态基极电位U\(_{b4}\)≈2V。要使电路翻转,必须使BG4基极电位超过U\(_{e}\)+0.7V,即超过3V,则电路的门阈电压为:

V\(_{阈}\)=3V-2V=1V

这就是说,选频放大后的信号峰值超过1V就能使电路翻转,低于1V电路不翻转。鉴幅后的信号同时被整形成统一幅度的方波送到下一级。

从现场使用情况看,门阈电压在1~3V范围内为好,兼顾抗干扰和电路输出幅度。

积分延时电路:选频、鉴幅电路虽然能有效地将喇叭信号选出来,但有两种干扰信号不能排除:一是过路车辆(不进门)的喇叭声;二是频率位于通带内而且强度足够大的其它声音信号,如撞击声。仔细分析这些信号的特征可以发现,过路车辆一般习惯按短促的笛音,连续时间超过2秒的较少;其它声音的频率和强度变化很大,连续2秒不间断的也很少。根据这种情况,我们采用积分延时电路,将开门信号——一声不间断的长音和上述两种干扰信号分开。这对司机来说,并无苛刻的要求——距门30米左右行进中按喇叭,看到门动作即停止。

积分延时电路的工作过程如下:无信号时倒相级BG\(_{6}\)截止,起充放电控制开关作用的BG7饱和,C\(_{13}\)两端电压近似为0,BG8截止,继电器J处于释放状态。当有信号进入时,BG\(_{6}\)饱和,BG7截止,C\(_{13}\)充电,BG7集电极电位U\(_{C7}\)不断上升。如果信号持续时间超过2秒,UC7上升到超过DW\(_{2}\)击穿电压及BG8基射间正向压降之和时,BG\(_{8}\)立即导通,继电器吸合,发出开门信号。如果信号持续时间小于2秒,或在信号作用期间有间断,则在停止信号瞬间C13通过饱和管BG\(_{7}\)迅速放电到0,继电器不会动作。连续2秒以上的信号和间断信号作用下的鉴幅输出以后的各点波形分别见图2a、b。

图3
图3 🔍原图 (820×935)

需要说明,鉴幅输出端必须要有R\(_{2}\)0、R21、C\(_{12}\)组成的积分电路,将鉴幅输出的方波群变成宽度等于信号作用时间的一个方波,见图2中Ub6的波形。如果没有这一措施,BG\(_{6}\)、BG7就会按信号频率作开关动作,后面的积分延时电路充电慢、放电快,C\(_{13}\)就不能充电,门就根本不能动作。积分电容C12不宜过大,否则在短促的间断期内BG\(_{6}\)不能截止,BG7不能饱和,因而造成误动作。稳压管DW\(_{1}\)是防止无信号时由BG5集电极向C\(_{12}\)充电。DW2提高了BG\(_{8}\)的导通电位,因而在电容C13的数值较小的情况下,能获得较长的延迟时间。C\(_{14}\)防止Jl吸合时抖动。在自动关门的过程中,如果又来了进出门车辆,则应适当减少叫门时间,为此,在R\(_{24}\)上并有一副控制接点CJO1—3,该接点在门动作过程中一直是闭合的,门不动作时则是打开的(见后述)。

采用以上电路基本能保证自动门只按规定信号动作,很少误动作。如果大门距街道较远,则更为可靠,因为即使远处有长的不间断的喇叭声,传到大门处已经变弱,达不到门阈电压值,大门仍不动作。

整个控制电路对元器件要求不高,均为常用元件。调试也十分简单,只要按电路的要求装配即可。图1标出了各晶体管静态电压或电流值。

调整R\(_{13}\)、R14的分压比,可以改变鉴幅电路的门阈电压,从而改变抗干扰能力。调整灵敏度电位器W\(_{1}\)也可改变抗干扰能力。但是,灵敏度和抗干扰能力也是矛盾的,因此调整时要视具体环境而定。

可控硅控制电路

自动门传动控制采用什么电路要根据具体情况而定。我们使用的门是5m×5m单扇一侧开,悬吊式钢丝绳牵引,要求快速开门,慢速关门,所以采用可控硅调速直流电机系统,成本较高。在不要求两速的情况下,可采用交流电机,那就简单多了。

下面把我们所采用的可控硅控制电路作一简要介绍,供大家参考。线路图见图3。

图4
图4 🔍原图 (1374×900)

可控硅电路包括触发电路和主回路两部分。触发电路采用单结晶体管组成的张驰振荡器。开门的时候,接点CJO\(_{2—2}\)闭合,电源电压通过R27、电位器W\(_{2}\)、R29使BG\(_{9}\)导通,这时BG10也跟着导通,从而给电容C\(_{19}\)充电,于是单结晶体管就连续输出尖脉冲触发可控硅。关门时CJO3—3闭合,电源电压通过R\(_{28}\)、W3等使BG\(_{9}\)导通,工作过程和开门时相同。调节W2、W\(_{3}\)可以控制开、关门的速度。

电容C\(_{17}\)作起动延时用,以防电机全速起动电流过大损坏可控硅。CJO2—3、CJO\(_{3—4}\)是为了在大门停关期间使C17很快放电,以保证下一次延时,这在大门停关复开过程中十分重要。二极管D\(_{7}\)、D8起箝位作用。

主回路采用单相半控桥。变换接触器的两组接点(一组是CJO\(_{2—4}\)、CJO2—5,另一组是CJO\(_{3—5}\)、CJO3—6)可控制电机的正反转。R\(_{41}\)、W5组成电压负反馈电路,从W\(_{5}\)取出反馈信号通过R30加到BG\(_{9}\)的基极,这就能通过电机电压的大小去控制可控硅的导通角。反馈量取电枢电压的2%~4%为宜。C22、R\(_{38}\)和C23、R\(_{39}\)分别为交、直流阻容保护电路。R40、W\(_{4}\)、BG11和D\(_{6}\)等组成过流保护电路。正常工作时,调节W4使BG\(_{11}\)的Ube<0.6V,BG\(_{11}\)截止,不影响触发电路的工作;过载时,BG11的V\(_{be}\)>0.6V,管子导通,其集电极电位下降,通过二极管D6使BG\(_{9}\)的基极电位也迅速下降,从而使BG9、BG\(_{1}\)0的集电极电流都迅速下降,这就大大降低了触发频率,使可控硅导通角变小,加在电视上的电压也迅速减小,从而保护了电机。R40是用铁铬铝丝绕成的,其阻值为0.1~0.2欧。二极管D\(_{16}\)起续流作用。

继电器控制电路

线路图见图4。CJO\(_{1}\)为门动作控制接触器,它除了受手动按钮K2、K\(_{3}\)、K4、K\(_{5}\)(可分别装于门内外)控制以外,还受继电器J1的接点和极限行程开关XK\(_{1}\)控制。CJO2、CJO\(_{3}\)为电极正、反转切换接触器。JS1为延时自动关门的时间继电器,JS\(_{2}\)是为了在门停关复开过程中稍作延时,以防电机突然反转时起动电流过大。

图5
图5 🔍原图 (791×509)

整个继电器控制电路的工作过程是当出现进门车信号时,J\(_{1}\)动作,常开接点J1—1吸合,CJO\(_{1}\)、CJO2同时动作并通过自己的接点CJO\(_{1—1}\)、CJO2—6自锁,电机电源也通过接点CJO\(_{2—4}\)、CJO2—5接通,电机正转,大门自动打开。当门开到极限位置时撞动行程开关XK\(_{2}\)、XK2接通,JS\(_{1}\)、JS2同时吸合。无电延合接点JS\(_{2—1}\)断开,CJO2释放,它的接点CJO\(_{2—4}\)、CJO2—5断开电机电源,电机停转,门停开。JS\(_{1}\)吸合后延时十几秒钟其有电延合接点JS1—1接通,CJO\(_{3}\)吸合并自锁,它的接点CJO3—5、CJO\(_{3—6}\)把电机电源接通,电机反转,门自动关闭。在关门过程中,若不出现要求重开门信号,门一直关到极限位置,撞动XK1切断主接触器电源,CJO\(_{1}\)释放,整个电路停止工作。若关门途中出现要求复开信号,J1吸合,其常闭触点J\(_{1—2}\)断开,切断了CJO3。JS\(_{1}\)、JS2的电源使它们释放,此时CJO\(_{1}\)仍吸合。JS2释放后延时0.6~1秒,它的无电延合接点JS\(_{2—1}\)接通,于是CJO2吸合,电机电源接通,电机又正转,门随即复开。

此控制电路要求XK\(_{2}\)在开门后,JS1在延时过程中处于闭合状态。XK\(_{2}\)用双臂行程开关,若用自动复位的单臂行程开关,必须使撞块在JS1延时过程中始终压住XK\(_{2}\)。另外,在开门速度较快的情况下最好加装机械缓冲装置。(宋雪涛)