CN115095246A - 一种家用自储能电控闭门器及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明设计一种家用自储能电控闭门器及控制方法，涉及微能量拾取系统和电路、机械领域；设计将人开、关门所产生的动能转化为电能并供给门内嵌入的安防系统；使用按压式交流发电机和创新设计的整流稳压电路拾取开、关门时所产生的动能并将之转换为电能，再通过电路供给安防系统；通过其配套的蓝牙组件方便用户关注设备电池状态和其他模块工作状态；产品使用方便，且结构简单、成本低廉，满足节能减排、零碳排放的环保理念；满足大众对于房屋安防的需求，长久稳定且可靠；闭门器组件可重复利用、不需要提前充电、发电用电一体化，实现安防智能监控，同时减少碳排放量，实现微能量的资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于按压式发电机发电领域，具体涉及一种家用自储能电控闭门器及控制方法。
背景技术
市面上应用最广泛的电动式闭门器在平时并不用电，可以进行0～180°范围内旋转活动，一但发生火灾时自动闭门器就会进行自行关闭门，而且还自行恢复不通电状态，确保安全后可以给出反馈信号。在没有复位的情况下，这时就会启动不定位闭门器系统，这样就可以进行活动了，待消防的警报解除后就必须要手动复位，复位后则有可以恢复工作。目前防火门市场上仍使用这种自动闭门器，这样可以有效的防止危险情况发生。
此外，锁止机构用于限位控制闭门器开通角度，更加方便控制。锁止机构包括停位件、维持单元和电流控制单元。停位件具有旋转轴，所述停位件在旋转过程中至少具有初始位置和锁定位置，当所述停位件处于所述锁定位置时，所述停位件对所述滑块形成回退阻止，当所述停位件处于所述初始位置时，所述停位件对所述滑块解除回退阻止；维持单元，所述维持单元用于通电后将所述停位件维持于所述锁定位置；电流控制单元，所述电流控制单元用于在所述滑块前进至预定位置时被触发，从而使维持单元通电。
虽然可以进行大范围内的活动，但是会自关断，无法使门固定停在某个特定的角度，警报解除后还必须要手动复位，没有实现真正的智能控制；整套系统还需要外界供电，在一些不能定期更换或者使用频繁的场所，更换电池等电能装置的操作会变的更加麻烦、增加劳动量，而且没电时会耽误正常使用，影响正常通行。更重要的是，不环保，增加了碳排放，与低碳绿色能源再利用的理念相悖。
现有技术中具有类似发电功能的闭门器都采用直流发电机，不能做到高效发电。此外还有一些技术使用了内置的功率管理电路来分配电能流向，但是使用传统机械式闭门器，也没有配备微型控制芯片。这样就无法让用户自定义门的悬停角度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明设计一种家用自储能电控闭门器及控制方法。
一种家用自储能电控闭门器，包括：控制芯片、整流稳压电路、微型电动机、同轴齿轮、齿条、电磁阀、蓝牙芯片、强力弹簧、红外测距传感器、闭门器主体、联动滑轨连杆以及调速阀；
其中，传统电机的励磁部分改为转子、电枢绕组改为定子来减少电枢绕组线圈的磨损；使用定制的铷铁硼磁铁按压式交流发电机，高效利用齿条复位过程中产生的电能；整流稳压电路分为整流和稳压两部分；整流电路为四个二极管构成的整流桥；稳压电路使用低差压稳压器，低差压稳压器是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管由一个PNP驱动的NPN管组成，且其内部集成过热保护和限流电路；
所述，控制芯片一端连接整流稳压电路一端，整流稳压电路另一端通过一个微型电动机连接在同轴齿轮上，齿条一端与齿轮啮合用于传动，另一端连接电磁阀和强力弹簧，弹簧后连接着测距的红外测距传感器；上述连接组成的装置内置于一个闭门器中，闭门器主体安装在门板上部靠近门框处，连杆一端连接联动滑轨，另一端通过调速阀安装在闭门器主体顶部，组成一种自储能电控闭门器；
一种家用自储能电控闭门器的控制方法，基于一种家用自储能电控闭门器实现，具体包括以下：
当门轴转动时，带动和连杆啮合的发电机；
发电机拾取用户开关门时产生的动能转化为电能；
发电机生产的电能通过整流稳压装置，变成稳定的电压来源供能给智能门锁安防模块；同时发电机产生的电能会在电路作用下经过选择；储能电池没电时，发电机会给储能电池充电，优先保证测距微控制芯片正常工作后，便可保证其对温度的监测和控制功能；如果开关门的频率过低导致发电量不足时，储能电池会用自身电量协助整个智能门工作。当电量充足时，过流保护装置会阻断发电机和储能电池之间的联系，发电机发电会直接智能红外门眼等附加设备。
红外测距传感器测量门的开合角度，进而通过电磁继电器控制门板的最大悬停角度：当门的开度小于90°，门会自动关闭；门的开度大于90°，门会保持当前角度；门的开度大于 130°，门会自动回正到90°。
用户也可以通过蓝牙芯片到控制芯片自己设定设定最大悬停角度。当红外传感器测到已经到达最大悬停角度时，控制芯片闭合电磁阀，使得弹簧卡住；
此外，通过内置的蓝牙装置，使用者可以通过手机随时查看设备电池状态监控红外测距、微控制芯片、火灾报警、红外门眼等的工作状态，对控制芯片发送指令。
本发明有益技术效果：
本发明设计的家用自储能电控闭门器组件可重复利用、不需要提前充电、发电用电一体化，具有较高的节能效果。而且整个智能门系统利用开关门过程的机械能转化为电能供给安防系统，实现了能源的回收再利用，节约能源，降低碳排放，促进国家节能进程，减少国家电能的浪费，一定程度上实现了微能量的资源化利用。
该发明在具有智能控制、零碳排放、高舒适度的属性的同时，其中自主研发的智能门安防系统可以大面积推广到整栋楼整个小区，通过信息上传中枢实现整体的暗智能安防生态，减少人员工作量，实现高效管理，大范围回收利用微能量。具体具有以下效果：
1.产品使用按发电机，通过门开关是自身运动将机械能转化成电能供给整个智能门系统，突破了以前智能门锁只能通过外接电源供电的单一途径，无污染、零碳排放。
2.采用控制芯片控制电磁阀，可以实现自定义最大悬停角度。
3.采用自设计的稳压电路。融入“削峰填谷”的思想，按压式发电机发电盈余时给供能电池(储能电池)充电，发电不足时储能电池协助供电用于智能门锁等其余部分。
4.供电装置连接了智能门锁、智能红外门眼等现有的技术。在实现电控闭门器限制门的开关和角度等基本要求的同时，靠开关门的电能储存供能智能门锁等模块，实现能源的回收再利用，新颖别致。内置蓝牙装置，方便使用者关注设备电池状态，使用者可以通过手机随时监控红外测距、微控制芯片、火灾报警、红外门眼等的工作状态。
附图说明
图1本发明实施例闭门器整体外观；
图2本发明实施例闭门器安装位置；
图3本发明实施例电控闭门器内部结构；其中1代表控制芯片和整流稳压电路，2代表微型电动机，3代表同轴齿轮，4代表齿条，5代表电磁阀和强力弹簧，6代表红外测距传感器；
图4本发明实施例整流稳压电路设计图；
图5本发明实施例智能电控闭门器逻辑流程图；
图6本发明实施例连杆和闭门器主体结构图；
图7本发明实施例发电机输出电压波形图；
图8本发明实施例整流稳压后的输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明；
本发明通过齿轮组结构做成一个内隐按压式发电机的家用自储能电控闭门器，进而打造一整个智能门系统，涉及限制门的开关和角度等基本要求和智能门锁、智能红外门眼等一套门能量综合回收再利用系统。由于为控制芯片和红外测距传感器由闭门器上的机械能拾取装置供电整个系统不需要外界提供任何能源，靠开关门的微能量就可实现整个系统的电能供给，解决了以前智能门系统需要外部供能定时更换电池的问题，降低能源损耗和环境污染，减少碳排放。
一种家用自储能电控闭门器，整体外观如附图1所示，内部结构如附图3所示，包括：控制芯片、整流稳压电路、微型电动机、同轴齿轮、齿条、电磁阀、蓝牙芯片、强力弹簧、红外测距传感器、闭门器主体、联动滑轨连杆以及调速阀；连杆和闭门器主体结构图如附图 6所示；
家用自储能电控闭门器最基本的实现原理是当门轴转动时，带动和连杆啮合的发电机，进而拾取用户开关门时产生的动能转化为电能，再通过整流稳压装置供能智能门锁等模块。当用户通过蓝牙芯片到控制芯片设定最大悬停角度，当红外传感器测到已经到达最大悬停角度时，控制芯片闭合电磁阀，使得弹簧卡住。在附图2中，闭门器主体安装在门板上部靠近门框处，连杆安装在闭门器主体顶部。在附图1中，闭门器整体包括闭门器主体、联动滑轨和连杆。在闭连杆和闭门器主体中，连杆和闭门器主体的连结部分由螺丝、垫圈和调速阀构成。
为了实现对闭门器、微型控制芯片和红外测距传感器的稳定供电，设计了一个整流稳压电路将交流发电机产生的交变电流转化为平整的直流电流。电路设计图如图4所示；其中，整流稳压电路分为整流和稳压两部分；整流电路为四个二极管构成的整流桥；在保证AC-DC 转换的同时缩小电路占用的空间。稳压电路使用低差压稳压器ASM-1117，AMS1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管由一个PNP驱动的NPN管组成，且其内部集成过热保护和限流电路,是电池供电和便携式计算机的相对理想选择。为了确保AMS1117的稳定性， IN跟OUT都要接一个100nf(104)的滤除高频，220uF的钽电容滤除低频。
整流稳压电路的设计峰值为15V 1.5A，首先将发电机产生的交变电压整流成直流电，之后在稳压电路中，AMS1117将整流过后的直流不平整电压稳压至5.1V左右，这样可以保护器件，并且达到所有部件正常工作所需的平均电压。
所述，控制芯片一端连接整流稳压电路一端，整流稳压电路另一端通过一个微型电动机连接在同轴齿轮上，齿条一端与齿轮啮合用于传动，另一端连接电磁阀和强力弹簧，弹簧后连接着测距的红外测距传感器；上述连接组成的装置内置于一个闭门器中，闭门器主体安装在门板上部靠近门框处，连杆一端连接联动滑轨，另一端通过调速阀安装在闭门器主体顶部，组成一种自储能电控闭门器；
一种家用自储能电控闭门器的控制方法，基于一种家用自储能电控闭门器实现，具体包括以下：
当门轴转动时，带动和连杆啮合的发电机；
发电机拾取用户开关门时产生的动能转化为电能；
发电机生产的电能通过整流稳压装置，变成稳定的电压来源供能给智能门锁安防模块；同时发电机产生的电能会在电路作用下经过选择；储能电池没电时，发电机会给储能电池充电，优先保证测距微控制芯片正常工作后，便可保证其对温度的监测和控制功能；如果开关门的频率过低导致发电量不足时，储能电池会用自身电量协助整个智能门工作。当电量充足时，过流保护装置会阻断发电机和储能电池之间的联系，发电机发电会直接智能红外门眼等附加设备。发电机输出电压波形图如附图7所示；图8为本发明实施例整流稳压后的输出电压波形图。
红外测距传感器测量门的开合角度，进而通过电磁继电器控制门板的最大悬停角度：当门的开度小于90°，门会自动关闭；门的开度大于90°，门会保持当前角度；门的开度大于 130°，门会自动回正到90°。
用户也可以通过蓝牙芯片到控制芯片自己设定设定最大悬停角度。当红外传感器测到已经到达最大悬停角度时，控制芯片闭合电磁阀，使得弹簧卡住；
此外，通过内置的蓝牙装置，使用者可以通过手机随时查看设备电池状态监控红外测距、微控制芯片、火灾报警、红外门眼等的工作状态，对控制芯片发送指令。
该微型发电机的创新点在于将传统电机的励磁部分改为转子，而将电枢绕组改为定子来减少电枢绕组线圈的磨损。同时使用定制的铷铁硼磁铁按压式交流发电机的设计相较于市面上常见的按压式直流电机，可以更高效地利用齿条复位过程中产生的电能。针对发电机的效率和实际功率，在性能测试中进行了模拟实际场景的调试和测试。
使用电控闭门器，并加入微型控制芯片和红外测距传感器，可以通过红外线测得门的开合角度，进而通过电磁继电器控制门板的最大悬停角度：当门的开度小于90°，门会自动关闭；门的开度大于90°，门会保持当前角度；门的开度大于130°，门会自动回正到90°。这是闭门器常规作用的改进，也是核心部分。同时使用900mAh容量的5V输出的微型电池为微控制芯片供电。为了确保智能温控系统能够稳定运行，除了基本组件之外(如控制芯片单片机及其套件、发电机、整流稳压电路)，还在电路中添加了保护电池的过流保护装置。
用户通过内置的蓝牙装置方便使用移动设备电池状态，使用者可以通过手机随时监控红外测距、微控制芯片、火灾报警、红外门眼等的工作状态对单片机发送指令。具体逻辑流程图和电路图如图5所示。
对上述电控闭门器及控制方法进行实验模型；首先进行了闭门器整体基本功能的实验，由于主要电路均为集成式，且安装在不易弯折的位置，电控闭门器在测试中表现良好。具体电气参数如表1所示。
表1智能电控闭门器主要部件电气参数；
在实验室中，对前文所述的理论设计方案和家用智能电控闭门器的实际性能数据进行了逐一测试。
首先，将整流稳压电路连接到发电机上，再将整体安装到电控闭门器里面，在模拟高频开关门的过程及电机按压速率的条件下测量整流稳压电路输出的波形图。通过示波器，发电机输出波形和所得整流稳压输出波形如图7和图8所示。由波形图可得，整流稳压电路模块可以正常运行且效果显著。
第二步，将蓝牙模块等器件进行连接、运行和校正。接着，通过蓝牙监控下达命令要求重新设置开门角度，打开门，发现门能够停在预设角度，说明所有模块功能正常。
第三步，测试电磁阀的开合情况和整个闭门器电路的可靠性和效率。分别对储能电池没有电、电量不足和电量充足的情况下闭门器重设开关角度的完成情况进行实验，同时监测储能电池电量情况。没电时，发电机会给储能电池充电，优先保证测距微控制芯片正常工作后，便可保证其对温度的监测和控制功能。电量不足情况与此类似。当电量充足时，过流保护装置会阻断发电机和储能电池之间的联系，发电机发电会直接智能红外门眼等附加设备。如果开关门的频率过低导致发电量不足时，储能电池会用自身电量协助整个智能门工作。
最后进行整体可行性测试。将发电机、芯片等所有电路元件全部安装进闭门器对应位置打好对应的空洞中后安装到门上进行测试。随着开关门动作的累加，发现智能门的红外门眼等需要用电的模块均被激活，正常工作，储能电池为充电状态。当设置门的开通角度之后，将门大开，门会回到预设角度并停止运动。经过测试，此时为储能电池供电状态。通过实验结果表明，各项测试结指标与实际设想拟合度较高，可以实现设计功能。
Claims (7)
1.一种家用自储能电控闭门器，其特征在于，包括：控制芯片、整流稳压电路、微型电动机、同轴齿轮、齿条、电磁阀、蓝牙芯片、强力弹簧、红外测距传感器、闭门器主体、联动滑轨连杆以及调速阀。
2.根据权利要求1所述的一种家用自储能电控闭门器，其特征在于，所述控制芯片一端连接整流稳压电路一端，整流稳压电路另一端通过一个微型电动机连接在同轴齿轮上，齿条一端与齿轮啮合用于传动，另一端连接电磁阀和强力弹簧，弹簧后连接着测距的红外测距传感器；上述连接组成的装置内置于一个闭门器中，闭门器主体安装在门板上部靠近门框处，连杆一端连接联动滑轨，另一端通过调速阀安装在闭门器主体顶部，组成一种自储能电控闭门器。
3.根据权利要求1所述的一种家用自储能电控闭门器，其特征在于，所述微型电动机，将传统电机的励磁部分改为转子、电枢绕组改为定子来减少电枢绕组线圈的磨损；使用定制的铷铁硼磁铁按压式交流发电机，高效利用齿条复位过程中产生的电能。
4.根据权利要求1所述的一种家用自储能电控闭门器，其特征在于，所述整流稳压电路分为整流和稳压两部分；整流电路为四个二极管构成的整流桥；稳压电路使用低差压稳压器，低差压稳压器是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管由一个PNP驱动的NPN管组成，且其内部集成过热保护和限流电路。
5.一种家用自储能电控闭门器的控制方法，基于权利要求1一种家用自储能电控闭门器实现，其特征在于，具体包括以下内容：
当门轴转动时，带动和连杆啮合的发电机；
发电机拾取用户开关门时产生的动能转化为电能；
红外测距传感器测量门的开合角度，进而通过电磁继电器控制门板的最大悬停角度：当门的开度小于90°，门会自动关闭；门的开度大于90°，门会保持当前角度；门的开度大于130°，门会自动回正到90°；
用户也可以通过蓝牙芯片到控制芯片自己设定设定最大悬停角度；当红外传感器测到已经到达最大悬停角度时，控制芯片闭合电磁阀，使得弹簧卡住。
6.根据权利要求5所述的一种家用自储能电控闭门器的控制方法，其特征在于，发电机生产的电能通过整流稳压装置，变成稳定的电压来源供能给智能门锁安防模块；同时发电机产生的电能会在电路作用下经过选择；储能电池没电时，发电机会给储能电池充电，优先保证测距微控制芯片正常工作后，便可保证其对温度的监测和控制功能；如果开关门的频率过低导致发电量不足时，储能电池会用自身电量协助整个智能门工作；当电量充足时，过流保护装置会阻断发电机和储能电池之间的联系，发电机发电会直接智能红外门眼等附加设备。
7.根据权利要求5所述的一种家用自储能电控闭门器的控制方法，其特征在于，通过内置的蓝牙装置，使用者通过手机随时查看设备电池状态监控红外测距、微控制芯片、火灾报警、红外门眼等的工作状态，对控制芯片发送指令。
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