家用型自動牙膏機的設計-控制系統(tǒng)設計55

浙江科技學院本科畢業(yè)設計（論文）PAGE33-浙江科技學院本科畢業(yè)設計題目家用型自動牙膏機的設計——控制系統(tǒng)設計學院機械學院專業(yè)機械設計制造及其自動化班級機制（理工）學號學生姓名指導教師完成日期家用型自動牙膏機的設計學生:指導老師教授浙江科技學院機械學院摘要本文主要對家用型自動牙膏機主體進行詳細的設計、計算、校核、選型。分析了家用型自動牙膏機要求實現(xiàn)的功能要求，了解了同類型家用型機構的工作原理，基本結構，系統(tǒng)組成及功能；研究了家用型自動牙膏機的系統(tǒng)構成及功能，各元器件的選型方法，以及系統(tǒng)的實現(xiàn)方式等。自動牙膏機是一個簡單的機電一體化產品，融合了紅外技術，單片機，繼電器，電機等相關技術。其主要技術路線是通過紅外感應控制，觸發(fā)電機工作，通過控制電機的行程來控制牙膏的擠出量。設計主要包括了家用型自動牙膏機的結構，裝配，選材，控制系統(tǒng)設計，電機選擇，以及標準件的選擇。本文對設計中，家用型自動牙膏機的結構圖，裝配圖，零件圖，以及控制系統(tǒng)的電路圖，單片機程序，都有詳細的說明。關鍵詞:紅外感應延時控制虛擬裝配單片機89C2051TheDesginofAutomatictoothpastemachineStudent:zhulongAdvisor:Dr.NingChenSchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering

ZhejiangUniversityofScienceandTechnologyAbstractInthispaper,itsmainlyaboutthedetaileddesign,calculation,checking&selectionoftheAutomatictoothpastemachine.ItanalyzestheFunctionalrequirementsoftheAutomatictoothpastemfsmallhouseholdappliances.ItresearchedtheSystemStructureandFunctionoftheAutomatictoothpastemachine,thewaytoselectcomachine.Understandingtheworkingprinciple,Basicstructure,Systemcomponents&Functionofthesametypeoponents&theRealizationofthesysterm.Automatictoothpastemachineisasimpleproductofmechatronics,itincludesinfraredtechnology,SCMtechnology,relay,motortechnologyandsoon.Throughthecontrolofinfraredsensors,triggerthemotor’sworking,thencontroltheetrusionvolumeofthetoothpastethroughthetripofthemotor.AndthisisthemaintechnicalrouteoftheDomestic-automatictoothpastemachine.Thedesignmainlyaboutstructuredesgin,assembly,materialselection,controlsystemdesign,selectionofmotor&thestandardparts.Inthispaper,therehavedetailedexplanationsaboutthestructure,assembly,partsmap,andthecontrolsystemcircuitdiagram&SCMproceduresoftheAutomatictoothpastemachine.Keywords：infraredsensors；DelayControl；Virtualassembly；SCM89C2051目錄第一章 緒論 -5-1.1 設計目的及意義 -5-1.2 研究背景 -5-1.3 研究的方法與技術路線 -6-1.4 論文內容概述 -6-第二章紅外感應與單片機控制應用 -8-2.1紅外感應技術 -8-2.2單片機控制系統(tǒng) -9-第三章自動擠牙膏機原理方案構思和擬定 -14-3.1整體方案 -14-3.2自動擠牙膏機機構設計 -14-3.2.1底座設計 -15-3.2.2中間套筒設計 -15-3.2.3滾筒裝置設計 -15-3.2.4左右檔板設計 -16-3.2.5頂蓋設計 -16-3.2.6后蓋與門的設計 -17-3.3虛擬裝配 -17-第四章設計參數(shù)選擇 -19-4.1電機選擇 -19-4.2螺桿選擇 -20-4.2.1螺桿螺母材料選擇 -20-4.2.2螺桿中徑確定 -20-4.3電機延時時間確定 -20-第五章控制系統(tǒng)設計 -21-5.1紅外發(fā)射電路 -22-5.2紅外接收電路 -23-5.3單片機電路 -23-5.4元器件選擇與制作 -24-5.5單片機程序編制 -26-第六章總結 -28-致謝 -29-

緒論設計目的及意義隨著生活節(jié)奏的加快，人們越來越需要方便快捷的生活方式。如今，智能家電已經順應人們的需求走進了消費者的視野。根據(jù)環(huán)境隨意調節(jié)風量的空調，精確控溫的冰箱，感知衣量的洗衣機，這些曾經讓消費者感到功能花哨、價格昂貴的智能家電三劍客，如今卻越來越受歡迎。盡管目前價格仍偏高，但其市場接受程度正在不斷提高。由于價格存在較大的下調空間，智能家電的魅力將逐步凸顯，家電智能化將成家電市場發(fā)展的趨勢。日常生活中，特別是在各大小賓館，目前使用的牙膏都是一次性牙膏，那么在使用過程中，牙膏的浪費現(xiàn)象很嚴重。自動牙膏機可以從一定程度上,節(jié)省寶貴的時間,在生活節(jié)奏飛快的今天,可以說是應運而生。研究背景隨著消費水平的提高，人們越來越要求小家電應該充分體現(xiàn)“智能、安全、多功能、節(jié)能和環(huán)?！钡膬?yōu)勢，只有這樣，“它”才會備受人們的歡迎和喜愛，作為小家電自身也才會有更為廣闊的發(fā)展前景。藍色家電已經是每個家庭不可缺少的一部分。現(xiàn)代高科技和信息技術正逐步由智能大廈走向住宅小區(qū)從而進入家庭?，F(xiàn)代社會的家庭也正在以信息多元化、安全、舒適與便利的生活環(huán)境作為一個理想的目標國家也在《2000年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產業(yè)工程項目實施方案》中，將建設智能化小康示范小區(qū)列入國家重點發(fā)展方向，因此也就必然促使自動化技術從智能大廈向住宅小區(qū)乃至家庭的方向發(fā)展。1983年美國電子工業(yè)協(xié)會就組織專門機構開始制定家庭電氣設計標準，并于1988年編制第一個適用于家庭電氣設計標準，即：《家庭自動化系統(tǒng)與通訊標準》(HBS)。美國家庭自動化的控制規(guī)格，是全球過去數(shù)十年來由這個領域的工程師，依據(jù)其工作經驗規(guī)劃出初步的控制規(guī)格，再進一步以策略聯(lián)盟的方式，共同制訂出一套大家同意共同遵循的控制規(guī)格。目前美國在控制規(guī)格的制訂上，較具規(guī)模及知名度的組織有三個：X-10、CeBus及LonWorks。自從世界上第一幢智能建筑1984年在美國出現(xiàn)后，美國、加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經濟比較發(fā)達的國家先后提出了各種智能家居的方案。智能家居在美國、德國、新加坡、日本等國都有廣泛應用。

我國也從1997年初開始制訂《小康住宅電氣設計(標準)導則》，要求智能家庭要有高度的安全性、舒適的生活環(huán)境、便利的通訊方式、綜合信息服務、家庭自動化系統(tǒng)，同時也對小康住宅在安全防范、家庭設備智能化和通訊網絡配置等方面提出了三級設計標準。即：第一級為“理想目標”；第二級為“普及目標”；第三級為“最低目標”。據(jù)統(tǒng)計，未來5年我國城市居民家庭對于燃氣具產品的需求旺盛，預期購買率將達到50%%左右，燃氣灶的市場需求總量將達到4240萬臺，市場容量400億元。除此之外的小家電不但品種眾多，市場空間也是相當驚人，未來5年的市場空間至少1200億元。智能化家庭是由計算機網絡和眾多高科技產品結合的產物。那么達到一個什么樣的標準或一個模式才可以稱之為智能化家庭和家居自動化?盡管幾年前一些經濟比較發(fā)達的國家提出了“智能住宅”的概念，同樣這個概念和標準也和智能大廈的概念一樣，甚至至今尚未取得一致的認同，但其中有一點看法是共同的：小康住宅智能化最終體現(xiàn)在獨立家庭中運用多元信息技術，并達到監(jiān)控與信息交互的程度(或能力)。通過有效的傳輸網絡，將多元信息服務與管理、物業(yè)管理與安防、住宅智能化系統(tǒng)集成，為住宅的服務與管理提供高科技的智能化手段，形成安全舒適的家庭環(huán)境。目前的廚衛(wèi)設備各國都達到了一定的水平，但其中還有一些不為人們所重視的小瑕疵，一旦這些不足被彌補，對整個家庭乃至整個社會的回報也是非常可觀的。就拿刷牙來說，日常刷牙要一邊拿牙刷，一邊拿牙膏，然后取下牙膏蓋，擠出牙二膏再蓋上蓋，再把牙二膏放回原處，才開始刷牙。這有點麻煩，如果有一種小型的機器，能夠在人們把牙刷放進去的時候，自動擠出牙膏，而且牙膏擠出量可控制，那么這將是一件多么讓人興奮的事。相信這樣的小家電也很容易得到廣泛使用。特別是對各大小旅館賓館來說，目前使用的牙膏都是一次性牙膏，那么在使用過程中，牙膏的浪費現(xiàn)象很嚴重。假設一個大城市里的所有賓館都用上能自動擠牙膏的牙膏機，那么顧客用起來也方便，賓館的檔次也自然的隨著提高，更重要的是，長此以往，能節(jié)省多少成本，降低浪費。研究的方法與技術路線對家用型自動牙膏機主體進行詳細的設計、計算、校核、選型，以實現(xiàn)指定的功能，繪制了家用型自動牙膏機的結構圖；繪制了各組成部件的元件圖,設計了家用型自動牙膏機的電子控制系統(tǒng)，繪制了相應的電路圖，編制了相應的控制程序。分析家用型自動牙膏機要求實現(xiàn)的功能要求，了解同類型家用型機構的工作原理，基本結構，系統(tǒng)組成及功能；研究家用型自動牙膏機的系統(tǒng)構成及功能，各元器件的設計或選型方法，系統(tǒng)的實現(xiàn)方式（即元器件如何搭建成為系統(tǒng)）等。自動牙膏機是一個簡單的機電一體化產品，融合了紅外技術，單片機，虛擬裝配設計，繼電器，電機等相關技術。其主要技術路線是通過紅外感應控制，觸發(fā)電機工作，通過控制電機的行程來控制牙膏的擠出量。根據(jù)大多數(shù)人的生活習慣特別是刷牙習慣，開發(fā)設計出合適的家用型自動牙膏擠出機樣機。樣機的物理成本應該是企業(yè)能夠接受的（擬控制在100元以內，并在滿足性能要求的基礎上盡量降低成本）；使用方法應該是普通家庭用戶易于掌握的。在設計開發(fā)中擬將參考相關小型自動家電的原理和結構，采用類比設計的方法進行研究開發(fā)。論文內容概述文中主要闡述了家用型自動牙膏機的設計背景,設計意義,以及從設計構思開始,到產品成型的整個過程。家用型自動牙膏機是一種新興的小家電，該產品能夠使用普通家庭最廣泛使用的中號牙膏商品，能夠自動感應牙刷是否已接近牙膏管口并自動擠出、切斷符合大多數(shù)人刷牙習慣的牙膏量，以達到方便用戶的目的。家用型自動牙膏機樣機研發(fā)使用220V民用交流電源，工作可靠、耐用、經濟，易于操作、維護、清洗，更換方便，有比較廣的使用范圍。目前國內外有關于此類生活小家電的研發(fā)，但市面上目前使用的范圍不夠廣泛，主要是其結構與功能還不夠完善與穩(wěn)定，而且成本又高，不適合小型家電的本質要求，沒能達到普通百姓的消費要求。家用型自動牙膏機主要是適應現(xiàn)代化生活而產生的產品.它的出現(xiàn),一定程度上方便了現(xiàn)代生活節(jié)奏快的人群.本文詳細介紹了家用型自動牙膏機的結構設計,外觀設計,控制系統(tǒng)設計.結構設計和外觀設計主要包括材料選擇,傳動結構設計,以及各部件的組裝方式.詳細說明參見和各零部件圖.控制系統(tǒng)則采用紅外感應和單片機控制結合,來控制電機工作.材料方面,主要用塑料注塑成型,批量生產,成本會控制的比較低.本模型主要采用木板制作.結構方面,傳動選用了螺桿傳動,通過螺桿傳動,將電機的轉動轉化成滾筒的向下運動,如圖1.1圖1.1控制系統(tǒng)的設計,主要通過紅外感應的阻斷,產生觸發(fā)信號,觸發(fā)單片機控制電機工作,程序設定,達到要求延時時間后,電機停止工作.一次觸發(fā)電機工作,在規(guī)定延時時間內,電機不被再次觸發(fā).如圖1.2圖1.2當滑槽擋塊受到推力，壓縮彈簧的同時，擋斷了紅外發(fā)射與接收之間的通路，所以產生控制信號，觸發(fā)單片機工作。

第二章紅外感應與單片機控制應用2.1紅外感應技術本設計中主要采用的紅外感應，通過紅外光電耦合產生控制信號，從而觸發(fā)單片機控制電機工作。任何物體的紅外輻射包括介于可見光與微波之間的電磁波段。通常人們又把紅外輻射稱為紅外光、紅外線。實際上其波段是指其波長約在0.75微米到1000微米的電磁波。通常人們將其劃分為近、中、遠紅外三部分。近紅外指波長為0.75～3.0微米；中紅外指波長為3.0～20微米；遠紅外則指波長為20～1000微米。在光譜學中，波段的劃分方法尚不統(tǒng)一，也有人將0.75～3.0微米、3.0～40微米和40～1000微米作為近紅外、中紅外和遠紅外波段。另外，由于大氣對紅外輻射的吸收，只留下三個重要的"窗口"區(qū)，即1～3微米、3～5微米和8～13微米可讓紅外輻射通過，因而在軍事應用上，又分別將這三個波段稱為近紅外、中紅外和遠紅外。8～13微米還稱為熱波段。在紅外技術的發(fā)展中，需要特別指出的是：60年代激光的出現(xiàn)極大地影響了紅外技術的發(fā)展，很多重要的激光器件都在紅外波段，其相干性便于移用電子技術中的外差接收技術，使雷達和通信都可以在紅外波段實現(xiàn)，并可獲得更高的分辨率和更大的信息容量。在此之前，紅外技術僅僅能探測非相干紅外輻射，外差接收技術用于紅外探測，使探測性能比功率探測高好幾個數(shù)量級。另外，由于這類應用的需要，促使出現(xiàn)新的探測器件和新的輻射傳輸方式，推動紅外技術向更先進的方向發(fā)展。常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303·PH303），其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光（近紅外線約0.93μm）。管壓降約1.4V，工作電流一般小于20mA。為了適應不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。發(fā)射紅外線去控制相應的受控裝置時，其控制的距離與發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因為脈動光（調制光）的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，只需盡量提高峰值Ip，就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高Ip的方法，是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度т，一些彩電紅外遙控器，其紅外發(fā)光管的工作脈沖中空比約為1/4~1/3；一些電氣產品紅外遙控器，其占空比是1/10。減小沖占空比還可使小功率紅外發(fā)光二極管的發(fā)射距離大大增加。常見的紅外發(fā)光二極管，其功率分為小功率（1mW~10mW）、中功率(20mW~50mW)和大功率(50mW~100mW以上)三大類。要使紅外發(fā)光二極管產生調制光，只需在驅動管上加上一定頻率的脈沖電壓。用紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線去控制受控裝置時，受控裝置中均有相應的紅外光一電轉換元件，如紅外按收二極管，光電三極管等。實用中已有紅外發(fā)射和接收配對的二極管。紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離；反射式指發(fā)光管和接收管并列一起，平時接收管始終無光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光遇到反射物時，接收管收到反射回來的紅外線才工作。2.2單片機控制系統(tǒng)單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求高，價格低廉，可靠性高，靈活性好，開發(fā)較為容易，為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。廣大工程技術人員通過學習有關單片機的知識后，也能依靠自己的力量來開發(fā)所希望的單片機系統(tǒng)，并獲得較高的經濟效益。正因為如此，在我國，單片機已廣泛地應用在智能儀器表、機電設備過程控制、自動檢測、家用電器和數(shù)據(jù)處理等各個方面。單片機內部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內存，并行總線，硬件結構定時器/計數(shù)器，串行口，中斷系統(tǒng)，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、照明燈具、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！它主要是作為控制部分的核心部件。單片機是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序實現(xiàn)不同的功能，目前單片機滲透到我們生活的各個領域，幾乎很難找到哪個領域沒有單片機的蹤跡。導彈的導航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網絡通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能IC卡，民用豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄象機、攝象機、全自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學習、開發(fā)與應用將造就一批計算機應用與智能化控制的科學家、工程師。單片機廣泛應用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設備、航空航天、專用設備的智能化管理及過程控制等領域，大致可分如下幾個范疇：1.在智能儀器儀表上的應用；2.在工業(yè)控制中的應用；3.在家用電器中的應用；4.在計算機網絡和通信領域中的應用；5.單片機在醫(yī)用設備領域中的應用；本設計采用的單片機是89C2051。89C2051是由ATMEL公司推出的一種小型單片機。95年出現(xiàn)在中國市場。其主要特點為采用Flash存貯器技術，降低了制造成本，其軟件、硬件與MCS-51完全兼容，可以很快被中國廣大用戶接受，其程序的電可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗比較容易。89C2051共有20條引腳，詳見圖1.從圖中可見，2051繼承了8031最重要引腳：P1口共8腳，準雙向端口。P3.0～P3.6共7腳，準雙向端口，并且保留了全部的P3的第二功能，如P3.0、P3..1的串行通訊功能，P3.2、P3..3的中斷輸入功能，P3.4、P3.5的定時器輸入功能。如圖2.1在引腳的驅動能力上面，89C2051具有很強的下拉能力，P1,P3口的下拉能力均可達到20mA.相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力每腳最大為15mA。但是限定9腳電流之和小于71mA.這樣，引腳的平均電流只9mA。89C2051驅動能力的增強，使得它可以直接驅動LED數(shù)碼管。為了增加對模擬量的輸入功能，2051在內部構造了一個模擬信號比較器，其輸入端連到P1.0和P1.1口，比較結果存入P3.6對應寄存器，（P3.6在2051外部無引腳），原理見圖2.2。對于一些不大復雜的控制電路我們就可以增加少量元件來實現(xiàn)，例如，對溫度的控制，過壓的控制等。圖2.3為測量示意圖。其中，R用于測量門限的調節(jié)，IN端接輸入模擬信號。圖2.189C2051有很寬的工作電源電壓，可為2.7～6V,當工作在3V時，電流相當于6V工作時的1/4。89C2051工作于12Hz時，動態(tài)電流為5.5mA，空閑態(tài)為1mA,掉電態(tài)僅為20nA。這樣小的功耗很適合于電池供電的小型控制系統(tǒng)。

圖2.2圖2.3測量示意圖89C2051片內含有2k字節(jié)的Flash程序存儲器，128字節(jié)的片內RAM,與80C31內部完全類似。由于2051內部設計全靜態(tài)工作，所以允許工作的時鐘為0～20MHz,也就是說，允許在低速工作時，不破壞RAM內容。相比之下，一般8031對最低工作時鐘限制為3.5MHz，因為其內部的RAM是動態(tài)刷新的。89C2051不允許構造外部總線來擴充程序/數(shù)據(jù)存儲器，所以它也不需要ALEPSEN、RD、WR一類的引腳。89C2051設計有2個程序保密位，保密位1被編程之后，程序存儲器不能再被編程除非做一次擦除，保密位2被編程之后，程序不能被讀出。89C2051可以采用下面2種方法開發(fā)應用系統(tǒng)。（1）由于89C2051內部程序存貯器為Flash，所以修改它內部的程序十分方便快捷，只要配備一個可以編程89C2051的編程器即可。調試人員可以采用程序編輯-編譯-固化-插到電路板中試驗這樣反復循環(huán)的方法，對于熟練的MCS-51程序員來說，這種調試方法并不十分困難。當做這種調試不能夠了解片內RAM的內容和程序的走向等有關信息。（2）將普通8031/80C31仿真器的仿真插頭中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出來仿真205T,這種方法可以運用單步、斷點的調試方法，但是仿真不夠真實，比如，2051的內部模擬比較器功能，P1口、P3口的增強下拉能力等等。下面就目前國內全勝較多的兩種單片機，討論一下2051的性能價格比。

a.與80C31系統(tǒng)相比較。如果需要構成一個80C31的最小系統(tǒng)的話，除了CPU之外，至少需要一片27C64,而系統(tǒng)的有效引腳和89C2051基本相同。從元器件的成本，電路板的面積和加密性來看，使用89C2051都是合算的。b.與PIC單片機比較目前，國內小型的單片機全勝較多的有PIC系列，89C2051與PIC相對應芯片比較有如下特點：89C2051的價格高于PIC的OTP型號，但大大低于PIC的EPROM型，89C2051片內不含WatchDog，這是89C2051的不足之處，中斷系統(tǒng)堆棧結構、串等通訊筆定時器系統(tǒng)都大大強于PIC系統(tǒng)。由于PIC芯片中無標準串等口，所以在單片機的聯(lián)網應用上面，PIC不太適合。與PIC相比2051更適合于較復雜的應用場合，適合一些軟件需要多次修改的應用。就目前中國市場的情況來看，89C2051有很大的市場。其原因有下列2點：（1）2051采用的是MCS51的核心，十分容易為廣大用戶所接受；（2）2051內部基本保持了80C31的硬件I/O功能；（3）2051的Flash存貯器技術，可重復擦/寫1000次以上，容易解悶調試手段；（4）更適合小批量系統(tǒng)的應用，容易實現(xiàn)軟件的升級。89C2051適合于家用電器控制，分布式測控網絡，I/O量不足不是很大的應用系統(tǒng)。

第三章自動擠牙膏機原理方案構思和擬定3.1整體方案本設計的主要目的是實現(xiàn)牙膏安預定的量擠出到牙刷上。機器針對的牙膏是大多客戶都在使用的中號牙膏。那么在設計之前，要弄清楚幾個問題，那就是擠牙膏的原動力怎么實現(xiàn)；如何實現(xiàn)動力的傳遞；牙膏怎么定位；如何控制牙膏的擠出量等。針對這些，本方案引入了“局部到整體”的設計方案。也就是根據(jù)各部分要實現(xiàn)的功能，依次設計出各個機構，再進行虛擬裝配，排除干涉，達到設計的目的。實現(xiàn)本設計的方案有多種。針對要實現(xiàn)的功能，初步有兩種方案。方案一、觸發(fā)式。就是直接用機械行程開關，當開關被觸發(fā)時，直接驅動電機轉動，由電機帶動擠壓機構，擠出牙膏。該方案有體積過大，以及擠出量不好控制不穩(wěn)定等缺陷，而且設計起來，各部分機構會比較復雜，所以沒有采用。方案二、感應式。就是通過開關量的控制。具體是采用紅外控制，在紅外發(fā)射二極管與紅外接收二極管電路的控制下，當紅外光被感應時，電機觸發(fā)電路保持斷開狀態(tài)，當紅外光被隔斷時，通過繼電器，電機被觸發(fā)工作。電機連接螺桿，通過螺紋傳動，帶動滾筒往下運動擠出牙膏。牙膏的擠出量由電機的轉動時間以及螺桿的導程來決定。該方案機構簡單，控制系統(tǒng)也比較容易實現(xiàn)，經濟也比較實惠，成本低，所以本設計采用此方案。3.2自動擠牙膏機機構設計考慮到現(xiàn)代產品設計理念，綜合經濟成本以及結合綠色小家電的特點，本設計機械框架部分主要選用塑料ABS。部分零部件采用壓鑄制造。3.2.1底座設計圖3.1底座擠牙膏機底座是整個機子的基礎部分，其它零部件主要是固定在底座上。設計時要考慮電機的放置位置、紅外光通光道，滑塊滑道。其模型如圖3.1所示。該零件采用壓鑄成形，具體尺寸參考附件。3.2.2中間套筒設計該零件也是一個壓鑄件，如圖3.2所示。該零件的設計主要考慮的是底板上的兩個圓孔，兩個孔實現(xiàn)螺桿與牙膏之間的定位，以及左右兩側的定位道，防止?jié)L筒在上下運動時不穩(wěn)定，左右搖晃。圖3.2套筒3.2.3滾筒裝置設計滾筒設計是一個子裝配體，如圖3.3所示，包括基塊，左右測擋板，兩個滾筒，在兩個滾筒安裝好后，左右擋板與基塊之間通過激光焊焊牢。基塊上的螺紋孔與螺桿相配。圖3.3滾筒裝置3.2.4左右檔板設計左右擋板的設計主要考慮其板上的幾個凸臺，這些凸臺主要用來固定控制系統(tǒng)的線路板，左側上固定發(fā)射電路及延時電路，右側板固定接收電路板。左側板上打兩個孔用來安裝線路板上的按鈕，另外一個指示燈孔。如圖3.4，3.5所示。圖3.4左側板圖3.5右側板3.2.5頂蓋設計根據(jù)左右側板，中間套筒的綜合位置，設計頂蓋。頂蓋也是一個壓鑄件，在頂蓋上開出幾個槽，與左右側板、螺桿、中間套筒相配。如圖3.6所示。圖3.6頂蓋 圖3.7門3.2.6后蓋與門的設計后蓋就是一塊與總體尺寸相配合的ABS塑料薄板，其用M2自攻螺釘四角固定在底座與左右側板上。在設計門時，在門框中間用玻璃板，以實現(xiàn)對機殼內部的可視性，門以搖皮固定，如圖3.7所示。3.3虛擬裝配各個零部件加工完成之后，對它們進行虛擬裝配。選定底座為基礎件，其它的零件或子裝配為浮動件。根據(jù)配合要求，使各零部件間的點線面進行配合約束。其中電機與螺桿之間的聯(lián)結用聯(lián)軸器，電機軸一端用契形鍵固定聯(lián)結，螺桿一端用緊釘螺釘固定，使螺桿與電機軸之間有較好的同軸度。電機安裝好以后，在套筒底板上用緊釘螺釘固定，以確保電機無晃動。安裝線路板時要確保各元器件不能與側板有抵觸，按鈕與側板上的通孔位置相配。紅外發(fā)射二極管與紅外接收二極管要頭部相對安裝，兩個二極管之間不能有任何阻擋光線的東西。滑塊帶彈簧一端朝里面，安裝前確保其在彈性范圍之內，即在壓縮放開之后，能把滑塊彈出通光道。裝配好之后，對其表面進行噴漆，整個裝置安裝好的模型如圖3.8所示。圖3.8牙膏機模型

第四章設計參數(shù)選擇4.1電機選擇圖4.1如圖4.1所示，滾筒上的螺紋中心孔到兩滾筒之間的距離L=62mm,查相關手冊，得知牙膏表面與滾筒之間的摩擦系數(shù)μ=0.21，估計擠出牙膏需要的力F＝10N,則在理想狀態(tài)下，所需要的扭矩為：T1=FL=10×62=620N.mm,考慮傳動效率和損耗，實際扭矩應該為：T=T1/φ1φ2，設效率因素φ1＝0.6，φ2＝0.5所以T=620/0.6×0.5=2066.7N.mm=0.21N.m設選電機的轉速n=110r/min,所以電機的功率為P=Tn/9.55=0.21×110/9.55=2.5W,表4.1杭州霍德利公司直流減速電機技術參數(shù)表查表4.1可選電機型號50G40.614.2螺桿選擇4.2.1螺桿螺母材料選擇由于該螺旋傳動主要用于控制牙膏的擠出量,因此對應的傳動精度相對來說要求不是很高,但要有較好的傳動穩(wěn)定性,對螺紋的耐磨性要求也比較高.查《簡明機械零件設計手冊》表6-22螺桿的常用材料和熱處理,得知,可選用合金鋼45Cr,熱處理用C42,該材料的特點有一定的耐磨性,可不淬硬,只調質處理(T235).用于傳動精度要求中等以下的,工作不是很頻繁的環(huán)境.4.2.2螺桿中徑確定查《簡明機械零件設計手冊》表6－4滑動螺旋傳動的設計計算。螺紋中心其中φ是整體式螺母,取值為1.3,Pp滑動傳動的許用壓強,查表表6-24,得知Pp=3,選擇螺桿直徑為d=4mm,導程p=1mm,安全.4.3電機延時時間確定由電機的轉速n=110r/min,估計電機每觸發(fā)一次，牙膏能往下擠出12mm,根據(jù)試驗結果，電機可以延時2～3s，則螺桿可以旋轉4～6mm，剛好能擠出牙膏10～12mm。

第五章控制系統(tǒng)設計本章主要介紹的是以AT89C2051為核心的紅外觸發(fā)延時電路。其中包括紅外發(fā)射電路,紅外接收電路,單片機控制電路以及電源電路。電路原理圖如圖5.1所示。圖5.1電路原理圖主要控制原理：發(fā)射電路部分，通過雙諧振蕩電路，發(fā)射脈沖信號，經過紅外發(fā)射二極管發(fā)射紅外脈沖信號。接收電路接收到紅外脈沖信號，經過二級放大電路后，整形，輸出高電平到單片機P1.0口，整個系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。當紅外發(fā)射與接收之間被阻斷時，接收電路檢測不到紅外脈沖信號，向P1.0端口發(fā)出低電平信號，觸發(fā)單片機工作，程序控制P1.3輸出高電平信號，經過VT9,VT10放大，使小型繼電器K1觸點閉合，電機電路被接通，按設定延時要求，電機延時工作2秒，或者3秒后，單片機通過復位電路復位，電機停止工作。直流電機控制電路，如圖5.2，K3為繼電器K3的常開常閉觸點，K4為繼電器K4的敞開常閉觸點。當繼電器K3接通時，直流電機正傳，當繼電器K4接通時，直流電機反轉。圖5.2直流電機控制電路5.1紅外發(fā)射電路發(fā)射電路的主要工作原理是通過一個雙諧振蕩電路產生信號，該信號背放大器放大以后，觸發(fā)紅外發(fā)射二極管D6－SE303產生脈沖信號，其原理如圖5.3所示。5.3紅外發(fā)射電路5.2紅外接收電路當發(fā)射電路觸發(fā)紅外發(fā)光二極管發(fā)出脈沖信號后，其紅外光被紅外接收二極管D3-PH302接收。接收到脈沖信號很微弱，所以需要對信號進行放大。該信號經過VT2,VT1進行二級放大。放大后的信號，波形不穩(wěn)定，所以要經過之后的整形電路，對信號進行濾波整形。整形后的信號通過穩(wěn)壓二極管CW1,再進行放大，輸給P1.0一個高電平信號，使單片機89C2051處于待機狀態(tài)，其原理如圖5.4所示。輸出到單片機P1.0口輸出到單片機P1.0口圖5.4紅外接收電路5.3單片機電路當發(fā)射二極管與接收二極管之間的紅外光被割斷之后，接收電路輸出了一個低電平信號到P1.0，蜂鳴器發(fā)出提示音。P3.3口是延時選擇口，分別有2s檔，3s檔。檔2S檔被觸發(fā)之后，P3.0口輸出低電平，檔位指示燈發(fā)光二極管LED1發(fā)光，當3s檔被觸發(fā)之后，P3.1口輸出低電平，檔位指示燈發(fā)光二極管LED2發(fā)光。如圖5.5所示。圖5.5單片機89C2051接口單片機的供電電壓為5V，用3端穩(wěn)壓7805實現(xiàn)。如圖5.6圖5.6三端穩(wěn)壓電路7805輸入接12V直流是不會很熱的，熱量和負載的大小和壓降有關，LM7805輸入最高可以到18V，一般200MA以下的負載不用加散熱器就可以。電路簡單,穩(wěn)定.調試方便(幾乎不用調試).價格便宜,適合于對成本要求苛刻的產品.電路中幾乎沒有產生高頻或者低頻輻射信號的元件,工作頻率低,EMI等方面易于控制.5.4元器件選擇與制作在制作時，所用元器件按照圖5.1所標參數(shù)進行選擇。電解電容器的耐壓宜選擇在16V以上。D6,D3分別選用SE303,PH302紅外發(fā)射,接收二極管。ED1為紅色發(fā)光二極管，ED2，ED3是綠色發(fā)光二極管。D1,D2選用IN4148管，D4,D5選用IN4004整流管。變壓器選用市面上較多的3W、220V/12VAC－DC變壓器。繼電器可用線圈為直流電壓12V的小型繼電器，其觸點可通解220V交流電。焊接之前，要制作一塊印刷電路板。其結構布局如圖5.7所示圖5.7印刷電路板印刷電路板設計注意事項：1銅箔最小線寬:面板0.3MM,面板0.2MM邊緣銅箔最小要1.0MM2銅箔最小間隙:面板:0.3MM,面板:0.2MM.3銅箔與板邊最小距離為0.55MM,元件與板邊最小距離為5.0MM,盤與板邊最小距離為4.0MM4一般通孔安裝元件的焊盤的大小(徑)孔徑的兩倍,雙面板最小1..5MM,單面板最小為2.0MM,議（2.5MM)如果不能用圓形焊盤,用腰圓形焊盤,小如下圖所示（如有標準元件庫，則以標準元件庫為準）焊盤長邊、短邊與孔的關系為：5電解電容不可觸及發(fā)熱元件,大功率電阻,敏電阻,壓器,熱器等.解電容與散熱器的間隔最小為10.0MM,它元件到散熱器的間隔最小為2.0MM.6大型元器件（如：變壓器、直徑15.0MM以上的電解電容、大電流的插座等）加大銅箔及上錫面積如下圖；陰影部分面積肥最小要與焊盤面積相等。7螺絲孔半徑5.0MM內不能有銅箔(要求接地外)元件.(按結構圖要求).8上錫位不能有絲印油.5.9焊盤中心距小于2.5MM的,相鄰的焊盤周邊要有絲印油包裹,印油寬度為0.2MM(議0.5MM).5.10跳線不要放在IC下面或馬達、電位器以及其它大體積金屬外殼的元件下.11在大面積PCB設計中(約超過500CM2以上),防止過錫爐時PCB板彎曲,在PCB板中間留一條5至10MM寬的空隙不放元器件(走線),用來在過錫爐時加上防止PCB板彎曲的壓條,下圖的陰影區(qū):：12每一粒三極管必須在絲印上標出e,c,b腳.13需要過錫爐后才焊的元件,盤要開走錫位,向與過錫方向相反,度視孔的大小為0.5MM到1.0MM14設計雙面板時要注意，金屬外殼的元件，插件時外殼與印制板接觸的，頂層的焊盤不可開，一定要用綠油或絲印油蓋住（例如兩腳的晶振）。15為減少焊點短路，所有的雙面印制板，過孔都不開綠油窗。16每一塊PCB上都必須用實心箭頭標出過錫爐的方向：17孔洞間距離最小為1.25MM(雙面板無效)18布局時，DIP封裝的IC擺放的方向必須與過錫爐的方向成垂直，不可平行；如果布局上有困難，可允許水平放置IC(OP封裝的IC擺放方向與DIP相反）。19布線方向為水平或垂直，由垂直轉入水平要走45度進入。20元件的安放為水平或垂直。21絲印字符為水平或右轉90度擺放。22若銅箔入圓焊盤的寬度較圓焊盤的直徑小時，則需加淚滴。23物料編碼和設計編號要放在板的空位上。24把沒有接線的地方合理地作接地或電源用。25布線盡可能短，特別注意時鐘線、低電平信號線及所有高頻回路布線要更短。26模擬電路及數(shù)字電路的地線及供電系統(tǒng)要完全分開。27如果印制板上有大面積地線和電源線區(qū)（面積超過500平方毫米），應局部開窗口。28電插印制板的定位孔規(guī)定如下，陰影部分不可放元件，手插元件除外，L的范圍是50330mm,H的范圍是50250mm,果小于50X50則要拼板開模方可電插，如果超過330X250則改為手插板。定位孔需在長邊上。5.5單片機程序編制電機控制主要通過單片機來實現(xiàn)，