基于转动锁抱控制的门及安全门控制系统
技术领域
本发明涉及开关门控制技术领域，具体涉及一种基于转动锁抱控制的门及安全门控制系统。
背景技术
门在生活中十分常见，主要用于隔离空间，同时又能自由开关使人员通过，但正是出于自由开关的设计思路，现有技术只能实现门的自由打开、关门上锁，以及打开的最大角度限位，但都难以在未关严或未完全打开时，固定在当前开合角度并抵抗一定的外力影响。比如刮大风时，未关严的门往往会被风吹动或往返开合，在不关门时只能找抵挡物品阻止门被吹动，若人在临时出门忘带钥匙时门被风吹关上，则只能通过撬锁的方式重新打开，不得不重新更换门锁，又或在儿童玩耍时，门被儿童甩动，除影响门的使用寿命之外，还容易误关上门，大人无法及时发现门内的儿童安全状况。
现有技术缺陷：缺少能够将门固定在任意打开角度的机构，使门在对应角度下固定，且不易受外力推动。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于转动锁抱控制的门及安全门控制系统，启动锁抱门功能时，能够将门在打开任意角度时使门固定在该角度，而不会被外力推动，关闭锁抱门功能时，又能使门自由活动，满足对门的各种需求。
其技术方案如下：
一种基于转动锁抱控制的门，包括门扇，所述门扇经铰链安装于门框上，并绕铰链的转动轴做开合运动，还包括转动角度锁止机构，所述转动角度锁止机构设置有门扇运动跟随组件和门框/墙固定组件，其中，所述门扇运动跟随组件固定安装在所述门扇上并跟随所述门扇运动，所述门框/墙固定组件固定安装于门框或墙体，并靠近所述门扇运动跟随组件的运动轨迹，所述门扇运动跟随组件与门框/墙固定组件配合实现运动轨迹上任意位置的锁止。
通过上述设计，门扇在转动到任意位置时，可由转动角度锁止机构进行位置锁抱，锁抱后门扇固定于该位置，且不易受风吹或儿童拉动影响。
第一方面，所述门扇运动跟随组件设置有弧形齿条，所述弧形齿条的一端固定于门扇的关门侧扇面，其另一端沿关门方向延伸，两端之间设有一条弧形边，所述弧形边的弧线为以铰链的转动轴为圆心的圆弧，其圆弧的角度大于等于90°，所述弧形边上设置有弧向分布的齿；
所述门框/墙固定组件包括锁止电机，该锁止电机的转动轴同轴连接有丝杆轴，所述锁止电机和丝杆轴均固定安装于关门侧的门框或墙体表面，所述丝杆轴上螺纹装配有丝杆螺母，所述丝杆螺母连接有锁止单元，所述锁止单元的锁止端正对所述弧形齿条弧形边上的齿。
锁止电机未启动时，弧形齿条是可活动的，此时门扇可以自由运动，而当锁止电机启动后，丝杆轴转动带动丝杆螺母运动，则锁止单元会卡住弧形齿条，则门扇被抱死，且抱死状态稳定，不易受风力或儿童推力影响。
该方案中，弧形齿条与锁止电机的位置可以调换，即以下方案：
所述门框/墙固定组件设置有弧形齿条，所述弧形齿条的一端固定于开门侧的门框或墙体表面，其另一端沿开门方向延伸，两端之间设有一条弧形边，所述弧形边的弧线为以铰链的转动轴为圆心的圆弧，其圆弧的角度大于等于90°，所述弧形边上设置有弧向分布的齿；
所述门扇运动跟随组件包括锁止电机，该锁止电机的转动轴同轴连接有丝杆轴，所述锁止电机和丝杆轴均固定安装于门扇的开门侧扇面，所述丝杆轴上螺纹装配有丝杆螺母，所述丝杆螺母连接有锁止单元，所述锁止单元的锁止端正对所述弧形齿条弧形边上的齿。
上述设计同样能实现门扇的任意角度抱死。
进一步设计，所述锁止单元包括啮合齿轮，所述啮合齿轮经转轴与轴承固定于所述弧形齿条弧形边同一高度，并与弧形边上的齿相啮合，所述啮合齿轮同轴设置有圆形转动副；
所述丝杆轴设有二段方向相反的螺纹，并对应装配有二个丝杆运动相反的丝杆螺母，每个所述丝杆螺母连接有一个夹紧块，二个所述夹紧块夹持所述圆形转动副。
锁止单元由上述齿轮转动的方式实现抱死门扇其效果更稳定，其在锁止电机未启动时，啮合齿轮可随弧形齿条运动而自由转动，而当锁止电机启动时，二个丝杆螺母相向运动并靠近，则二个夹紧块将圆形转动副抱死，同轴的啮合齿轮也被制动，此时门扇无法再自由转动，以此实现任意角度抱死的目的。
第二方面，所述门框/墙固定组件包括锁止电机、锁止叠片组合，所述锁止电机的转动轴同轴连接有丝杆轴，所述丝杆轴上螺纹装配有丝杆螺母，所述锁止叠片组合包括上下重叠的二层锁止片，其中，上层锁止片与所述丝杆螺母固定连接并向开门方向延伸，下层锁止片固定于开门侧的门框或墙体表面并向开门方向延伸；
所述下层锁止片上开有N个夹层通孔，N个所述夹层通孔以铰链的转动轴轴线为圆心、转动半径为r的弧形轨迹均匀分布，所述夹层通孔的孔径为c1，相邻二个所述夹层通孔的距离为d，所述上层锁止片开有M个表层通孔或向下的盲孔，M个所述表层通孔或盲孔以铰链的转动轴轴线为圆心、转动半径为r的弧形轨迹均匀分布，所述表层通孔或盲孔的孔径为c2，
所述门扇运动跟随组件包括伸缩腔，该伸缩腔固定于门扇上并向上开口，所述伸缩腔内设有伸缩弹簧，该伸缩弹簧一端固定在伸缩腔内，另一端连接有锁止栓，所述锁止栓向上伸出所述伸缩腔，且伸出的最高高度高于所述上层锁止片的底面高度，所述锁止栓与铰链的转动轴轴线距离为r，所述锁止栓的半径为c3，c3≤c1，且c3≤c2≤c1+d。
通过上述设计，不需门扇制动时，锁止叠片组合中上下二层锁止片的夹层通孔与表层通孔/盲孔之间不对齐，此时锁止栓只会在下层锁止片上滑动，当滑动到夹层通孔处时会在伸缩弹簧和倒角的辅助下自由滑进滑出，而不会卡住，门扇能自由运动；当门扇需制动时，锁止电机转动使丝杆螺母运动，带动上层锁止片被推动，令上下二层锁止片的夹层通孔与表层通孔/盲孔对齐，则锁止栓在滑动到夹层通孔处时会伸入表层通孔/盲孔，并受双层孔限位，则门扇无法自由运动，变为制动状态。
该方案中，锁止电机、锁止叠片组合与伸缩腔、锁止栓的位置也可调换，形成以下方案：
所述门扇运动跟随组件包括锁止电机、锁止叠片组合，所述锁止电机的转动轴同轴连接有丝杆轴，所述丝杆轴上螺纹装配有丝杆螺母，所述锁止叠片组合包括上下重叠的二层锁止片，其中，下层锁止片与所述丝杆螺母固定连接并向关门方向延伸，上层锁止片固定于门扇的关门侧扇面并向关门方向延伸；
所述上层锁止片上开有N个夹层通孔，N个所述夹层通孔以铰链的转动轴轴线为圆心、转动半径为r的弧形轨迹均匀分布，所述夹层通孔的孔径为c1，相邻二个所述夹层通孔的距离为d，所述下层锁止片开有M个表层通孔或向上的盲孔，M个所述表层通孔或盲孔以铰链的转动轴轴线为圆心、转动半径为r的弧形轨迹均匀分布，所述表层通孔或盲孔的孔径为c2，
所述门框/墙固定组件包括伸缩腔，该伸缩腔固定于门框或墙体上并向下开口，所述伸缩腔内设有伸缩弹簧，该伸缩弹簧一端固定在伸缩腔内，另一端连接有锁止栓，所述锁止栓向下伸出所述伸缩腔，且伸出的最低高度低于所述下层锁止片的顶面高度，所述锁止栓与铰链的转动轴轴线距离为r，所述锁止栓的半径为c3，c3≤c1，且c3≤c2≤c1+d。
上述设计仅仅将方向适应性调换，同样能实现门扇的制动功能。
第三方面，所述门框/墙固定组件包括磁吸单元，所述磁吸单元固装于门框内腔，所述门扇运动跟随组件为铁磁质薄片，其一端固定于门扇侧面，另一端伸入门框内腔并活动安装，所述铁磁质薄片贴近所述磁吸单元的磁吸面。
所述磁吸单元包括磁芯，该磁芯绕装有线圈，所述线圈的两端连接有电源的正负极。
上述设计可自由开关磁吸单元的工作，当需要对门扇定位时，打开磁吸单元产生磁力，铁磁质薄片受磁力吸引紧贴在磁吸面上，门扇则无法运动，形成制动效果，当关闭磁吸单元工作，铁磁质薄片与门扇又能自由活动。
一种安全门控制系统，包括上述任一方案中所述一种基于转动锁抱控制的门，所述门框上还设置有人来感应装置、身高探测装置，所述转动角度锁止机构的人来触发端连接所述人来感应装置的输出端，所述转动角度锁止机构的孩童感应触发端连接所述身高探测装置的输出端。
通过上述设计，可以将门扇转动锁抱由系统自动控制，如人来感应装置感应到有人经过门时，则不需将门扇制动，可以自由开合门，又或在人来感应装置感应到门前有人，但此人由身高探测装置识别为儿童时，则自动锁抱门扇制动，使儿童不能随意开关，而需要成人来控制，避免儿童出现意外。
进一步设计，还包括关门状态检测机构，所述关门状态检测机构包括信号收发单元、信号触发单元，所述信号收发单元固装于所述门扇，所述信号触发单元固装于所述门框或墙体，且当所述门扇完全关合时，所述信号触发单元激活所述信号收发单元的关门信号，所述信号收发单元的开门信号输出端连接所述转动角度锁止机构的工作控制端。
通过关门状态检测机构，可以检测门是否关严，门关严时不需再对门扇进行控制，仅当门未关严时才启动门扇制动功能，即当关门状态检测机构输出关门信号时，转动角度锁止机构不工作，当关门状态检测机构输出开门信号时，转动角度锁止机构才工作。
其中一方面，所述信号收发单元设有红外发送器、红外接收器，所述信号触发单元设有红外反射片，当所述门扇完全关合时，所述红外发送器的发送端、所述红外接收器的接收端、所述红外反射片三者位于同一平面，所述红外发送器的发送端朝向所述红外反射片且入射角度为θ，所述红外接收器的接收端朝向所述红外反射片且反射角度为θ。
上述设计只有当门扇完全关合，红外接收器才能接收到红外发送器发出并经红外反射片反射的红外信号，以此来判断门是否关严，关严则转动角度锁止机构处于停止工作状态，而门打开时无法接收到红外信号，转动角度锁止机构才能启动。
另一方面，所述信号收发单元设有红外发送器、红外接收器，所述红外发送器的发送端正对所述红外接收器的接收端，且二者之间设有红外透射片，该红外透射片的透射部为通孔或红外透射材质，所述红外透射片的遮挡部为非红外透射材质；
所述信号触发单元设有永磁体，所述信号收发单元靠近永磁体的位置设置有铁磁质件，该铁磁质件与所述红外透射片固定连接，所述红外透射片连接所述铁磁质件的相对侧连接有弹簧，该弹簧抵接所述信号收发单元内壁；
仅当门扇完全关合状态下，所述红外发送器的红外射线穿过所述红外透射片的透射部进入所述红外接收器。
上述设计当门扇未完全关合时，红外发送器发出的红外信号无法通过红外透射片到达红外接收器，此时转动角度锁止机构能够启动，而当门扇完全关合时，铁磁质件受永磁体吸引，带动红外透射片移动，红外透射片的透射部正好位于红外发送器的发送端与红外接收器的接收端之间，红外接收器才能接收到穿过透射部的红外信号，以此来判断门已经关严，此时转动角度锁止机构处于停止工作状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果：门扇在转动到任意位置时，可由转动角度锁止机构进行位置锁抱，锁抱后门扇固定于该位置，且不易受风吹或儿童拉动影响，还可以将门扇转动锁抱由系统自动控制，如人来感应装置感应到有人经过门时，则不需将门扇制动，可以自由开合门，又或在人来感应装置感应到门前有人，但此人由身高探测装置识别为儿童时，则自动锁抱门扇制动，使儿童不能随意开关，而需要成人来控制，避免儿童出现意外。
附图说明
图1为第一实施例的关门状态结构示意图；
图2为第一实施例的开门状态结构示意图；
图3为第一实施例的转动角度锁止机构俯视图；
图4为第一实施例的转动角度锁止机构局部示意图；
图5为第二实施例的转动角度锁止机构俯视图；
图6为第二实施例的转动角度锁止机构局部示意图；
图7为第二实施例的转动角度锁止机构侧视图；
图8为第三实施例的关门状态结构示意图；
图9为第三实施例的开门状态结构示意图；
图10为第三实施例的上层锁止片与下层锁止片结构示意图；
图11为第三实施例的锁止叠片组合示意图；
图12为第三实施例的锁止叠片组合与锁止栓的配合示意图；
图13为第三实施例的锁止叠片组合与锁止电机的配合示意图；
图14为第四实施例的开门状态结构示意图；
图15为第四实施例的转动角度锁止机构剖视图；
图16为图15的局部放大图；
图17为关门状态检测机构实施例一的结构示意图；
图18为关门状态检测机构实施例二的开门状态示意图；
图19为关门状态检测机构实施例二的关门状态示意图；
图20为实施例的电机控制电路示意图；
图21为实施例的主控制电路示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
一种基于转动锁抱控制的门，包括门扇1，所述门扇1经铰链安装于门框2上，并绕铰链的转动轴做开合运动，还包括转动角度锁止机构3，所述转动角度锁止机构3设置有门扇运动跟随组件3a和门框/墙固定组件3b，其中，所述门扇运动跟随组件3a固定安装在所述门扇1上并跟随所述门扇1运动，所述门框/墙固定组件3b固定安装于门框2或墙体，并靠近所述门扇运动跟随组件3a的运动轨迹，所述门扇运动跟随组件3a与门框/墙固定组件3b配合实现运动轨迹上任意位置的锁止。
第一实施例与第二实施例除门框/墙固定组件3b内部结构不同外，其余均一致，如图1、2所示，所述门扇运动跟随组件3a设置有弧形齿条31，所述弧形齿条31的一端固定于门扇1的关门侧扇面，其另一端沿关门方向延伸，两端之间设有一条弧形边，所述弧形边的弧线为以铰链的转动轴为圆心的圆弧，其圆弧的角度大于等于90°，所述弧形边上设置有弧向分布的齿；
所述门框/墙固定组件3b包括锁止电机32，该锁止电机32的转动轴同轴连接有丝杆轴33，所述锁止电机32和丝杆轴33均固定安装于关门侧的门框2或墙体表面，所述丝杆轴33上螺纹装配有丝杆螺母，所述丝杆螺母连接有锁止单元34，所述锁止单元34的锁止端正对所述弧形齿条311弧形边上的齿。其中第一实施例的锁止单元34为一插销，如图3、4所示，插销直接卡对所述弧形齿条311弧形边上的齿，当电机正转时，插销插入齿中，令弧形齿条311卡住，则门被制动，而电机反转后插销退出齿，门重新恢复可活动状态。
而第二实施例的所述锁止单元34如图5-7示意，包括啮合齿轮341，所述啮合齿轮341经转轴与轴承固定于所述弧形齿条311弧形边同一高度，并与弧形边上的齿相啮合，所述啮合齿轮341同轴设置有圆形转动副342；
所述丝杆轴33设有二段方向相反的螺纹，并对应装配有二个丝杆运动相反的丝杆螺母，每个所述丝杆螺母连接有一个夹紧块343，二个所述夹紧块343夹持所述圆形转动副342。当电机正转时，二个夹紧块343相向靠近并抱夹住圆形转动副342，则啮合齿轮341与弧形齿条311同时被制动，门不能随意活动，只当电机反转，二个夹紧块343相互远离，门才重新活动。
以上实施例中门扇运动跟随组件3a和门框/墙固定组件3b的内部组件可以调换，只需在不改变上述二者相对关系的情况下，对应改变组件的空间位置及方向即可，不再赘述。
如图8、9所示的第三实施例，其门框/墙固定组件3b包括锁止电机32、锁止叠片组合35，所述锁止电机32的转动轴同轴连接有丝杆轴33，如图13，所述丝杆轴33上螺纹装配有丝杆螺母，所述锁止叠片组合35包括上下重叠的二层锁止片351，如图11，其中，上层锁止片与所述丝杆螺母固定连接并向开门方向延伸，下层锁止片固定于开门侧的门框2或墙体表面并向开门方向延伸；
如图10的左图，所述下层锁止片上开有N个夹层通孔352，N个所述夹层通孔352以铰链的转动轴轴线为圆心、转动半径为r的弧形轨迹均匀分布，所述夹层通孔352的孔径为c1，相邻二个所述夹层通孔352的距离为d，所述上层锁止片开有M个表层通孔353或向下的盲孔，如图10的右图，M个所述表层通孔353或盲孔以铰链的转动轴轴线为圆心、转动半径为r的弧形轨迹均匀分布，所述表层通孔353或盲孔的孔径为c2，
所述门扇运动跟随组件3a包括伸缩腔354，如图12，该伸缩腔354固定于门扇1上并向上开口，所述伸缩腔354内设有伸缩弹簧，该伸缩弹簧一端固定在伸缩腔354内，另一端连接有锁止栓355，所述锁止栓355向上伸出所述伸缩腔354，且伸出的最高高度高于所述上层锁止片的底面高度，所述锁止栓355与铰链的转动轴轴线距离为r，所述锁止栓355的半径为c3，c3≤c1，且c3≤c2≤c1+d。
优选的，锁止栓355位于关门侧的栓顶处设有圆角或倒角，每个夹层通孔352靠近开门侧与关门侧的孔壁均设为倒角斜面，令夹层通孔352的底部孔径大于顶部孔径，且靠近开门侧的倒角斜面为向开门侧的下方倾斜，靠近关门侧的倒角斜面为向关门侧的下方倾斜。每个表层通孔353或盲孔靠近关门侧的内壁也设为引导斜面，令表层通孔353或盲孔底部孔径大于顶部孔径，其斜面为向关门侧的下方倾斜。使锁止栓355在门扇运动过程中可以在二层锁止片351之间顺滑出入。
同样的，第三实施例中门扇运动跟随组件3a和门框/墙固定组件3b的内部组件可以调换。
如图14所示的第四实施例，所述门框/墙固定组件3b包括磁吸单元36，所述磁吸单元36固装于门框2内腔，如图15、16所示，所述门扇运动跟随组件3a为铁磁质薄片37，其一端固定于门扇1侧面，另一端伸入门框2内腔并活动安装，所述铁磁质薄片37贴近所述磁吸单元36的磁吸面。
一种安全门控制系统，如图1、2、8、9、14所示的包括上述任一种基于转动锁抱控制的门，所述门框2上还设置有人来感应装置4、身高探测装置5，所述转动角度锁止机构3的人来触发端连接所述人来感应装置4的输出端，所述转动角度锁止机构3的孩童感应触发端连接所述身高探测装置5的输出端，所述身高探测装置5为红外传感器，儿童身高通常在1-1.4米，则红外传感器固定于门框离地面1.5米位置较合适。
本实施例的电路设计如图20，其中，电机驱动模块采用PWM控制，可以使电机在0-12V连续可调的电压下工作；方向控制端通过H桥控制电机的工作电流方向，从而快速、精准控制电机的转速与转矩。电机驱动模块电路如图所示，H桥由2个P沟道增强型场效应管IRF9540(55V/110A)和2个N沟道增强型场效应管IFR3205(100V/19A)组成；芯片CD4011集成了4个2输入的与非门，控制H桥路通过电机的电流方向，CD4011的工作电压范围是-0.5V-18V。电机驱动模块电路的功能如下表所示，通过调节PWM输出的占空比可以精准控制电机转速与转矩。
电机驱动模块电路的功能表
信号PWM表示人来触发信号或锁止电机32需要启动的控制信号，信号Dir表示孩童感应信号或锁止电机32正/反转控制信号，当有小孩在门经过时，信号PWM与Dir均为高电平，电机正转控制门扇抱死，小孩不能随意推动门，而当成人经过时，PWM为高电平，Dir为低电平，电机反转控制抱死的门扇松开，重新恢复可转动状态，当无人经过时，PWM为低电平，此时电机不工作。
本案的安全门控制系统还包括关门状态检测机构6，所述关门状态检测机构6包括信号收发单元61、信号触发单元62，所述信号收发单元61固装于所述门扇1，所述信号触发单元62固装于所述门框2或墙体，且当所述门扇1完全关合时，所述信号触发单元62激活所述信号收发单元61的关门信号，所述信号收发单元61的开门信号输出端连接所述转动角度锁止机构3的工作控制端。
关门状态检测机构6的实施例一如图17，所述信号收发单元61设有红外发送器611、红外接收器612，所述信号触发单元62设有红外反射片，所述红外发送器611的发送端、所述红外接收器612的接收端、所述红外反射片三者位于同一平面，所述红外发送器611的发送端朝向所述红外反射片且入射角度为θ，所述红外接收器612的接收端朝向所述红外反射片且反射角度为θ。
关门状态检测机构6的实施例二如图18、19，所述信号收发单元61设有红外发送器611、红外接收器612，所述红外发送器611的发送端正对所述红外接收器612的接收端，且二者之间设有红外透射片613，该红外透射片613的透射部为通孔或红外透射材质，所述红外透射片613的遮挡部为非红外透射材质；
所述信号触发单元62设有永磁体，所述信号收发单元61靠近永磁体的位置设置有铁磁质件614，该铁磁质件614与所述红外透射片613固定连接，所述红外透射片613连接所述铁磁质件614的相对侧连接有弹簧，该弹簧抵接所述信号收发单元61内壁；
仅当门扇1完全关合状态下，所述红外发送器611的红外射线穿过所述红外透射片613的透射部进入所述红外接收器612。
具体电路设计在图20的基础上还增加有图21所示的红外接收电路及单片机控制单元，其中，第一红外接收管D2为红外接收器612，当关门时第一红外接收管D2得电导通，out1输出高电平，则开门时out1输出低电平，第二红外接收管D4为身高探测装置5，当大人经过时，第二红外接收管D4断电，out2输出低电平，反之，小孩经过时，out2输出高电平，第三红外接收管D6为人来感应装置4，当有人经过时，第三红外接收管D6断电，out3输出高电平，反之，无人经过时，out3输出低电平。
则单片机上out1、out2、out3为3个输入信号脚，另外还设有一按键开关S1控制的输入脚，PWM、Dir则对应为单片机的信号输出脚，其控制逻辑为：
out1为高电平时，门扇为关紧状态，PWM输出低电平，电机不工作，此时，可在单片机上外接无线信号发射器，将此时的门扇关紧状态经无线信号发送给用户手机等无线接收设备；
out1为低电平，out3为低电平时，门扇打开且无人经过，PWM输出低电平，电机不工作，此时，若用户需要控制门扇抱死防止大风吹动等情况，可通过按键开关S1控制PWM、Dir均输出高电平，电机正转控制门扇抱死；
out1为低电平，out2为高电平，out3为高电平时，门扇打开且有儿童经过，PWM输出高电平、Dir输出高电平，电机正转控制门扇抱死；
out1为低电平，out2为低电平，out3为高电平时，门扇打开且有成人经过，PWM输出高电平、Dir输出低电平，电机反转门扇解锁。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
