智能窗戶裝置的研制畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　0 文獻綜述3</b></p><p>　　0.1 窗戶的發(fā)展史3</p><p>　　0

2、.2 窗戶的種類4</p><p>　　0.2.1 平開窗4</p><p>　　0.2.2 推拉窗4</p><p>　　0.2.3 百葉窗4</p><p>　　0.2.4 天窗4</p><p>　　0.3 窗戶的材料4</p><p>　　0.3.1 塑鋼4</p&g

3、t;<p>　　0.3.2 鋁合金5</p><p>　　0.3.3 木質5</p><p>　　0.4 窗戶目前的發(fā)展狀況5</p><p>　　0.5 窗戶未來發(fā)展趨勢6</p><p><b>　　1 引言7</b></p><p>　　2 智能窗戶方案設計7<

4、;/p><p>　　2.1 整體方案設計7</p><p>　　2.2 機械部分方案設計7</p><p>　　2.3 控制部分方案設計9</p><p>　　3 機械部分設計10</p><p>　　3.1 窗框和窗扇設計10</p><p>　　3.1.1 窗戶類型的選擇10<

5、/p><p>　　3.1.2 窗戶材料的選擇10</p><p>　　3.1.3 窗框的受力分析10</p><p>　　3.2 合頁設計11</p><p>　　3.3 電機選擇13</p><p>　　3.4 齒輪設計13</p><p>　　3.4.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及

6、齒數參數13</p><p>　　3.4.2 齒根彎曲疲勞強度校核。14</p><p>　　3.4.3 齒面接觸疲勞強度校核計算15</p><p>　　3.5 軸承的選擇15</p><p>　　4 控制部分設計16</p><p>　　4.1 單片機16</p><p>　　4

7、.1.1 電源系統(tǒng)17</p><p>　　4.1.2 時鐘系統(tǒng)18</p><p>　　4.1.3 電源信號燈18</p><p>　　4.1.4 調試燈18</p><p>　　4.1.5 電機正反轉電路19</p><p>　　4.1.6 手動控制電路19</p><p>　　

8、4.1.7 顯示器20</p><p>　　4.2 雨水傳感器的設計21</p><p>　　4.3 煙霧傳感器的設計22</p><p>　　4.4 風速傳感器的設計24</p><p>　　4.5 光照傳感器的設計25</p><p><b>　　5 結論26</b></p&

9、gt;<p><b>　　參考文獻26</b></p><p><b>　　致謝28</b></p><p><b>　　智能窗戶裝置的研制</b></p><p>　　摘要：本課題設計是一種智能窗戶，包括機械部分和控制部分。機械部分有窗框和窗扇，它們通過上下兩個合頁連接，固定架將減

10、速電機固定在窗框上端，減速電機上的齒輪與合頁上的齒輪嚙合來傳遞動能?？刂撇糠职▎纹瑱C、雨水傳感器、風速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器、蜂鳴器、行程開關、開關、導線、蓄電池。傳感器感知環(huán)境條件變化，給單片機發(fā)送電平信號，單片機通過處理信號后控制減速電機的正反轉，如此可智能控制窗戶的開閉。該窗戶功能齊全、結構簡單可靠、占據空間小，為了人們提供便利的生活，也保證了人們的安全。</p><p>　　關鍵詞：

11、智能窗戶；合頁；減速電機；齒輪；單片機；傳感器；</p><p>　　Development of Intelligent windows device </p><p>　　Abstract: This paper is about a design of a kind of smart windows, the smart includes the mechanical part an

12、d control part. Mechanical part includes window frame and sash, they are connected by upper hinger and lower hinge, the geared motor bracket fixed to the upper sash, reduction gear and hinge on the gear motor have a func

13、tion of delivering kinetic energy. The control section includes a microcontroller, rain sensor, wind sensor, light sensor, smoke sensor, gas sensor, buzzer, trip switches, </p><p>　　Keywords: Smart windows;h

14、inge; gear motor; gear; SCM sensor;</p><p><b>　　0 文獻綜述</b></p><p>　　0.1 窗戶的發(fā)展史</p><p>　　“窗”，房間的眼睛。自從人類發(fā)明遮風避雨的避難場所以來，人類就迫切的需要對光線和空氣進行有效的控制和管理。因此，窗戶就在人類充滿智慧的大腦中誕生了。窗戶起源于人類

15、社會進化之后的早期社會，那時的自然條件異常的苛刻，人類的居住環(huán)境從半穴居演變成原始地面建筑時，圍護結構分化成墻體與屋蓋兩大部分時，為了排除住宅內部篝火產生的大量煙氣，出現了在固定的屋頂上開口用以通風排煙和采光的結構式樣，古代稱之為“囪”?！皣琛奔刺齑?，實際上是開在屋頂上的洞口，而這種洞口就是窗的雛形了。</p><p>　　囪雖然解決了室內通風、排煙和采光的基本要求,但很難避免雨雪的侵襲。于是“牖”便出現了。牖即

16、“側窗”,是開在墻壁上的洞口。牖的產生是我國古代通風技術發(fā)展史上的一個重大突破,反映了我國古代科學技術的巨大進步。 </p><p>　　早期的窗功能原始,造型簡單,甚至毫無裝飾,，窗從西安半坡時代那種僅僅起排煙、通氣作用的屋蓋通孔發(fā)展到了兼具采光功能的建筑構件。 秦咸陽宮第一號遺址挖掘出了窗用的銅百葉,表明那時的窗已經可以開啟了。大約在漢代,建筑上開始出現直欞窗,這只能從出土的明器中得到證實。</p>

17、;<p>　　隋唐至宋,窗的發(fā)展日趨成熟,但仍以直欞窗為多,花飾窗兼有。直欞窗有版欞窗和破子欞窗兩種,版欞木條橫斷面為扁方形或方形;破子欞斷面為三角形,尖角沖外,平面沖里,以便裱糊。另外,《營造法式》里還有 電窗和闌檻鉤窗形式的記載。唐代房屋空間宏大,窗的面積較之以前增大,而且產生了啟閉功能,從而使室內通風采光條件有了較大的改善。 及至明清,檻窗、支摘窗成為時代主流。這一時期窗的工藝技巧日益多樣,裝飾手法不斷翻新,重整體表

18、現,重細部刻畫,從而達到了遠觀有效果,近看有內容的藝術層次。另外,此時園林空前發(fā)展,漏窗隨之發(fā)展起來。而后,窗的發(fā)展進入到現代窗的發(fā)展階段。 建國以后,百廢待興,舉國上下掀起了一場轟轟烈烈的大建設,由于現代建筑的技術、形式等更適合于時代的要求得到了廣泛的推廣,窗作為建筑的主要配件勢必要同建筑主體的結構、形式等相結合,由此窗的設計開始了西方式的工業(yè)化、標準化的進程。除了古建筑維修、仿古建筑的興建需要以外,中國傳統(tǒng)的窗基本不再采用。<

19、/p><p><b>　　0.2 窗戶的種類</b></p><p>　　窗戶發(fā)展至今，已有幾千年的歷史，幾乎每幢房子都會有窗。其主要的功能有通風換氣、采光取暖、遮風擋雨、遮陽隔音，是室內與外界氣體交換的的通道。目前窗戶主要有以下幾個類型。</p><p>　　0.2.1 平開窗</p><p>　　平開窗是最為常見的一

20、種窗，窗扇通過鉸鏈與窗框結合，窗扇可以旋轉開啟。這種窗的優(yōu)點是構造簡單，整扇窗可以100%打開，關閉時氣密性好，建筑熱工性能高，在建筑節(jié)能要求越來越高的今天，平開窗將成為市場的主流。平開窗的缺點是窗扇開啟后要占據一定的空間，在某些特別狹窄的位置沒有足夠的空間容納開啟的窗時不宜采用。 </p

21、><p>　　0.2.2 推拉窗</p><p>　　推拉窗采用裝有滑輪的窗扇在窗框上的軌道滑行，這種窗的優(yōu)點是窗無論在開關狀態(tài)下均不占用額外的空間，構造也較為簡單。但由此帶來的缺點是最多只有50%的窗扇可以打開，關閉時氣密性差。近年來有采用新技術的改進型推拉窗，可以將多個窗扇推至一側折疊。同時也有提高氣密性的推拉窗，但總體來說仍然無法達到平開窗的熱工性能，能耗較高，所以在先進國家很少采用

22、這種窗。</p><p>　　0.2.3 百葉窗</p><p>　　百葉窗是采用數片條形材料平行排列，通過轉動百葉的角度來控制光線的窗。嚴格意義上講百葉窗并非窗，因為它在關閉時無法做到很好的密閉，因此無法單獨存在于建筑中，必須和普通的窗或玻璃幕墻結合在一起使用。</p><p><b>　　0.2.4 天窗</b></p>

23、<p>　　天窗采光天窗由于其特殊的位置，一般為不可開啟的玻璃窗，如采光罩，但也有某些建筑由于設計需要，采用特殊的機械開窗器控制其開關。</p><p><b>　　0.3 窗戶的材料</b></p><p>　　對于窗戶的材質來說，可分成三大類——木質、塑鋼、鋁合金。三者各有所長。</p><p><b>　　0.3.1

24、塑鋼 </b></p><p>　　因為是塑料材質，所以重量小，隔熱性能好，而且價格相對較低。因為經常要面對風吹雨打太陽曬，所以最讓人關心的是塑鋼窗的防老化問題。實際上，高品質的塑鋼窗的使用年限可達一百年左右。</p><p>　　0.3.2 鋁合金 </p><p>　　因為是金屬材質，所以不會存在老化問題，而且堅固，耐撞擊，強度大。但鋁合金最容易被攻

25、擊的一個弱點就是隔熱性能，因為金屬是熱的良導體，外界與室內的溫度會隨著窗的框架傳遞。</p><p><b>　　0.3.3 木質 </b></p><p>　　相對來說，木質應該是最為完美的窗體框架材質，無論從隔熱、隔音等角度來說都有明顯的優(yōu)勢，而且與生俱來的質感和自然花紋更為讓人心動。雖然是木質，但實際上有的用于做窗框的實木已經經過了層層特殊的處理，不僅沒有了水分

26、，要求更高的甚至被吸去了脂肪，這樣一來，所謂的木質實際上已經如同化石一樣，經過處理后的實木，只保留了木材的外表，品質卻完全不一樣了，不會開裂變形，更不用擔心遭蟲咬、被腐蝕，而且，強度也大大增加。</p><p>　　0.4 窗戶目前的發(fā)展狀況</p><p>　　目前的窗戶結構和功能都比較單一，為人們的生活帶來了許多的不便。比如說，天氣變化外面下雨刮風了，為了避免雨水侵蝕室內的東西，我們要

27、親自去關閉窗戶，夜晚來臨我們也需要去關心門窗是否已經關好等等，這些問題與人們日益增長的物質需求相矛盾。</p><p>　　現在也出現了一些新型的窗戶，他們從窗戶的結構和功能上做了一些改進。比如現在有一種應用比較廣泛的平開窗戶，它的窗扇與窗框的連接不是合頁，而是通過上下兩個連桿結構連接的，窗戶打開時它是平移加上旋轉的合成運動，移動到窗戶靠近中間的位置，這樣不僅窗戶的通風率能夠達到100%，而且窗戶的正反兩面都能夠

28、擦拭。但這也是手動開啟關閉的，不能根本的解決問題。</p><p>　　還有一種能夠代勞人們“動”的窗戶。這些窗戶有電動窗戶、彈簧窗戶、液壓窗戶。電動窗戶的核心是電機，電機直接旋轉帶動平開類的窗戶旋轉，或者是電機的將旋轉運動通過皮帶或蝸桿轉換為直線運動后來帶動推拉窗的開閉。彈簧窗戶則是通過拉伸彈簧帶動推拉窗戶開閉，扭轉彈簧帶動平開窗花運動，但是彈簧窗戶需要人為的去給他蓄力。液壓窗戶比較少，它則只能安裝在推拉窗戶上

29、面，而且需要液壓泵來作為動力。這些窗戶的動力裝置大多都比較復雜，往往要破壞窗戶本身的結構，或者是在簡單的窗戶結構上附加上很大的機構。</p><p>　　窗戶不僅要能夠代勞人們去“動”，而且還要代勞人們去判斷什么時候該“動”什么時候不該“動”，這個就是智能窗戶。智能窗戶自身攜帶有各種傳感器，能夠感知環(huán)境參數的變化，比如溫度、濕度、光照、風速、空調開關狀態(tài)，將這些數據通過芯片處理，來給電動機發(fā)出指令，能夠隨開隨關。

30、智能窗戶還能夠用振動傳感器來預警入室盜竊，或者是煙霧傳感器來監(jiān)控室內的火災狀況和可燃氣體是否泄漏等。</p><p>　　0.5 窗戶未來發(fā)展趨勢</p><p>　　總之，未來窗戶的發(fā)展更趨于智能型。隨著科學技術的發(fā)展，各種技術將應用于智能窗戶，使智能窗戶的功能越來越豐富。智能窗戶作為智能家居的重要組成部分，將與物聯(lián)網結合，隨時向人們通知窗戶的開關以及室內外的狀態(tài)，人們也可以通過電腦甚至

31、手機來操控窗戶。未來人們的生活不會為刮風下雨、夜晚防盜、交換新鮮空氣這些瑣事而去親自打開窗戶，因為智能窗戶將會為你做到。</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著人們生活質量的提高，智能家居將成為家庭家具的發(fā)展趨勢。在家庭生活中，遇到下雨刮風，需要人去親手關掉窗戶，以免受到雨水的侵蝕。夜晚睡覺或者是外出，人們都會擔心窗戶是否關好，以防有盜

32、賊的入侵。室內有人吸煙導致空氣污濁或者有煤氣泄漏等危險狀況時，窗戶的開閉將對人們身體健康甚至生命安全起至關重要的作用。因此，本設計是一個智能窗戶，它將分為兩個部分進行介紹，一個是機械部分，它窗戶的主要物理結構，承擔著窗戶的開關動作。機械部分將介紹窗框窗扇的類型和材料的選擇以及它們的受力分析，合頁的介紹和設計，電機的大小選擇及其參數，齒輪的參數設計以及齒根彎曲疲勞強度校核和齒面接觸疲勞強度的校核，軸承的選擇和校核。另一個是控制部分，它窗戶

33、的神經系統(tǒng)，處理各種信息，對窗戶發(fā)出開閉的指令。 控制部分將介紹雨水傳感器、風速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器的類型和它們的電路原理圖，電機的正反轉控制過程，整體的電路圖和結論分析?？傊?，智能窗花可以根據環(huán)境和時間的變化，正確的幫助人們去控制窗戶的開閉，方便人們的生活。</p><p>　　2 智能窗戶方案設計</p><p>　　2.1 整體方案設計 </p><p&

34、gt;　　查閱了很多關于智能窗戶的專利資料，他們對于窗戶的設計，總結起來有兩種類型。一種是外掛式的裝置，就是將各種動力裝置和控制系統(tǒng)安裝窗臺上和窗戶周圍的內外兩面墻上，或者是安裝在窗框和窗扇上，這種方式，不僅占據了建筑的空間，容易受到雨雪的侵蝕和外界的干擾，而且看起來非常的亂，并不美觀。另一種就是破壞式的，為了方便安裝某個機械機構而去大范圍的改變原來的窗戶結構，這樣容易造成窗戶結構的不穩(wěn)定，推廣起來也是比較難的。針對以上問題，我設計出一

35、種智能窗戶，用簡單很小的動力裝置來帶動窗戶的運動，把控制裝置內嵌在窗戶內，這樣就可以避免破壞窗戶的結構，而且看起來比較美觀。該智能窗戶包括機械部分和控制部分。</p><p>　　2.2 機械部分方案設計</p><p>　　目前大多數的窗戶都使用的是推拉窗和平開窗兩種類型。推拉窗的通風率只有50%，它是直線運動的，要帶動推拉窗的開關動作，需要把電機的旋轉運動通過各種方式轉換為直線運動，或

36、者是利用彈簧和液壓裝置來直接帶動，這樣就會增加很多結構?？紤]到推拉窗的通風率只有平開窗的一般，而且動力裝置需要轉換比較復雜，我決定設計平開窗。平開窗是旋轉開關的，有的是采用連桿結構來帶動平開窗運動，這相對都比較復雜。于是我采用電機直接帶動。具體的方案如圖1，圖2。</p><p>　　圖1 方案三維示意圖</p><p>　　Fig.1 Schematic three-dimensio

37、nal program</p><p>　　圖2 方案局部三維示意圖</p><p>　　Fig.2 Three-dimensional schematic partial plan</p><p>　　圖2 說明：1—固定架，2—鉚釘，3—減速電機，4—齒輪1，5—窗框，6—窗扇，7—齒輪2，8—上合頁右片，9—上合頁左片，10—推力球軸承</p>

38、<p>　　該方案的具體結構是：窗框和窗扇通過上下兩片合頁連接。窗框上方安裝了一個用固定架固定的減速電機，電機的輸出端安裝了一個齒輪。合頁中間有兩個止推球軸承，目的是為了減少合頁之間的摩擦。固定架左端鉚接在窗框外框上，固定架右端與上合頁左片一起鉚接在窗框內框上。上合頁右片鉚接在窗扇上。上合頁的軸上安裝了一個齒輪，齒輪焊接在上合頁右片上，齒輪的中心與上合頁的軸心同心。下合頁與窗框連接之間有一片墊片，目的是為了抵消上合頁與窗框

39、連接之間的固定架的厚度差。兩齒輪剛好嚙合，窗戶的動力路線為：減速電機電機→嚙合的齒輪→上合頁右端→窗扇。該窗戶結構簡單，動力可靠。在沒有對原窗戶的結構進行較大的改動的前提下，就能自如的開閉窗戶。</p><p>　　2.3 控制部分方案設計</p><p>　　智能窗戶的智能，就體現在能夠根據環(huán)境的變化開自動控制窗戶的開閉。例如刮風下雨、天色變黑、有可燃氣體泄漏等情況，都需要我們去對窗戶進

40、行開閉操作。因此我們設計的控制部分包括：單片機、雨水傳感器、風速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、蜂鳴器、顯示器、行程開關、開關、導線、蓄電池等裝置?？刂齐娐返倪壿嬯P系如圖3。</p><p>　　圖3 控制電路邏輯示意圖</p><p>　　Fig.3 Circuit diagram of the control logic</p><p>　　通過這個控制電路

41、，智能窗戶將實現一以下功能：</p><p>　　雨水傳感器若檢測到室外有雨水，智能控制窗戶關閉。</p><p>　　風速傳感器若檢測到室外的風速過大，智能控制窗戶關閉。</p><p>　　光照傳感器若檢測到天色已變黑，智能控制窗戶關閉。</p><p>　　煙霧傳感器若檢測到室內有可燃氣體泄漏，吸煙或者火災產生的煙霧，將通過蜂鳴器報警，

42、并及時打開窗戶。</p><p>　　顯示器顯示窗戶的狀態(tài)、時間、溫度等信息。</p><p>　　單片機可以定時開關窗戶，使室內的空氣保持清新。</p><p>　　可通過按鈕對窗戶的開閉進行靈活的手動控制。</p><p>　　控制部分將會放置在窗框內或者是窗扇內，這樣使得窗戶看起來美觀，并且實用。</p><p>

43、;<b>　　3 機械部分設計</b></p><p>　　3.1 窗框和窗扇設計</p><p>　　窗框和窗扇是本設計的主體結構，承載著各個零部件，也是控制部分裝置的放置地方。</p><p>　　3.1.1 窗戶類型的選擇</p><p>　　平開窗，通風效率%100，運動方式為旋轉，可用電機直接驅動。</p

44、><p>　　3.1.2 窗戶材料的選擇</p><p>　　窗戶的材料主要有三種，木材、鋁合金和塑鋼。目前大多數建筑都使用的是塑鋼窗，但是它的老化現象比較嚴重，而且不利于加工。木窗的歷史悠久，保溫效果也比較好，但是木頭的來源是樹木，不利于大范圍使用。鋁合金窗雖然保溫效果不好，卻不會有老化的問題，強度較大，加工也方便。窗戶材料選擇鋁合金。</p><p>　　3.1.3

45、 窗框的受力分析</p><p>　　窗框總長700mm，總寬500mm，框寬25mm，壁厚1mm，建筑用鋁合金牌號為6063，查《機械設計手冊》, 表3—2—33（摘自GB/T 6892—2006），它的抗拉強度，窗框的受力主要集中在與上下兩塊合頁連接的地方，簡化后受力分析如圖4。</p><p>　　圖4 窗框受力分析圖</p><p>　　Fig.4 F

46、igure sash stress analysis </p><p><b>　　窗扇的質量約為，；</b></p><p>　　那么，；根據幾何關系算的；</p><p>　　因此 ，，因為窗戶是對稱的，所以；</p><p>　　根據力的相互作用，可得，所以，；</p><p><b&

47、gt;　　3.2 合頁設計</b></p><p>　　合頁連接著窗扇和窗框，使窗扇能夠自由的旋轉。合頁有普通合頁：用于櫥柜門、窗、門等。材質有鐵質、銅質和不銹鋼質。普通合頁的缺點是不具有彈簧鉸鏈的功能，安裝合頁后必須再裝上各種碰珠，否則風會 吹動門板。</p><p>　　煙斗合頁：也叫彈簧鉸鏈。主要用于家具門板的連接，它一般要求板厚度為16~20毫米。材質有鍍鋅鐵、鋅合金。

48、彈簧鉸鏈附有調節(jié)螺釘，可以上下、左右調節(jié)板的高度、厚度。它的一個特點是可根據空間，配合柜門開啟角度。除一般的90度角外，127度、144度、165度等均有相應鉸鏈相配，使各種柜門有相應的伸展度。</p><p>　　大門合頁：它又分普通型和軸承型，普通型前面已講過。軸承型從材質上可分銅質、不銹鋼質。從目前消費情況來看，選用銅質軸承合頁的較多，因為其式樣美觀、亮麗，價格適中，并配備螺釘。</p>&l

49、t;p>　　其他合頁：有玻璃合頁、臺面合頁、翻門合頁。玻璃合頁用于安裝無框玻璃櫥門上，要求玻璃厚度不大于5~6毫米。</p><p>　　而這次的合頁上面需要焊接齒輪，以上合頁都達不到我的設計要求，因此自己設計了一個合頁，合頁的左片是用一根長25mm、外徑8mm、內徑3mm的金屬管狀材料焊接在凸字形板料中間，合頁的右片是用兩跟長15mm、外徑8mm、內徑3mm的金屬管狀材料焊接在凹字形板料的兩邊，兩片合頁通

50、過一根長63mm、直徑3mm的軸串接，中間有兩個推力球軸承以減少合頁之間的磨損。兩塊板料各自均有3個直徑3mm的孔，已便于鉚接在窗框個窗扇上，如圖5所示</p><p>　　圖5 合頁三維示意圖</p><p>　　Fig.5 Hinge-D representation</p><p><b>　　3.3 電機選擇</b></p>

51、;<p>　　如圖2所示，減速電機通過固定架安裝在窗框上，它是窗扇能夠轉動的動力來源，根據設計要求，窗戶的應在4秒左右完成一個90度的開關動作，因此窗扇的轉速為，窗扇轉動時所受到的阻力主要來自于上下兩個合頁之間的摩擦力，摩擦力的方向為垂直和水平兩個方向，查《機械設計課程設計手冊》表1—10，鋼與鑄鐵之間的摩擦因素為，查《機械設計課程設計手冊》表1—11，推力球軸承之間的摩擦因素，簡化模型后，轉動窗扇所需力矩</p&g

52、t;<p>　　其中為合頁內孔半徑，R為合頁外圓半徑。</p><p>　　因此選擇永磁直流減速電機ZGA20RU，具體參數如表1所示。</p><p>　　表1 減速電機參數</p><p>　　Tab.1 Gear motor parameters</p><p>　　此電動機的轉速和力矩符合設計要求，并且具有尺寸小的特

53、點。</p><p><b>　　3.4 齒輪設計</b></p><p>　　如圖2所示，一個齒輪安裝在減速電機上，另一個齒輪焊接在合頁上，兩嚙合齒輪將電機的動力傳遞給窗扇，使窗扇能夠平穩(wěn)的旋轉。兩齒輪要求尺寸一樣且盡量要小。</p><p>　　3.4.1 選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數參數</p><p>　　

54、按照本次設計的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。窗戶的轉動速度不高，故選用7級精度（GB 10095-88)。材料選擇45鋼，硬度為240HBS。根據合頁與窗戶的尺寸要求，兩齒輪的大小相同，，齒輪傳遞的力矩不大，按標準的第一部分優(yōu)先選擇，選擇模數，齒數，中心距。</p><p>　　3.4.2 齒根彎曲疲勞強度校核</p><p>　　根據《機械設計》式（10—5a）：</p>

55、<p><b>　　（3-1）</b></p><p>　?。?）確定公式內的各計算值</p><p>　　由《機械設計》圖10—20c查的齒輪的彎曲疲勞強度極限。</p><p>　　由《機械設計》圖10—18取彎曲疲勞壽命系數。</p><p>　　由《機械設計》表10—7選取齒寬系數。</p>

56、;<p><b>　　計算圓周速度。</b></p><p><b>　　；</b></p><p>　　由《機械設計》式10—13計算應力循環(huán)次數。</p><p>　　6）計算彎曲疲勞許用應力。</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數，由《機械設計》式（10—12）得</p&

57、gt;<p><b>　　7）計算載荷系數。</b></p><p>　　根據，7級精度，由《機械設計》圖10—8查的動載荷系數；</p><p><b>　　直齒輪，；</b></p><p>　　由《機械設計》表10—2查的使用系數；</p><p>　　由《機械設計》表10—4用

58、插值法查的7級精度、懸臂布置時，。</p><p>　　由，查《機械設計》圖10—13得；</p><p><b>　　故載荷系數</b></p><p>　　查取齒形系數和應力校正系數。</p><p>　　由《機械設計》表10—5查得 ，；</p><p><b>　?。?）校核計算

59、。</b></p><p><b>　　符合要求。</b></p><p>　　3.4.3 齒面接觸疲勞強度校核計算</p><p><b>　　由《機械設計》式</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　（

60、1）確定公式內的各計算值</p><p><b>　　計算齒輪傳遞的力。</b></p><p>　　由《機械設計》表10—6查得材料的彈性影響系數。</p><p>　　由《機械設計》圖10—21d按齒面硬度查得齒輪的接觸疲勞強度極限。</p><p>　　由《機械設計》圖10—19取接觸疲勞壽命系數。</p&g

61、t;<p>　　計算接觸疲勞許用應力。</p><p>　　取失效概率為1%，安全系數,由《機械設計》式10—12得</p><p><b>　　計算載荷系數K。</b></p><p><b>　　校核計算。</b></p><p><b>　　符合要求。</b>

62、;</p><p><b>　　3.5 軸承的選擇</b></p><p>　　在兩片合頁接觸的地方加上軸承，可以減少它們之間的摩擦，提高電機的傳動效率。</p><p>　　軸承所承受載荷的大小、方向和性質，是選擇軸承類型的主要依據。</p><p>　　根據載荷的大小選擇軸承類型時，由于滾子軸承中主要元件間是線接觸，

63、宜用于承受較大的載荷，承載后的變形也較小。而球軸承中則主要為點接觸，宜用承受較輕的或者中等的載荷。而由圖3可知，軸承在豎直方向受到窗戶的重力，屬于較輕載荷，因此選擇球軸承。</p><p>　　根據載荷的方向選擇軸承類型時，對于純軸向載荷，一般選用推力軸承。較小的純軸向載荷可選用推力球軸承：較大的純軸向載荷可選用推力滾子軸承。對于純徑向載荷，一般選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或者滾針軸承。當軸承在承受徑向載荷的同時

64、，還有不大的軸向載荷時，可選用深溝球軸承或接觸角不大角接觸球軸承或圓錐滾子軸承；當軸向載荷較大時，可選用接觸角較大的角接觸軸承或圓錐滾子軸承，或者選用向心軸承和推力軸承組合在一起的結構，分別承擔徑向載荷和軸向載荷。而由圖3可知，軸承主要承受軸向的重力，載荷較輕，因此選推力球軸承。</p><p>　　在一般轉速下，轉速的高低對類型的選擇不發(fā)生什么影響，只有在轉速較高時，才會有比較顯著的影響。窗扇的轉速v=3.75

65、r/min，轉速不大，不影響類型的選擇。</p><p>　　綜上所述，結合合頁軸的大小，選擇外徑D=8mm，內徑d=3mm，厚度t=3.5mm的推力球軸承</p><p><b>　　4 控制部分設計</b></p><p>　　智能窗戶的控制部分主要的功能就是利用傳感器收集環(huán)境條件變化的信號，包括：雨水傳感器檢測室外是否有雨水、風速傳感器檢

66、測是否刮風、煙霧傳感器檢測室內是否有煙霧、光照傳感器檢測室外晝夜的變化。這些信號將以電平的方式傳遞給核心處理器單片機，單片機根據設定的程序處理來自傳感器的信號，然后輸出信號給電機正反轉控制器，控制窗戶的打開關閉。</p><p><b>　　4.1 單片機</b></p><p>　　89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Pr

67、ogrammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。89C51單片機為很多嵌入式控制系

68、統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。</p><p>　　圖6 單片機引腳圖</p><p>　　Fig.6 MCU pin diagram</p><p>　　4.1.1 電源系統(tǒng)</p><p>　　單片機需要5V的穩(wěn)壓電源，因此用采用7805三端穩(wěn)壓電路，將12V的電壓降到穩(wěn)定的5V，如圖7所示。12電源的正極接7805的Vin端，負

69、極接單片機的GND端，7805的Vout接單片機的VCC端。CD1和CD2為電路的濾波電容，大小為0.01uF。</p><p>　　圖7 單片機電源電路</p><p>　　Fig.7 MCU power supply circuit diagram</p><p>　　4.1.2 時鐘系統(tǒng)</p><p>　　時鐘系統(tǒng)為單片機提供時鐘

70、信號，如圖8所示，晶振的震蕩頻率為12MHz，電路中的電容CX1、CX2都為33pF，兩引腳分別接單片機的XTAL1和XTAL2端。</p><p>　　圖8 單片機時鐘電路</p><p>　　Fig.8 MCU clock circuit diagram</p><p>　　4.1.3 電源信號燈</p><p>　　對于單片機電源是

71、否有電我們需要一個指示的信號，如圖9所示，通過一個LED燈和保護電路就可以檢測單片機是否有電。電路的VCC接單片機的VCC端，電路GND接單片機的GND端。</p><p>　　圖9 電源指示燈電路</p><p>　　Fig.9 Power Indicator circuit Diagram</p><p><b>　　4.1.4 調試燈</b

72、></p><p>　　調試燈等用來檢測單片機的某個引腳是否能夠正常的輸出電平信號。如圖10所示，電路中的LED燈和保護電阻可以檢測引腳是否有高電平輸出。</p><p>　　圖10 調試燈電路圖</p><p>　　Fig.10 Debugging lamp circuit diagram</p><p>　　4.1.5 電機正反

73、轉電路</p><p>　　電機的正反轉通過L298N驅動板實現。L298N驅動板控制邏輯是：IN1、IN2 控制電機M1；IN3、IN4控制電機M2。例如：IN1輸入高電平1,IN2 輸入低電平0，對應電機M1 正轉；IN1 輸入低電平0,IN2輸入高電平1，對應電機M1反轉。</p><p>　　電機正反轉的電路如圖11所示，M1控制電機的正轉，回路中的K1是窗戶完全關閉時會觸碰到常閉

74、行程開關，防止電機被燒壞。同理，M2控制電機的反轉，回路中的K2是窗戶完全打開時會觸碰到的常閉行程開關。</p><p>　　圖11 電機正反轉控制電路圖</p><p>　　Fig.11 Motor reversing control circuit diagrams</p><p>　　4.1.6 手動控制電路</p><p>　　智

75、能窗戶有時候也需要手動來控制開閉。如圖12所示，手動控制電路分別介入單片機的兩個引腳，按動K1或者K2可以向單片機輸入一個低電平或者下降沿信號。電路中兩個電阻為保護電阻。</p><p>　　圖12 手動控制電路圖</p><p>　　Fig.12 Manual control circuit diagrams</p><p><b>　　4.1.7

76、顯示器</b></p><p>　　顯示器用來顯示單片機的工作狀態(tài)、窗戶的開關狀態(tài)、環(huán)境溫度、時間等信息。如圖13所示，采用的是LCD12864液晶顯示器，它的8~15引腳分別接單片P1.0~P1.7引腳。</p><p>　　圖13 顯示器電路圖</p><p>　　Fig.13 display circuit diagram</p>

77、<p>　　顯示器顯示的類容如圖14。</p><p>　　圖14 顯示器內容</p><p>　　Fig.14 Display Properties</p><p>　　4.2 雨水傳感器的設計</p><p>　　天氣變幻無常，下雨是經常發(fā)生的事，而我們會經常忘了關閉窗戶而導致雨水進入室內，所以我們的智能窗戶要感知是否有雨

78、水以及雨水的大小就需要雨水傳感器。雨水傳感器是將雨量的大小通過物理的方法，將雨水信號轉換為電信號。目前的雨水傳感器大致可分為三類。</p><p>　　第一類是電容式的雨水傳感器，主要是利用水和電容的材料之介電常數的巨大差異設計的。它是由兩條相互平行的螺旋形的回字形的銅條，這兩條金屬條形成電容的兩級，接受雨水后，電容兩極間的介電常數發(fā)生變化，回字形的電容的大小也隨之變化，將影響到脈沖電路中的多諧振蕩器的工作頻率，

79、從而得知雨水的大小。</p><p>　　第二類是電阻式的雨水傳感器，它由兩條互相平行的螺旋形的回字形的金屬條組成，相當于一個電阻串聯(lián)在回路中，當有雨水變化時，回形電阻也隨著改變，從而改變電壓或者是電阻的大小。</p><p>　　第三類是光電式的雨水傳感器，這種傳感器大量應用在汽車上。它光發(fā)射二極管、光接受二極管、周圍環(huán)境傳感器、電控制單元（ECU）和幾個鏡頭組成。由LED發(fā)出的光以全反

80、射角度在擋風玻璃的外表面反射，其角度必須在42°（玻璃-空氣）和63°（玻璃-水）之間。如果在擋風玻璃上有水，一些光會雙倍射出，且這會引起從LRD出來的電流減少，電流以電子來評測，從LED發(fā)出的光反射到LRD的擋風玻璃區(qū)域被稱之為傳感器的“敏感區(qū)域”。僅僅當雨水滴到這個區(qū)域時，才可以被探測出來。為了由一個靈敏可靠的系統(tǒng)，擋風玻璃區(qū)域和靈敏區(qū)域之間必須要有一個較好的比例。</p><p>　　我

81、們選用第二類電阻式雨水傳感器，因為這種傳感器具有結構簡單、容易制作等特點。電路的原理圖如圖14，形電阻檢測板和比較電路組成。當回形電阻有雨水時，電阻降低，端口3的電壓變小，端口3的電壓通過電壓比較器LM393AD與端口2而的電壓進行比較，若端口2電壓低于端口3的電壓則端口1輸出低電平信號，反之輸出高電平信號。端口2的電壓可以通過Rp1可調電阻來改變電壓值，從而實現對判斷是否有雨水的比較值進行精度調整。</p><p&

82、gt;　　圖15 電阻式雨水傳感器電路原理圖</p><p>　　Fig.15 Resistive rain sensor circuit schematics</p><p>　　4.3 煙霧傳感器的設計</p><p>　　殘酷無情的火災會危及我們的生命和財產的安全，可見預警災情是件多么重要的事情。有些成人喜歡吸煙，這會造成室內空氣污濁，二手煙會嚴重傷害家人

83、特別是小孩的身體健康。可燃氣體的泄漏，同樣是十分危險的情況。我們給智能窗戶設計一種煙霧傳感器，讓它能及時發(fā)現災情預警災情，能夠及時打開窗戶給我們帶來一個空氣清新的環(huán)境。</p><p>　　查閱相關資料，煙霧傳感器有三種類型。</p><p>　　第一類是半導體煙霧傳感器，它的代表是MQ-2氣體傳感器。MQ-2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感

84、器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ-2氣體傳感器對液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對天然氣和其它可燃蒸汽的檢測也很理想。這種傳感器可檢測多種可燃性氣體，是一款適合多種應用的低成本長壽命的傳感器。</p><p>　　第二類是離子型煙霧傳感器，以KG8005型煙霧傳感器為例。KG8005型煙霧傳感器的主體

85、結構由采樣系統(tǒng)、檢測及補償電離室、敏感元件、整機電路等5部分組成。采樣系統(tǒng)包括：開有螺線型百葉窗式擴散槽及對流孔的采樣罩、不銹鋼過濾網、集煙環(huán)、中隔板等組件。采樣罩和過濾網采用不銹鋼材料制作；中隔板為高阻燃材料，下部設有報警指示燈、自檢開關、復位按鈕及電源和信號輸出接口。整機電路設計有就地聲、光報警，信號遠傳，自檢等多種功能?；馂陌l(fā)生初期，燃燒物先期釋放出大量的氣溶膠顆粒，在燃燒物四周聚集成可見煙霧后隨自然風流沿傳感器采樣罩的螺線型百葉

86、窗擴散入傳感器。在過濾網的阻隔下，煙霧中粒徑較大的粉塵顆粒和雜質沿采樣罩的光滑內表面滑落至采樣罩底部，細微的煙塵顆粒則隨螺旋上升的氣流進入檢測電離室，與室內的正負離子中和，在中間電極產生一個與被測煙霧濃度呈正比的電壓變化增量“”。此增量經傳感器電路分析、處理后轉換成就地聲、光報警信號，同時以開關量的形式送往與之相連的井下監(jiān)控分站，實現井下火災的遠程集中監(jiān)控。</p><p>　　第三類是光電式煙霧傳感器。光電煙霧

87、傳感器器內有一個光學迷宮，安裝有紅外對管，無煙時紅外接收管收不到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光，當煙塵進入光學迷宮時，通過折射、反射，接收管接收到紅外光，智能報警電路判斷是否超過閾值，如果超過發(fā)出警報。光電感煙探測器可分為減光式和散射光式，分述如下：</p><p>　　減光式光電煙霧探測器。該探測器的檢測室內裝有發(fā)光器件及受光器件。在正常情況下，受光器件接收到發(fā)光器件發(fā)出的一定光量；而在有煙霧時，發(fā)光器件的發(fā)射光到受

88、到煙霧的遮擋，使受光器件接收的光量減少，光電流降低，探測器發(fā)出報警信號。</p><p>　　散射光式光電探測器該探測器的檢測室內也裝有發(fā)光器件和受光器件。在正常情況下，受光器件是接收不到發(fā)光器件發(fā)出的光的，因而不產生光電流。在發(fā)生火災時，當煙霧進入檢測室時，由于煙粒子的作用，使發(fā)光器件發(fā)射的光產生漫射，這種漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗發(fā)生變化，產生光電流，從而實現了煙霧信號轉煙霧變?yōu)殡娦盘柕墓δ?，探測

89、器收到信號然后判斷是否需要發(fā)出報警信號。</p><p>　　通過比較分析以上三類傳感器，決定選用MQ-2氣體傳感器。MQ-2氣體傳感器功成本低，可探測液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等多種氣體。電路原理圖如圖15由探測頭和比較電路組成。當探測頭檢測到有可燃氣體或是煙霧時，探測頭里的半導體電阻增大，使電路中的端口2的電壓增大，端口2處的電壓通過電壓比較器與端口3處的電壓進行比較，若端口2電壓低于端口3的

90、電壓，則端口1輸出低電平信號，反之輸出高電平信號。該電路也可以輸出電壓模擬量信號。</p><p>　　圖16 MQ-2氣體傳感器電路原理圖</p><p>　　Fig.16 Gas sensor circuit schematics</p><p>　　4.4 風速傳感器的設計</p><p>　　風速傳感器立足于煤礦用戶，主要適用于煤

91、礦井下具有瓦斯爆炸危險的各礦井通風總回風巷、風口、井下主要測風站、扇風機井口、掘進工作面、采煤工作面等處，以及相應的礦產企業(yè)?？蛇B續(xù)監(jiān)測上述地點的風速、風量（風量=風速x橫截面積）大小，能夠對所處巷道的風速風量進行實時顯示，是礦井通風安全參數測量的重要儀表。</p><p>　　風速傳感器的原理主要有一下四種。</p><p>　　超聲波渦接測量原理 超聲波風速傳感器是利用超聲波時差法來實

92、現風速的量。聲音在空氣中的傳播速度，會和風向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風向相同，它的速度會加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風向相反，它的速度會變慢。因此，在固定的檢測條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風速函數對應。通過計算即可得到精確的風速和風向。 由于聲波在空氣中傳播時，它的速度受溫度的影響很大；本風速儀檢測兩個通道上的兩個相反方向，因此溫度對聲波速度產生的影響可以忽略不計。</p><p>

93、　　通過壓差變化原理 在流動方向上設置一個固定的障礙物（孔板、噴嘴等），這樣根據流速不同便會產生一個壓差。通過測量壓差，可以轉換成流速的測量。</p><p>　　熱量轉移原理 根據卡曼渦街理論（見圖一），在無限界流場中垂直插入一根無限長的非線性阻力體（即旋渦發(fā)生體C，風速傳感器的探頭橫桿），當風流流經旋渦發(fā)生體C時，在漩渦發(fā)生體邊緣下游側會產生兩排交替的、內旋的旋渦列（即氣流旋渦），而旋渦的產生頻率f正比于

94、流速V。</p><p>　　因此超聲波風速傳感器就是利用超聲波旋渦調制的原理來測定旋渦頻率的 。</p><p>　　電流電壓原理 風速傳感器相當于一個小的發(fā)電機，可以輸出電流和電壓信號。</p><p>　　我設計的風速傳感器采用的是電流電壓原理，如圖16所示，有風時，檢測頭相當于一個發(fā)電機轉動，使端口3處的電壓升高，端口3的電壓通過電壓比較器與端口2的電壓就

95、行比較，若端口3處的電壓高于端口2處的電壓，則端口1輸出低電平信號，反之輸出高電平信號。該電路也可以通過R3來調節(jié)端口2處的電壓界定值的大小。</p><p>　　圖17 風速傳感器電路原理圖</p><p>　　Fig.17 Wind speed sensor circuit schematics</p><p>　　4.5 光照傳感器的設計</p>

96、;<p>　　光照傳感器用于檢測天色是否已黑，及時的反饋給單片機信號。若天色已黑，則窗戶關閉。</p><p>　　光照傳感器的原理一般都是采用光敏二極管或者光敏三極管等光電轉換模塊，將光照強度轉換為電壓值。此次設計的光照傳感器的電路原理圖如圖17，當光敏器件檢測到天色變黑時，光敏器件電阻變大，使端口3處的電壓升高，端口3的電壓通過電壓比較器與端口2的電壓就行比較，若端口3處的電壓高于端口2處的電壓

97、，則端口1輸出低電平信號，反之輸出高電平信號。該電路也可以通過R3來調節(jié)端口2處的電壓界定值的大小。</p><p>　　圖18 光照傳感器的電路原理圖</p><p>　　Fig.18 Light sensor circuit schematics</p><p><b>　　5 結論</b></p><p>　　

98、本次課題設計了智能窗戶，包括機械結構和控制部分。主要有以下幾方面的成果：</p><p>　　電機能很好的固定在窗框上，電機上的齒輪和合頁上的齒輪能良好的嚙合。上下兩個合頁能順利的開閉，且用力不大。窗戶能夠在電機的轉動下以適合的轉速的打開或者關閉。</p><p>　　雨水傳感器、風速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器能夠成功的檢測到各自的信號，并輸出給單片機低電平信號。</p>

99、<p>　　單片機接受信號后能正確處理信號，并能輸出信號給電機正反轉控制器。顯示器能正確顯示單片機工作狀態(tài)、窗戶開閉狀態(tài)、環(huán)境溫度和時間。</p><p>　　電機的閉合回路接觸良好，待窗戶轉動到極限位置，碰到形成開關后回路斷開停止轉動。并且能夠自動控制和手動控制。</p><p>　　智能窗戶可加上更多的傳感器，能夠應對更多的狀況，比如防盜、空調的開啟、保溫散熱等功能。未來可

100、以接入物聯(lián)網，實現遠程操控和實時信息的掌控。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]浦靈敏，季愛明. 基于STC89C52單片機智能窗戶控制系統(tǒng)的設計[J]. 中國科技信息，2011</p><p>　?。?0）：150-151.</p><p>　　[2]王圳. 遙控自動窗戶[J].

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107、/p><p>　　[17]濮良貴，紀名剛. 機械設計[M]. 北京：高等教育出版社，2006.211-213.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　回想起2012年的此刻，我還在和我的搭檔卞行健正在申請國創(chuàng)項目。那時，我們發(fā)揮自己的想象力，想出了一個方案，就是將我們以前做過的太陽能自動關窗裝置改進一下，變成電動窗戶。<

108、;/p><p>　　就這樣，我們成功申請了國創(chuàng)項目。欣喜若狂的我們，暑假也沒有回去，就在宿舍想著各種具體的方案。其中一個方案就是在推拉窗的兩側安裝一對皮帶輪，皮帶輪上面有個能帶著窗戶移動的裝置，再用電動機帶動皮帶輪轉動，以此來打開關閉窗。我們利用專業(yè)所學知識，還算出了皮帶輪大小、轉速，電機的功率等等。緊接著我還興致勃勃的提前單片機的相關知識，感覺成功就在眼前。</p><p>　　可是，現實總

109、是沒有理想那么美好。在大三的上學期，我拿著我們的方案去找蔣老師指導一下，蔣老師認為我們的方案完全沒有創(chuàng)新的地方，只是為了完成任務而去完成任務，他讓我們去查資料要看看別人是怎么做的，看能不能找到靈感。這一次對我的打擊不小，前面一段時間的付出都是白忙活，對項目的熱情已經退卻了三分。</p><p>　　想來想去，最后的目標還是必須要把項目做好。懷著僅剩下的熱情，在路上，在教室，在寢室都在尋找著關于窗戶的靈感。 每天看

110、專利、查資料、看視頻，都是比不可少的事。每一次靈感的閃現，到了蔣老師那里去都是被否。就這樣前前后后，都有七、八方案被槍斃。就要快放棄的我想著項目規(guī)定的時限已經過去了一半多，可自己什么成果也沒有，又再次為自己鼓了把勁，一定要堅持下去，絕不能退縮。終于，功夫不負有心人，我想出了一個好的方案，經過蔣老師的指導，改了好幾次就成了本次設計的內容。</p><p>　　在項目實施的過程中，要特別感謝奉緯同學和我一起去了北碚市