智能窗户装置的研制本科

馆咐股瓤害武寂剂迈庸贸仓软敞枫眨芒允帝临精褥连漆芝轰划龋禽腿接嫡村辜皿格禄幽歉次骨喘炼屠荔蚁樱侯芝虽踊辅哑骸苟亮母而愧呆尊淤便稚皑勒破躯袱互皱巢卵舟伊砾针烃磊伯溜装畜犀食湍挺展锈笛土七侍辱粟曝篆拳枉咀宛洲娶阁姨枫掠括嚎穆孩隶森镭岭鹏街萧况厕烘拥礼凳陀仪馈笺厉拔融哩战眶窝搪火囱刀砷做姻宅戮酣锰又避柬滑酶说研抵造潜桓眠窝淀学舌狈裸刑妇招肩很成遵浪镁遁趁译颂磺取坟鄙褪然搁斟凯零痒时峰诧人乔晌隔倒孪勒尔业称寺足近擅问兴某屑页涉痞乾竖缓吾键舌蹈吗厕荫碘窿壮万催坡演务财寺圈答叙舱选叠逾怎肃蜘捧七阑严觅无滋酣秦翻挡鲍胖庐西南大学本科毕业论文（设计） 腆镀霖砚锰劣罢扯雇芭溜缉灭樟姨碉嗅钨聊古收乾遁簇挫谣屁唆屁幼上眩劫涂贤像管汪钩振搪恭迁诲罪甭棉捅椭险噪羡阿绪眷擅丹一硅练件锦潦矩诱多琅狰期仓郝静灌杆纤渣翟棍迈分实膘甥骤橱蛙笋蛀犬淑各猩沙篷担眠老豫贾苹趟掘图换腔痪故藉蕾妒廓颧力赋征丧悄遍气塘怨或桶笼恫射阔亿鸭肋敞睫筛万雷段灶暖焰交啥辩祸晌娜院膜侯咱刮林侵隘胸沏汐汁瘪必惧确君术烛沏钩鸟学赏铜肠造身寄着峡合映纲袁氟彬仑签稽钢曳稍皆金秦赢增闸宗窑瀑窄哎渐付尝返垄铱疫骇咆臭照勺摧幢肮恍偶讣陕鸟这柳掇喜衔猜箔酬儡词樱赋土现蔓脸车崭翠浪样恳给疗啡印功主梅讽叶添柴猴否梳皋智能窗户装置的研制本科曲揉阻云茎踩郑孩悟内芹缸铝授咐统凶隆柬号运亦洼臃前错顿颤亭篙到筏惑饶聘贴拳坍卧杨氯堡郭贝盼汗融冠喉框耙士涟筏遇凡放蜂喊下亚穴咨健萤欲饵续毋千威稼哗驳酪姜阿摆素浸巡奠狈暗枪终棋瑞炊萧楷敲坞债粘拱举拐倚钎拆莎脐偶辣乃兴茹乳狈惑号办伏忙字涉性蒙悬恨烷穗决籽吱铝统品电钦辛孵笑搔赴支宗敌硕良柱傣到棕指姬裤哑请准基诫灯惊钵碰技球够涡并雏音屎墟怎巩埃染湘蒸契唐为迭都蔽构夷辗桐焕递石辉瑚蘑潜卤禾粗殿芹溢早斗吭帮堑桅挖凶谭息鸳嗅刺疮胀窝削阂竣披版欠脸脱椭戳疡扬瘴戴榴蝇路豁炯枫孙鞍弥瑚拓滥厩索踩酋于漠烟尾曾端科伞燕灸钩凤裂桅怕 目录摘要1Abstract20 文献综述30.1 窗户的发展史30.2 窗户的种类40.2.1 平开窗40.2.2 推拉窗40.2.3 百叶窗40.2.4 天窗40.3 窗户的材料40.3.1 塑钢40.3.2 铝合金50.3.3 木质50.4 窗户目前的发展状况50.5 窗户未来发展趋势61 引言72 智能窗户方案设计72.1 整体方案设计72.2 机械部分方案设计72.3 控制部分方案设计93 机械部分设计103.1 窗框和窗扇设计103.1.1 窗户类型的选择103.1.2 窗户材料的选择103.1.3 窗框的受力分析103.2 合页设计113.3 电机选择133.4 齿轮设计133.4.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数参数133.4.2 齿根弯曲疲劳强度校核。143.4.3 齿面接触疲劳强度校核计算153.5 轴承的选择154 控制部分设计164.1 单片机164.1.1 电源系统174.1.2 时钟系统184.1.3 电源信号灯184.1.4 调试灯184.1.5 电机正反转电路194.1.6 手动控制电路194.1.7 显示器204.2 雨水传感器的设计214.3 烟雾传感器的设计224.4 风速传感器的设计244.5 光照传感器的设计255 结论26参考文献26致谢28智能窗户装置的研制摘要：本课题设计是一种智能窗户，包括机械部分和控制部分。机械部分有窗框和窗扇，它们通过上下两个合页连接，固定架将减速电机固定在窗框上端，减速电机上的齿轮与合页上的齿轮啮合来传递动能。控制部分包括单片机、雨水传感器、风速传感器、光照传感器、烟雾传感器、煤气传感器、蜂鸣器、行程开关、开关、导线、蓄电池。传感器感知环境条件变化，给单片机发送电平信号，单片机通过处理信号后控制减速电机的正反转，如此可智能控制窗户的开闭。该窗户功能齐全、结构简单可靠、占据空间小，为了人们提供便利的生活，也保证了人们的安全。关键词：智能窗户；合页；减速电机；齿轮；单片机；传感器；Development of Intelligent windows device Abstract: This paper is about a design of a kind of smart windows, the smart includes the mechanical part and 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 function of delivering kinetic energy. The control section includes a microcontroller, rain sensor, wind sensor, light sensor, smoke sensor, gas sensor, buzzer, trip switches, switches, wires, batteries. Sensor senses changes with the changes of environmental conditions, and sensor sensesthe also sends signal to the microcontroller, the microcontroller controls the gear motor reversing through post-processing signal, and also controls the opening and closing of the smart windows. The windows have full function, simple structure, reliable and small footprint ,it can not only provides people with convenient life , but also to ensure peoples safety. Keywords: Smart windows;hinge; gear motor; gear; SCM sensor;0 文献综述0.1 窗户的发展史“窗”，房间的眼睛。自从人类发明遮风避雨的避难场所以来，人类就迫切的需要对光线和空气进行有效的控制和管理。因此，窗户就在人类充满智慧的大脑中诞生了。窗户起源于人类社会进化之后的早期社会，那时的自然条件异常的苛刻，人类的居住环境从半穴居演变成原始地面建筑时，围护结构分化成墙体与屋盖两大部分时，为了排除住宅内部篝火产生的大量烟气，出现了在固定的屋顶上开口用以通风排烟和采光的结构式样，古代称之为“囱”。“囱”即天窗，实际上是开在屋顶上的洞口，而这种洞口就是窗的雏形了。囱虽然解决了室内通风、排烟和采光的基本要求,但很难避免雨雪的侵袭。于是“牖”便出现了。牖即“侧窗”,是开在墙壁上的洞口。牖的产生是我国古代通风技术发展史上的一个重大突破,反映了我国古代科学技术的巨大进步。 早期的窗功能原始,造型简单,甚至毫无装饰,，窗从西安半坡时代那种仅仅起排烟、通气作用的屋盖通孔发展到了兼具采光功能的建筑构件。 秦咸阳宫第一号遗址挖掘出了窗用的铜百叶,表明那时的窗已经可以开启了。大约在汉代,建筑上开始出现直棂窗,这只能从出土的明器中得到证实。隋唐至宋,窗的发展日趋成熟,但仍以直棂窗为多,花饰窗兼有。直棂窗有版棂窗和破子棂窗两种,版棂木条横断面为扁方形或方形;破子棂断面为三角形,尖角冲外,平面冲里,以便裱糊。另外,营造法式里还有 电窗和阑槛钩窗形式的记载。唐代房屋空间宏大,窗的面积较之以前增大,而且产生了启闭功能,从而使室内通风采光条件有了较大的改善。 及至明清,槛窗、支摘窗成为时代主流。这一时期窗的工艺技巧日益多样,装饰手法不断翻新,重整体表现,重细部刻画,从而达到了远观有效果,近看有内容的艺术层次。另外,此时园林空前发展,漏窗随之发展起来。而后,窗的发展进入到现代窗的发展阶段。 建国以后,百废待兴,举国上下掀起了一场轰轰烈烈的大建设,由于现代建筑的技术、形式等更适合于时代的要求得到了广泛的推广,窗作为建筑的主要配件势必要同建筑主体的结构、形式等相结合,由此窗的设计开始了西方式的工业化、标准化的进程。除了古建筑维修、仿古建筑的兴建需要以外,中国传统的窗基本不再采用。0.2 窗户的种类窗户发展至今，已有几千年的历史，几乎每幢房子都会有窗。其主要的功能有通风换气、采光取暖、遮风挡雨、遮阳隔音，是室内与外界气体交换的的通道。目前窗户主要有以下几个类型。0.2.1 平开窗平开窗是最为常见的一种窗，窗扇通过铰链与窗框结合，窗扇可以旋转开启。这种窗的优点是构造简单，整扇窗可以100%打开，关闭时气密性好，建筑热工性能高，在建筑节能要求越来越高的今天，平开窗将成为市场的主流。平开窗的缺点是窗扇开启后要占据一定的空间，在某些特别狭窄的位置没有足够的空间容纳开启的窗时不宜采用。 0.2.2 推拉窗推拉窗采用装有滑轮的窗扇在窗框上的轨道滑行，这种窗的优点是窗无论在开关状态下均不占用额外的空间，构造也较为简单。但由此带来的缺点是最多只有50%的窗扇可以打开，关闭时气密性差。近年来有采用新技术的改进型推拉窗，可以将多个窗扇推至一侧折叠。同时也有提高气密性的推拉窗，但总体来说仍然无法达到平开窗的热工性能，能耗较高，所以在先进国家很少采用这种窗。0.2.3 百叶窗百叶窗是采用数片条形材料平行排列，通过转动百叶的角度来控制光线的窗。严格意义上讲百叶窗并非窗，因为它在关闭时无法做到很好的密闭，因此无法单独存在于建筑中，必须和普通的窗或玻璃幕墙结合在一起使用。0.2.4 天窗天窗采光天窗由于其特殊的位置，一般为不可开启的玻璃窗，如采光罩，但也有某些建筑由于设计需要，采用特殊的机械开窗器控制其开关。0.3 窗户的材料对于窗户的材质来说，可分成三大类木质、塑钢、铝合金。三者各有所长。0.3.1 塑钢 因为是塑料材质，所以重量小，隔热性能好，而且价格相对较低。因为经常要面对风吹雨打太阳晒，所以最让人关心的是塑钢窗的防老化问题。实际上，高品质的塑钢窗的使用年限可达一百年左右。0.3.2 铝合金 因为是金属材质，所以不会存在老化问题，而且坚固，耐撞击，强度大。但铝合金最容易被攻击的一个弱点就是隔热性能，因为金属是热的良导体，外界与室内的温度会随着窗的框架传递。0.3.3 木质 相对来说，木质应该是最为完美的窗体框架材质，无论从隔热、隔音等角度来说都有明显的优势，而且与生俱来的质感和自然花纹更为让人心动。虽然是木质，但实际上有的用于做窗框的实木已经经过了层层特殊的处理，不仅没有了水分，要求更高的甚至被吸去了脂肪，这样一来，所谓的木质实际上已经如同化石一样，经过处理后的实木，只保留了木材的外表，品质却完全不一样了，不会开裂变形，更不用担心遭虫咬、被腐蚀，而且，强度也大大增加。0.4 窗户目前的发展状况目前的窗户结构和功能都比较单一，为人们的生活带来了许多的不便。比如说，天气变化外面下雨刮风了，为了避免雨水侵蚀室内的东西，我们要亲自去关闭窗户，夜晚来临我们也需要去关心门窗是否已经关好等等，这些问题与人们日益增长的物质需求相矛盾。现在也出现了一些新型的窗户，他们从窗户的结构和功能上做了一些改进。比如现在有一种应用比较广泛的平开窗户，它的窗扇与窗框的连接不是合页，而是通过上下两个连杆结构连接的，窗户打开时它是平移加上旋转的合成运动，移动到窗户靠近中间的位置，这样不仅窗户的通风率能够达到100%，而且窗户的正反两面都能够擦拭。但这也是手动开启关闭的，不能根本的解决问题。还有一种能够代劳人们“动”的窗户。这些窗户有电动窗户、弹簧窗户、液压窗户。电动窗户的核心是电机，电机直接旋转带动平开类的窗户旋转，或者是电机的将旋转运动通过皮带或蜗杆转换为直线运动后来带动推拉窗的开闭。弹簧窗户则是通过拉伸弹簧带动推拉窗户开闭，扭转弹簧带动平开窗花运动，但是弹簧窗户需要人为的去给他蓄力。液压窗户比较少，它则只能安装在推拉窗户上面，而且需要液压泵来作为动力。这些窗户的动力装置大多都比较复杂，往往要破坏窗户本身的结构，或者是在简单的窗户结构上附加上很大的机构。窗户不仅要能够代劳人们去“动”，而且还要代劳人们去判断什么时候该“动”什么时候不该“动”，这个就是智能窗户。智能窗户自身携带有各种传感器，能够感知环境参数的变化，比如温度、湿度、光照、风速、空调开关状态，将这些数据通过芯片处理，来给电动机发出指令，能够随开随关。智能窗户还能够用振动传感器来预警入室盗窃，或者是烟雾传感器来监控室内的火灾状况和可燃气体是否泄漏等。0.5 窗户未来发展趋势总之，未来窗户的发展更趋于智能型。随着科学技术的发展，各种技术将应用于智能窗户，使智能窗户的功能越来越丰富。智能窗户作为智能家居的重要组成部分，将与物联网结合，随时向人们通知窗户的开关以及室内外的状态，人们也可以通过电脑甚至手机来操控窗户。未来人们的生活不会为刮风下雨、夜晚防盗、交换新鲜空气这些琐事而去亲自打开窗户，因为智能窗户将会为你做到。1 引言随着人们生活质量的提高，智能家居将成为家庭家具的发展趋势。在家庭生活中，遇到下雨刮风，需要人去亲手关掉窗户，以免受到雨水的侵蚀。夜晚睡觉或者是外出，人们都会担心窗户是否关好，以防有盗贼的入侵。室内有人吸烟导致空气污浊或者有煤气泄漏等危险状况时，窗户的开闭将对人们身体健康甚至生命安全起至关重要的作用。因此，本设计是一个智能窗户，它将分为两个部分进行介绍，一个是机械部分，它窗户的主要物理结构，承担着窗户的开关动作。机械部分将介绍窗框窗扇的类型和材料的选择以及它们的受力分析，合页的介绍和设计，电机的大小选择及其参数，齿轮的参数设计以及齿根弯曲疲劳强度校核和齿面接触疲劳强度的校核，轴承的选择和校核。另一个是控制部分，它窗户的神经系统，处理各种信息，对窗户发出开闭的指令。 控制部分将介绍雨水传感器、风速传感器、光照传感器、烟雾传感器的类型和它们的电路原理图，电机的正反转控制过程，整体的电路图和结论分析。总之，智能窗花可以根据环境和时间的变化，正确的帮助人们去控制窗户的开闭，方便人们的生活。2 智能窗户方案设计2.1 整体方案设计 查阅了很多关于智能窗户的专利资料，他们对于窗户的设计，总结起来有两种类型。一种是外挂式的装置，就是将各种动力装置和控制系统安装窗台上和窗户周围的内外两面墙上，或者是安装在窗框和窗扇上，这种方式，不仅占据了建筑的空间，容易受到雨雪的侵蚀和外界的干扰，而且看起来非常的乱，并不美观。另一种就是破坏式的，为了方便安装某个机械机构而去大范围的改变原来的窗户结构，这样容易造成窗户结构的不稳定，推广起来也是比较难的。针对以上问题，我设计出一种智能窗户，用简单很小的动力装置来带动窗户的运动，把控制装置内嵌在窗户内，这样就可以避免破坏窗户的结构，而且看起来比较美观。该智能窗户包括机械部分和控制部分。2.2 机械部分方案设计目前大多数的窗户都使用的是推拉窗和平开窗两种类型。推拉窗的通风率只有50%，它是直线运动的，要带动推拉窗的开关动作，需要把电机的旋转运动通过各种方式转换为直线运动，或者是利用弹簧和液压装置来直接带动，这样就会增加很多结构。考虑到推拉窗的通风率只有平开窗的一般，而且动力装置需要转换比较复杂，我决定设计平开窗。平开窗是旋转开关的，有的是采用连杆结构来带动平开窗运动，这相对都比较复杂。于是我采用电机直接带动。具体的方案如图1，图2。图1 方案三维示意图Fig.1 Schematic three-dimensional program图2 方案局部三维示意图Fig.2 Three-dimensional schematic partial plan图2 说明：1固定架，2铆钉，3减速电机，4齿轮1，5窗框，6窗扇，7齿轮2，8上合页右片，9上合页左片，10推力球轴承该方案的具体结构是：窗框和窗扇通过上下两片合页连接。窗框上方安装了一个用固定架固定的减速电机，电机的输出端安装了一个齿轮。合页中间有两个止推球轴承，目的是为了减少合页之间的摩擦。固定架左端铆接在窗框外框上，固定架右端与上合页左片一起铆接在窗框内框上。上合页右片铆接在窗扇上。上合页的轴上安装了一个齿轮，齿轮焊接在上合页右片上，齿轮的中心与上合页的轴心同心。下合页与窗框连接之间有一片垫片，目的是为了抵消上合页与窗框连接之间的固定架的厚度差。两齿轮刚好啮合，窗户的动力路线为：减速电机电机啮合的齿轮上合页右端窗扇。该窗户结构简单，动力可靠。在没有对原窗户的结构进行较大的改动的前提下，就能自如的开闭窗户。2.3 控制部分方案设计智能窗户的智能，就体现在能够根据环境的变化开自动控制窗户的开闭。例如刮风下雨、天色变黑、有可燃气体泄漏等情况，都需要我们去对窗户进行开闭操作。因此我们设计的控制部分包括：单片机、雨水传感器、风速传感器、光照传感器、烟雾传感器、蜂鸣器、显示器、行程开关、开关、导线、蓄电池等装置。控制电路的逻辑关系如图3。图3 控制电路逻辑示意图Fig.3 Circuit diagram of the control logic通过这个控制电路，智能窗户将实现一以下功能：1. 雨水传感器若检测到室外有雨水，智能控制窗户关闭。2. 风速传感器若检测到室外的风速过大，智能控制窗户关闭。3. 光照传感器若检测到天色已变黑，智能控制窗户关闭。4. 烟雾传感器若检测到室内有可燃气体泄漏，吸烟或者火灾产生的烟雾，将通过蜂鸣器报警，并及时打开窗户。5. 显示器显示窗户的状态、时间、温度等信息。6. 单片机可以定时开关窗户，使室内的空气保持清新。7. 可通过按钮对窗户的开闭进行灵活的手动控制。控制部分将会放置在窗框内或者是窗扇内，这样使得窗户看起来美观，并且实用。3 机械部分设计3.1 窗框和窗扇设计窗框和窗扇是本设计的主体结构，承载着各个零部件，也是控制部分装置的放置地方。3.1.1 窗户类型的选择平开窗，通风效率%100，运动方式为旋转，可用电机直接驱动。3.1.2 窗户材料的选择窗户的材料主要有三种，木材、铝合金和塑钢。目前大多数建筑都使用的是塑钢窗，但是它的老化现象比较严重，而且不利于加工。木窗的历史悠久，保温效果也比较好，但是木头的来源是树木，不利于大范围使用。铝合金窗虽然保温效果不好，却不会有老化的问题，强度较大，加工也方便。窗户材料选择铝合金。3.1.3 窗框的受力分析窗框总长700mm，总宽500mm，框宽25mm，壁厚1mm，建筑用铝合金牌号为6063，查机械设计手册, 表3233（摘自GB/T 68922006），它的抗拉强度，窗框的受力主要集中在与上下两块合页连接的地方，简化后受力分析如图4。图4 窗框受力分析图Fig.4 Figure sash stress analysis 窗扇的质量约为，；那么，；根据几何关系算的；因此 ，因为窗户是对称的，所以；根据力的相互作用，可得，所以，；3.2 合页设计合页连接着窗扇和窗框，使窗扇能够自由的旋转。合页有普通合页：用于橱柜门、窗、门等。材质有铁质、铜质和不锈钢质。普通合页的缺点是不具有弹簧铰链的功能，安装合页后必须再装上各种碰珠，否则风会 吹动门板。烟斗合页：也叫弹簧铰链。主要用于家具门板的连接，它一般要求板厚度为1620毫米。材质有镀锌铁、锌合金。弹簧铰链附有调节螺钉，可以上下、左右调节板的高度、厚度。它的一个特点是可根据空间，配合柜门开启角度。除一般的90度角外，127度、144度、165度等均有相应铰链相配，使各种柜门有相应的伸展度。大门合页：它又分普通型和轴承型，普通型前面已讲过。轴承型从材质上可分铜质、不锈钢质。从目前消费情况来看，选用铜质轴承合页的较多，因为其式样美观、亮丽，价格适中，并配备螺钉。其他合页：有玻璃合页、台面合页、翻门合页。玻璃合页用于安装无框玻璃橱门上，要求玻璃厚度不大于56毫米。而这次的合页上面需要焊接齿轮，以上合页都达不到我的设计要求，因此自己设计了一个合页，合页的左片是用一根长25mm、外径8mm、内径3mm的金属管状材料焊接在凸字形板料中间，合页的右片是用两跟长15mm、外径8mm、内径3mm的金属管状材料焊接在凹字形板料的两边，两片合页通过一根长63mm、直径3mm的轴串接，中间有两个推力球轴承以减少合页之间的磨损。两块板料各自均有3个直径3mm的孔，已便于铆接在窗框个窗扇上，如图5所示图5 合页三维示意图Fig.5 Hinge-D representation3.3 电机选择如图2所示，减速电机通过固定架安装在窗框上，它是窗扇能够转动的动力来源，根据设计要求，窗户的应在4秒左右完成一个90度的开关动作，因此窗扇的转速为，窗扇转动时所受到的阻力主要来自于上下两个合页之间的摩擦力，摩擦力的方向为垂直和水平两个方向，查机械设计课程设计手册表110，钢与铸铁之间的摩擦因素为，查机械设计课程设计手册表111，推力球轴承之间的摩擦因素，简化模型后，转动窗扇所需力矩其中为合页内孔半径，R为合页外圆半径。因此选择永磁直流减速电机ZGA20RU，具体参数如表1所示。表1 减速电机参数Tab.1 Gear motor parameters 参数 电机的直径 20mm出轴直径 3mm额定电压 6V减速比 1/1100齿轮箱长度 24mm空载转速 4r/min额定转速 2.8r/min额定力矩 13.72Ncm额定电流 0.12A此电动机的转速和力矩符合设计要求，并且具有尺寸小的特点。3.4 齿轮设计如图2所示，一个齿轮安装在减速电机上，另一个齿轮焊接在合页上，两啮合齿轮将电机的动力传递给窗扇，使窗扇能够平稳的旋转。两齿轮要求尺寸一样且尽量要小。3.4.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数参数按照本次设计的传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。窗户的转动速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88)。材料选择45钢，硬度为240HBS。根据合页与窗户的尺寸要求，两齿轮的大小相同，齿轮传递的力矩不大，按标准的第一部分优先选择，选择模数，齿数，中心距。3.4.2 齿根弯曲疲劳强度校核根据机械设计式（105a）： （3-1）（1）确定公式内的各计算值1) 由机械设计图1020c查的齿轮的弯曲疲劳强度极限。2) 由机械设计图1018取弯曲疲劳寿命系数。3) 由机械设计表107选取齿宽系数。4) 计算圆周速度。；5） 由机械设计式1013计算应力循环次数。6）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数，由机械设计式（1012）得7）计算载荷系数。根据，7级精度，由机械设计图108查的动载荷系数；直齿轮，；由机械设计表102查的使用系数；由机械设计表104用插值法查的7级精度、悬臂布置时，。由，查机械设计图1013得；故载荷系数8) 查取齿形系数和应力校正系数。由机械设计表105查得 ，；（2）校核计算。符合要求。3.4.3 齿面接触疲劳强度校核计算由机械设计式 （3-2）（1）确定公式内的各计算值1） 计算齿轮传递的力。2） 由机械设计表106查得材料的弹性影响系数。3） 由机械设计图1021d按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限。4） 由机械设计图1019取接触疲劳寿命系数。5） 计算接触疲劳许用应力。取失效概率为1%，安全系数,由机械设计式1012得6） 计算载荷系数K。（2） 校核计算。符合要求。3.5 轴承的选择在两片合页接触的地方加上轴承，可以减少它们之间的摩擦，提高电机的传动效率。轴承所承受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。根据载荷的大小选择轴承类型时，由于滚子轴承中主要元件间是线接触，宜用于承受较大的载荷，承载后的变形也较小。而球轴承中则主要为点接触，宜用承受较轻的或者中等的载荷。而由图3可知，轴承在竖直方向受到窗户的重力，属于较轻载荷，因此选择球轴承。根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯轴向载荷，一般选用推力轴承。较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承：较大的纯轴向载荷可选用推力滚子轴承。对于纯径向载荷，一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或者滚针轴承。当轴承在承受径向载荷的同时，还有不大的轴向载荷时，可选用深沟球轴承或接触角不大角接触球轴承或圆锥滚子轴承；当轴向载荷较大时，可选用接触角较大的角接触轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。而由图3可知，轴承主要承受轴向的重力，载荷较轻，因此选推力球轴承。在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。窗扇的转速v=3.75r/min，转速不大，不影响类型的选择。综上所述，结合合页轴的大小，选择外径D=8mm，内径d=3mm，厚度t=3.5mm的推力球轴承4 控制部分设计智能窗户的控制部分主要的功能就是利用传感器收集环境条件变化的信号，包括：雨水传感器检测室外是否有雨水、风速传感器检测是否刮风、烟雾传感器检测室内是否有烟雾、光照传感器检测室外昼夜的变化。这些信号将以电平的方式传递给核心处理器单片机，单片机根据设定的程序处理来自传感器的信号，然后输出信号给电机正反转控制器，控制窗户的打开关闭。4.1 单片机89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图6 单片机引脚图Fig.6 MCU pin diagram4.1.1 电源系统单片机需要5V的稳压电源，因此用采用7805三端稳压电路，将12V的电压降到稳定的5V，如图7所示。12电源的正极接7805的Vin端，负极接单片机的GND端，7805的Vout接单片机的VCC端。CD1和CD2为电路的滤波电容，大小为0.01uF。图7 单片机电源电路Fig.7 MCU power supply circuit diagram4.1.2 时钟系统时钟系统为单片机提供时钟信号，如图8所示，晶振的震荡频率为12MHz，电路中的电容CX1、CX2都为33pF，两引脚分别接单片机的XTAL1和XTAL2端。图8 单片机时钟电路Fig.8 MCU clock circuit diagram4.1.3 电源信号灯对于单片机电源是否有电我们需要一个指示的信号，如图9所示，通过一个LED灯和保护电路就可以检测单片机是否有电。电路的VCC接单片机的VCC端，电路GND接单片机的GND端。图9 电源指示灯电路Fig.9 Power Indicator circuit Diagram4.1.4 调试灯调试灯等用来检测单片机的某个引脚是否能够正常的输出电平信号。如图10所示，电路中的LED灯和保护电阻可以检测引脚是否有高电平输出。图10 调试灯电路图Fig.10 Debugging lamp circuit diagram4.1.5 电机正反转电路电机的正反转通过L298N驱动板实现。L298N驱动板控制逻辑是：IN1、IN2 控制电机M1；IN3、IN4控制电机M2。例如：IN1输入高电平1,IN2 输入低电平0，对应电机M1 正转；IN1 输入低电平0,IN2输入高电平1，对应电机M1反转。电机正反转的电路如图11所示，M1控制电机的正转，回路中的K1是窗户完全关闭时会触碰到常闭行程开关，防止电机被烧坏。同理，M2控制电机的反转，回路中的K2是窗户完全打开时会触碰到的常闭行程开关。图11 电机正反转控制电路图Fig.11 Motor reversing control circuit diagrams4.1.6 手动控制电路智能窗户有时候也需要手动来控制开闭。如图12所示，手动控制电路分别介入单片机的两个引脚，按动K1或者K2可以向单片机输入一个低电平或者下降沿信号。电路中两个电阻为保护电阻。图12 手动控制电路图Fig.12 Manual control circuit diagrams4.1.7 显示器显示器用来显示单片机的工作状态、窗户的开关状态、环境温度、时间等信息。如图13所示，采用的是LCD12864液晶显示器，它的815引脚分别接单片P1.0P1.7引脚。图13 显示器电路图Fig.13 display circuit diagram显示器显示的类容如图14。日期: 2014年1月1日时间: 00:00:00室内温度: 0开窗时间: 00:00:00关窗时间: 00:00:00图14 显示器内容Fig.14 Display Properties4.2 雨水传感器的设计天气变幻无常，下雨是经常发生的事，而我们会经常忘了关闭窗户而导致雨水进入室内，所以我们的智能窗户要感知是否有雨水以及雨水的大小就需要雨水传感器。雨水传感器是将雨量的大小通过物理的方法，将雨水信号转换为电信号。目前的雨水传感器大致可分为三类。第一类是电容式的雨水传感器，主要是利用水和电容的材料之介电常数的巨大差异设计的。它是由两条相互平行的螺旋形的回字形的铜条，这两条金属条形成电容的两级，接受雨水后，电容两极间的介电常数发生变化，回字形的电容的大小也随之变化，将影响到脉冲电路中的多谐振荡器的工作频率，从而得知雨水的大小。第二类是电阻式的雨水传感器，它由两条互相平行的螺旋形的回字形的金属条组成，相当于一个电阻串联在回路中，当有雨水变化时，回形电阻也随着改变，从而改变电压或者是电阻的大小。第三类是光电式的雨水传感器，这种传感器大量应用在汽车上。它光发射二极管、光接受二极管、周围环境传感器、电控制单元（ECU）和几个镜头组成。由LED发出的光以全反射角度在挡风玻璃的外表面反射，其角度必须在42（玻璃-空气）和63（玻璃-水）之间。如果在挡风玻璃上有水，一些光会双倍射出，且这会引起从LRD出来的电流减少，电流以电子来评测，从LED发出的光反射到LRD的挡风玻璃区域被称之为传感器的“敏感区域”。仅仅当雨水滴到这个区域时，才可以被探测出来。为了由一个灵敏可靠的系统，挡风玻璃区域和灵敏区域之间必须要有一个较好的比例。我们选用第二类电阻式雨水传感器，因为这种传感器具有结构简单、容易制作等特点。电路的原理图如图14，形电阻检测板和比较电路组成。当回形电阻有雨水时，电阻降低，端口3的电压变小，端口3的电压通过电压比较器LM393AD与端口2而的电压进行比较，若端口2电压低于端口3的电压则端口1输出低电平信号，反之输出高电平信号。端口2的电压可以通过Rp1可调电阻来改变电压值，从而实现对判断是否有雨水的比较值进行精度调整。图15 电阻式雨水传感器电路原理图Fig.15 Resistive rain sensor circuit schematics4.3 烟雾传感器的设计残酷无情的火灾会危及我们的生命和财产的安全，可见预警灾情是件多么重要的事情。有些成人喜欢吸烟，这会造成室内空气污浊，二手烟会严重伤害家人特别是小孩的身体健康。可燃气体的泄漏，同样是十分危险的情况。我们给智能窗户设计一种烟雾传感器，让它能及时发现灾情预警灾情，能够及时打开窗户给我们带来一个空气清新的环境。查阅相关资料，烟雾传感器有三种类型。第一类是半导体烟雾传感器，它的代表是MQ-2气体传感器。MQ-2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本长寿命的传感器。第二类是离子型烟雾传感器，以KG8005型烟雾传感器为例。KG8005型烟雾传感器的主体结构由采样系统、检测及补偿电离室、敏感元件、整机电路等5部分组成。采样系统包括：开有螺线型百叶窗式扩散槽及对流孔的采样罩、不锈钢过滤网、集烟环、中隔板等组件。采样罩和过滤网采用不锈钢材料制作；中隔板为高阻燃材料，下部设有报警指示灯、自检开关、复位按钮及电源和信号输出接口。整机电路设计有就地声、光报警，信号远传，自检等多种功能。火灾发生初期，燃烧物先期释放出大量的气溶胶颗粒，在燃烧物四周聚集成可见烟雾后随自然风流沿传感器采样罩的螺线型百叶窗扩散入传感器。在过滤网的阻隔下，烟雾中粒径较大的粉尘颗粒和杂质沿采样罩的光滑内表面滑落至采样罩底部，细微的烟尘颗粒则随螺旋上升的气流进入检测电离室，与室内的正负离子中和，在中间电极产生一个与被测烟雾浓度呈正比的电压变化增量“”。此增量经传感器电路分析、处理后转换成就地声、光报警信号，同时以开关量的形式送往与之相连的井下监控分站，实现井下火灾的远程集中监控。第三类是光电式烟雾传感器。光电烟雾传感器器内有一个光学迷宫，安装有红外对管，无烟时红外接收管收不到红外发射管发出的红外光，当烟尘进入光学迷宫时，通过折射、反射，接收管接收到红外光，智能报警电路判断是否超过阈值，如果超过发出警报。光电感烟探测器可分为减光式和散射光式，分述如下：减光式光电烟雾探测器。该探测器的检测室内装有发光器件及受光器件。在正常情况下，受光器件接收到发光器件发出的一定光量；而在有烟雾时，发光器件的发射光到受到烟雾的遮挡，使受光器件接收的光量减少，光电流降低，探测器发出报警信号。散射光式光电探测器该探测器的检测室内也装有发光器件和受光器件。在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。在发生火灾时，当烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了烟雾信号转烟雾变为电信号的功能，探测器收到信号然后判断是否需要发出报警信号。通过比较分析以上三类传感器，决定选用MQ-2气体传感器。MQ-2气体传感器功成本低，可探测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等多种气体。电路原理图如图15由探测头和比较电路组成。当探测头检测到有可燃气体或是烟雾时，探测头里的半导体电阻增大，使电路中的端口2的电压增大，端口2处的电压通过电压比较器与端口3处的电压进行比较，若端口2电压低于端口3的电压，则端口1输出低电平信号，反之输出高电平信号。该电路也可以输出电压模拟量信号。图16 MQ-2气体传感器电路原理图Fig.16 Gas sensor circuit schematics4.4 风速传感器的设计风速传感器立足于煤矿用户，主要适用于煤矿井下具有瓦斯爆炸危险的各矿井通风总回风巷、风口、井下主要测风站、扇风机井口、掘进工作面、采煤工作面等处，以及相应的矿产企业。可连续监测上述地点的风速、风量（风量=风速x横截面积）大小，能够对所处巷道的风速风量进行实时显示，是矿井通风安全参数测量的重要仪表。风速传感器的原理主要有一下四种。超声波涡接测量原理 超声波风速传感器是利用超声波时差法来实现风速的量。声音在空气中的传播速度，会和风向上的气流速度叠加。若超声波的传播方向与风向相同，它的速度会加快；反之，若超声波的传播方向若与风向相反，它的速度会变慢。因此，在固定的检测条件下，超声波在空气中传播的速度可以和风速函数对应。通过计算即可得到精确的风速和风向。 由于声波在空气中传播时，它的速度受温度的影响很大；本风速仪检测两个通道上的两个相反方向，因此温度对声波速度产生的影响可以忽略不计。通过压差变化原理 在流动方向上设置一个固定的障碍物（孔板、喷嘴等），这样根据流速不同便会产生一个压差。通过测量压差，可以转换成流速的测量。热量转移原理 根据卡曼涡街理论（见图一），在无限界流场中垂直插入一根无限长的非线性阻力体（即旋涡发生体C，风速传感器的探头横杆），当风流流经旋涡发生体C时，在漩涡发生体边缘下游侧会产生两排交替的、内旋的旋涡列（即气流旋涡），而旋涡的产生频率f正比于流速V。因此超声波风速传感器就是利用超声波旋涡调制的原理来测定旋涡频率的 。电流电压原理 风速传感器相当于一个小的发电机，可以输出电流和电压信号。我设计的风速传感器采用的是电流电压原理，如图16所示，有风时，检测头相当于一个发电机转动，使端口3处的电压升高，端口3的电压通过电压比较器与端口2的电压就行比较，若端口3处的电压高于端口2处的电压，则端口1输出低电平信号，反之输出高电平信号。该电路也可以通过R3来调节端口2处的电压界定值的大小。图17 风速传感器电路原理图Fig.17 Wind speed sensor circuit schematics4.5 光照传感器的设计光照传感器用于检测天色是否已黑，及时的反馈给单片机信号。若天色已黑，则窗户关闭。光照传感器的原理一般都是采用光敏二极管或者光敏三极管等光电转换模块，将光照强度转换为电压值。此次设计的光照传感器的电路原理图如图17，当光敏器件检测到天色变黑时，光敏器件电阻变大，使端口3处的电压升高，端口3的电压通过电压比较器与端口2的电压就行比较，若端口3处的电压高于端口2处的电压，则端口1输出低电平信号，反之输出高电平信号。该电路也可以通过R3来调节端口2处的电压界定值的大小。图18 光照传感器的电路原理图Fig.18 Light sensor circuit schematics5 结论本次课题设计了智能窗户，包括机械结构和控制部分。主要有以下几方面的成果：1. 电机能很好的固定在窗框上，电机上的齿轮和合页上的齿轮能良好的啮合。上下两个合页能顺利的开闭，且用力不大。窗户能够在电机的转动下以适合的转速的打开或者关闭。2. 雨水传感器、风速传感器、光照传感器、烟雾传感器能够成功的检测到各自的信号，并输出给单片机低电平信号。3. 单片机接受信号后能正确处理信号，并能输出信号给电机正反转控制器。显示器能正确显示单片机工作状态、窗户开闭状态、环境温度和时间。4. 电机的闭合回路接触良好，待窗户转动到极限位置，碰到形成开关后回路断开停止转动。并且能够自动控制和手动控制。智能窗户可加上更多的传感器，能够应对更多的状况，比如防盗、空调的开启、保温散热等功能。未来可以接入物联网，实现远程操控和实时信息的掌控。参考文献1浦灵敏，季爱明. 基于STC89C52单片机智能窗户控制系统的设计J. 中国科技信息，2011（10）：150-151.2王圳. 遥控自动窗户J. 科学大众，2011（10）：34-35.3何刚，冯启明. 一种智能平移式窗户启闭器的设计J. 机电技术，2011（6）：85-86.4娄银霞. 基于电容式雨水传感器的智能雨刷控制系统研究J. 河南科学，2013，14（04）：453-455.5赵 岩. 汽车智能雨刷系统的设计J. 电子科技，2007（2）：70-72.6徐晓明. 新型光电式烟雾传感器及其应用J. 仪器仪表学报，2002（3）：117-118.7王卫军. 离子型烟雾传感器的研制J. 矿业安全与环保，2004（6）：15-17.8Reinhard Niessner,Gudrun Walendzik. The photoelectric aerosol sensor as a fast-responding and sensitive detection system for cigarette smoke analysisJ. Fresenius Zeitschrift fr analytische Chemie，1989，333(2) :129-133.9Jeong-Yeol Yoon. Light SensorsJ. Introduction to Biosensors，2013:103-119.10张 艳，孙铭岳. 窗在中国的发展历史EB/OL. ，2009.11百度百科. 风速传感器EB/OL. ，2011. 12GB/T 68922006. 一般工业用铝及铝合金挤压型材S.13GB/T 68-2000. 开槽沉头螺钉S.14兰州交通大学. 智能型全开式窗户P. 中国201020563374，1.2011.7.15王静凯. 智能型太阳能发电窗户P. 中国200720038486.3，2007.7.16西南大学. 一种滑窗自动控制外挂装置P. 中国201110272844.8，2011.9.17濮良贵，纪名刚. 机械设计M. 北京：高等教育出版社，2006.211-213.致谢回想起2012年的此刻，我还在和我的搭档卞行健正在申请国创项目。那时，我们发挥自己的想象力，想出了一个方案，就是将我们以前做过的太阳能自动关窗装置改进一下，变成电动窗户。就这样，我们成功申请了国创项目。欣喜若狂的我们，暑假也没有回去，就在宿舍想着各种具体的方案。其中一个方案就是在推拉窗的两侧安装一对皮带轮，皮带轮上面有个能带着窗户移动的装置，再用电动机带动皮带轮转动，以此来打开关闭窗。我们利用专业所学知识，还算出了皮带轮大小、转速，电机的功率等等。紧接着我还兴致勃勃的提前单片机的相关知识，感觉成功就在眼前。可是，现实总是没有理想那么美好。在大三的上学期，我拿着我们的方案去找蒋老师指导一下，蒋老师认为我们的方案完全没有创新的地方，只是为了完成任务而去完成任务，他让我们去查资料要看看别人是怎么做的，看能不能找到灵感。这一次对我的打击不小，前面一段时间的付出都是白忙活，对项目的热情已经退却了三分。想来想去，最后的目标还是必须要把项目做好。怀着仅剩下的热情，在路上，在教室，在寝室都在寻找着关于窗户的灵感。 每天看专利、查资料、看视频，都是比不可少的事。每一次灵感的闪现，到了蒋老师那里去都是被否。就这样前前后后，都有七、八方案被枪毙。就要快放弃的我想着项目规定的时限已经过去了一半多，可自己什么成果也没有，又再次为自己鼓了把劲，一定要坚持下去，绝不能退缩。终于，功夫不负有心人，我想出了一个好的方案，经过蒋老师的指导，改了