【正文】 .................................... 24 光照傳感器的設(shè)計 .............................................................................................. 25 5 結(jié)論 ................................................................................................................................. 26 參考文獻 ............................................................................................................................. 26 致謝 ..................................................................................................................................... 28 西南大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 基金項目：西南大學“國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃”項目（ 20xx10635115） 1 智能窗戶裝置的研制 摘要： 本課題設(shè)計是一種智能窗戶，包括機械部分和控制部分。該窗戶功能齊全、結(jié)構(gòu)簡單可靠、占據(jù)空間小，為了人們提供便利的生活，也保證了人們的安全。 gear motor。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。 囪雖然解 決了室內(nèi)通風、排煙和采光的基本要求 ,但很難避免雨雪的侵襲。 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(gòu)件。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 。 及至明清 ,檻窗、支摘窗成為時代主流。 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(shè) ,由于現(xiàn)代建筑的技術(shù)、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(jié)構(gòu)、形式等相結(jié)合 ,由此窗的設(shè)計開始了西方式的工業(yè)化、標準化的進程。目前窗戶主要有以下幾個類型。 推拉窗 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(guān)狀態(tài)下均不占用額外的空間，構(gòu)造也較為簡單。 百葉窗 百葉窗是采用數(shù)片條形材料平行排列，通過轉(zhuǎn)動百葉的角度來控制光線的窗。三者各有所長。 鋁合金 西南大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 因為是金屬材質(zhì)，所以不會存在老化問題，而且堅固，耐撞擊， 強度大。 窗戶目前的發(fā)展狀況 目前的窗戶結(jié)構(gòu)和功能都比較單一，為人們的生活帶來了許多的不便。但這也是手動開啟關(guān)閉的，不能根本的解決問題。彈簧窗戶則是通過拉伸彈簧帶動推拉窗戶開閉，扭轉(zhuǎn)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。智能窗戶自身攜帶有各種傳感器，能夠感知環(huán)境參數(shù)的變化，比如溫度、濕度、光照、風速、空調(diào)開關(guān)狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)通過西南大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 芯片處理，來給電動機發(fā)出指令，能夠隨開隨關(guān)。智能窗戶作為智能家居的重要組成部分，將與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，隨時向人們通知窗戶的開關(guān)以及室內(nèi)外的狀態(tài)，人們也可以通過電腦甚至手機來操控窗戶。夜晚睡覺或者是外出，人們都會擔心窗戶是否關(guān)好，以防有盜 賊的入侵。另一個是控制部分，它窗戶的神經(jīng)系統(tǒng)，處理各種信息，對窗戶發(fā)出開閉的指令。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(nèi)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(jù)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。 機械部分方案設(shè)計 目前大多數(shù)的窗戶都使用的是推拉窗和平開窗兩種類型。于是我采用電機直接帶動。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。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連接之間的固定架的厚度差。 控制部分方案設(shè)計 智能窗戶的智能，就體現(xiàn)在能夠根據(jù)環(huán)境的變化開自動控制窗戶的開閉。 圖 3 控制電路邏輯示意圖 Circuit diagram of the control logic 通過這個控制電路，智能窗戶將實現(xiàn)一以下功能： ，智能控制窗戶關(guān)閉。 、時間、溫度 等信息。 3 機械部分設(shè)計 窗框和窗扇設(shè)計 窗框和窗扇是本設(shè)計的主體結(jié)構(gòu)，承載著各個零部件，也是控制部分裝置的放置地方。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。 西南大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 圖 4 窗框受力分析圖 Figure sash stress analysis 窗扇的質(zhì)量 m 約為 Kg3 ， NG ??? ； 那么 22 GFy?， ?tan22 yx FF ?；根據(jù)幾何關(guān)系算的 ??? ； 因此 NFx ? ， NF y ? ，因為窗戶是對稱的，所以 21 FF? ； 根據(jù)力的相互作用，可得 4231 , FFFF ?? ，所以 NFF xx ?? ，NFF yy ?? ； 合頁設(shè)計 合頁連接著窗扇和窗框，使窗扇能夠自由的旋轉(zhuǎn)。 西南大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 煙斗合頁：也叫彈簧鉸鏈。它的一個特點是可根據(jù)空間，配合柜門開啟角度。從目前消費情況來看，選用銅質(zhì)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。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 圖 5 合頁三維示意圖 HingeD representation 西南大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 電機選擇 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(zhuǎn)動的動力來源，根據(jù)設(shè)計要求，窗戶的應(yīng)在 4 秒左右完成一個 90 度的開關(guān)動作，因此窗扇的轉(zhuǎn)速為min/ rv? ，窗扇轉(zhuǎn)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(shè)計課程設(shè)計手冊》表 1— 10，鋼與鑄鐵之間的摩擦因素為 ?? ，查《機械設(shè)計 課程設(shè)計手冊》表 1— 11，推力球軸承之間的摩擦因素 ?? ，簡化模型后，轉(zhuǎn)動窗扇所需力矩cmNRFrFM ?????????????????? 2y41x3 ?? 其中 r 為合頁內(nèi)孔半徑， R 為合頁外圓半徑。 齒輪設(shè)計 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(zhuǎn)。材料選擇 45 鋼，硬度為 240HBS。 3)由《機械設(shè)計》表 10— 7 選取齒寬系數(shù) ?d? 。 取彎曲疲勞安全系數(shù) ?S ，由《機械設(shè)計》式（ 10— 12）得 ? ? MPaMPaSK FEFNF 3 4 5 ???? ?? 7）計算載荷系數(shù)。 ? ?FF M P aM P a ?? ???? ????? 23 符合要求。 4） 由《機械設(shè)計》圖 10— 19 取接觸疲勞壽命系數(shù) ?HNK 。 ? ?HH M P a ?? ???????? 9 41 11516 8 7 0 8 符合要求。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。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。窗扇的轉(zhuǎn)速 v=，轉(zhuǎn)速不大，不影響類型的選擇。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。 圖 6 單片機引腳圖 MCU pin diagram 電源系統(tǒng) 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。 圖 8 單片 機時鐘電路 MCU clock circuit diagram 電源信號燈 對于單片機電源是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。 西南大學本科畢業(yè)論文（設(shè)計） 19 圖 10 調(diào)試燈電路圖 Debugging lamp circuit diagram 電機正反轉(zhuǎn)電路 電機的正反轉(zhuǎn)通過 L298N 驅(qū)動板實現(xiàn)。同理， M2 控制電機的反轉(zhuǎn)，回路中的 K2 是窗戶完全打開時會觸碰到的常閉行程開關(guān)。 K1K2GND10KRK1VCC10KRK2VCCP22P23 圖 12 手動控制電路圖 Manual control circuit diagrams 顯示器 顯示器用來顯示單片機的工作狀態(tài)、窗戶的開關(guān)狀態(tài)、環(huán)境溫度、時間等信息。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(zhuǎn)換為電信號。 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。（玻璃 空氣）和63176。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。端口 2 的電壓可以通過 Rp1 可調(diào)電阻來改變電壓值，從而實現(xiàn)對判斷是否有雨水的比較值進行精度調(diào)整。我們給智能窗戶設(shè)計一種煙霧傳感器，讓它能及時發(fā)現(xiàn)災(zāi)情預(yù)警災(zāi)情，能夠及時打開窗戶給我們帶來一個空氣清新的環(huán)境。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大。 第二類是離子型煙霧傳感器，以 KG8005 型煙霧傳感器為例。整機電路設(shè)計有就地聲、光報警，信號遠傳，自檢等多種功能。 第三類是光電式煙霧傳感器。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。 通過比較分析以上三類傳感器，決定選用 MQ2 氣體傳感器。該電路也可以輸出電壓模擬量信號。 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現(xiàn)風速的量。通過計算即可得到精確的風速和風向。 熱量轉(zhuǎn)移原理 根據(jù)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(jīng)旋渦發(fā)生體 C 時，在漩渦發(fā)生體邊緣下游側(cè)會產(chǎn)生兩排交替的、內(nèi)旋的旋渦列（即氣流旋渦），而旋渦的產(chǎn)生頻率 f正比于流速 V。該電路也可以通過 R3 來調(diào)節(jié)端口 2 處的電壓界定值的大小。此次設(shè)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，則端口 1 輸出低電平信號，反之輸出高電平信號。上下兩個合頁能順利的開閉，且用力 不大。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。未來可以接入物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程操 控和實時信息的掌控。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(guān)窗裝置改進一下，變成電動窗戶。我們利用專 業(yè)所學知識，還算出了皮帶輪大小、轉(zhuǎn)速，電機的功率等等。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(jīng)退卻了三分。每一次靈感的閃現(xiàn)，到了蔣老師那里去都是被否。 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場幾趟選購窗戶，萬磊同學幫我加工窗戶合頁上的套筒，鄧瑩同學和我一起做電子控制部