1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　0 文獻(xiàn)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(zhì)5</p><p>　　0.4 窗戶目前的發(fā)展?fàn)顩r5</p><p>　　0.5 窗戶未來發(fā)展趨勢(shì)6</p><p><b>　　1 引言7</b></p><p>　　2 智能窗戶方案設(shè)計(jì)7<

4、;/p><p>　　2.1 整體方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.2 機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.3 控制部分方案設(shè)計(jì)9</p><p>　　3 機(jī)械部分設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1 窗框和窗扇設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)11</p><p>　　3.3 電機(jī)選擇13</p><p>　　3.4 齒輪設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.4.1 選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及

6、齒數(shù)參數(shù)13</p><p>　　3.4.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。14</p><p>　　3.4.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算15</p><p>　　3.5 軸承的選擇15</p><p>　　4 控制部分設(shè)計(jì)16</p><p>　　4.1 單片機(jī)16</p><p>　　4

7、.1.1 電源系統(tǒng)17</p><p>　　4.1.2 時(shí)鐘系統(tǒng)18</p><p>　　4.1.3 電源信號(hào)燈18</p><p>　　4.1.4 調(diào)試燈18</p><p>　　4.1.5 電機(jī)正反轉(zhuǎn)電路19</p><p>　　4.1.6 手動(dòng)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(shè)計(jì)21</p><p>　　4.3 煙霧傳感器的設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.4 風(fēng)速傳感器的設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.5 光照傳感器的設(shè)計(jì)25</p><p><b>　　5 結(jié)論26</b></p&

9、gt;<p><b>　　參考文獻(xiàn)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(shè)計(jì)是一種智能窗戶，包括機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分有窗框和窗扇，它們通過上下兩個(gè)合頁連接，固定架將減

10、速電機(jī)固定在窗框上端，減速電機(jī)上的齒輪與合頁上的齒輪嚙合來傳遞動(dòng)能?？刂撇糠职▎纹瑱C(jī)、雨水傳感器、風(fēng)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(guān)、開關(guān)、導(dǎo)線、蓄電池。傳感器感知環(huán)境條件變化，給單片機(jī)發(fā)送電平信號(hào)，單片機(jī)通過處理信號(hào)后控制減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，如此可智能控制窗戶的開閉。該窗戶功能齊全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：

11、智能窗戶；合頁；減速電機(jī)；齒輪；單片機(jī)；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(xiàn)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(fēng)避雨的避難場(chǎng)所以來，人類就迫切的需要對(duì)光線和空氣進(jìn)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(huì)進(jìn)化之后的早期社會(huì)，那時(shí)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(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)分化成墻體與屋蓋兩大部分時(shí)，為了排除住宅內(nèi)部篝火產(chǎn)生的大量煙氣，出現(xiàn)了在固定的屋頂上開口用以通風(fēng)排煙和采光的結(jié)構(gòu)式樣，古代稱之為“囪”。“囪”即天窗，實(shí)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(nèi)通風(fēng)、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(xiàn)了。牖即

16、“側(cè)窗”,是開在墻壁上的洞口。牖的產(chǎn)生是我國古代通風(fēng)技術(shù)發(fā)展史上的一個(gè)重大突破,反映了我國古代科學(xué)技術(shù)的巨大進(jìn)步。 </p><p>　　早期的窗功能原始,造型簡(jiǎn)單,甚至毫無裝飾,，窗從西安半坡時(shí)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。 秦咸陽宮第一號(hào)遺址挖掘出了窗用的銅百葉,表明那時(shí)的窗已經(jīng)可以開啟了。大約在漢代,建筑上開始出現(xiàn)直欞窗,這只能從出土的明器中得到證實(shí)。</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(chǎn)生了啟閉功能,從而使室內(nèi)通風(fēng)采光條件有了較大的改善。 及至明清,檻窗、支摘窗成為時(shí)代主流。這一時(shí)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(xiàn),重細(xì)部刻畫,從而達(dá)到了遠(yuǎn)觀有效果,近看有內(nèi)容的藝術(shù)層次。另外,此時(shí)園林空前發(fā)展,漏窗隨之發(fā)展起來。而后,窗的發(fā)展進(jìn)入到現(xiàn)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(chǎng)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(shí)代的要求得到了廣泛的推廣,窗作為建筑的主要配件勢(shì)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(jì)開始了西方式的工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)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(huì)有窗。其主要的功能有通風(fēng)換氣、采光取暖、遮風(fēng)擋雨、遮陽隔音，是室內(nèi)與外界氣體交換的的通道。目前窗戶主要有以下幾個(gè)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(jié)合，窗扇可以旋轉(zhuǎn)開啟。這種窗的優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，整扇窗可以100%打開，關(guān)閉時(shí)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(chǎng)的主流。平開窗的缺點(diǎn)是窗扇開啟后要占據(jù)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(shí)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(diǎn)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(jiǎn)單。但由此帶來的缺點(diǎn)是最多只有50%的窗扇可以打開，關(guān)閉時(shí)氣密性差。近年來有采用新技術(shù)的改進(jìn)型推拉窗，可以將多個(gè)窗扇推至一側(cè)折疊。同時(shí)也有提高氣密性的推拉窗，但總體來說仍然無法達(dá)到平開窗的熱工性能，能耗較高，所以在先進(jìn)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(shù)片條形材料平行排列，通過轉(zhuǎn)動(dòng)百葉的角度來控制光線的窗。嚴(yán)格意義上講百葉窗并非窗，因?yàn)樗陉P(guān)閉時(shí)無法做到很好的密閉，因此無法單獨(dú)存在于建筑中，必須和普通的窗或玻璃幕墻結(jié)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(shè)計(jì)需要，采用特殊的機(jī)械開窗器控制其開關(guān)。</p><p><b>　　0.3 窗戶的材料</b></p><p>　　對(duì)于窗戶的材質(zhì)來說，可分成三大類——木質(zhì)、塑鋼、鋁合金。三者各有所長(zhǎng)。</p><p><b>　　0.3.1

24、塑鋼 </b></p><p>　　因?yàn)槭撬芰喜馁|(zhì)，所以重量小，隔熱性能好，而且價(jià)格相對(duì)較低。因?yàn)榻?jīng)常要面對(duì)風(fēng)吹雨打太陽曬，所以最讓人關(guān)心的是塑鋼窗的防老化問題。實(shí)際上，高品質(zhì)的塑鋼窗的使用年限可達(dá)一百年左右。</p><p>　　0.3.2 鋁合金 </p><p>　　因?yàn)槭墙饘俨馁|(zhì)，所以不會(huì)存在老化問題，而且堅(jiān)固，耐撞擊，強(qiáng)度大。但鋁合金最容易被攻

25、擊的一個(gè)弱點(diǎn)就是隔熱性能，因?yàn)榻饘偈菬岬牧紝?dǎo)體，外界與室內(nèi)的溫度會(huì)隨著窗的框架傳遞。</p><p><b>　　0.3.3 木質(zhì) </b></p><p>　　相對(duì)來說，木質(zhì)應(yīng)該是最為完美的窗體框架材質(zhì)，無論從隔熱、隔音等角度來說都有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且與生俱來的質(zhì)感和自然花紋更為讓人心動(dòng)。雖然是木質(zhì)，但實(shí)際上有的用于做窗框的實(shí)木已經(jīng)經(jīng)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(zhì)實(shí)際上已經(jīng)如同化石一樣，經(jīng)過處理后的實(shí)木，只保留了木材的外表，品質(zhì)卻完全不一樣了，不會(huì)開裂變形，更不用擔(dān)心遭蟲咬、被腐蝕，而且，強(qiáng)度也大大增加。</p><p>　　0.4 窗戶目前的發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　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。比如說，天氣變化外面下雨刮風(fēng)了，為了避免雨水侵蝕室內(nèi)的東西，我們要

27、親自去關(guān)閉窗戶，夜晚來臨我們也需要去關(guān)心門窗是否已經(jīng)關(guān)好等等，這些問題與人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的物質(zhì)需求相矛盾。</p><p>　　現(xiàn)在也出現(xiàn)了一些新型的窗戶，他們從窗戶的結(jié)構(gòu)和功能上做了一些改進(jìn)。比如現(xiàn)在有一種應(yīng)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(gè)連桿結(jié)構(gòu)連接的，窗戶打開時(shí)它是平移加上旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)到窗戶靠近中間的位置，這樣不僅窗戶的通風(fēng)率能夠達(dá)到100%，而且窗戶的正反兩面都能夠

28、擦拭。但這也是手動(dòng)開啟關(guān)閉的，不能根本的解決問題。</p><p>　　還有一種能夠代勞人們“動(dòng)”的窗戶。這些窗戶有電動(dòng)窗戶、彈簧窗戶、液壓窗戶。電動(dòng)窗戶的核心是電機(jī)，電機(jī)直接旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)平開類的窗戶旋轉(zhuǎn)，或者是電機(jī)的將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過皮帶或蝸桿轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)后來帶動(dòng)推拉窗的開閉。彈簧窗戶則是通過拉伸彈簧帶動(dòng)推拉窗戶開閉，扭轉(zhuǎn)彈簧帶動(dòng)平開窗花運(yùn)動(dòng)，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(dòng)力。這些窗戶的動(dòng)力裝置大多都比較復(fù)雜，往往要破壞窗戶本身的結(jié)構(gòu)，或者是在簡(jiǎn)單的窗戶結(jié)構(gòu)上附加上很大的機(jī)構(gòu)。</p><p>　　窗戶不僅要能夠代勞人們?nèi)ァ皠?dòng)”，而且還要代勞人們?nèi)ヅ袛嗍裁磿r(shí)候該“動(dòng)”什么時(shí)候不該“動(dòng)”，這個(gè)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(shù)的變化，比如溫度、濕度、光照、風(fēng)速、空調(diào)開關(guān)狀態(tài)，將這些數(shù)據(jù)通過芯片處理，來給電動(dòng)機(jī)發(fā)出指令，能夠隨開隨關(guān)。

30、智能窗戶還能夠用振動(dòng)傳感器來預(yù)警入室盜竊，或者是煙霧傳感器來監(jiān)控室內(nèi)的火災(zāi)狀況和可燃?xì)怏w是否泄漏等。</p><p>　　0.5 窗戶未來發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　總之，未來窗戶的發(fā)展更趨于智能型。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)將應(yīng)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(wǎng)結(jié)合，隨時(shí)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

31、手機(jī)來操控窗戶。未來人們的生活不會(huì)為刮風(fēng)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?yàn)橹悄艽皯魧?huì)為你做到。</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　隨著人們生活質(zhì)量的提高，智能家居將成為家庭家具的發(fā)展趨勢(shì)。在家庭生活中，遇到下雨刮風(fēng)，需要人去親手關(guān)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(huì)擔(dān)心窗戶是否關(guān)好，以防有盜

32、賊的入侵。室內(nèi)有人吸煙導(dǎo)致空氣污濁或者有煤氣泄漏等危險(xiǎn)狀況時(shí)，窗戶的開閉將對(duì)人們身體健康甚至生命安全起至關(guān)重要的作用。因此，本設(shè)計(jì)是一個(gè)智能窗戶，它將分為兩個(gè)部分進(jìn)行介紹，一個(gè)是機(jī)械部分，它窗戶的主要物理結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著窗戶的開關(guān)動(dòng)作。機(jī)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(shè)計(jì)，電機(jī)的大小選擇及其參數(shù)，齒輪的參數(shù)設(shè)計(jì)以及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核和齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核，軸承的選擇和校核。另一個(gè)是控制部分，它窗戶

33、的神經(jīng)系統(tǒng)，處理各種信息，對(duì)窗戶發(fā)出開閉的指令。 控制部分將介紹雨水傳感器、風(fēng)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(jī)的正反轉(zhuǎn)控制過程，整體的電路圖和結(jié)論分析。總之，智能窗花可以根據(jù)環(huán)境和時(shí)間的變化，正確的幫助人們?nèi)タ刂拼皯舻拈_閉，方便人們的生活。</p><p>　　2 智能窗戶方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 整體方案設(shè)計(jì) </p><p&

34、gt;　　查閱了很多關(guān)于智能窗戶的專利資料，他們對(duì)于窗戶的設(shè)計(jì)，總結(jié)起來有兩種類型。一種是外掛式的裝置，就是將各種動(dòng)力裝置和控制系統(tǒng)安裝窗臺(tái)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。另一種就是破壞式的，為了方便安裝某個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)而去大范圍的改變?cè)瓉淼拇皯艚Y(jié)構(gòu)，這樣容易造成窗戶結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，推廣起來也是比較難的。針對(duì)以上問題，我設(shè)計(jì)出一

35、種智能窗戶，用簡(jiǎn)單很小的動(dòng)力裝置來帶動(dòng)窗戶的運(yùn)動(dòng)，把控制裝置內(nèi)嵌在窗戶內(nèi)，這樣就可以避免破壞窗戶的結(jié)構(gòu)，而且看起來比較美觀。該智能窗戶包括機(jī)械部分和控制部分。</p><p>　　2.2 機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)</p><p>　　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。推拉窗的通風(fēng)率只有50%，它是直線運(yùn)動(dòng)的，要帶動(dòng)推拉窗的開關(guān)動(dòng)作，需要把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過各種方式轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，或

36、者是利用彈簧和液壓裝置來直接帶動(dòng)，這樣就會(huì)增加很多結(jié)構(gòu)。考慮到推拉窗的通風(fēng)率只有平開窗的一般，而且動(dòng)力裝置需要轉(zhuǎn)換比較復(fù)雜，我決定設(shè)計(jì)平開窗。平開窗是旋轉(zhuǎn)開關(guān)的，有的是采用連桿結(jié)構(gòu)來帶動(dòng)平開窗運(yùn)動(dòng)，這相對(duì)都比較復(fù)雜。于是我采用電機(jī)直接帶動(dòng)。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(jī)，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(jié)構(gòu)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(gè)用固定架固定的減速電機(jī)，電機(jī)的輸出端安裝了一個(gè)齒輪。合頁中間有兩個(gè)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(nèi)框上。上合頁右片鉚接在窗扇上。上合頁的軸上安裝了一個(gè)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(dòng)力路線為：減速電機(jī)電機(jī)→嚙合的齒輪→上合頁右端→窗扇。該窗戶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力可靠。在沒有對(duì)原窗戶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大的改動(dòng)的前提下，就能自如的開閉窗戶。</p><p>　　2.3 控制部分方案設(shè)計(jì)</p><p>　　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(dòng)控制窗戶的開閉。例如刮風(fēng)下雨、天色變黑、有可燃?xì)怏w泄漏等情況，都需要我們?nèi)?duì)窗戶進(jìn)

40、行開閉操作。因此我們?cè)O(shè)計(jì)的控制部分包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、雨水傳感器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、蜂鳴器、顯示器、行程開關(guān)、開關(guān)、導(dǎo)線、蓄電池等裝置?？刂齐娐返倪壿嬯P(guān)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(gè)控制電路

41、，智能窗戶將實(shí)現(xiàn)一以下功能：</p><p>　　雨水傳感器若檢測(cè)到室外有雨水，智能控制窗戶關(guān)閉。</p><p>　　風(fēng)速傳感器若檢測(cè)到室外的風(fēng)速過大，智能控制窗戶關(guān)閉。</p><p>　　光照傳感器若檢測(cè)到天色已變黑，智能控制窗戶關(guān)閉。</p><p>　　煙霧傳感器若檢測(cè)到室內(nèi)有可燃?xì)怏w泄漏，吸煙或者火災(zāi)產(chǎn)生的煙霧，將通過蜂鳴器報(bào)警，

42、并及時(shí)打開窗戶。</p><p>　　顯示器顯示窗戶的狀態(tài)、時(shí)間、溫度等信息。</p><p>　　單片機(jī)可以定時(shí)開關(guān)窗戶，使室內(nèi)的空氣保持清新。</p><p>　　可通過按鈕對(duì)窗戶的開閉進(jìn)行靈活的手動(dòng)控制。</p><p>　　控制部分將會(huì)放置在窗框內(nèi)或者是窗扇內(nèi)，這樣使得窗戶看起來美觀，并且實(shí)用。</p><p>

43、;<b>　　3 機(jī)械部分設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 窗框和窗扇設(shè)計(jì)</p><p>　　窗框和窗扇是本設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)，承載著各個(gè)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(fēng)效率%100，運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)，可用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。</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(shù)建筑都使用的是塑鋼窗，但是它的老化現(xiàn)象比較嚴(yán)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(huì)有老化的問題，強(qiáng)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(zhǎng)700mm，總寬500mm，框?qū)?5mm，壁厚1mm，建筑用鋁合金牌號(hào)為6063，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》, 表3—2—33（摘自GB/T 6892—2006），它的抗拉強(qiáng)度，窗框的受力主要集中在與上下兩塊合頁連接的地方，簡(jiǎn)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(zhì)量約為，；</b></p><p>　　那么，；根據(jù)幾何關(guān)系算的；</p><p>　　因此 ，，因?yàn)榇皯羰菍?duì)稱的，所以；</p><p>　　根據(jù)力的相互作用，可得，所以，；</p><p><b&

47、gt;　　3.2 合頁設(shè)計(jì)</b></p><p>　　合頁連接著窗扇和窗框，使窗扇能夠自由的旋轉(zhuǎn)。合頁有普通合頁：用于櫥柜門、窗、門等。材質(zhì)有鐵質(zhì)、銅質(zhì)和不銹鋼質(zhì)。普通合頁的缺點(diǎn)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(fēng)會(huì) 吹動(dòng)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(zhì)有鍍鋅鐵、鋅合金。

48、彈簧鉸鏈附有調(diào)節(jié)螺釘，可以上下、左右調(diào)節(jié)板的高度、厚度。它的一個(gè)特點(diǎn)是可根據(jù)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(yīng)鉸鏈相配，使各種柜門有相應(yīng)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(zhì)上可分銅質(zhì)、不銹鋼質(zhì)。從目前消費(fèi)情況來看，選用銅質(zhì)軸承合頁的較多，因?yàn)槠涫綐用烙^、亮麗，價(jià)格適中，并配備螺釘。</p>&l

49、t;p>　　其他合頁：有玻璃合頁、臺(tái)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(dá)不到我的設(shè)計(jì)要求，因此自己設(shè)計(jì)了一個(gè)合頁，合頁的左片是用一根長(zhǎng)25mm、外徑8mm、內(nèi)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(zhǎng)15mm、外徑8mm、內(nèi)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(zhǎng)63mm、直徑3mm的軸串接，中間有兩個(gè)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(gè)直徑3mm的孔，已便于鉚接在窗框個(gè)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(jī)選擇</b></p>

51、;<p>　　如圖2所示，減速電機(jī)通過固定架安裝在窗框上，它是窗扇能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力來源，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，窗戶的應(yīng)在4秒左右完成一個(gè)90度的開關(guān)動(dòng)作，因此窗扇的轉(zhuǎn)速為，窗扇轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受到的阻力主要來自于上下兩個(gè)合頁之間的摩擦力，摩擦力的方向?yàn)榇怪焙退絻蓚€(gè)方向，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1—10，鋼與鑄鐵之間的摩擦因素為，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表1—11，推力球軸承之間的摩擦因素，簡(jiǎn)化模型后，轉(zhuǎn)動(dòng)窗扇所需力矩</p&g

52、t;<p>　　其中為合頁內(nèi)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(jī)ZGA20RU，具體參數(shù)如表1所示。</p><p>　　表1 減速電機(jī)參數(shù)</p><p>　　Tab.1 Gear motor parameters</p><p>　　此電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩符合設(shè)計(jì)要求，并且具有尺寸小的特

53、點(diǎn)。</p><p><b>　　3.4 齒輪設(shè)計(jì)</b></p><p>　　如圖2所示，一個(gè)齒輪安裝在減速電機(jī)上，另一個(gè)齒輪焊接在合頁上，兩嚙合齒輪將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給窗扇，使窗扇能夠平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。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(jí)、材料及齒數(shù)參數(shù)</p><p>　　

54、按照本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。窗戶的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不高，故選用7級(jí)精度（GB 10095-88)。材料選擇45鋼，硬度為240HBS。根據(jù)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(biāo)準(zhǔn)的第一部分優(yōu)先選擇，選擇模數(shù)，齒數(shù)，中心距。</p><p>　　3.4.2 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核</p><p>　　根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10—5a）：</p>

55、<p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算值</p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10—20c查的齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限。</p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10—18取彎曲疲勞壽命系數(shù)。</p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10—7選取齒寬系數(shù)。</p>

56、;<p><b>　　計(jì)算圓周速度。</b></p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10—13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。</p><p>　　6）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力。</p><p>　　取彎曲疲勞安全系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10—12）得</p&

57、gt;<p><b>　　7）計(jì)算載荷系數(shù)。</b></p><p>　　根據(jù)，7級(jí)精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10—8查的動(dòng)載荷系數(shù)；</p><p><b>　　直齒輪，；</b></p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10—2查的使用系數(shù)；</p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10—4用

58、插值法查的7級(jí)精度、懸臂布置時(shí)，。</p><p>　　由，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10—13得；</p><p><b>　　故載荷系數(shù)</b></p><p>　　查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)。</p><p>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10—5查得 ，；</p><p><b>　?。?）校核計(jì)算

59、。</b></p><p><b>　　符合要求。</b></p><p>　　3.4.3 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算</p><p><b>　　由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　?。?/p>

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

61、t;<p>　　計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。</p><p>　　取失效概率為1%，安全系數(shù),由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10—12得</p><p><b>　　計(jì)算載荷系數(shù)K。</b></p><p><b>　　校核計(jì)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(jī)的傳動(dòng)效率。</p><p>　　軸承所承受載荷的大小、方向和性質(zhì)，是選擇軸承類型的主要依據(jù)。</p><p>　　根據(jù)載荷的大小選擇軸承類型時(shí)，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(diǎn)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(jù)載荷的方向選擇軸承類型時(shí)，對(duì)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(duì)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(dāng)軸承在承受徑向載荷的同時(shí)

64、，還有不大的軸向載荷時(shí)，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(dāng)軸向載荷較大時(shí)，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(jié)構(gòu)，分別承擔(dān)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(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速的高低對(duì)類型的選擇不發(fā)生什么影響，只有在轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才會(huì)有比較顯著的影響。窗扇的轉(zhuǎn)速v=3.75

65、r/min，轉(zhuǎn)速不大，不影響類型的選擇。</p><p>　　綜上所述，結(jié)合合頁軸的大小，選擇外徑D=8mm，內(nèi)徑d=3mm，厚度t=3.5mm的推力球軸承</p><p><b>　　4 控制部分設(shè)計(jì)</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(hào)，包括：雨水傳感器檢測(cè)室外是否有雨水、風(fēng)速傳感器檢

66、測(cè)是否刮風(fēng)、煙霧傳感器檢測(cè)室內(nèi)是否有煙霧、光照傳感器檢測(cè)室外晝夜的變化。這些信號(hào)將以電平的方式傳遞給核心處理器單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序處理來自傳感器的信號(hào)，然后輸出信號(hào)給電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制器，控制窗戶的打開關(guān)閉。</p><p><b>　　4.1 單片機(jī)</b></p><p>　　89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系

68、統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。</p><p>　　圖6 單片機(jī)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(jī)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(fù)

69、極接單片機(jī)的GND端，7805的Vout接單片機(jī)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(jī)電源電路</p><p>　　Fig.7 MCU power supply circuit diagram</p><p>　　4.1.2 時(shí)鐘系統(tǒng)</p><p>　　時(shí)鐘系統(tǒng)為單片機(jī)提供時(shí)鐘

70、信號(hào)，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(jī)的XTAL1和XTAL2端。</p><p>　　圖8 單片機(jī)時(shí)鐘電路</p><p>　　Fig.8 MCU clock circuit diagram</p><p>　　4.1.3 電源信號(hào)燈</p><p>　　對(duì)于單片機(jī)電源是

71、否有電我們需要一個(gè)指示的信號(hào)，如圖9所示，通過一個(gè)LED燈和保護(hù)電路就可以檢測(cè)單片機(jī)是否有電。電路的VCC接單片機(jī)的VCC端，電路GND接單片機(jī)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(diào)試燈</b

72、></p><p>　　調(diào)試燈等用來檢測(cè)單片機(jī)的某個(gè)引腳是否能夠正常的輸出電平信號(hào)。如圖10所示，電路中的LED燈和保護(hù)電阻可以檢測(cè)引腳是否有高電平輸出。</p><p>　　圖10 調(diào)試燈電路圖</p><p>　　Fig.10 Debugging lamp circuit diagram</p><p>　　4.1.5 電機(jī)正反

73、轉(zhuǎn)電路</p><p>　　電機(jī)的正反轉(zhuǎn)通過L298N驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)。L298N驅(qū)動(dòng)板控制邏輯是：IN1、IN2 控制電機(jī)M1；IN3、IN4控制電機(jī)M2。例如：IN1輸入高電平1,IN2 輸入低電平0，對(duì)應(yīng)電機(jī)M1 正轉(zhuǎn)；IN1 輸入低電平0,IN2輸入高電平1，對(duì)應(yīng)電機(jī)M1反轉(zhuǎn)。</p><p>　　電機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路如圖11所示，M1控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，回路中的K1是窗戶完全關(guān)閉時(shí)會(huì)觸碰到常閉

74、行程開關(guān)，防止電機(jī)被燒壞。同理，M2控制電機(jī)的反轉(zhuǎn)，回路中的K2是窗戶完全打開時(shí)會(huì)觸碰到的常閉行程開關(guān)。</p><p>　　圖11 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路圖</p><p>　　Fig.11 Motor reversing control circuit diagrams</p><p>　　4.1.6 手動(dòng)控制電路</p><p>　　智

75、能窗戶有時(shí)候也需要手動(dòng)來控制開閉。如圖12所示，手動(dòng)控制電路分別介入單片機(jī)的兩個(gè)引腳，按動(dòng)K1或者K2可以向單片機(jī)輸入一個(gè)低電平或者下降沿信號(hào)。電路中兩個(gè)電阻為保護(hù)電阻。</p><p>　　圖12 手動(dòng)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(jī)的工作狀態(tài)、窗戶的開關(guān)狀態(tài)、環(huán)境溫度、時(shí)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(nèi)容</p><p>　　Fig.14 Display Properties</p><p>　　4.2 雨水傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　天氣變幻無常，下雨是經(jīng)常發(fā)生的事，而我們會(huì)經(jīng)常忘了關(guān)閉窗戶而導(dǎo)致雨水進(jìn)入室內(nèi)，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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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(shù)的巨大差異設(shè)計(jì)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(jí)，接受雨水后，電容兩極間的介電常數(shù)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(dāng)于一個(gè)電阻串聯(lián)在回路中，當(dāng)有雨水變化時(shí)，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(yīng)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(gè)鏡頭組成。由LED發(fā)出的光以全反

80、射角度在擋風(fēng)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(fēng)玻璃上有水，一些光會(huì)雙倍射出，且這會(huì)引起從LRD出來的電流減少，電流以電子來評(píng)測(cè)，從LED發(fā)出的光反射到LRD的擋風(fēng)玻璃區(qū)域被稱之為傳感器的“敏感區(qū)域”。僅僅當(dāng)雨水滴到這個(gè)區(qū)域時(shí)，才可以被探測(cè)出來。為了由一個(gè)靈敏可靠的系統(tǒng)，擋風(fēng)玻璃區(qū)域和靈敏區(qū)域之間必須要有一個(gè)較好的比例。</p><p>　　我

81、們選用第二類電阻式雨水傳感器，因?yàn)檫@種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制作等特點(diǎn)。電路的原理圖如圖14，形電阻檢測(cè)板和比較電路組成。當(dāng)回形電阻有雨水時(shí)，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(jìn)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(hào)，反之輸出高電平信號(hào)。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(shí)現(xiàn)對(duì)判斷是否有雨水的比較值進(jìn)行精度調(diào)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(shè)計(jì)</p><p>　　殘酷無情的火災(zāi)會(huì)危及我們的生命和財(cái)產(chǎn)的安全，可見預(yù)警災(zāi)情是件多么重要的事情。有些成人喜歡吸煙，這會(huì)造成室內(nèi)空氣污濁，二手煙會(huì)嚴(yán)重傷害家人

83、特別是小孩的身體健康?？扇?xì)怏w的泄漏，同樣是十分危險(xiǎn)的情況。我們給智能窗戶設(shè)計(jì)一種煙霧傳感器，讓它能及時(shí)發(fā)現(xiàn)災(zāi)情預(yù)警災(zāi)情，能夠及時(shí)打開窗戶給我們帶來一個(gè)空氣清新的環(huán)境。</p><p>　　查閱相關(guān)資料，煙霧傳感器有三種類型。</p><p>　　第一類是半導(dǎo)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(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感

84、器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本長(zhǎng)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(jié)構(gòu)由采樣系統(tǒng)、檢測(cè)及補(bǔ)償電離室、敏感元件、整機(jī)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(kuò)散槽及對(duì)流孔的采樣罩、不銹鋼過濾網(wǎng)、集煙環(huán)、中隔板等組件。采樣罩和過濾網(wǎng)采用不銹鋼材料制作；中隔板為高阻燃材料，下部設(shè)有報(bào)警指示燈、自檢開關(guān)、復(fù)位按鈕及電源和信號(hào)輸出接口。整機(jī)電路設(shè)計(jì)有就地聲、光報(bào)警，信號(hào)遠(yuǎn)傳，自檢等多種功能?；馂?zāi)發(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(fēng)流沿傳感器采樣罩的螺線型百葉

86、窗擴(kuò)散入傳感器。在過濾網(wǎng)的阻隔下，煙霧中粒徑較大的粉塵顆粒和雜質(zhì)沿采樣罩的光滑內(nèi)表面滑落至采樣罩底部，細(xì)微的煙塵顆粒則隨螺旋上升的氣流進(jìn)入檢測(cè)電離室，與室內(nèi)的正負(fù)離子中和，在中間電極產(chǎn)生一個(gè)與被測(cè)煙霧濃度呈正比的電壓變化增量“”。此增量經(jīng)傳感器電路分析、處理后轉(zhuǎn)換成就地聲、光報(bào)警信號(hào)，同時(shí)以開關(guān)量的形式送往與之相連的井下監(jiān)控分站，實(shí)現(xiàn)井下火災(zāi)的遠(yuǎn)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(nèi)有一個(gè)光學(xué)迷宮，安裝有紅外對(duì)管，無煙時(shí)紅外接收管收不到紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光，當(dāng)煙塵進(jìn)入光學(xué)迷宮時(shí)，通過折射、反射，接收管接收到紅外光，智能報(bào)警電路判斷是否超過閾值，如果超過發(fā)出警報(bào)。光電感煙探測(cè)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(cè)器。該探測(cè)器的檢測(cè)室內(nèi)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(shí)，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(cè)器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。</p><p>　　散射光式光電探測(cè)器該探測(cè)器的檢測(cè)室內(nèi)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(chǎn)生光電流。在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，當(dāng)煙霧進(jìn)入檢測(cè)室時(shí)，由于煙粒子的作用，使發(fā)光器件發(fā)射的光產(chǎn)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(chǎn)生光電流，從而實(shí)現(xiàn)了煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)煙霧變?yōu)殡娦盘?hào)的功能，探測(cè)

89、器收到信號(hào)然后判斷是否需要發(fā)出報(bào)警信號(hào)。</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(cè)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(cè)頭和比較電路組成。當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到有可燃?xì)怏w或是煙霧時(shí)，探測(cè)頭里的半導(dǎo)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(jìn)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(hào)，反之輸出高電平信號(hào)。該電路也可以輸出電壓模擬量信號(hào)。</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(fēng)速傳感器的設(shè)計(jì)</p><p>　　風(fēng)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(xiǎn)的各礦井通風(fēng)總回風(fēng)巷、風(fēng)口、井下主要測(cè)風(fēng)站、扇風(fēng)機(jī)井口、掘進(jìn)工作面、采煤工作面等處，以及相應(yīng)的礦產(chǎn)企業(yè)?？蛇B續(xù)監(jiān)測(cè)上述地點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量（風(fēng)量=風(fēng)速x橫截面積）大小，能夠?qū)λ幭锏赖娘L(fēng)速風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，是礦井通風(fēng)安全參數(shù)測(cè)量的重要儀表。</p><p>　　風(fēng)速傳感器的原理主要有一下四種。</p><p>　　超聲波渦接測(cè)量原理 超聲波風(fēng)速傳感器是利用超聲波時(shí)差法來實(shí)

92、現(xiàn)風(fēng)速的量。聲音在空氣中的傳播速度，會(huì)和風(fēng)向上的氣流速度疊加。若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同，它的速度會(huì)加快；反之，若超聲波的傳播方向若與風(fēng)向相反，它的速度會(huì)變慢。因此，在固定的檢測(cè)條件下，超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對(duì)應(yīng)。通過計(jì)算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。 由于聲波在空氣中傳播時(shí)，它的速度受溫度的影響很大；本風(fēng)速儀檢測(cè)兩個(gè)通道上的兩個(gè)相反方向，因此溫度對(duì)聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。</p><p>

93、　　通過壓差變化原理 在流動(dòng)方向上設(shè)置一個(gè)固定的障礙物（孔板、噴嘴等），這樣根據(jù)流速不同便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓差。通過測(cè)量壓差，可以轉(zhuǎn)換成流速的測(cè)量。</p><p>　　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(chǎng)中垂直插入一根無限長(zhǎng)的非線性阻力體（即旋渦發(fā)生體C，風(fēng)速傳感器的探頭橫桿），當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)旋渦發(fā)生體C時(shí)，在漩渦發(fā)生體邊緣下游側(cè)會(huì)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

94、流速V。</p><p>　　因此超聲波風(fēng)速傳感器就是利用超聲波旋渦調(diào)制的原理來測(cè)定旋渦頻率的 。</p><p>　　電流電壓原理 風(fēng)速傳感器相當(dāng)于一個(gè)小的發(fā)電機(jī)，可以輸出電流和電壓信號(hào)。</p><p>　　我設(shè)計(jì)的風(fēng)速傳感器采用的是電流電壓原理，如圖16所示，有風(fēng)時(shí)，檢測(cè)頭相當(dāng)于一個(gè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(hào)，反之輸出高電平信號(hào)。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。</p><p>　　圖17 風(fēng)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(shè)計(jì)</p>

96、;<p>　　光照傳感器用于檢測(cè)天色是否已黑，及時(shí)的反饋給單片機(jī)信號(hào)。若天色已黑，則窗戶關(guān)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(zhuǎn)換模塊，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓值。此次設(shè)計(jì)的光照傳感器的電路原理圖如圖17，當(dāng)光敏器件檢測(cè)到天色變黑時(shí)，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(hào)，反之輸出高電平信號(hào)。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。</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(jié)論</b></p><p>　　

98、本次課題設(shè)計(jì)了智能窗戶，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制部分。主要有以下幾方面的成果：</p><p>　　電機(jī)能很好的固定在窗框上，電機(jī)上的齒輪和合頁上的齒輪能良好的嚙合。上下兩個(gè)合頁能順利的開閉，且用力不大。窗戶能夠在電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)下以適合的轉(zhuǎn)速的打開或者關(guān)閉。</p><p>　　雨水傳感器、風(fēng)速傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器能夠成功的檢測(cè)到各自的信號(hào)，并輸出給單片機(jī)低電平信號(hào)。</p>

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

100、以接入物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控和實(shí)時(shí)信息的掌控。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]浦靈敏，季愛明. 基于STC89C52單片機(jī)智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 中國科技信息，2011</p><p>　?。?0）：150-151.</p><p>　　[2]王圳. 遙控自動(dòng)窗戶[J].

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107、/p><p>　　[17]濮良貴，紀(jì)名剛. 機(jī)械設(shè)計(jì)[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(qǐng)國創(chuàng)項(xiàng)目。那時(shí)，我們發(fā)揮自己的想象力，想出了一個(gè)方案，就是將我們以前做過的太陽能自動(dòng)關(guān)窗裝置改進(jìn)一下，變成電動(dòng)窗戶。<

108、;/p><p>　　就這樣，我們成功申請(qǐng)了國創(chuàng)項(xiàng)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(gè)方案就是在推拉窗的兩側(cè)安裝一對(duì)皮帶輪，皮帶輪上面有個(gè)能帶著窗戶移動(dòng)的裝置，再用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來打開關(guān)閉窗。我們利用專業(yè)所學(xué)知識(shí)，還算出了皮帶輪大小、轉(zhuǎn)速，電機(jī)的功率等等。緊接著我還興致勃勃的提前單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)，感覺成功就在眼前。</p><p>　　可是，現(xiàn)實(shí)總

109、是沒有理想那么美好。在大三的上學(xué)期，我拿著我們的方案去找蔣老師指導(dǎo)一下，蔣老師認(rèn)為我們的方案完全沒有創(chuàng)新的地方，只是為了完成任務(wù)而去完成任務(wù)，他讓我們?nèi)ゲ橘Y料要看看別人是怎么做的，看能不能找到靈感。這一次對(duì)我的打擊不小，前面一段時(shí)間的付出都是白忙活，對(duì)項(xiàng)目的熱情已經(jīng)退卻了三分。</p><p>　　想來想去，最后的目標(biāo)還是必須要把項(xiàng)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(guān)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(xiàn)，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(xiàng)目規(guī)定的時(shí)限已經(jīng)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(jiān)持下去，絕不能退縮。終于，功夫不負(fù)有心人，我想出了一個(gè)好的方案，經(jīng)過蔣老師的指導(dǎo)，改了好幾次就成了本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容。</p><p>　　在項(xiàng)目實(shí)施的過程中，要特別感謝奉緯同學(xué)和我一起去了北碚市