智能窗户装置的研制本科毕业论文(编辑修改稿)

智能窗户装置的研制本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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，将这些数据通过西南大学本科毕业论文（设计） 6 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。 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。 西南大学本科毕业论文（设计） 7 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 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。 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西南大学本科毕业论文（设计） 8 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 Schematic threedimensional program 图 2 方案局部三维示意图 Threedimensional 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，西南大学本科毕业论文（设计） 9 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。 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 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： ，智能控制窗户关闭。 西南大学本科毕业论文（设计） 10 ，智能控制窗户关闭。 ，智能控制窗户关闭。 ，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。 、时间、温度 等信息。 ，使室内的空气保持清新。 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 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。 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。 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。 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 3— 2— 33（摘自 GB/T 6892— 20xx），它的抗拉强度175M/pa][R m  ，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。 西南大学本科毕业论文（设计） 11 图 4 窗框受力分析图 Figure sash stress analysis 窗扇的质量 m 约为 Kg3 ， NG  ； 那么 22 GFy， tan22 yx FF ；根据几何关系算的  ； 因此 NFx  ， NF y  ，因为窗户是对称的，所以 21 FF ； 根据力的相互作用，可得 4231 , FFFF  ，所以 NFF xx  ，NFF yy  ； 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。 西南大学本科毕业论文（设计） 12 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 16~20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 5~6 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 HingeD representation 西南大学本科毕业论文（设计） 13 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min/ rv ，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 1— 10，钢与铸铁之间的摩擦因素为  ，查《机械设计 课程设计手册》表 1— 11，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cmNRFrFM  2y41x3  其中 r 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 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 额定力矩 cm 额定电流 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。 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。 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 1009588)。 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， cmdd 1621  ，齿轮传递的力矩不大，按标准的第一西南大学本科毕业论文（设计） 14 部分优先选择，选择模数 m ，齿数 32  mdzz，中心距cmdda 162 16162 21 。 齿根弯曲疲劳强度校核 根据《机械设计》式（ 10— 5a）：  Fd SaFaF zm YYKT   2312 （ 31） （ 1）确定公式内的各计算值 1)由《机械设计》图 10— 20c。