基于单片机控制的智能窗帘设计（含全套CAD图纸）
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购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 南 京 理 工 大 学 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 准考证号 教学点 : 专 业 : 题 目 : 基于单片机控制的智能窗帘设计 指导者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 评阅者： (姓 名 ) (专业技术职务 ) 年 月 讲师 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 摘 要 本文首先介绍了智能家居的基本知识及其应用前景，进而阐明了开发作为智能家居中一个很重要部分 红外线遥控自动窗帘的意义。随后着重介绍了开发单片机控制的红外线遥控窗帘系统所用到的集成芯片 外线发射接收器等硬件的结构原理。本文采用分块的模式，对整个系统的硬件电路设计进行分析，分别给出了系统总体框图、电源电路、时钟 路、鸣响电路、红外线接收电路、电机控制电路、显示电路，并对相应电路设计进行 了相关的阐述。随后讲述了软件的编写思路，也是采用分块的模式，分别写出了红外线解码程序、时钟芯片 制程序、 控控制程序的编写思路，每一模块都画出了其方框图，看起来一目了然。 随着人们生活节奏的加快，窗帘的自动化随之产生。本产品是在学习机械原理及设计和电工学等知识，通过实践，观察，思考的基础上设计而成的，且人性化的思想理念也体现了科学技术在人们生活中的作用。通过几个月的努力，使我们深刻感受到了电学，力学，加工工艺，理论知识与实践相结合在机械设计中的重要性。加强和拓展这些方 面的知识对机械学子们是很有必要的。本设计将以 单片机 为核心设计了系统结构图、程序指令、 系统控制流程图等 ，在保留了原始 智能窗帘 的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入 单片机 的控制程序，便可改变 智能窗帘 的 颜色，开合 ，从而使得 人们的家居生活不断完美。 关键词 单片机控制系统 可靠性 系统 购买后包含有 咨询 he is a to do to a to or It in to to in is of of it to on of of is to a by of to it of in in to in to in of 4 购买后包含有 咨询 目 录 1绪论 . 1 . 1 . 2 2 智能窗帘总体结构的设计 . 6 能窗帘控制系统的控制原理 . 10 械传动部分的设计计算 . 11 . 12 . 13 . 14 . 14 3 控制系统的设计 . 15 机的作用和功能 . 15 . 15 4 硬件系统的设计 . 1错误 !未定义书签。 部分 . 1错误 !未定义书签。 示电路 . 1错误 !未定义书签。 外接收电路 . 1错误 !未定义书签。 钟电路 . 17 据存储电路 . 18 机执行电路 . 18 5 系 统软件的设计 . 18 解码 . 19 . 19 制程序结 论致谢 . 20 参考文献 . 21 结论 . 22 致谢 . 23 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 1 页 共 23 页 1 绪 论 题的研究背景和历史意义 人类社会的不断发展推动着机 械工业的发展和创新，不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。 现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能 。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。 产品的智能化与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将 会消除了这个限制。计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展 。 智能窗帘是带有一定自我反应、调节、控制功能的窗帘。如根据室内环境状况自动调光 线强度。使得达到室内人体适应的光线亮度而不至于对人眼睛的伤害为了解决这些生活中碰到的实际问题，智能窗帘设计便应运而生。 能窗帘的发展现状及应用 目前，国外已大量应用机器人技术，机器人自动化生产线成套装备已成为自动化成套装 备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 2 页 共 23 页 随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别 是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发张，生活现代化得以实现，居住环境向舒适化、安全化发展。家居智能化在这种形势下应运而生。本次设计是基于 单片机 控制技术的随光线强弱来自动控制型智能窗帘。每个人对坏境室内光线强弱适应能力不 同，室内主人可根据自己的需求自行调节所适应的最佳光线强度，连接电源并选择控制类型（自动控制 /手动控制） 。选择自动控制时，智能窗帘由室内光线强 度的变化，而经由相关器件接收、处理、控制信号，达到自行调节窗帘的开合程度，从而使光线的强弱程度达到主人所预先设定的值范围。选择手动控制时 ，由于室内主人在黑夜白天的特殊需求而自行来控制窗帘的开合（例如在晚上、睡觉等时候，根据主人的需要是要求把窗帘闭合，而不影响睡眠质量，但是根据预先设定和程序设定，智能型窗帘是会依设定值打开窗帘的，所以需要手动控制来关闭窗帘） 。 2 智能窗帘总体结构的设计 能窗帘控制系统的控制原理 智能窗帘控制系统是通过单片机控制系统控制直流电机，从而带动窗帘自动的上升和下降的 系统，并且能够通过光电传感器感应到环境光度以及亮度的强弱，反馈信号给中控系统，然后中控系统控制系统就会根据光电传感器反馈的信号改变智能窗帘颜色的系统，其结构布局图如下： 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 3 页 共 23 页 械传动部分的设计计算 能窗帘结构系统中直流电机的选型计算 已知整个智能窗帘控制系统中窗帘与零件的重量，我们取总重量为 10围为 5000帘上升、下降速度为 12r/： 0 01010 具体的电机设计计算 如下 : N= W) G电机的负载 传动效率，取 以根据 N n 1500r/ 10112查0112 轴器的选型计算 根据公式 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 4 页 共 23 页 303 9 6 23 m 入轴的最小直径为安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径 12d 与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器型号 12d 。联轴器的计算转矩 2T K T ，查机械设计（第八版）表 14于转矩变化很小，故取 ，则 2T K T =机械设计课程设计表 14 弹性柱销联轴器其工称转矩为 电动机轴的直径为 25以联轴器的孔径不能太小。取12d =25联轴器长度 L=82联轴器与轴配合的毂孔长度为 60向滚动丝杠副丝杠轴，选 弹性柱销联轴器，其公称转矩为1250000 半联轴器的孔径 25联轴器长度 42 轴的设计计算 轴是组成精密机械的重要零件之一。一切作为回转运动的零件，都必须在轴上才能传递运动和动力。在本课题所使用的轴，承受的负荷比较 小 ，尺寸也比较小 ，制造精度高，要求材料具有足够高的机械强度和良好的加工性能。因此，选用材料 45#， 传动轴最大外圆直径 30， 热处理为对轴进行调质处理 。 此转轴大致图形如下： 电传感器的选型计算 本测量系统采用的是光穿透型光电传感器，这里我们采用的是基恩士的列： 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 5 页 共 23 页 1) 列产品特性 列产品是一款高速、高精度的数字测微计，无需接触目标物即可对其尺寸进行测量。该系列用途广泛，可应用于联机测量和脱机测量。每秒 2400 次的高速采样可以确保达到两倍于普通型号的采样速度。这样就可以对挤压制品进行连续测量以及对运动工件进行联机测 量。重复精度为 m 配备最新的光学系统，确保两倍于普通型号的重复精度，从而为高精度产品的制造提供了有力的支持。连接两个测量头进行双渠道同步测量结合使用两个测量头可对两个目标物进行同步测量。利用阈值更改功能对透明目标物进行稳定的检测 理器支持阈值更改功能，这样就可以对透明目标物进行稳定的检测。 2)测量原则 高亮度 色 射光能够通过专用的散射模组和准直装置镜头变成均匀的平行光，并照射到测量范围内的目标物上。然后目标物的影像即通过远心光学系统显示在 高速线性 上。 高速线性 ) 的输出入射信号将由控制器中的 数字边缘检测 ) 处理器和 行处理。因此，目标物的尺寸规格就可以被显示和输出。 3 控制系统的设计 机的作用和功能 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能将列强。在单片机家族中， 80之 51系列中的 80 邦等，这些公司都在保持与 800许多特性。这样， 80变成 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 6 页 共 23 页 有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为 8080家认为，虽然世界上的 能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明， 80 机是宏晶科技出的新一代高速 /低功耗 /超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统 8051单片机， 12时钟 /机器和 6时钟 /机器可选，0899K 字节，而 52程序空间为 8K 字节，其余性能与结构相同。本论文以 89单片机 又称 单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把 一个 计算机系统集成 到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比， 单片机 只缺少了 I/概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用 单片机 是了解 计算机原理 与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛，如 智能仪表 、实时 工控 、通讯设备、 导航系统 、 家用电器 等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在 产品名称 前冠以形容词 “智能型”，如智能型洗衣机等。由于单片机体积小，使用方便的特点，被应用在智能仪 器上，再结合其他的传感器之类的，可以实现对温度、湿度等精密量的测量，功能十分的强大。同样由于单片机的体积小、环境适应能力强和使用方便等方面的优点，单片机也被普遍应用于工业控制上，比如多种多样的通讯系统以及机器人等方面。此外，由于单片机的适应能力很强，所以在我们常用的手机、电脑等物品上应用十分广泛。还有，医院的医疗设备如呼吸机等也有单片机的广泛应用。还有就是汽车系统、物流系统、电力系统、通讯系统等都广泛应用单片机。其中，单片机的结构图如下： 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 7 页 共 23 页 片机的应用场合 由于单片机有许多优点，因此其应用领 域之广，几乎到了无孔不入的地步。单片机应用的主要领域有： 1）智能化家用电器：各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。 2）办公自动化设备：现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。 3）商业营销设备：在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、 租车计价器以及仓储 安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。 4）工业自动化控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、单片机等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。 5）智能化仪表：采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 8 页 共 23 页 功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。 6）智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。 7）汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测 控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。 8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：单片机的应用更是不言而喻。 单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动控制中的 节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。 随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。 4 硬件系统的设计 源部分 通过一带有整流电路的 12220V）后，输入直流 12边两个是 12伏的电源滤波电容，一般大电容旁边并联一个小电容的目的是降低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造，所以等效电感较大，小电容可以提供一个小内阻的高频通道，降低电源全频带内阻。同时经 过 3端集成稳压器 5讯响电路、红外接收电路、显示电路提供电源， 55、限流电阻 单片机及 直流供电电源，电压为 3V 本电路中为了节省成本，使用两节 5 号可充电电池， 7是单片机电源滤波电容。平时交流电正常的情况下， 源为单片机及 电的同时，也为电池浮充电，大大延长了电池的使用寿命，当交流电停电的时候，电池为单片机及 电，单片机及 掉电状态下维 持时钟的正常。在控制器设置成手动控制时，单片机除执行任务外，均处于睡眠状态，遥控器信号的到来，单片机从睡眠中唤醒，恢复正常工作，所以手动状态下当交流停电时，电池的耗电电流更小。 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 9 页 共 23 页 示电路 显示电路设计采用的是液晶 开窗帘时间、关窗帘时间等内容。 作为数据口连接 7 14口，来传输数据及令，由于 需接上拉电阻。 脚 据 / 命令选择端）， 脚 R/ 6脚 E（使能信号）。电位器 亮度。 外接收电路 红外线接收电路使用一个集成红外接收器，型号是 态时输出端输出高电平，当接收到红外信号后，按红外信号的数据波形输出负脉冲数据信号。红外信号输出到单片机的 该口对应的第二功能是外部中断 1(利用该口的第二功能，一旦红外线信号到来， 拉低，单片机中止当前的工作转移到接收、处理红外信号。开启中断功能的目的，既减轻了单片机的工作负担，又保证接收到的红外信号的 完整性，同时在手动工作状态下，单片机进入睡眠后，利用外部中断功能完成对单片机的唤醒。 红外接收部分主要是对红外载波信号进行解调放大整形等由于市场上已经有集成解调放大整形输出的红外接收头所以我们只用考虑怎样能准确计算出红外编码脉冲时间就可以了通常我们在计算红外编码脉冲时间时一般把接收程序 放在中断程序中一旦有红外信号则马上进入中断程序中并启动定时器对红外信 号延时时间进行定时一旦计算判断出是起始位则准备进行指令码的定时计算如 果没有检测到起始位就不能检测指令码而是继续检测起始位的出现当指令码全 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 10 页 共 23 页 部接收 完毕后可根据指令码的命令执行相应的动作。在红外接收时要注意抗干扰因为遥控窗帘接收阳光照射的时间和强度都很大因此主机接收到的红外线干扰信号也很强所以一方面要加强主机接收头的避光措施另一方面要在红外接收软件中设置接收红外编码信号延时时间的上限和下限依次来达到最佳的抗干扰效果。 钟电路 本电路采用 钟芯片， 为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通的32768个电源 样如果没有交流电 的供电也可以由可充电电池供电，起了掉电保护，防止数据丢失。 2脚 振引脚）及 3脚 振引脚）接 32786 7脚 行时钟输入引脚）与单片机的 连， 6脚 I/O(数据输入输出引脚 )与单片机的 5脚 位引脚）与单片机的 据存储电路 本电路采用 片， C，总线数据传送协议 线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器。任何从总线接收数据的器件为接收器。数据传送是由产生串行时钟和所有起 始停止信号的主器件控制的。 1、 0H， 机执行电路 电机执行部分完全受单片机的控制，通过单片机的 片机复位状态下 极管 个22 继电器 向可逆的电动机 个继电器便会有一个导通，例如 低后合，电机 动，当只有 机 现了窗帘的拉开和关闭。两个继电器的工作状态受单片机控制，在同一个时间内两个继电器仅能有一个吸合。即便是在电机 作了 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 11 页 共 23 页 反向转动按键，单片机也是先释放当前工作的继电器，并延时一段时间后再吸合另外一个继电器，防止了电机 5 系 统软件的设计 外解码 这里采用的是 6122 型遥控器，载波波形使用 455内部分频电路，信号被调制在 空比为三分之一。数据格式包括了引导码、用户码、数据码、数据反码，编码总共占 32位。数据反码是数据码相反的编码，编码时可用对于数据的纠错。 引导码由一个 9关断时间构成，它作为随后发射的码的引导，这样当接收系统是由微处理器构成的时候，能更有效地处理 码的接收与检测及其它各项控制之间的时序关系。编码采用脉冲位置调制方式（ 每次 8位的码被传送之后，它们的反码也被传送，减少了系统的误码率。 用户码或者数据码中的每一位可以是“ 1”，也可以是“ 0”。区分“ 0”和“ 1”是利用脉冲的时间间隔来区分，这种编码方式称为脉冲位置调制方式，简称 解码的关键是如何识别“ 0”和“ 1”， 代码格式（以接收代码为准，接收代码与发射代码反向）。从位的定义我们可以发现“ 0”、“ 1”均以 买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 12 页 共 23 页 的低电平开始，不同的是高电平的宽度不同，“ 0”为 1”为 以必须根据高电平的宽度区别“ 0”和“ 1”。如果从 始延时， 读到的电平为低，说明该位为“ 0”，反之则为“ 1”，为了可靠起见，延时必须比 又不能超过 则如果该位为“ 0:”。红外解码流程图如下： 列显示程序 写指令：输入： ， R/W=L， 令码， E=高脉冲 ；输出： 7=数据。 写数据：输入： ， R/W=L， 据， E=高脉冲 ；输出： 无 。 写操作时序如图 5 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 13 页 共 23 页 位）过程： 延时 15指令 38H（不检测忙信号）； 延时 5指令 38H（不检测忙信号）； 延时 5指令 38H（不检测忙信号，以后每次写指令、读 /写数据操作均需要检测忙信号）； 写指令 38H：显示模式设置；写指令 08H：显示关闭；写指令01H：显示清屏； 写指令 06H：显示光标移动设置；写指令 0示开及光标设置； 1602流程图如下： 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 14 页 共 23 页 制程序 微处理器进行数据交换时，首 先由微处理器向电路发送命令字节，命令字节最高位 7)必须为逻辑 1，如果 ，则禁止写 写保护； ，指定时钟数据， ，指定 据； 低位 0)为逻辑 0，指定写操作 (输入 )， ，指定读操作 (输出 )。在 时钟日历或 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 15 页 共 23 页 命令字节。若进行单字节传送， 8位命令字节传送结束之后，在下 2个 在下 8个 一类是单个 31 个，每个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 中奇数为读操作，偶数为写操作；再一类为突发方式下的 此方式下可一次性读、写所有的 1个字节。 数据输入时，时钟的上升沿数据必须有效，数据的输出在时钟的下降沿。如果为低电平 ,那么所有的数据传送将被中止且 I 0引脚变为高阻状态。上电时，在 必须为逻辑 0。当把驱动至逻辑 1状态时， 。 单字节数据输入跟随在写命令字 节的 8个 控制指令字输入后的下一个 据被写入 据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟 8位的控制指令字后的下一个 出数据时从低位 0位到高位 7。 读取实时时间过程流程见框图如下： 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 16 页 共 23 页 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 17 页 共 23 页 结 论 四年的校园生活转眼流逝，对于今天的我来说，在成长中给予我帮助的每一个人都功不可没。在校的这四年时间里很感谢老师对我的淳淳教诲，也很感谢校领导给我的机会，让我在 学习之外，积累了更多的经验，给我的校园生活增添了更多色彩。必须全面强调我们的基础知识、基本能力和基本素质，而且专业面要宽，以适应技术进步与市场的不断变化。只有全方位的拓展自己的知识面，在实践中与理论相结合，才能为社会贡献自己的一份力量。 我这次的设计把我们所学的机电控制专业的知识运用到设计之中来。还有编程，在设计中遇到的困难，老师给予了帮助，对此我真的很感谢我的这些老师。我想老师们的教诲将使我一生受用！ 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 18 页 共 23 页 致谢 在论文完成之际，我首先向我的导师致以衷心的感谢和崇高的敬意！在这期间，导师在学业上严格要求，精心指导，在生活上给了我无微不至的关怀，给了我人生的启迪，使我在顺利的完成学业阶段的学业的同时，也学到了很多做人的道理，明确了人生目标。导师严谨的治学态度，渊博的学识，实事求是的作风，平易近人、宽以待人和豁达的胸怀，深深感染着我，使我深受启发，必将终生受益。 经过近半年努力的设计，论文终于可以完成了，我的心里无比的激动。虽然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因为它是我用心、用汗水成就的，也是我在大学四年来对所学知识的应用和体现。 四年的学习和生活，不 仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的能力，更重要的是从周围的老师和同学们身上潜移默化的学到了许多。在此，向他们表示深深的谢意与美好的祝愿。 购买后包含有 咨询 基于单片机控制的智能窗帘设计 第 19 页 共 23 页 参考文献 1 郑淑芳 单片机系统的设计 北京：科学出版社， 2 黄长艺单片机系统概述 北京：机械工业出版社， 3 周宏甫 高等教育出版社， 4 姜继海，宋锦春，高常识 高等教育出版社， 5 张春林，曲继方，张美麟 计 6 钱平 机械工业出版社， 7 张辽远 机械工业出版社，8 基恩士传感器选择手册 2010 版本 9 黄长艺，严普强 机械工业出版社， 10 张桓，陈作模 高等教育出版社， 11 王昆，何小柏，汪信远 高等教育出版社，12 徐锦康 高等教育出版社， 13 邓星钟 华中科技大学出版社， 14 刘延俊 机械工业出版社， 15 章宏甲，黄谊，王积伟 机械工业出版社， 16 胡泓，姚伯威 北京：国防工业出版社，17 陈铁鸣 高等教育出版社， 18 孙靖民 机械工业出版社， 19 王勇领 北京 :清华大学出版社， 17 成大先主编 三版） 学工业出版社， 1994。 18of a 机械工程的内容 机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。概括说来，现代机械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。 不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有 ： 建立和发展机械工程的工程理论基础。例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和 转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。 研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。 机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。机械制造企业的经营和管理。机械一般是由许多各有独特 的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品 。 生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产 。 销售对象遍及全部产业和个人、家庭 。 而且销售量在社会经济状况的影响下 ， 可能出现很大的波动。因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。 机械产品的应用。这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维 护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。 研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。 机械工程分类 机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。另外，机械在其研究、开发、设计、 制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段 。 按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。 这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等 都 有复杂的交叉和重叠关系。船用汽轮机是动 力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。 机械工程的发展历程 人类成为 “现代人 ”的标志就是制造工具。石器时代的各种石斧、石锤和木质、皮质的简单粗糙的工具是后来出现的机械的先驱。从制造简单工具演进到制造由多个零件、部件组成的现代机械，经历了漫长的过程。 几千年前，人类已创制了用于谷物脱壳和粉碎的臼和磨，用来提水的桔槔和辘轳，装有轮子的车，航行于江河的船及桨、橹、舵等。所用的动力，从人自身的体力，发展到利用畜力、水力和风力。所用材料从天然的石、木 、土、皮革，发展到人造材料。最早的人造材料是陶瓷，制造陶瓷器皿的陶车，已是具有动力、传动和工作三个部分的完整机械。 人类从石器时代进入青铜时代，再进而到铁器时代，用以吹旺炉火的鼓风器的发展起了重要作用。有足够强大的鼓风器，才能使冶金炉获得足够高的炉温，才能从矿石中炼得金属。在中国，公元前 1000前 900 年就已有了冶铸用的鼓风器，并逐渐从人力鼓风发展到畜力和水力鼓风。 15 16 世纪以前，机械工程发展缓慢。但在以千年计的实践中，在机械发展方面还是积累了相当多的经验和技术知识，成为后来机械工程发展的重要潜力。 17 世纪以后，资本主义在英、法和西欧诸国出现，商品生产开始成为社会的中心问题。 18 世纪后期，蒸汽机的应用从采矿业推广到纺织、面粉、冶金等行业。制作机械的主 要材料逐渐从木材改用更为坚韧，但难以用手工加工的金属。机械制造工业开始形成，并在几十年中成为一个重要产业。 机械工程通过不断扩大的实践，从分散性的、主要依赖匠师们个人才智和手艺的一种技艺，逐渐发展成为一门有理论指导的、系统的和独立的工程技术。机械工程是促成 18 19世纪的工业革命，以及资本主义机械大生产的主要技术因素。 动力是发展生产的重要因素。 17 世纪 后期，随着各种机械的改进和发展，随着煤和金属矿石的需要量的逐年增加，人们感到依靠人力和畜力不能将生产提高到一个新的阶段。 在英国，纺织、磨粉等产业越来越多地将工场设在河边，利用水轮来驱动工作机械。但当时的煤矿、锡矿、铜矿 等 矿井中的地下水，仍只能用大量畜力来提升和排除。在这样的生产需要下， 18 世纪初出现了纽科门的大气式蒸汽机，用以驱动矿井排水泵。但是这种蒸汽机的燃料消耗率很高，基本上只应用于煤矿。 1765 年 ， 瓦特发明了有分开的冷凝器的蒸汽机，降低了燃料消耗率。 1781 年瓦特又创制出提供回转动力的蒸汽机，扩大 了蒸汽机的应用范围。蒸汽机的发明和发展，使矿业和工业生产、铁路和航运都得以机械动力化。蒸汽机几乎是 19 世纪唯一的动力源，但蒸汽机及其锅炉、凝汽器、冷却水系统等体积庞大、笨重，应用很不方便。 19 世纪末，电力供应系统和电动机开始发展和推广。 20 世纪初，电动机已在工业生产中取代了蒸汽机，成为驱动各种工作机械的基本动力。生产的机械化已离不开电气化，而电气化则通过机械化才对生产发挥作用。 发电站初期应用蒸汽机为原动力。 20 世纪初期，出现了高效率、高转速、大功率的汽轮机，也出现了适应各种水利资源的水轮机，促进了电力供 应系统的蓬勃发展。 19 世纪后期发明的内燃机经过逐年改进，成为轻而小、效率高、易于操纵、并可随时启动的原动机。它先被用以驱动没有电力供应的陆上工作机械，以后又用于汽车、移动机械和轮船，到 20 世纪中期开始用于铁路机车。蒸汽机在汽轮机和内燃机的排挤下，已不再是重要的动力机械。内燃机和以后发明的燃气轮机、喷气发动机的发展，是飞机、航天器等成功发展的基础技术因素之一。 工业革命以前，机械大都是木结构的，由木工用手工制成。金属 (主要是铜、铁 )仅用以制造仪器、锁、钟表、泵和木结构机械上的小型零件。金属加工主要靠机匠的精 工细作，以达到需要的精度。蒸汽机动力装置的推广，以及随之出现的矿山、冶金、轮船、机车等大型机械的发展，需要成形加工和切削加工的金属零件越来越多，越来越大，要求的精度也越来越高。应用的金属材料从铜、铁发展到以钢为主。 机械加工包括锻造、锻压、钣金工、焊接、热处理等技术及其装备，以及切削加工技术和机床、刀具、量具等，得到迅速发展，保证了各产业发展生产所需的机械装备的供应。 社会经济的发展，对机械产品的需求猛增。生产批量的增大和精密加工技术的进展，促进了大量生产方法的形成，如零件互换性生产、专业分工和协作、流水加 工线和流水装配线等。 简单的互换性零件和专业分工协作生产，在古代就已出现。在机械工程中，互换性最早体现在莫茨利于 1797 年利用其创制的螺纹车床所生产的螺栓和螺帽。同时期，美国工程师惠特尼用互换性生产方法生产火枪，显示了互换性的可行性和优越性。这种生产方法在美国逐渐推广，形成了所谓 “美国生产方法 ”。 20 世纪初期，福特在汽车制造上又创造了流水装配线。大量生产技术加上泰勒在 19 世纪末创立的科学管理方法，使汽车和其他大批量生产的机械产品的生产效率很快达到了过去无法想象的高度。 20 世纪中、后期，机械加工的主要特点 是：不断提高机床的加工速度和精度，减少对手工技艺的依赖；提高成形加工、切削加工和装配的机械化和自动化程度；利用数控机床、加工中心、成组技术等，发展柔性加工系统，使中小批量、多品种生产的生产效率提高到近于大量生产的水平；研究和改进难加工的新型金属和非金属材料的成形和切削加工技术。 18 世纪以前，机械匠师全凭经验、直觉和手艺进行机械制作，与科学几乎不发生联系。到 18 19 世纪，在新兴的资本主义经济的促进下，掌握科学知识的人士开始注意生产，而直接进行生产的匠师则开始学习科学文化知识，他们之间的交流和互相启发取得很 大的成果。在这个过程中，逐渐形成一整套围绕机械工程的基础理论。 动力机械最先与当时的先进科学相结合。蒸汽机的发明人萨弗里、瓦特，应用了物理学家帕潘和布莱克的理论；在蒸汽机实践的基础上，物理学家卡诺、兰金和开尔文建立起一门新的科学 热力学。内燃机的理论基础是法国的罗沙在 1862 年创立的； 1876 年奥托应用罗沙的理论，彻底改进了他原来创造的粗陋笨重、噪声大、热效率低的内燃机而奠定了内燃机的地位。其他如汽轮机、燃气轮机、水轮机等都在理论指导下得到发展，而理论也在实践中得到改进和提高。 早在公元前，中国已在指南车 上应用复杂的齿轮系统，在 被中香炉 中应用了能永保水平位置的十字转架等机件。古希腊已有圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆传动的记载。但是，关于齿轮传动瞬时速比与齿形的关系和齿形曲线的选择，直到 17 世纪之后方有理论阐述。 手摇把和踏板机构是曲柄连杆机构的先驱，在各文明古国都有悠久历史，但是曲柄连杆 机构的形式、运动和动力的确切分析和综合，则是近代机构学的成就。机构学作为一个专门学科，迟至 19 世纪初才首次列入高等工程学院 (巴黎的工艺学院 )的课程。通过理论研究，人们方能精确地分析各种机构，包括复杂的空间连杆机构的运动，并进而能按 需要综合出新的机构。 机械工程的工作对象是动态的机械，它的工作情况会发生很大的变化。这种变化有时是随机而不可预见；实际应用的材料也不完全均匀，可能存有各种缺陷；加工精度有一定的偏差，等等。 与以静态结构为工作对象的土木工程相比，机械工程中各种问题更难以用理论精确解决。因此，早期的机械工程只运用简单的理论概念，结合实践经验进行工作。设计计算多依靠经验公式；为保证安全，都偏于保守，结果制成的机械笨重而庞大，成本高，生产率低，能量消耗很大。 从 18世纪起，新理论的不断诞生，以及数学方法的发展，使设计计算的精确度不 断的提高。进入 20 世纪，出现各种实验应力分析方法，人们已能用实验方法测出模型和实物上各部位的应力。 20 世纪后半叶，有限元法和电子计算机的广泛应用，使得对复杂的机械及其零 。构件进行力、力矩、应力等的分析和计算成为可能。对于掌握有充分的实践或实验资料的 机械或其元件，已经可以运用统计技术，按照要求的可靠度，科学地进行机械设计。 机械工程的发展展望 机械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除 环境污染作为超经济的目标任务。 机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工作，而且完成得更快、更好。现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。 人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。 人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更 多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。手的实践反过来又促进人脑的智慧。在人类的整个进化过程中，以及 在每个人的成长过
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