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机械类毕业-含CAD图纸
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智能窗户设计【机械类毕业-含CAD图纸】,机械类毕业-含CAD图纸,智能,窗户,设计,机械类,毕业,cad,图纸
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目录摘要IIIAbstractIV1 绪论1.智能窗户研究的背景及意义1.智能窗户的发展现状及趋势1.智能窗户的的研究内容1 智能窗户总体结构设计1.智能窗户的控制要求1. 确定智能窗户执行方案1. 控制系统总体设计2智能窗户硬件设计与选型计算4. 智能窗户的组成参数4. 滚珠丝杠副的尺寸选择计算4.联轴器选型6.电动机选型与校核6.传感元件选型9.按钮及指示灯、蜂鸣器的选择11智能窗户控制系统硬件设计13. PLC的选择13.I/O端口的分配13.外部接线图14.系统的元器件清单17软件实现18.系统程序流程图18编程19 结论24参考文献25致谢26III智能窗户的设计摘要我们现在使用的设备在家大部分关闭人工方式，不具有自动防风防雨防盗功能，和防止陌生人进入。为了实现智能控制，本设计采用可编程控制器和传感器，采用可编程控制器，将脉冲信号发送给家庭，构成一个家庭的智能控制和管理，实现智能家庭。窗户的智能化控制是以检测传感技术为基础，将可编程控制器作为控制单元，使窗体在面临不同的外界环境实现自动化控制。将智能化控制应用于家居窗户保证了家居的安防工作，提高上班族的生活质量，具有高敏度，安全可靠，应用广泛的特点。本文设计一套由步进电机、滚珠丝杠、温湿度传感器、风速传感器等主要设备构成的全自动化智能窗户。本设计研究的主要内容是通过数据检测电路连续检测室外温度和湿度，当外界湿度达到一定时间（下雨）时，窗户将自动关闭，以防止空气或水的水分进入房间；此外，使用可编程控制器自动控制、大风、暗、报警自动关闭窗口编程完成。随着各种便于生活的自动控制系统逐渐渗透人们的生活，未来家居的智能化必然是一种新的发展趋势，市面上能提高生活舒适性、便捷性的产品需求量将会愈来愈大。因而，本文的设计研究有其重要的实用价值。关键词：智能窗户；滚珠丝杠；步进电机；PLC 传感器The design of intelligent windowAbstractWe now use the equipment in the home most close artificial way, does not have the automatic windproof, rainproof and theftproof function, and prevent access to the stranger. In order to realize the intelligent control. The design using programmable controller and sensors, programmable controller with pulse signal is sent to the family, constitute a family of intelligent control and management, realize intelligent home. Intelligent control of windows is based on the detection of sensing technology, the programmable controller as a control unit, so that the form in the face of different external environment to achieve automatic control. The application of intelligent control in home windows to ensure the security of home work, improve the quality of life of office workers, with Gao Min, safe, reliable, widely used features.In this paper, we design a set of automatic intelligent windows, which is composed of a stepper motor, ball screw, temperature and humidity sensors, wind speed sensors and other main equipment. Through data detection circuit continuous detection of outdoor temperature and humidity is the main content of the design of the study, when the outside humidity to a certain period of time (rain), windows will automatically shut down, to prevent moisture from the air or water enters the room. In addition, the use of PLC automatic control system, wind, and dark, and alarm automatically shut the windows programming to complete.With the automatic control system to make it easier for life gradually infiltration of peoples lives and the future home of the intelligent must be a new development trend, the market can improve the comfort of living and more convenient products demand will become larger and larger. Therefore, the design and research of this paper has important practical value.Keywords：Intelligent windows ball screw a stepper motor PLC1 绪论.智能窗户研究的背景及意义社会在进步，人们生活水平在迅速提高，各种生活便利的自动控制系统，在人们的生活中扎根，智能建筑已深入到多个领域，未来的智能家居必然是一个发展趋势。要求以生活方便及提高舒适性为目的，进行智能窗户的设计，以此为题进行毕业设计具有较高的实际意义和经济价值；同时也有助于学生实现控制器、执行器和传感器等知识的实际应用，提高了知识和技能理论的综合应用能力，提高了数据检索的能力和解决实际问题的能力。因此，我们设计的智能窗是以智能家居为背景，采用可编程控制器技术、自动控制技术、系统设计和安全技术和应用的传感器技术实现智能窗系统，窗口切换动作可以是一个可靠和环境中的异常情况，如风、雨、天黑、陌生人自动识别等。以便人们能够更安心的工作，同时也保证居民生活的舒适以及生命财产不受威胁。.智能窗户的发展现状及趋势现在的智能窗户系统一般由控制器、传感器以及驱动元器件等组成，主要包含了声、光、电、机、通讯等设备，同时也是未来智能窗户设计的理想选择，这也是本设计的主要研究方向和目标。主要利用PLC的智能化控制，以传感器为中间传输器件，奖信号传给PLC，通过控制电机来控制窗户开合。PLC作为控制核心，智能性高，逻辑控制能力强，还具有通讯功能，并且体积与功耗较小，利用率较高。通过它控制窗户的开合，实现通风或者封闭功能，从而实现各种保护功能。.智能窗户的的研究内容本设计的主要内容是采用PLC智能控制，风、雨、天黑均能自动关闭窗户和防止盗情出现等功能，PLC完成编程并实现各种操作。设计过程中，调研现有智能窗户的市场现状并进行分析；智能窗户的机械结构设计，包括总体方案，各功能元的安装方案；结合西门子PLC、传感器及机电控制技术方面的知识进行智能窗户控制系统的设计，包括主控制端程序设计、辅助功能单元程序设计；根据所设定的数据进行选择检测传感电路以及各传感元件；用可编程控制器（PLC）输入程序实现风大自动关窗、下雨天自动关窗、天黑自动关窗、防盗以及煤烟报警等一系列功能。 拟解决的问题主要包括：对现有的智能窗户及相关产品进行市场调研；智能窗户总体方案及其程序设计，包括窗体开合的执行结构设计，主控系统及各功能控制系统的设计，确保其便捷性及舒适性；步进电动机的选型；轴承的选择；滚珠丝杠的选择、检测传感器设计以及各传感元件的选择等。0 智能窗户总体结构设计.智能窗户的控制要求本设计系统主要是基于PLC的控制，根据外界的空气状况、室内情况以及陌生人的接近控制窗户的开合。本设计主要有以下几个控制要求：1）当室内温度超过30度时可以自动开窗换气，保证室内空气的清新（此时指在没有风雨天气和盗情的基础上）；2）若室内的湿度达到一定的数值时（此时数值可以自己设定），窗户可以自动开启以通风换气；3）若室外风力超过一定等级时（风级自己设定），由传感器检测到信号，并传给PLC，控制窗户的关闭；4）若外界有雨时，湿度传感器感应到信号，并将其传给PLC，由其控制窗户的关闭；5）当有人驻留在窗口时，将阻止红外探测器发射和接收路径，设置一定时间后窗户将被关闭，并发出报警信号；6）若天气由白到黑时，光控传感器会接收到信号，并将其传给PLC，控制窗户的关闭。. 确定智能窗户执行方案智能窗户的结构设计多种多样，现在对其执行机构的三种设计方案进行比较，最后确定最优的设计方案。方案一：设计为齿轮齿条结构，其主要部分是齿轮传动马达，齿条和小齿轮，将窗框的底部机架被固定在墙壁上，将主动齿轮与电动机同轴连接并装入窗体内，放置在固定窗一侧（右侧），窗体内同时安装有与主动轮相同尺寸的从动齿轮，主动齿轮在上，从动齿轮在下，从动齿轮与齿条啮合，电动机驱动主动齿轮转动，进而主动齿轮带动从动齿轮旋转，通过齿轮齿条的旋转运动转换为窗体的直线运动，从而实现窗户的开启和关闭。方案二：设计绕线轮和定滑轮复合结构，其主要组成部分为步进电动机、减速器、绕线轮、牵引绳、定滑轮和系绳桩。电机固定在窗户底架上，输出端通过绕线轮和另一端的定滑轮收放使用，拉伸桩固定在窗扇上，通过移动拉伸桩的位置从而实现窗户的开启与关闭。方案三：利用滚珠丝杠，其主要组成部分有步进电动机、联轴器、轴承、滚珠丝杠和滚珠螺母等。把滚珠丝杠副放置在窗框的底部并固定在墙体内，两端用轴承联接，其中一端安装联轴器，使之与步进电机相连，而PLC作为核心部分，通过接收传感器的信号，并用其控制电机，以此来达到控制窗户的开启和关闭。比较三个方案，分析优缺点：方案一：本方案中使用了齿轮齿条结构，性能稳定，传动效率高，便于实现自动控制；但齿轮齿条结构存在齿侧间隙。方案二：本方案中采用了定滑轮机构，窗扇在绕线轮和定滑轮的搭配使用下能实现自动开合，并且机构简单，但不适用于多次启停场合，磨损较大。方案三：结构紧凑，运动平稳，传动精度高，且不易磨损，并且使用寿命长，能完成窗户操作的制定动作。 综上所述，本设计选择方案三进行设计。 可设计出窗体模型如图2.2.1所示。 智能窗户的动力源为的步进电机，以此实现自动开启和关闭。2.2.1智能窗户模型. 控制系统总体设计.智能窗户控制原理智能窗户目的是为用户提供优质便捷的家居环境，该装置是采用步进电机和丝杠的传动机构控制窗体的开合，再结合温湿度传感器、风速传感器、红外探测器等多种传感元器件实现面对不同的外部条件自动控制窗户。若室外风力超过一定等级时（设置为5级），由风速传感器检测到信号，并传给PLC，PLC控制电机转动，电机通过联轴器带动轴承旋转，轴承上装有滚珠丝杠（滚珠丝杠是一种机械传动装置，主要功能是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动，并且运行精度较高），通过滚珠丝杠带动活动窗体来控制窗户的关闭；若外界有雨时，湿度传感器感应到信号，并将其传给PLC，由其控制窗户的关闭；若天气由白到黑时，光控传感器会接收到信号，并将其传给PLC，控制窗户的关闭；若有陌生人驻留在窗口时，将阻止红外探测器发射和接收路径，窗户将被关闭，并发出报警信号，以上窗户可以关闭的前提条件是室内的煤气与烟雾的含量未超标，否则，将不能关闭窗户，直至室内检测正常才执行窗户。若检测元件某部分失灵，无法接收信号，则发出报警信号，提示主人手动关闭窗户。系统原理框图如图2.3.1所示. 系统组成在智能化控制系统中一般采用单片机或是PLC作为核心控制元件。本设计采用PLC编程软件运行的形式，可大大提高系统运行的可靠性，避免使用过多的继电器，复杂系统，简化了整个控制系统的设计；可以实现故障检测与报警指示，确保运行安全和监测；能够复杂系统的控制，便于添加子功能或是更换功能控制单元，中间操作无需承担较多的费用。25智能窗户硬件设计与选型计算. 智能窗户的组成参数根据载荷重量及智能窗户的开合状态，本次设计选择的执行机构组成如图3.1.1所示。窗体移动速度为4m/min，重w=10kg，尺寸1500mm600mm，定位精度20um，重复定位精度15um，摩擦因数u=0.2。步进电机机联轴器轴承（固定端）轴承（支撑端）滚珠丝杠滚珠螺旋副图3.1.1 窗户的执行机构组成. 滚珠丝杠副的尺寸选择计算.初算导程：其中，Vmax：滚珠丝杠副最大移动速度；nmax：滚珠丝杠最大相对转速；查表5.2-617标准值得，Ph=10mm，d0=16mm Ph：滚珠丝杠的导程；：滚珠丝杠公称直径.额定动载荷Cam：其中，fw：载荷性质原数，表5.2-1917，取1.2；Ls：预期工作距离，取400mm；Fa：精度系数，表5.1-117，取0.8；Fc：可靠性系数，表5.1-217，取1；Fm：最大轴向载荷，约为1000N。.估算丝杠允许最大轴向变形：空载时影响最大的轴向作用载荷是静摩擦力，当移动部件在刚度处启动和反向时，由于方向变化将产生误差2/（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素= 则取两者中较小值，即m= 5 m.估算滚珠丝杠最小螺纹底径dzm:其中， ； L：丝杠两轴承支撑之间的距离，取+（1014）Ph=460mm； 其中行程取值320mm a:支承方式系数，两端固定时，取0.039； ：滚珠丝杠允许的最大轴向变形； ：导轨静摩擦力； ：静摩擦系数。 .确定丝杠的规格型号：查表5.2-317选定外循环螺旋槽式L型；又根据表5.2-1317按上述估算的Ph、Cam及dzm的值，选出合适的规格：CMF1204-2.5。.计算预紧力Fp：Fp=bCa=0.052500=125N 其中，系数b:对一般载荷取0.05； Ca:丝杠尺寸系列及性能参数表中的额定动载荷。.计算行程补偿值C:其中，lu：滚珠丝杠的当前有效行程，取行程+（814）Ph=320+80=400mm； ：温度变化值，取。.预拉伸力Ft：其中，dz：丝杠螺纹底径。.滚动轴承型号选择：选型原因：除了滚珠丝杠副要求精度高，还要求支撑的设计要满足高精度、高刚度。注意对于轴向刚度，摩擦力矩，高精度运动轴承等的选择。螺钉主要承受轴向载荷（径向载荷除外）。在一般情况下，主轴承螺钉无外部负载时，需要更高的精度和轴向刚度，摩擦力矩要尽可能小。组配方式：背靠背组配，此类组配方式，力的作用线相外侧发散，使得轴承有效支点距离增大，这种组配方式可以同时承受轴向载荷和径向载荷，并且承受倾斜力矩的能力较高。因此，选择600接触角推力角接触球轴承，查表选定7602012TN。.联轴器选型选定金属滑块联轴器，查表3-14-817，取D=70mm，m=0.45kg.电动机选型与校核 .电动机选择计算（1)电动机转速： （2）加在电动轴上的负载惯量Jd： 滑动部分转动惯量： 滚珠丝杠转动惯量： 设滚珠丝杠的材料为铁，其密度为 联轴器转动惯量： 则加载在电动机轴上的负载惯量为： （3)加载在轴上的负载转矩TL： (4)电动机轴上的加速转矩Ta: ：加速时间常数取0.1s ：电机惯量（kgCmS2） :负载惯量（kgCmS2） （5）加载在电动机轴上的总转矩Teq： （6）电动机选型： 取电动机的安全系数K=2，则必需转矩（）： 查表25-2-3017，初定型号为ZS56Q-02741，其转子惯量则有：而ZS56Q-02741的保持扭矩为0.50.353，步距角=。 （7）电动机验算： 窗体最大运行速度对应的电动机转速为,则对应的运行频率为：由图25-2-1017中距频曲线可得出，此脉冲频率情况下，电动机的输出转矩大于Teq，即电动机满足要求。 图25-2-10 距频曲线图步进电机ZS56Q-02741的具体参数：表3.4.1 步进电机数据表步进角 电压 电流 相数最大转矩 重量 转速1.8度3.6V3A2 0.5N.m 1.1Kg360r/min. 压杆稳定性计算 临界载荷: 查表3-7-4618得f1=4.0，Dw=4； d2=d0-1.2Dw=11.2； 查表3-7-4618取L0=500。d0n校核：d0nmax=16400=640070000mm.r/min,符合要求。.系统刚度的计算（*）其中，Rs：滚珠丝杠轴的刚度； ：系统刚度； dc=d0-1.2Dw=11mm， E:弹性模数，取； Ru：滚道与钢珠轴向的接触刚度，查标准得113N/m。将数据代入式（*），解出：Rt=32N/m，符合标准。.传感元件选型.风速检测装置的选择监测刮风状态时，可利用风压设计，采用电阻应变片式压力传感器进行信号采集11，灵敏度较高，相较于电容式传感器而言，电阻式压力传感器具有高稳定性，高寿命，对环境要求低等特点1。如图所示，将四个相同的电阻应变片分别贴在双孔梁的四处，目的是感受试件形变。在一侧装上小圆盘，主要用来感受风的压力，为了使锋利只作用于小圆盘上，应在外层装上铝合金外罩，并且平行安装在窗户上。图 风力检测元件电路图如图所示，由于四个应变片连成全差动电桥，灵敏度高，线性度好1，当受力点位置发生变化时，桥内能自动补偿，从而提高传感器的精度，此外，当有风时，R1和R4上升，电阻增大，R2和R3压缩，电阻减小，电桥失去平衡，输出电压Uo11。即有：（）由应变于压力F成正比，可得输出电压与风压成线性关系，输出电压经差分放大4可得输出电压Um，经模数转换可测出风级数。（）比较Um与预设电压，调节预设电压设置风力级数（根据情况自己设定），用电压比较器输出电压触发中断，进行自动关窗。图电路差分放大RT和R5组成温度补偿电路，完成温度补偿（主要控制外加在桥路上的输入电压）15。. 温度传感器热敏电阻是最常用的温度检测元件，具有成本较低，灵敏性高 ，且体积小，响应时间快的特点。因其低廉的价格而被应用于许多家用电器上。如图所示。图 热敏电阻测温电路 .雨滴传感器的选择 下雨监测采用Y G - 0 0 2 型雨滴传感器，是一种采用特殊电子浆料和先进的厚膜技术的新型传感器件，检测元件与5 5 5 定时器构成单稳态电路，如图 所示，为了能较敏感的感受到雨滴，应将传感器放在适当的位置。接收到雨滴后，线路便接通，并且由稳态转换到暂稳态，其中3脚输出的信号用来触发中断。图 下雨检测电路图 下雨检测电路.烟雾传感器此类传感器的检测元件采用旁热式烟雾传感器MQS2B。无烟雾时，传感器阻值较高(10K左右)，传感器检测到烟雾时其阻值急剧降低，A、B两端的电压下降，使得B处电压上升，经R1和可调电阻RP分压、R2限流并加到开关集成电路，TWH8778选通端脚，通过调节RP改变5脚的电压预定值，使得脚电压达到预定值。1、2 两脚导通。继电器通电（加上+12V电压），常开触点闭合，并将信号传递给 PLC 。为了防止继电器的电动势将开关集成器件TWH8778击穿，所以在电路中加上二极管（起保护作用）.按钮及指示灯、蜂鸣器的选择.1指示灯的选择 选择绿色指示灯一只，用于反应正常工作中的工作状态。 型号：红绿指示灯LD11-22B 24V.报警器的选择 该报警器主要用于检测到声音后的报警，所以选择24V的声控报警器。.按钮开关（SB） 本设计按钮结合其作用选择点触式开关（无需自锁）。智能窗户控制系统硬件设计. PLC的选择综合考虑后，本设计选择德国西门子公司生产的PLC，它具有以下几方面的优点：、数模转换与模数转换精度及转换速度高13；、CPU运算速度快，指令丰富，存储容量大，适应现代控制技术5；、I/O点多、响应迅速，4个20KHz高速计数器，2个高速输出口，适应实时控制的要求6；、通讯组网能力强，配有2个232/485通讯口，可方便连接232/485/422等通讯接口，适应监控系统的要求15； 、高可靠性，集合了CPU模块，输入/输出模块，通讯模块，结构简化，易于使用15.I/O端口的分配本设计所选的型号为S7-200 CPU 226，有24点基本输入端子和16点输出端子。PLC I/O表序号地址类型地址原件名称备注1DII0.0启动按钮点动2DII0.1停止按钮点动3DII0.2手自动选择按钮自锁按钮4DII0.3气敏传感器5DII0.4湿度传感器6DII0.5烟雾传感器7DII0.6红外探测器8DII0.7窗户左限位开关9DII1.0窗户右限位开关10DII1.1手动开窗11DII1.2手动关窗12DII1.3温度传感器13DOQ0.0手自动指示灯14DOQ0.1电机正转（开窗）15DOQ0.2电机反转（关窗）16DOQ0.3排气扇17DOQ0.4火灾（防盗）报警器18DOQ0.5工作指示灯19DOQ0.6空调电源.外部接线图.控制箱盘内布置图.控制箱盘面布置图.控制箱配电图.控制箱接线原理图.控制箱接线原理图2.控制箱端子接线原理图.系统的元器件清单软件实现.系统程序流程图 .1系统程序流程图智能窗户的运行过程：当打开电源开关时，PLC电源接通，并通过扫描方式运行。一系列信号模块将信号传递给PLC，PLC接收信号后通过控制电机来达到控制窗户的开合。煤气烟雾检测模块的作用：分别将煤气烟雾设定一个标准值，当模块检测到煤烟的含量超过设定值时，便将该信号传给PLC，PLC将控制电机等执行机构实现开窗通风、及时报警、排气扇排气等一系列动作。当活动窗体接触到右限位开关时，电机停止转动，若此时室内煤气与烟雾的含量低于设定值时，便停止工作，否则，将继续报警器与排气扇的工作，直到煤烟含量低于设定值为止。温度检测模块的作用：对于室内温度可设定一个标准值，如设定为30摄氏度，当温度传感器检测到温度超过设定值30时，将信号传给，通过控制活动窗的开启，当然，开启的前提是红外探测器并没有检测到有陌生人闯入以及温度传感器也为检测到异常的情况下，才可执行此动作。此目的是为了保持居住人的生命财产安全，以及室内装饰免遭淋雨。防盗检测模块的作用：若有陌生人从窗户闯入时，将阻断红外探测器接收信号，此时报警器将会发出报警信号，提醒室内主人，也可以警醒入侵者，使其知难而退，但这种情况要在室内煤烟未超标的前提下，凡事以人身安全为先。若室内一切正常时，活动窗将关闭（向左移动），直到接触到左限位开关时，电机停止运转。湿度监测模块的作用：下雨时，湿度传感器接收到信号，并将其传给，同上述情况相同，若室内一切正常，则活动窗做左移关闭，若室内存在煤烟超标现象，则不关闭，带到室内正常时，再关闭活动窗。以上为整个窗户的整个运行过程，反复循环，即进入到下一个周期，接收传感器的信号，进而控制执行机构，直至停止运行（由自动状态调整为手动状态）。编程.梯形图（1）主程序（2）自动控制部分（2）手动控制部分 结论本设计针对智能家居系统的使用要求，采用PLC、传感器与窗户等进行了全自动智能化设计，克服了
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