全自动遥控、光控窗帘设计说明书

“迪瑞杯”第五届吉林省大学生机械创新设计大赛“幸福生活今天和明天”全自动窗帘设计说明书参赛者： QCR WZC ZLG RJX SSD 指导教师： ZZY CWL 二一二年四月前 言 如今伴随着信息时代的到来，人们的生活水平日益提高，方便、快捷、自动、智能成为时代的主题，在现代家庭生活环境中，居家环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境，自动化的电子产品自然成为人们追求的目标。 窗是人心灵的眼睛，窗帘则是眼睛上的睫毛，窗帘在防止强光射入，帮助人们合理的安排时间，美化室内环境，保证个人隐私，增强居家环境方面有重要作用。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。 由于我们能力、经验以及一些方面的知识有限，许多地方未能深入的研究，如有误漏之处，敬请评委老师批评指正。 编者目 录薄 窗 帘一、薄窗帘传动示意图.1二、工作原理.1三、执行机构选定.2四、电动机的选择.3五、轴的设计计算.5六、轴承的校核.7七、轴承端盖与轴承支座8八、螺栓及连接件的选择与校核.9九、薄窗帘电路图.10十、电学原件引脚的功能及使用方法10十一、程序流程图.14十二、ATmega16单片机程序.14厚 窗 帘一、厚窗帘传动示意图.20二、工作原理.21三、执行机构选定.21四、电动机的选择.23五、轴承的选择与校核.25六、厚窗帘电路图.26七、程序流程图.26八、电学原件引脚的功能及使用方法.28九、AT89C2051程序.29主要创新点32推广应用价值.32设计小结.33参考文献.34薄 窗 帘 薄窗帘属于智能窗帘，能够根据光照的强度，调节窗帘的自动升降。一、薄窗帘传动示意图：二、工作原理：1、由于光照强度的不同，光敏电阻的阻值发生变化；2、光敏电阻输出不同的电压，通过A/D转换器将模拟信号转化成数字信号；3、将数字信号输入单片机（mega16），通过单片机内部程序，控制L298电机驱动板与74LS595显示驱动板；4、电动机驱动板，控制电动机正反转起停，从而实现根据光的强弱不同完成自动升降与数码管的显示；1三、执行机构选定：1、 连接装置方案一：键连接 由于键连接在细轴上不宜加工，费用高，所以不适合；方案二：过盈配合连接 由于过盈配合不宜拆装，所以不适合；方案三：销连接 由于容易加工，费用低，拆装方便，所以适合:实物如图2、 传动装置方案一：摩擦传动由于摩擦阻力大，对加工表面粗糙度要求高，易磨损，所以不适合；方案二：滑动轴承 由于滑动轴承摩擦力较滚动轴承大，润滑维护较滚动轴承复杂，所以不适合；2方案三：滚动轴承 由于启动阻力小，润滑维护方便，在市场上容易买到，所以适合；四、电动机的选择 原始数据窗帘高度h（m）窗帘质量m（kg）滚筒直径D（mm）上升速度V（m/s）1 1 35 0.031、确定电动机转速 卷筒工作转速 nw=60*1000V/D =60*1000*0.03/3.14*35=16.4 r/min2、电动机容量选择： 工作所需Pw =FV =mgV =1*9.8*0.03 =0.294w m 窗帘重量 V 窗帘上升速度 电动机输出功率Pd3考虑滚动轴承的功率损耗，电动机的输出功率为 Pd=Pw/aa为从电动机到工作机主动轴之间的总效率，即 a=1 1为滚动轴承的传动效率0.98 Pd=FV/a =mgv/a =1*9.8*0.03/0.98 =0.31w根据计算得到的数据选电动机型号：37JB555 电动机数据： 型号：37JB555电压：DC12V空载转速: 20r/min负载转速：16r/min输出扭矩：23kg.cm输出功率：4.8w重量：0.35kg外形尺寸：4五、轴的设计计算1、轴上的功率P，转速n和转矩TP1= Pd*1 =4.8*0.98 =4.7 wnw= n=16r/minT=9.55*10* P1/ nw =9.55*10*4.7*10/16 =2.8 Nm 2、卷筒受力分析F薄窗帘和卷筒的总重力约为15 N5根据简明机械零件设计手册初选0基本游隙组，标准精度等级的单列深沟球轴承6002，基本尺寸为d*D*B=15mm*25mm*10mm3、轴的结构设计：轴的材料选择聚甲醛1段和5段要安装轴承，根据轴承的基本数据d*D*B=15mm*25mm*10mm，则取d1=15mmd5=15mm，L1= L5=12 mm ；3段为薄窗帘位置，d3=35 mm，L3=958 mm6 1段与三段之间和3段与5段之间为轴肩，取该段d=30 mm，L=10 mm ； 确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角为2*45度，轴肩处的倒角可按R1.6R2适当选取4、求轴上的载荷（6002型的B=10 mm，所以两轴承之间支点的距离为988 mm）载荷垂直面 V支反力FNV1=7.5NFNV2=7.5N弯矩MV=3705Nmm总弯矩M= MV=3705Nmm扭矩T =1660 Nmm5、按弯扭合成应力校核轴的强度 根据图可知中间点截面为危险截面，轴的计算应力为 ca=M/W=3705/0.1*35=0.86MPa. 前已选定轴的材料为聚甲醛，由机械设计计算手册查的-1=69MPa，caLh=175200h故合格.七、轴承端盖与轴承支座。如图所示:8八、螺栓及连接件的选择与校核1、螺栓将塑料的轴承支座固定顶板上，由于需要的螺栓比较细，粗选螺栓直径d=4mm,螺栓选用材料Q235，性能等级为3.6，B=300 MPa . 螺栓的预紧力F0=2100N,螺栓的相对刚度Cb/(Cb+Cn)=0.3,螺栓所受拉力F=30N。计算螺栓的总拉力F2=F0+ Cb*F/(Cb+Cn)=2100+0.3*30=2109N校核螺栓直径d=(4*1.3 F2/B) =(4*1.3*2109/3.14/300)=3.4mm=4mm故合格92、塑料轴承支座较薄，容易产生塑性变形，故需要校核。轴承支座的强度取=140MPa.螺帽的D=6mm,螺栓的d=4mm.校核连接件强度ca=F2/(*D/4 +*d/4)= 2109/(3.14*36/4 +3.14*4/4)=134.3MPa=140 MPa故合格。九、薄窗帘电路图十、电学原件引脚的功能及使用方法1、74LS595显示驱动板各个引脚的功能： 10Q17 是并行数据输出口，即储寄存器的数据输出口Q7 串行输出口，其应该接SPI总线的MISO接口STcp 存储寄存器的时钟脉冲输入口SHcp 移位寄存器的时钟脉冲输入口OE低电平有效 输出使能端MR低电平有效 芯片复位端Ds 串行数据输入端2、ATmega16 的引脚功能及使用方法11引脚说明VCC 数字电路的电源GND 地端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7.PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若11内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能端口C(PC7.PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能端口D(PD7.PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。122、 L298电机驱动板各个引脚的功能：L298有Mutiwatt15和PowerSO20两种封装 MW.15的1、15和PowerSO的2、19用法一样，SEN1、SEN2分别为两个H桥的电流反馈脚，不用时可以直接接地（MW.15）2、3=(PowerSO)4、5,1Y1、1Y2输出端，与对淙攵耍?A1与1Y1）同逻辑4=6，VS驱动电压，最小值须比输入的低电平电压高2.5v 5、7=7、9，1A1、1A2输入端，TTL电平兼容 6、11=8、14，1EN、2EN使能端，低电平禁止输出 8=1、10、11、20，GND地9=12，Vss逻辑电源，4.5-7V 10、12=13、15，2A1、2A2 输入端，TTL电平兼容 13、14=16、17，2Y1、2Y2 输出端 3、18，NC，无连接13十一、程序流程图十二、ATmega16单片机程序#include #include #include 595.hunsigned char cs=0,num_1=0,num_2=0,num_3=0,num_4=0;unsigned int AD_value=0,NUM_1=0,NUM_2=0,NUM_3=0;unsigned char AD4=0;char t=0;int T=0;int AD_compare=0;/*函数名称: port_init功 能: 端口初始化/*/void port_init(void) PORTA = 0x00;14 DDRA = 0x00; PORTB = 0x00; DDRB = 0x00; PORTC = 0x00; /m103 output only DDRC = 0x00; PORTD = 0x00; DDRD = 0x00;/*函数名称: timer0_init功 能: 定时器0初始化/*/TIMER0 initialize - prescale:64/ WGM: Normal/ desired value: 1KHz/ actual value: 1.003KHz (0.3%)void timer0_init(void) TCCR0 = 0x00; /stop TCNT0 = 0x45; /set count OCR0 = 0xbb; /set compare TCCR0 = 0x03; /start timer/*函数名称: timer0_ovf_isr功 能: 定时器0溢出中断/*/#pragma interrupt_handler timer0_ovf_isr:10void timer0_ovf_isr(void) TCNT0 = 0x45; /reload counter value t+; if(t=55) t=0; if(TAD_compare) PORTA=0X14; 15 T-; if(T=AD_compare) PORTA=0X00; cs+; if(cs=1) /进行第一个数码管的显示 write595(tab_numnum_4) ; PORTB = CS0; if(cs=2) /进行第二个数码管的显示 write595(tab_numnum_3) ; PORTB = CS1; if(cs=3) /进行第三个数码管的显示 write595(tab_numnum_2) ; PORTB = CS2; if(cs=4) /进行第四个数码管的显示 write595(tab_numnum_1) ; PORTB = CS3; cs = 0;/片选标志位清零 /*函数名称: adc_init功 能: AD初始化/*/ADC initialize/ Conversion time: 138uSvoid adc_init(void) ADCSR = 0x00; /disable adc ADMUX = 0x40; /select adc input port ACSR = 0x80;16 ADCSR = 0xef;/*函数名称: adc_isr/*/#pragma interrupt_handler adc_isr:15void adc_isr(void) AD_value=ADCL; /先读取低八位 AD_value|=(int)ADCH 999) AD_value=999; num_1 = (AD_value/1000); /取出AD转换的千位 NUM_1 = num_1*1000; num_2 =(AD_value-NUM_1)/100); /取出AD转换的百位 NUM_2=num_2*100; num_3=(AD_value-NUM_1-NUM_2)/10); /取出AD转换的十位 NUM_3=num_3*10; num_4=(AD_value-NUM_1-NUM_2-NUM_3); /取出AD转换的个位 AD_compare=NUM_2; AD_value=999-AD_value; num_1 = (AD_value/1000); /取出AD转换的千位 NUM_1 = num_1*1000; num_2 =(AD_value-NUM_1)/100); /取出AD转换的百位 NUM_2=num_2*100; num_3=(AD_value-NUM_1-NUM_2)/10); /取出AD转换的十位 NUM_3=num_3*10; num_4=(AD_value-NUM_1-NUM_2-NUM_3); /取出AD转换的个位/*函数名称: init_devices/*/void init_devices(void) /stop errant interrupts until set up CLI(); /disable all interrupts port_init(); timer0_init(); adc_init();MCUCR = 0x00; GICR = 0x00; TIMSK = 0x01; /timer interrupt sources SEI(); /re-enable interrupts17void delay(void)int a =0,b=0;for(a=0;a30000;a+)for(b=0;b90;b+);/*函数名称: main()/*/void main(void) init_devices();/设备初始化 DDRA = 0X04; /将PA口作为输入 DDRD = 0Xff; /将PD口作为输出，用作数码管的显示 DDRB = 0Xff; /将PB口作为输出，用作数码管的显示 T=0; t=0; while(1) #include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define SET_DATA() PORTD |=(14);DDRD |= (14);#define SET_SH_CP() PORTD |=(16);DDRD |= (16);#define SET_ST_CP() PORTD |=(15);DDRD |= (15);#define CLR_DATA() PORTD &=(14);DDRD |= (14);#define CLR_SH_CP() PORTD &=(16);DDRD |= (16);#define CLR_ST_CP() PORTD &=(15);DDRD |= (15);18unsigned char tab_num12 = 0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7c,0x07,0x7f,0x67,0x80;/0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,.,unsigned char CS4 = 0b00011010,0b00011001,0b00010011,0b00001011;/分别为选通四个不同的数码管void write595(unsigned char c) uchar num,i=0,j=0; for(j=0;j9;j+) num=c; for(i=0;i8;i+) CLR_SH_CP(); if(num&0x80) SET_DATA() else CLR_DATA() SET_SH_CP();numLh=175200h故合格。25六、厚窗帘电路图七、电学原件引脚的功能及使用方法1、AT89C2051 单片机引脚功能 AT89C2051 主要特点是采用 Flash 存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件 与 MCS-51 完全兼容。AT89C2051 片内含有 2K 字节的 Flash 程序存储器，128 字 节的片内 RAM。允许工作的时钟为 024MHz。Vcc：电源电压。GND：地AT89C2051单片机的 P 口特点:P1 口:P1 口是一个 8 位双向 I/O 端口,其中 P1.2P1.7引脚带有内部上拉电阻,P1.0 和 P1.1 要求外部上拉电阻.P1.0 和 P1.1 还分别作为片内精密模拟比较器的同相输入(AIN 0)和反相输入(AIN1).P1 口输出缓冲器可吸收 20mA 电流,并能直接驱动 LED 显示. 对端口写 1 时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可作输入口.26P3 口:P3.0P3.5,P3.7 是带有内部上拉电阻的 7 个双向 I/O 端口.P3.6 用于固定输 入片内比较器的输出信号并且它作为一通用 I/O 口而引脚只读.P3 口输出缓冲器可吸收 20mA 电流.对端口写 1 时,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位,这时可作输入口. P3 口作输入口使用时,因为内部有上拉电阻,那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电 流(Iil) RST：复位输入。RST一旦变成高电平，所有的I/O引脚 就复位到“1”。当振荡器在运行时，持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。 XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。 XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。2、无线电发射原理 由一个能产生等幅振荡的高频载频振荡器,和一个产生低频调制信号的低频振荡器组成的。用来产生载频振东和调制振荡的电路一般有：多揩振荡器、互补振荡器和石英晶体振荡器等。 由低频振荡器产生的低频调制波，一般为宽度一定的方波。或是频率不同的方波去调制高频载波，组成的己调制波，向空中发射3.无线电接收原理变化的磁场能在周围空间产生电场，变化的电场能在周围空间产生磁场。电磁波就这样由近及远的传播开去。所以首先要有变化的电场产生。变化的电场主要是通过电路，在天线上产生变化的电场，天线就能发射出电磁波；电磁波的接收，也是通过天线和谐振电路，和空间中传来的电磁波发生电磁共振，再由电路从谐振电路中取出电磁波的信息。27八、程序流程图开始初始化等待按键按下判断按下的键位按下“关闭”键驱动电机反转按下“打开”键驱动电机正转延时后停止28九、AT89C2051程序#include #define delay_time 40/延时的时间，即电机的运行时间unsigned char i,j;unsigned char flag_dir_L,flag_dir_R;/方向标志位，表明电机的运行方向unsigned char flag_O_2;/按键1的前一个状态的标识，unsigned char flag_O_3;/按键2的前一个状态的标识，unsigned char flag_O_4;/按键3的前一个状态的标识，unsigned char flag_O_5;/按键4的前一个状态的标识，void init_WDT()WDT_CONTR = 0x35; /使能看门狗，并且将看门狗的预分频设为64，约2.2755S ()void feed_dog()WDT_CONTR = WDT_CONTR | 0x10;/输入模式1 0,强制输出0 1,void Init_IO(void)P1M0 = 0x00;P1M1 = 0xff;/强输出P3M0 = 0xff;P3M1 = 0x00;/仅为输入void delay_1S()unsigned char m,n;for(m=0;m250;m+)for(n=0;n250;n+)feed_dog();void delay(unsigned char num)unsigned char m;for(m=0;mnum;m+)delay_1S();void main(void)29Init_IO();init_WDT();/P3 = 0xff;flag_dir_L = 0;flag_dir_R = 0;delay(1);while(1)if(flag_dir_L)|(flag_dir_R)if(flag_dir_L)P1_2 = 1;P1_3 = 0;flag_dir_L = 0;elseP1_2 = 0;P1_3 = 1;flag_dir_R = 0;delay(delay_time);P1_2 = 0;P1_3 = 0;elseif(P3_2)/读P3_2下降沿flag_O_2 = 1;feed_dog();else/P1=0;if(flag_O_2)flag_dir_L = 1;flag_O_2 = 0;feed_dog();30if(P3_3)/读P3_3下降沿flag_O_3 = 1;feed_dog();elseif(flag_O_3)flag_dir_R = 1;flag_O_3 = 0;feed_dog();if(P3_4)/读P3_4下降沿flag_O_4 = 1;feed_do