基于51单片机控制的智能自动窗的设计(3)

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引言:当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。但现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边,更不用说智能化了。如果使窗户具有一定的智能,如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等,就会给人们的居家生活带来诸多方便,从而进一步提高人们的生活质量。再者，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。

沿着这样的思路,我们设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。该智能窗能通过其数据检测传感电路不断循环检测室内湿度、有害气体(如媒气)浓度等信号，经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算，然后与由预先设置的参数临界值相比较,从而作出开/关窗 的判断,再结合窗状态检测电路所检测到的当前窗状态,再输出脉冲信号调整步进电机，完成下雨刮风自动关窗、室内有害气体超标自动开窗等。

1 总体方案的设计

1.1 本设计的主要任务和内容

1、自动开关窗：阳光明媚的早上光敏晶体管感光通过单片机控制板自动打开窗户，更新室内空气；傍晚太阳落下时窗子自动关闭；

2、自动防风：当风速超过8m/s时，风速传感器检测信号，单片机控制板使窗户自动关闭。即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个干干净净的环境。

3、自动防雨：平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除您的后顾之忧。此功能特别适合高楼住户。

4、防盗：如遇上小偷触碰窗户，振动传感器检测到振动信号后，单片机控制板控制窗户上的喇叭播放“抓贼了，在﹡单元﹡号”的报警声，接着电动机动作，关闭窗户，避免造成财产及安全损失。

5、防可燃性气体泄漏： 当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避免火灾、爆炸事故的发生。

6、独特旋转功能：窗扇可实现180°旋转，便于高层住户擦拭玻璃。 1.2 智能窗的总体构成

本智能窗主要机械传动部分和自动控制系统组成。其中，机械传动部分要由窗框、窗扇、齿轮齿条等。自动控制系统主要包括AT89S51单片机组成的中央控制器,数据检测传感电路, A/D转换器,窗驱动控制接口电路、窗驱动电路、步进电机等组成。其整体结构如图1-1所示。

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图1-1 整体结构图

1-窗框 2-窗扇 3-窗扇2 4-护罩 5-齿条 6-电机固定座上 7-滑槽块 8-电机固定座下 9-电机滑移螺栓 10-固定螺母 11-固定螺栓 12-行程开关 13-煤气传感器 14-风速传感器 15-湿度传感器 16-人体热释红外传感器 17-光敏传感器 18-步进电机

电源模块窗户状态监测 模块电机驱动模块煤气检测模块ATS89C51湿度检测模块风速检测模块盗情监测模块光强检测模块红外接收模块

图1-2 控制系统架构图

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2 机械结构的设计

2.1 自动开关窗机械传动形式设计

2.1.1 自动开关窗任务分析 智能窗的传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑动，任务简单，但要求精确度较高。通过学习机械设计知道，齿轮齿条传动传动较为准确、可靠，并且机械效率高[18]，因此，选定齿轮齿条传动能满足智能窗传动任务的要求。传动形式见图2-1。

图2—1 齿轮齿条传动

2.1.2 齿轮齿条参数选择 由于此传动所带负载不是很大，故齿轮齿条参数选取较为宽松，根据具体需要确定其主要参数为：

齿轮：m=1.5 Z=20

d=mz=30mm β=20°

P=πm=3.14×1.5=4.7mm 齿条：m=1.5

β=20°

P=πm=3.14×1.5=4.7mm

2.2 窗框与窗扇的结构设计

2.2.1 窗框结构设计 此窗框是在常规窗框的基础上进行的更改设计，在窗框上下两侧各开一道滑移槽，使窗扇开关窗时在滑移槽内滑动实现关窗。同时为实现窗扇的旋转在滑移槽一侧各设计一转轴槽。其具体设计见图1-3窗框结构图。

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图2-2 窗框结构图

2.2.2 窗扇结构设计 窗扇在常规窗扇的基础上进行部分改进，在窗扇一侧加一旋转轴，同时在旋转轴上安装滑动轮。具体设计见图2-3。

图2-3 窗扇结构图

2.2.3 步进电机滑槽设计

为实现窗扇的180°旋转，特别将电机卡座设计成可上下移动的形式。具体设计见图2-4滑移槽设计图与2-5步进电机滑槽设计装配局部图。

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图2-4滑移槽设计图

图2-5步进电机滑槽设计装配局部图

2.3 180°旋转工作流程示意图

本设计窗扇可以具有180°旋转功能，此设计解决了楼层高的住户擦拭玻璃困难的问题。绘制了其工作流程示意图加以说明，见图2-6。

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1、窗户开闭状态

2、拿下防护罩状态

3、齿轮与齿条离合状态

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