基于单片机的智能窗结构系统设计.docx

北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计基于单片机的智能窗户结构系统设计学 院：专 业：姓 名：指导老师：工业自动化学院机械工程潘俊良学 号：职 称：160406106172何文晋、刘文群副教授、高级工程师中国·珠海二二年五月诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计基于单片机的智能窗结构系统设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名：潘俊良 日期：2020年5月 15 日基于单片机的智能窗结构系统设计摘 要窗户是一个建筑里必不可少的与外界连通的通道，承担着室内空气流动的重要作用，与人们的健康生活息息相关。作为窗户而言，由最开始的木窗材质到现代社会里的铝合金等，随着时代的不同，窗户的制作技术也是在不断的改革更新。现如今到了今天，随着科技智能水平的发展和趋于平民化的进程，伴随着智能家居概念的提出，作为智能家居里重要的一环，智能窗户的应用与发展也是必不可少的。本文主要是基于单片机的智能窗户结构系统设计，将会在窗户结构上进行设计，有关传动的机械设计计算，以及相对应的校核计算，窗户的尺寸选择设计，对单片机传感器等零部件的布局。关键词：智能窗户 单片机 机械结构设计Design of intelligent window structure system based on single chip microcomputerAbstractWindow is an indispensable channel connecting with the outside world in the building, which plays an important role in indoor air flow and is closely related to people's healthy life. As a window, from the first wood window material to the aluminum alloy in the modern society, with the different times, the window production technology is also in constant reform and update. Now to today, with the development of technology and intelligence level and the process of becoming more and more popular, along with the concept of smart home, as an important part of smart home, the application and development of smart windows is also essential. This paper is mainly based on the design of the intelligent window structure system based on the single chip microcomputer. It will input the design of the window structure, the mechanical design calculation of the transmission, the corresponding check calculation, the size selection design of the window, the layout of the sensor and other parts of the single chip microcomputer.Key words: mechanical structure design of intelligent window single chip microcomputer目录一、绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状及发展趋势21.3本文研究的内容21.4研究的主要任务和目标2二、概述32.1基本功能介绍32.2窗户类型的选定32.3方案设定和分析42.3.1窗户的安装方式42.3.2窗户的尺寸大小及运行速度设定42.3.3传动方案的选定52.3.4窗户的结构布局初步设定52.4选择电动机的型号8三、主要传动装置设计113.1齿轮齿条设计113.1.1按接触强度设计简化计算113.1.2按齿根弯曲疲劳强度校核123.2轴及其零部件设计13四、整体结构设计224.1材料的选取224.2结构尺寸设计234.3安装方法介绍33五、总结35参考文献36致谢37一、绪论1.1 研究背景及意义窗户是我们人类日常住所当中不可或缺的结构组成部分，承载房屋室内的空气流动和更换的重要功能，是居室生存的必备条件。古时候最原始的窗仅为墙上开一个通风透光的洞，随着生产力的发展，逐渐开始使用动物的皮毛和植物编织而成，这便是早期的窗户。随着科技的进步和人类文明的发展，窗户的发展日趋接近于现代化，演变出推拉窗、平开窗等功能不同的窗种，同时在材料上也由最初的纸糊质到玻璃材质等，功能上也不仅仅是单一的通风透光，易可起美观装饰之作。进入21世纪以来，无论是电力技术、信息通讯技术、计算机互联网技术及传感器技术等的高速发展和普遍的大众入门化都是肉眼可见的，所以现如今人们对生活的质量的要求不再局限于生存的概念，更是朝着舒适健康的步伐迈进，伴随着智能家居的概念提出，尤其是5G时代的来临，使得智能家居、智能家庭的生活得以实现。何为智能家居？简易来讲即为家庭自动化，通过家庭自动化系统就可控制灯光、窗户、温湿度、影音设备及家电监控报警等，实现单手小屏远程或声控操作。窗户作为智能家庭体系中不可或缺的组成部分，其重要性不言而喻。在保有原本基础作用外可实现警报防盗功能，亦或通过各项传感器实现对自动调控窗口的大小和角度，如温湿的调控，对外界水分的感应从而实现在无人情况下自主开关窗等。所以智能窗户的研究对于智能家居的发展也是十分必要的。综上所述，科技的进步和生活水平的提高，人们对于生活的品质的追求不仅仅是满足于日常保障所需，势必会朝着更高的生活迈进，从智能家居的概念提出到如今智能家居的趋于实现，作为智能家居的组成部分之一智能窗户的研究也必然会有它的必要性和研究意义。1.2 国内外研究现状及发展趋势相比于国内而言，日本、美国及欧洲等发达国家和地区步入智能家居行业更早，且这上面无论是技术的研发和产品的售后服务都是处于整个行业的领先地位。据有关资料显示，2018年全美的装有智能窗户的智能家庭普及率为32%，并且到2022年有望达到53.1%，并且典型的美国智能家居爱好者每年花费在智能家居设备上的资金大概为146.54美元。在智能窗户的领域里，对其的研究也不仅限于远程控制和自动化的开关闭合，更多的朝着与节能和健康领域相结合的研究方向迈进，据悉美国的科学家已经开发出自供电智能窗户，该智能窗户应用了新的太阳能电池技术，使用有机半导体cHBC的衍生物来制造太阳能电池，通过修改其化学结构吸收近紫外光，并将半导体分子薄膜覆盖在玻璃上，当太阳能电池运行时，太阳能便激发cHBC半导体发电，从而实现完全自供电。相对于国外，国内在智能窗户的市场里处于刚起步的融合演变时期，出现了部分的智能化窗户，可通过传感器、智能联网等设备对当天紫外线的强弱和空气质量实现监控。但是在整个行业里讲，我国的智能化窗户智能化家居普及率还是很低，但是相比较普及率低的另一面，我国的住房面积却是世界排名靠前。随着5G时代的来临，智能产业的稳步提升，可预测到在未来我国的智能家居市场人均占有率会的到普及。1.3 本文研究的内容本设计的任务是对智能窗户的结构系统进行设计和改良，在窗户的基础上对窗户的内部结构进行重新设计和布局，由原本普通的手动推拉式窗户设计成机械自动化形式，可通过齿轮齿条等传动机构来实现机动性能，同时合理设计内部位置结构，配合单片机和各类传感器，实现智能化运作，让该智能化窗户方便快捷的为人们提供更优质的生活服务。1.4 研究的主要任务和目标1) 窗户类型的选定；2) 电机、传动机构的选定；3) 传动机构的可行性计算分析；4) 智能窗户内部布局的安排；5) 建立三维模型。二、概述2.1 基本功能介绍本课题研究方向是基于单片机为控制核心的智能窗户有关其机械结构运作上，作为一款智能型窗户，为了能够完美的融合到现代和未来的智能家居生活当中，我们所研究的智能窗户将会实现以下主要功能：1) 人控机械化模式。不需要通过人力的推动，只需一个简单的外部按钮，点击它就可以发信号至单片机控制电机的运行和停止；2) 无人时的自动化模式。日常天气的变化总会有使人意想不到之处，如晴空万里的早晨，转眼到了下午时便是乌云笼罩，一副随时可下雨的情况。而作为家居的主人不可每时每刻都在家，能够及时应对突发的天气状况，为此，该款智能窗户的无人自动化模式功能正好解除此担忧，窗户的外部安装有湿度传感器，可根据窗外环境湿度判断天气的晴朗或下雨与否，将信号传递至单片机控制电机的开启与关闭；3) 有毒气体检测功能。作为智能家居的一员，安全的守护家庭也是智能窗户的责任之一，有害气体报警的功能运用可以通过烟气传感器对室内的一氧化碳等有毒气体的监控，当检测到一定浓度后将会发出警报并自动开窗通风，守护家庭的安全。2.2 窗户类型的选定根据对市面上大多数用户的窗户类型情况的了解，可得知推拉式窗户和平开式窗户较多为家庭所使用。而各自的优缺点都是明显可对的，首先是平开式窗户，开窗时整扇窗叶可进行100%的打开，但是会占用房间的内部或外部空间，在智能窗户的设计当中所需的传动力较大，相对的所需电机也会偏大，所以我选择以推拉窗的构架进行设计智能窗户，推拉窗的优点在于其在开关窗时不占用内外部空间，同时在选取传动机构和电机时，可选择将其安装在窗户的四周边框框架内部，这样不仅在外部看上去时美观简洁，亦对传动机构和电机、线路等起很好的密封和保护作用。因此选择的智能窗户的基本类型为推拉式。图2-1窗户基础类型2.3 方案设定和分析作为一款基于单片机为核心的智能窗户，其实现自动化自主运行，需要控制系统与机械系统的紧密相配合才行，以下为该机械机构系统的方案设计：2.3.1 窗户的安装方式窗的安装方式按照窗框固定的方法分为立口和塞口两种形式。顾名思义，立口的安装方式即为当墙体砌至一定位置时，先将窗的框架通过撑杆定好位置，在进行墙体的砌砖。塞口的方式即为当墙砌完后根据预留窗口的位置大小在对窗的框架进行定制并装进所预留的位置。该智能窗的安装方式为塞口式，且安装方式为模块化式安装，可便于加工和安装。即窗口的窗架为四段式分别加工而成，以螺栓和螺钉等连接方式而组成一体，最后在进行窗扇和电机安装。2.3.2 窗户的尺寸大小及运行速度设定窗户的大小会因为所在位置的不同而有所改变，如客厅的窗户与客房的窗户大小也会存在差异。而本课题所设计的窗户主要作为房间所用，设定一扇窗叶的总长约为600mm,高度为800mm，总重量约为10kg，移动范围约为560mm。窗户的框架总长约为1200mm，高度约为1000mm同时不超过1200mm。该智能窗户的运行由于是基于单片机所进行控制开启与闭合的，整个过程无人力操控，所以在运行速度上设定其窗户的运行速度最大不得超过0.05m/s。2.3.3 传动方案的选定 根据了解，市面上可用于智能窗户多为齿轮齿条传动和同步轮同步带传动两大部分。作为同步带传送而言，其优势在于其内表分布着等距的且横向的齿，配合相对应的同步带轮可实现啮合来传递运动，且同步带轮与同步带间并不会出现相对滑动，但作为同步带轮和同步带的传动机构而言，当机械运作时间长之后，带轮与同步带之间会出现磨损等不可避免的状况，会对窗户在开关闭合的运行过程中位置的把握度造成影响，从而使其精准度下降，啮合不到位。因此，该款智能窗户的设计将会选取齿轮齿条的啮合配合作为智能窗户运行当中的传动机构，对比与同步轮同步带的传动方式而言，齿轮齿条传动优势在于其机械效率方面能够提供稳定的输出和一个较高的精确度，同时齿轮齿条在材质上也为铸造类或调质钢类，经过工艺上的加工处理，可在多个复杂环境里使用，具备负载能力高，传动速度快等优势。同时在电机转矩会通过联轴器传递到主动轴的齿轮上，即电机轴通过联轴器与主动轴相连，齿轮安装在主动轴上，其他所需要到的零部件为两个滚动轴承，用以主动轴的承载，联轴器和滚动轴承的效率分别为1=0.98，2=0.98。图2-1动力传递流程简化（1-电机、2-联轴器、3-轴承、4-齿轮、5-轴承、6-齿条）2.3.4 窗户的结构布局初步设定关于智能窗户的结构设计部分，因为需要安装到电机和齿轮齿条等关键零部件，所以参考了部分市场上所能了解到的布局方案后，将会把电机位置安装在智能窗户的上方，采用一个一体式箱体的构造，用于安装电机、轴承、齿轮以及单片机等控制和输出系统。考虑到成本和实际性，该智能窗户会为单边窗扇可自动打开，另一边窗扇则是固定不动，电机的输出轴会通过联轴器与传动轴和齿轮连接形成一个主要的动力输出部分。齿条的布局将会安置在窗扇的正上方，与窗扇通过螺钉锁紧的方式镶嵌成一体式，同时窗扇的上方一侧会由类似与导轨相连接的凹槽设计，用于与中间固定挡板相连接。这样的设计不仅可以使窗扇在滑动的过程中可以减少其摩擦力，也增加了窗扇的稳定性和固定性。电机的开启和闭合是由单片机所控制的，所以单片机的安装位置在电动机同一水平部位，而这样设计可以节省不必要的内部空间浪费，于整体可以节约房间所需面积，显得充实而整洁。智能窗户的智能不仅在于其自动化，也在于其能够进行自我识别开关，所以窗户所需的传感器会安装置于窗户的上方的箱体当中，通过电路线与单片机连接。另外窗扇底部与窗户外部框架衔接部分会进行滑轮导轨设计，用于滑动和相对应的承重及固定滑动位置，同时能够减少摩擦力提高滑动效率并降低能量损耗。大概简要安装大体布局如下图所示：图2-2窗户内部结构简要布局图2-3控制系统一体式箱体示意图（电机由外部电池提供电力）2.4 选择电动机的型号为了使智能窗户的整体性显得美观大体，其内部在所选取的电机马达的外观尺寸不应过大。在参考了市面上各类电机的外形尺寸大小以及其功能和运用场所后，在动力装置的选取上选择直流减速电机作为该智能窗户的动力输出。直流减速电机即为减速机和电机的集成体，这种集成体亦可称为齿轮马达或者是齿轮电机，用作于智能窗户的动力装置，它相对于其他电机而言优势在于其设计简单、节省空间，可以在一个较为狭小的空间提供稳定和持续的动力输出，且其可承载能力高，能输出较高的扭矩，所能达到的功率在95KW以上，同时在电机运行过程中，其振幅小、噪音低，不会对居家环境的舒适度造成影响，因此选择直流减速电机作为该款智能窗户的动力装置。根据对窗户的设定，其每扇窗户的质量M约为10KG，算上齿条等外加部件总重量约为12kg，可知计算重力：G=mg=12×10=120N（式2-1）电机带动窗户的运动方向为水平方向，则设定窗户在滑动过程中的动摩擦系数为：=0.2，则推动窗户移动所需推力为：f=G=0.2×120=24N（式2-2）因此推动窗户所需功率为：P=fv12=24×0.050.98×0.98=1.25w（式2-3）通过以上计算结果选取的电机型号为信垯电机42GA775。图2-4信垯电机42GA775图为所选取电机型号的外貌，选用电压为12V的，考虑到市场上所存在的电机类型以及其功率，以及方便客户可能的转速的需求，为此选择了这款可调速直流电机作为本设计的电机使用，该直流电机的功能特点如下所示：1) 可正反转和速度调整，应用多种场景；2) 底噪静音，高效节能，产生的音量在40分贝以内；3) 动力强劲，可带动120斤物品；4) 环境适应能力强，上可耐100°高温，下可抵御-10°低温；该减速直流电机的技术参数如下表所示：功率齿轮材质齿圈材质承轴材质轴向负荷径向负荷主轴压力轴向间隙径向间隙背隙25金属铝合金含油承轴0.70.150.50.13°部分性能参数如下表所示：电压（DCV）空载转速（r/min）负载转速（r/min）负载力矩（kgf.cm）减速比1：100功率（W）重量（kg）12V10960500.0250.54151330.36333.3301822.92200.0504515.28142.8100939.17100.01501284.5850.0所选取的电机参数为：电压（DCV）空载转速（r/min）负载转速（r/min）负载力矩（kgf.cm）减速比1：100功率（W）重量（kg）12V504515.28142.8250.54电机输出转矩为15.28kgf.cm=0.89Nm三、主要传动装置设计3.1 齿轮齿条设计设定齿轮齿条参数：齿轮材料选取：45号调质钢，300HBS； 齿条材料选取：40Cr调质，250HBS； 齿轮齿数：Z1=24 ； 齿条齿数：Z2=；3.1.1 按接触强度设计简化计算dt7663KtT1dHP2×+1 （式3-1） 1) 齿数比=Z2Z12) T1为电机输出至齿轮转矩T1=T出12=0.89×0.98×0.980.85Nm3) 载荷系数K取1.24) HP为许用接触应力，HPHlimSHlim （式3-2）5) Hlim为实验齿轮的接触疲劳极限应力，查图取850N/mm26) SHlim为接触强度计算的最小安全系数，取SHlim=1.27) d为齿宽系数取0.68) 模数m=dtz=10.8324=0.45（式3-4）模数取整为0.59) 线速度Vv=mzn60×1000=0.5×24×45×60×1000=0.028m/s（式3-5） 3.1.2 按齿根弯曲疲劳强度校核校核强度条件：FFP（式3-6）1) 应力计算公式：F=F1bmKAKVKFKFYFSY（式3-7）2) KA为使用系数取1.0；3) KV为动载系数取1.003；4) F1为分度圆上的圆周力F1=2000Td=141N（式3-8）5) b为齿宽b=ddt=0.6×10.83=6.498mm （式3-9）取整为7mm6) YFS为复合齿形系数，查取得4.25；7) Y为抗弯强度计算的重合度与螺旋角系数，查取得1.0；8) KF为齿向载荷分布系数：KF=1.14+0.16(bd)2+0.23×10-3b=1.19 （式3-10）9) KF为齿间载荷分配系数查表取1.0；将以上数据代入式3-7得：F=F1bmKAKVKFKFYFSY=204N/mm-210) 许用应力计算公式为：FP=FEYNTYrelTYRrelTYXSFmin（式3-11）11) FE为齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值，查表取640N/mm-2；12) 设计窗户每天打开次数为10， 寿命为10年，则应力循环次数为：N=60njLh=60×45×1×10×365×10=9.85×107 （式3-12）13) YNT为抗弯曲强度计算的寿命系数，根据式3-12所得数查表得0.96；14) YrelT为相对齿根圆角敏感性系数，查图取0.9515) YRrelT为表面状况系数，查取得1.0；16) YX为抗弯曲强度计算的尺寸系数，查取得1.0；故将以上数据代入式3-11得：FP=FEYNTYrelTYRrelTYXSFmin=640×0.96×0.95×1×11.25=466.944N/mm-2则可知F=204<FP=466.944，说明该设计齿轮合格，模数取整为m=0.5，齿数z=24。 3.2轴及其零部件设计轴是机器运转的重要零部件之一，其主要的功能是传递运动和转矩，同时支撑回转体零件。在该课题的研究方案中，轴是作为出动机构中必不可少的重要组成构件之一，用于齿轮的承载和转矩的传递。以下为轴的材料选取：材料：45号调质钢，220HBS；强度极限：b=650MPa；屈服极限：s=360MPa；弯曲疲劳极限：-1=300MPa；1) 查机械设计手册按许用转应力公式初步计算轴径：dmin35T2（式3-13）T2为轴所传递转矩，由式T2=T出×0.98870Nmm;为轴的许用转应力查机械设计手册表19.3-2取为40MPa代入公式3-13得dmin35T2=4.77mm考虑到轴的最小端通过联轴器与电机轴相连，故取最小轴直径为5mm。2) 联轴器的选用计算：Tt=TKKW（式3-14）T为理论转矩0.87N.m；K为工作系数查得1.25；KW为动力机系数查取为1.0；代入公式3-14得：Tt=TKKW=1.0925Nm根据所计算的转矩及工作要求，选用刚性联轴器作为传动轴与电机轴的链接器，考虑到电机轴径为8mm，故选用型号为GXC-16*16，孔径为4到8mm，大经为16，长度16的刚性联轴器，许用转矩最大转矩为10N.M。联轴器图片如下：图3-1联轴器3) 轴的结构设计图3-2轴第一段：此段为与联轴器相连，采用半圆柱体设计，配合联轴器的安装，尺寸为：d1=5mm;L1=12mm第二和第六段：此段用于轴承的安装，查机械手册选用628/6型号深沟球轴承，尺寸如下：d×D×B=6×13×5考虑到弹性挡圈的安装，查取挡圈尺寸为d×s×b=5.6×0.6×1.32，故取该两段直径d2=d6=6mm，L2=7mm，L6=9mm第三段：此段用于齿轮的安装，同时用作于第二段轴承挡肩，查到该型号轴承的挡肩最小安装尺寸为damin=7mm，此外齿轮的轴向固定使用弹性挡圈限制，查取所用挡圈尺寸为d×s×b=6.5×0.6×1.32，可知挡圈厚度为0.6mm，同时考虑到齿轮的宽度和轴承大径对窗扇布局的影响，故取d3=7mm, L3=10.2mm.第四段为轴环，用于齿轮的轴向定位，根据式计算肩高：a=0.07d3=0.07×7=0.49mm宽度：b1.4a=1.4×0.490.7mm取整后为b=1mm故取轴环：d4=8mm,L4=1mm第五段：第五段尺寸为d5=7mm,L5=2mm,此段主要用于轴与窗扇配合时距离上宽度的考量。4) 轴上零件的固定轴向：由于所用齿轮为直齿轮，轴向力较低，在齿轮的轴向固定上采用弹性挡圈限制；因轴向力低，轴承的固定使用弹性挡圈即可。周向固定：齿轮的周向固定通过平键方式定位；轴承则通过与轴的过度配合方式固定。5) 键槽设计： 键槽的尺寸大小是根据轴径选取而设定的，此处的平键是用于齿轮的径向固定，平键分为普通型平键、薄型平键、导向型平键以及滑键四种类型。作为本课题研究，由于其电机转速不高以及所传递的扭矩不是很大，故选取普通型平键用于齿轮的径向定位，查机械设计手册选取平键：b×h×l=2×2×6故键槽深：t=1.20+0.16) 轴上倒角尺寸：参考教材取轴端倒角为0.5×45°7) 轴的受力分析计算（图3-3a）轴传递的转矩：T2=870Nmm齿轮的圆周力：Ft=2Td=145N（式3-15）d为齿轮分度圆直径；齿轮的径向力：Fr=Fttancos=52.7N（式3-16）其中=20°，=0°齿轮的轴向力：该齿轮为正直齿轮，=0°，则轴向力Fa=0联轴器由于制造和安装误差所产生的附加圆周力F0F0=0.32T2D=0.3×2×8701632N（式3-17）如图所示：8) 求支反力在垂直面的支承反力（图3-3b）F1V=FrL2-Fad2L=52.7×9.1-018.2=26.35N（式3-18）F2V=Fr-F1V=52.7-26.35=26.35N（式3-19）在水平平面的支承反力（图3-3d）F1H=F2H=12Ft=1452=72.5N（式3-20）F0在支点产生的反力（图3-3f）F1F=F0KL=32×10.518.2=18.46NF2F=F0+F1F=32+18.46=50.46N（式3-21）9) 作弯矩和转矩图绘制垂直面的弯矩图（图3-3c）：MaV=F2VL2=26.35×9.1=240Nmm（式3-22）M'aV=F1VL2=26.35×9.1=240Nmm（式3-23）绘制水平面的弯矩图（图3-3e）：MaH=F1HL2=72.5×9.1=660Nmm（式3-24）由F0力作用产生的弯矩图（图3-3g）：M2F=F0K=32×10.5=336Nmm（式3-25）a-a截面F0力产生的弯矩：MaF=F1FL2=18.46×9.1=168Nmm（式3-26）求合成弯矩图（图3-3h）：Ma=2MaV2+MaH2+MaF=22402+6602+168=870Nmm（式3-27）M2=M2F=336Nmm作转矩图（图3-3I）T1=870Nmm受力分析图如下所示：图3-3轴受力分析10) 轴的强度校核由图可知a-a截面是其危险截面，故对其危险截面进行校核计算其当量弯矩，根据式：Me=2Ma2+T22=28702+(0.6×870)2=1015Nmm（式3-28）认为轴的扭切应力为脉动循环边应力，故取=0.6；按弯曲合应力校核强度时校核判断依据：Ca<-1b其中由于轴的材料选用45号钢调质，根据B=650MPa,查得-1b=60MPa。轴的计算应力为：Ca=MeW=2Ma2+T22W=28702+(0.6×870)20.1×73=29.5MPa（式3-29）由上可知Ca=29.5MPa<-1b=60MPa故该轴安全。四、整体结构设计4.1 材料的选取窗户的作用好比家庭居室里的“眼睛”，其功能的作用在这处就不多讲。有关窗户的材料选用会将会对室内的环境舒适度造成一定的影响，以及窗户的耐用程度也跟窗户制作所选的材料有关。市面上主要用于制作窗户的材料主要为：实木、塑钢、铝合金、铝包木。以下为相关材料优缺点的对比：实木：木窗结构在古代是最为常见，基本为纯木架构，其主要优势在于轻便和可雕刻性，但是由于是木质结构，长期在一个日晒雨淋的环境当中就会很容易腐朽，因此在现代社会当中用纯木用作窗户框架的已不多见，而木制材料更多是用于窗户内饰，可雕刻各类风格图案，配以玻璃，可给家室营造艺术氛围，但是其价格较为昂贵，不是一般家庭的所首选项。塑钢：塑钢材质的窗户是最近几年才流行起来的，其外层以高强度抗氧化塑料材料为主，内部用以钢材做支架，即“外皮内骨”构造，具有较好的耐酸耐碱性、隔热性以及密封性。铝合金：铝合金一种中档型窗户材质，是市面上最为常见和流行的窗户材料。其可根据顾客不同的要求设计，制作过程简便，不易变形，同时价格适中，易受顾客所能接受。唯一不足在于长久使用后的开关窗密闭性会随时间的推移而降低。铝包木：顾名思义即是铝和木的结合体，混搭使用，既保留了实木的优点，又能够很好的提高实木的性能，延长实木的使用期限。作为本课题所设计的智能窗户，我主要选用铝合金材质用作窗户的主要结构框架，部分塑料材质用于提高窗户的密闭性。因为该窗户主要分为几个部分拼接而成，为方便加工和减少过多的加工费，以及考虑市场价格等因素，最终选用铝合金材质。4.2 结构尺寸设计本课题所设计的智能窗户在布局结构上是采用类模块化的方式进行组装拼接而成，整个主体部分分为控制系统一体式箱体、竖立边框、自动化移动窗扇、固定窗扇（手动）、底座边框、上下安装板等六大块拼接而成，主要通过螺钉连接的方式进行连接。其中控制体统一体式箱体为主要重要组成构件，其电机、轴、轴承、单片机及各类传感器等零部件安装于该箱体内部，另外用于传递动力的从动件则安装于自动化移动窗扇的顶部位置，用于与齿轮的配用运动。1) 窗户整体尺寸如图所示：图4-1窗户总装图（长与宽）图4-2窗户总装图（厚度）智能窗户整体总装后总长为1218mm，总高度约为922.5mm，上部机箱宽为222.75mm,下部宽为66mm。可移动式窗扇尺寸设计（如图所示）：图4-3自动化窗扇（长为600MM与高为798MM）图4-4自动化窗扇（宽度为30MM，中间凹槽宽为20MM）图4-5自动化窗扇上图4-6自动化窗扇下在窗扇的尺寸设计这上面，这要是考虑到齿轮与齿条间的传动配合所需要到的位置布局空间，由于齿轮的分度圆直径为12MM，而轴承的外圈大径为17MM，故在窗扇的设计时在窗户上方带齿条的地方进行一定的凸出设计，为的是能够使齿轮齿条进行配合，同时能够避免对窗扇的运动造成阻碍。在齿条安装槽下方的一侧的位置开了一处凹槽，该位置的作用用于与中间隔板的衔接了，同时将起到一定的定位与限制作用，这样的设计可以提高窗扇在开关时候的稳定性，防止窗户在行进过程中左右摇摆的幅度过大而导致窗扇的翻出置外面，同时保证不与另外的窗扇有所接触。2) 边框尺寸设计：图4-7边框（长宽高为830.5*30*30）如图所示边框的总高度为830MM，最宽位置为30MM，在上下两端都有用于尺寸定位和固定安装的槽和孔，未标注的厚度尺寸为5MM。使用M5螺丝进行连接固定。3) 底座边框设计：图4-8底座边框螺孔尺寸图4-9底座边框宽和高底部边框的总长为1218MM，宽度为66MM，厚度约为12MM，双滑轨设计，可以提高窗扇的底部滑轮在行进过程中的精准度，同时在底框的两端分别设计有用于边框定位与安装的凸台和M5螺孔。4) 控制系统一体式箱体设计：图4-11控制系统一体式箱体（长和高）图4-12控制系统一体式箱体（宽度）如上两图所示该箱体主要长为1218MM，高度为105MM，宽度上宽为212.75MM，下最宽为150MM，未标注厚度为5MM，有漏空部分的两个凸出部分用作与轴承的承接部位，宽度分别为8.55MM和6MM，与轴承和轴的安装位置所对应。图4-13齿轮、轴承安装示意图图4-14单片机安装示意图单片机安装在箱体内部靠左一侧，距离左边100MM，距离箱体开口处40MM，所装单片机各螺孔间距离为127*77MM,使用M4螺丝与箱体连接固定。图4-15电机安装位置电机安装位置如图所示，在中间位置，距左边609MM，距据下边28.5MM，电机的安装尺寸为43*43MM，使用M4螺丝与箱体连接，在电机正下方设有一个弧形台阶，用于电机的固定。再电机的右侧所开的口，可用方便电机与轴的连接操作，以及观测传动情况。图4-16温湿传感器的安装位置温湿传感器安装于靠近单片机的一侧，距离左边90MM，两安装孔的位置如图所示，相距58MM，上螺孔距上边框的距离为16MM。使用M4螺丝进行安装。板的厚度为5MM。图4-17控制系统一体式箱体总装示意图控制系统一体式箱体的总装后的样子如图所示，烟雾传感器安装置该箱体的可拆卸盖板上，通过四口M4口径螺丝安装连接。盖板与箱体之间用八口M5口径螺丝安装连接。箱体上方的两条小凸台用于与上安装板进行定位，两旁孔径大小为M8孔径，用于安装时，与上方墙体的固定。5) 上安装板设计：图4-18上安装板上安装板长为1218MM，宽为212.75MM，M8螺孔位置位于旁侧距离50MM，距下方最近边72.5MM。两定位槽为宽度5MM， 深度为3MM，距最近边为100MM。该上安装板用于安置在墙体中，同理下安装板结构类似。4.3 安装方法介绍该窗户的安装方式主要是通过对窗户主体部分的拼接安装完成后，再整体镶嵌到墙体中，即以上下安装板提前固定在墙体当中为前提。因为该窗户整体体积不算大， 同时重量上较轻，在设计时便采用上诉方式进行考虑和设计，这样的设计优势在于可使窗户大体美观、精致，同时方便客户的日常维护和调整，同时可考虑可根据客户的要求定制控制箱体。图4-19箱体与边框定位与安装示意图（M5螺孔）图4-20边框与底座定位与下安装板连接示意图（M5螺孔）五、总结通过这次毕业设计，不仅使我对智能家居以及窗户制造这个行业有了一定量的了解，也加深了我对结构设计这方面知识的理解和运用，整合我在大学期间所学到的专业知识和画图技能，在对这个智能窗户结构系统设计过程里，由开始的方案确立到逐步的对所确立方案进行计算和验算，再到画图建模实现窗户由零到整，在这里面也同样是一个不断遇到问题然后不断改善的过程。在我所设计的智能窗户结构系统里面，动力是由一个减速直流电机提供，而不是市面上主流的步进电机，因为减速直流电机是自带减速箱可实现调速，所以可根据客户不同的需求进行调速处理，传动方面是采用齿轮齿条进行动力传递到窗扇，在设计过程中发现电机在安装后会显得有点凸出，可能会影响到整个窗户的平衡性，因此在思索一遍后由原本单纯的边框支撑箱体改为采用垂吊式和边框支撑同时固定箱体的方式进行。单片机作为此智能窗户的核心控制，我将其安置在窗户的上方箱体内部靠近电机的一侧，然后窗扇的开关可根据单片机所发出的指令进行。单片机的安装布局是考虑到靠近电机一侧的空间位置还较为充足，因此将单片机安装至此，可以使内部空间更为的紧凑合理，同时作为控制系统一体式箱体，各类传感器也将安置于此。