1、 西南大学本科毕业论文（设计）I目录摘要 .1Abstract .20 文献综述 .30.1 窗户的发展史 .30.2 窗户的种类 .40.2.1 平开窗 .40.2.2 推拉窗 .40.2.3 百叶窗 .40.2.4 天窗 .40.3 窗户的材料 .40.3.1 塑钢 .40.3.2 铝合金 .50.3.3 木质 .50.4 窗户目前的发展状况 .50.5 窗户未来发展趋势 .61 引言 .72 智能窗户方案设计 .72.1 整体方案设计 .72.2 机械部分方案设计 .72.3 控制部分方案设计 .93 机械部分设计 .103.1 窗框和窗扇设计 .103.1.1 窗户类型的选择 .103
2、.1.2 窗户材料的选择 .103.1.3 窗框的受力分析 .103.2 合页设计 .11西南大学本科毕业论文（设计）II3.3 电机选择 .133.4 齿轮设计 .133.4.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数参数 .133.4.2 齿根弯曲疲劳强度校核。 .143.4.3 齿面接触疲劳强度校核计算 .153.5 轴承的选择 .154 控制部分设计 .164.1 单片机 .164.1.1 电源系统 .174.1.2 时钟系统 .184.1.3 电源信号灯 .184.1.4 调试灯 .184.1.5 电机正反转电路 .194.1.6 手动控制电路 .194.1.7 显示器 .204.2 雨
3、水传感器的设计 .214.3 烟雾传感器的设计 .224.4 风速传感器的设计 .244.5 光照传感器的设计 .255 结论 .26参考文献 .26致谢 .28西南大学本科毕业论文（设计）基金项目：西南大学“国家级大学生创新创业训练计划”项目（201210635115） 1智能窗户装置的研制摘要：本课题设计是一种智能窗户，包括机械部分和控制部分。机械部分有窗框和窗扇，它们通过上下两个合页连接，固定架将减速电机固定在窗框上端，减速电机上的齿轮与合页上的齿轮啮合来传递动能。控制部分包括单片机、雨水传感器、风速传感器、光照传感器、烟雾传感器、煤气传感器、蜂鸣器、行程开关、开关、导线、蓄电池。传感器
4、感知环境条件变化，给单片机发送电平信号，单片机通过处理信号后控制减速电机的正反转，如此可智能控制窗户的开闭。该窗户功能齐全、结构简单可靠、占据空间小，为了人们提供便利的生活，也保证了人们的安全。关键词：智能窗户；合页；减速电机；齿轮；单片机；传感器；西南大学本科毕业论文（设计）2Development of Intelligent windows device Abstract: This paper is about a design of a kind of smart windows, the smart includes the mechanical part and control
5、part. Mechanical part includes window frame and sash, they are connected by upper hinger and lower hinge, the geared motor bracket fixed to the upper sash, reduction gear and hinge on the gear motor have a function of delivering kinetic energy. The control section includes a microcontroller, rain se
6、nsor, wind sensor, light sensor, smoke sensor, gas sensor, buzzer, trip switches, switches, wires, batteries. Sensor senses changes with the changes of environmental conditions, and sensor sensesthe also sends signal to the microcontroller, the microcontroller controls the gear motor reversing throu
7、gh post-processing signal, and also controls the opening and closing of the smart windows. The windows have full function, simple structure, reliable and small footprint ,it can not only provides people with convenient life , but also to ensure peoples safety. Keywords: Smart windows;hinge; gear mot
8、or; gear; SCM sensor;西南大学本科毕业论文（设计）30 文献综述0.1 窗户的发展史“窗” ，房间的眼睛。自从人类发明遮风避雨的避难场所以来，人类就迫切的需要对光线和空气进行有效的控制和管理。因此，窗户就在人类充满智慧的大脑中诞生了。窗户起源于人类社会进化之后的早期社会，那时的自然条件异常的苛刻，人类的居住环境从半穴居演变成原始地面建筑时，围护结构分化成墙体与屋盖两大部分时，为了排除住宅内部篝火产生的大量烟气，出现了在固定的屋顶上开口用以通风排烟和采光的结构式样，古代称之为“囱” 。 “囱”即天窗，实际上是开在屋顶上的洞口，而这种洞口就是窗的雏形了。囱虽然解决了室内通风、排
9、烟和采光的基本要求,但很难避免雨雪的侵袭。于是“牖”便出现了。牖即“侧窗”,是开在墙壁上的洞口。牖的产生是我国古代通风技术发展史上的一个重大突破,反映了我国古代科学技术的巨大进步。 早期的窗功能原始,造型简单,甚至毫无装饰,，窗从西安半坡时代那种仅仅起排烟、通气作用的屋盖通孔发展到了兼具采光功能的建筑构件。 秦咸阳宫第一号遗址挖掘出了窗用的铜百叶,表明那时的窗已经可以开启了。大约在汉代,建筑上开始出现直棂窗,这只能从出土的明器中得到证实。隋唐至宋,窗的发展日趋成熟,但仍以直棂窗为多,花饰窗兼有。直棂窗有版棂窗和破子棂窗两种,版棂木条横断面为扁方形或方形; 破子棂断面为三角形,尖角冲外,平面冲里
10、,以便裱糊。另外,营造法式里还有 电窗和阑槛钩窗形式的记载。唐代房屋空间宏大,窗的面积较之以前增大,而且产生了启闭功能,从而使室内通风采光条件有了较大的改善。 及至明清,槛窗、支摘窗成为时代主流。这一时期窗的工艺技巧日益多样,装饰手法不断翻新,重整体表现,重细部刻画,从而达到了远观有效果,近看有内容的艺术层次。另外,此时园林空前发展,漏窗随之发展起来。而后,窗的发展进入到现代窗的发展阶段。 建国以后,百废待兴,举国上下掀起了一场轰轰烈烈的大建设,由于现代建筑的技术、形式等更适合于时代的要求得到了广泛的推广,窗作为建筑的主要配件势必要同建筑主体的结构、形式等相结合,由此窗的设计开始了西方式的工业
11、化、标准化的进程。除了古建筑维修、仿古建筑的兴建需要以外,中国传统的窗基本不再采用。西南大学本科毕业论文（设计）40.2 窗户的种类窗户发展至今，已有几千年的历史，几乎每幢房子都会有窗。其主要的功能有通风换气、采光取暖、遮风挡雨、遮阳隔音，是室内与外界气体交换的的通道。目前窗户主要有以下几个类型。0.2.1 平开窗平开窗是最为常见的一种窗，窗扇通过铰链与窗框结合，窗扇可以旋转开启。这种窗的优点是构造简单，整扇窗可以100%打开，关闭时气密性好，建筑热工性能高，在建筑节能要求越来越高的今天，平开窗将成为市场的主流。平开窗的缺点是窗扇开启后要占据一定的空间，在某些特别狭窄的位置没有足够的空间容纳开
12、启的窗时不宜采用。 0.2.2 推拉窗推拉窗采用装有滑轮的窗扇在窗框上的轨道滑行，这种窗的优点是窗无论在开关状态下均不占用额外的空间，构造也较为简单。但由此带来的缺点是最多只有50%的窗扇可以打开，关闭时气密性差。近年来有采用新技术的改进型推拉窗，可以将多个窗扇推至一侧折叠。同时也有提高气密性的推拉窗，但总体来说仍然无法达到平开窗的热工性能，能耗较高，所以在先进国家很少采用这种窗。0.2.3 百叶窗百叶窗是采用数片条形材料平行排列，通过转动百叶的角度来控制光线的窗。严格意义上讲百叶窗并非窗，因为它在关闭时无法做到很好的密闭，因此无法单独存在于建筑中，必须和普通的窗或玻璃幕墙结合在一起使用。0.
13、2.4 天窗天窗采光天窗由于其特殊的位置，一般为不可开启的玻璃窗，如采光罩，但也有某些建筑由于设计需要，采用特殊的机械开窗器控制其开关。0.3 窗户的材料对于窗户的材质来说，可分成三大类 木质、塑钢、铝合金。三者各有所长。0.3.1 塑钢 因为是塑料材质，所以重量小，隔热性能好，而且价格相对较低。因为经常要面对风吹雨打太阳晒，所以最让人关心的是塑钢窗的防老化问题。实际上，高品质的塑钢窗的使用年限可达一百年左右。西南大学本科毕业论文（设计）50.3.2 铝合金 因为是金属材质，所以不会存在老化问题，而且坚固，耐撞击，强度大。但铝合金最容易被攻击的一个弱点就是隔热性能，因为金属是热的良导体，外界与
14、室内的温度会随着窗的框架传递。0.3.3 木质 相对来说，木质应该是最为完美的窗体框架材质，无论从隔热、隔音等角度来说都有明显的优势，而且与生俱来的质感和自然花纹更为让人心动。虽然是木质，但实际上有的用于做窗框的实木已经经过了层层特殊的处理，不仅没有了水分，要求更高的甚至被吸去了脂肪，这样一来，所谓的木质实际上已经如同化石一样，经过处理后的实木，只保留了木材的外表，品质却完全不一样了，不会开裂变形，更不用担心遭虫咬、被腐蚀，而且，强度也大大增加。0.4 窗户目前的发展状况目前的窗户结构和功能都比较单一，为人们的生活带来了许多的不便。比如说，天气变化外面下雨刮风了，为了避免雨水侵蚀室内的东西，我
15、们要亲自去关闭窗户，夜晚来临我们也需要去关心门窗是否已经关好等等，这些问题与人们日益增长的物质需求相矛盾。现在也出现了一些新型的窗户，他们从窗户的结构和功能上做了一些改进。比如现在有一种应用比较广泛的平开窗户，它的窗扇与窗框的连接不是合页，而是通过上下两个连杆结构连接的，窗户打开时它是平移加上旋转的合成运动，移动到窗户靠近中间的位置，这样不仅窗户的通风率能够达到100%，而且窗户的正反两面都能够擦拭。但这也是手动开启关闭的，不能根本的解决问题。还有一种能够代劳人们“动”的窗户。这些窗户有电动窗户、弹簧窗户、液压窗户。电动窗户的核心是电机，电机直接旋转带动平开类的窗户旋转，或者是电机的将旋转运动
16、通过皮带或蜗杆转换为直线运动后来带动推拉窗的开闭。弹簧窗户则是通过拉伸弹簧带动推拉窗户开闭，扭转弹簧带动平开窗花运动，但是弹簧窗户需要人为的去给他蓄力。液压窗户比较少，它则只能安装在推拉窗户上面，而且需要液压泵来作为动力。这些窗户的动力装置大多都比较复杂，往往要破坏窗户本身的结构，或者是在简单的窗户结构上附加上很大的机构。窗户不仅要能够代劳人们去“动” ，而且还要代劳人们去判断什么时候该“动”什么时候不该“动” ，这个就是智能窗户。智能窗户自身携带有各种传感器，能够感西南大学本科毕业论文（设计）6知环境参数的变化，比如温度、湿度、光照、风速、空调开关状态，将这些数据通过芯片处理，来给电动机发出
17、指令，能够随开随关。智能窗户还能够用振动传感器来预警入室盗窃，或者是烟雾传感器来监控室内的火灾状况和可燃气体是否泄漏等。0.5 窗户未来发展趋势总之，未来窗户的发展更趋于智能型。随着科学技术的发展，各种技术将应用于智能窗户，使智能窗户的功能越来越丰富。智能窗户作为智能家居的重要组成部分，将与物联网结合，随时向人们通知窗户的开关以及室内外的状态，人们也可以通过电脑甚至手机来操控窗户。未来人们的生活不会为刮风下雨、夜晚防盗、交换新鲜空气这些琐事而去亲自打开窗户，因为智能窗户将会为你做到。西南大学本科毕业论文（设计）71 引言随着人们生活质量的提高，智能家居将成为家庭家具的发展趋势。在家庭生活中，遇
18、到下雨刮风，需要人去亲手关掉窗户，以免受到雨水的侵蚀。夜晚睡觉或者是外出，人们都会担心窗户是否关好，以防有盗贼的入侵。室内有人吸烟导致空气污浊或者有煤气泄漏等危险状况时，窗户的开闭将对人们身体健康甚至生命安全起至关重要的作用。因此，本设计是一个智能窗户，它将分为两个部分进行介绍，一个是机械部分，它窗户的主要物理结构，承担着窗户的开关动作。机械部分将介绍窗框窗扇的类型和材料的选择以及它们的受力分析，合页的介绍和设计，电机的大小选择及其参数，齿轮的参数设计以及齿根弯曲疲劳强度校核和齿面接触疲劳强度的校核，轴承的选择和校核。另一个是控制部分，它窗户的神经系统，处理各种信息，对窗户发出开闭的指令。 控
19、制部分将介绍雨水传感器、风速传感器、光照传感器、烟雾传感器的类型和它们的电路原理图，电机的正反转控制过程，整体的电路图和结论分析。总之，智能窗花可以根据环境和时间的变化，正确的帮助人们去控制窗户的开闭，方便人们的生活。2 智能窗户方案设计2.1 整体方案设计 查阅了很多关于智能窗户的专利资料，他们对于窗户的设计，总结起来有两种类型。一种是外挂式的装置，就是将各种动力装置和控制系统安装窗台上和窗户周围的内外两面墙上，或者是安装在窗框和窗扇上，这种方式，不仅占据了建筑的空间，容易受到雨雪的侵蚀和外界的干扰，而且看起来非常的乱，并不美观。另一种就是破坏式的，为了方便安装某个机械机构而去大范围的改变原来的窗户结构，这样容易造成窗户结构的不稳定，推广起来也是比较难的。针对以上问题，我设计出一种智能窗户，用简单很小的动力装置来带动窗户的运动，把控制装置内嵌在窗户内，这样就可以避免破坏窗户的结构，而且看起来比较美观。该智能窗户包括机械部分和控制部分。2.2 机械部分方案设计目前大多数的窗户都使用的是推拉窗和平开窗两种类型。推拉窗的通风率只有
