陳凱，陸宇凡，何杰，趙志恒，惠虎

基于單片機(jī)的可拆式窗戶開關(guān)裝置設(shè)計(jì)

陳凱，陸宇凡，何杰，趙志恒，惠虎*

（華東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200237）

此裝置是由風(fēng)速傳感器、溫濕度傳感器、感應(yīng)調(diào)速步進(jìn)電機(jī)、控制模塊、絲桿開窗裝置、接收模塊和移動(dòng)型窗戶等部分構(gòu)成。通過(guò)相關(guān)傳感器來(lái)獲取外界環(huán)境信息，并將測(cè)得模擬信號(hào)傳遞給接收裝置；信號(hào)接收器再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換變數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)字信號(hào)傳遞到中央處理器，由處理器判別數(shù)字信息是否符合預(yù)設(shè)開關(guān)窗條件，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開關(guān)。另外，裝置實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端及PC端多用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)距離操控。通過(guò)貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，監(jiān)測(cè)裝置開閉狀態(tài)、環(huán)境溫濕度及風(fēng)力條件。

平移式窗戶；自動(dòng)控制；可拆式；手機(jī)監(jiān)測(cè)

家居智能化已經(jīng)成為現(xiàn)代室內(nèi)家具設(shè)計(jì)及家庭安全設(shè)計(jì)的主要方向。對(duì)于大多數(shù)城市及農(nóng)村家庭來(lái)說(shuō)，智能家居至今只是一個(gè)理想概念。人們對(duì)智能家居有極大需求，但是復(fù)雜的室內(nèi)改裝及高昂的產(chǎn)品費(fèi)用成為智能家居普及化的不可忽略的阻礙。對(duì)此，本課題就現(xiàn)代家具最常見到的移動(dòng)窗戶進(jìn)行調(diào)研、分析、設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)代智能家居常態(tài)化所遇到的造價(jià)高、安裝繁瑣等問題，設(shè)計(jì)了一款可拆卸式智能型窗戶開關(guān)裝置。

1 智能窗戶開關(guān)裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 確定平移式窗戶執(zhí)行機(jī)構(gòu)方案

本設(shè)計(jì)裝置采用的是平移方式的開窗結(jié)構(gòu)，以此避免了傳統(tǒng)平開窗常使用連桿機(jī)械傳動(dòng)，動(dòng)力轉(zhuǎn)換過(guò)程較為復(fù)雜的缺點(diǎn)，而改為采用電機(jī)帶動(dòng)裝置，提高了傳動(dòng)效率，并使用鋁合金材料，減輕產(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)于智能窗戶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含多種不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的選擇，現(xiàn)在就對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，并確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

表1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)比表

滾珠絲桿傳動(dòng)效率很高，可達(dá)92%～98%，是普通絲桿傳動(dòng)的2～4倍；其利用了斜面原理，將斜面卷曲變形，從而形成羅紋，將轉(zhuǎn)動(dòng)變成了平動(dòng)。絲桿轉(zhuǎn)一圈，螺母位移一個(gè)螺距。滾珠絲桿螺母機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高，不能自鎖，但其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦阻力矩小、傳動(dòng)效率高，精度高，系統(tǒng)剛度好，運(yùn)動(dòng)具有可逆性，使用壽命長(zhǎng)，因此在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到大量廣泛應(yīng)用。

綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇了方案三進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出如窗體模型圖1所示裝置。智能窗戶的動(dòng)力源為24 V的調(diào)速步進(jìn)電機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開啟和關(guān)閉。

1.2 鎖窗連接件的設(shè)計(jì)

對(duì)于裝置而言，不僅需要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇，還需要考慮執(zhí)行機(jī)構(gòu)與窗體之間的連接件的選擇設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)與機(jī)械控制互不干涉，鎖窗連接件需滿足固定連接、提供橫向牽引力及可拆卸的要求。為此，本文考慮設(shè)計(jì)了兩種連接方式進(jìn)行比較選擇。

圖1 窗體模型圖

方案一設(shè)計(jì)了一款人字形齒狀磁片，通過(guò)人字形齒紋嵌入聯(lián)接后的自鎖效應(yīng)實(shí)現(xiàn)提供橫向牽引力的作用。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)絲桿螺母內(nèi)側(cè)安置電導(dǎo)體，通過(guò)中央處理器控制電導(dǎo)體的通斷電，從而實(shí)現(xiàn)與斜齒狀磁片的連接與斷開，以此實(shí)現(xiàn)固定連接與可拆卸功能。如圖2所示。

方案二設(shè)計(jì)使用傳統(tǒng)螺栓螺母連接，在絲桿螺母處固定安裝L型連接件，以螺栓螺母連接絲桿螺母與窗體（絲桿螺母上方有直徑為4 mm的螺孔），實(shí)現(xiàn)固定連接、提供牽引力及可拆卸功能。如圖3所示。

圖2 人字形齒紋聯(lián)接設(shè)計(jì)

圖3 L型連接件設(shè)計(jì)

第一種方案經(jīng)測(cè)試存在提供牽引力不足、易打滑、遠(yuǎn)程通電控制不靈敏的缺陷，為了提高裝置可靠性，且考慮到制作成本及維修難度等因素，決定采用方案二，利用L型連接件連接。

1.3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.3.1 智能窗戶控制原理

該智能窗戶目的是為用戶提供優(yōu)質(zhì)便捷的家居環(huán)境，裝置是采用步進(jìn)電機(jī)和絲桿的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)控制窗體的開合，再結(jié)合溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、紅外探測(cè)器等多種傳感元器件實(shí)現(xiàn)面對(duì)不同的外部條件自動(dòng)控制窗戶。

控制功能設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)：

（1）若室外風(fēng)力超過(guò)一定等級(jí)時(shí)（設(shè)置為5級(jí)），由風(fēng)速傳感器檢測(cè)到信號(hào)，并傳給中央微處理器，中央微處理器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，軸承上裝有滾珠絲桿（滾珠絲桿是一種機(jī)械傳動(dòng)裝置，主要功能是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并運(yùn)行精度較高[2]），通過(guò)滾珠絲桿帶動(dòng)活動(dòng)窗體來(lái)控制窗戶的關(guān)閉；

（2）對(duì)于室內(nèi)溫度超過(guò)設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，如設(shè)定為30℃，當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度超過(guò)設(shè)定值30℃時(shí)，將信號(hào)傳給單片機(jī)，通過(guò)單片機(jī)控制活動(dòng)窗的開啟。

（3）當(dāng)外界濕度超過(guò)設(shè)定值（如設(shè)定為60%rh）時(shí)，濕度傳感器將接收外界信號(hào)，并將模擬信號(hào)傳遞給處理器，實(shí)現(xiàn)開關(guān)裝置的運(yùn)行；

（4）若外界有雨時(shí)，濕度傳感器感應(yīng)到信號(hào)，并將其傳給中央微處理器，由其控制窗戶的關(guān)閉；

（5）若室外光線漸暗且達(dá)到設(shè)定值時(shí)，光敏傳感器會(huì)接收到信號(hào)，并將其傳給中央微處理器，控制窗戶的關(guān)閉；

（6）若有陌生人駐留在窗口時(shí)，將阻止紅外探測(cè)器發(fā)射和接收路徑，窗戶將被關(guān)閉，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

以上窗戶可以關(guān)閉的前提條件是室內(nèi)的煤氣與煙霧的含量未超標(biāo)，否則，將不能關(guān)閉窗戶，直至室內(nèi)檢測(cè)正常才執(zhí)行窗戶。若檢測(cè)元件某部分失靈，無(wú)法接收信號(hào)，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示主人手動(dòng)關(guān)閉窗戶。系統(tǒng)控制示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制示意圖

1.3.2 系統(tǒng)組成

本裝置采用的是家庭常用的平移式窗戶，據(jù)調(diào)查顯示現(xiàn)如今家庭用窗戶為保證安全性、實(shí)用性、美觀性及安裝價(jià)格，更傾向于使用平移窗戶，故以平移式窗戶作為研究對(duì)象。

在智能化控制系統(tǒng)中一般采用單片機(jī)或PLC作為核心控制元件，但PLC價(jià)格高昂，設(shè)計(jì)線路復(fù)雜且維護(hù)成本高。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)

編程軟件運(yùn)行的形式，可以極大地提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)；可以實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)與報(bào)警指示，確保運(yùn)行安全和監(jiān)測(cè)；能夠復(fù)雜系統(tǒng)的控制，便于添加子功能或是更換功能控制單元，中間操作無(wú)需承擔(dān)較多的費(fèi)用。

2 智能窗戶硬件設(shè)計(jì)與選型計(jì)算

2.1 智能窗戶的組成參數(shù)

根據(jù)載荷重量及智能窗戶的開合狀態(tài)，本次設(shè)計(jì)選擇的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成如圖5所示。窗體重量設(shè)為10 kg，移動(dòng)速度為3 m/min，尺寸1600 mm×400 mm，定位精度＝20 μm且重復(fù)定位精度＝15 μm。

圖5 窗戶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成

2.2 滾珠絲桿副的尺寸選擇計(jì)算

（1）滾珠絲桿的導(dǎo)程[3]

根據(jù)絲桿導(dǎo)程標(biāo)準(zhǔn)值選取[4]，得＝10 mm。

（2）額定動(dòng)載荷為[3]：

執(zhí)行機(jī)構(gòu)受力及運(yùn)動(dòng)示意圖如圖6所示。

圖6 執(zhí)行裝置受力圖

（3）絲桿允許最大軸向變形

空載時(shí)影響最大的軸向作用載荷是靜摩擦力0，當(dāng)移動(dòng)部件在剛度min處啟動(dòng)和反向時(shí)，由于0方向變化將產(chǎn)生誤差20/min（又稱摩擦死區(qū)誤差），它是影響重復(fù)定位精度的最主要因素[5]。估算絲桿允許最大軸向變形為：

取較小值，即δ＝5 μm。

（4）滾珠絲桿最小螺紋底徑

估算滾珠絲桿最小螺紋底徑為[3]：

式中：為絲桿兩軸承支撐之間的距離，mm；為行程，mm；為支承方式系數(shù)；δ為滾珠絲桿允許的最大軸向變形，μm；0為導(dǎo)軌靜摩擦力，N；0為靜摩擦系數(shù)；為導(dǎo)軌質(zhì)量，kg。

?。?20，兩端固定時(shí)?。?.039，＝0.2，＝10 kg，計(jì)算得：；。

（5）確定絲桿的規(guī)格型號(hào)

查表選定外循環(huán)螺旋槽式L型；又根據(jù)相關(guān)表格[3]按上述估算的P、C及d的值，選出合適的規(guī)格：CMF1204-2.5。

2.3 壓桿穩(wěn)定性計(jì)算

2＝0－1.2D（9）

0滾珠絲桿公稱轉(zhuǎn)速校核為：

根據(jù)精密級(jí)滾珠絲桿公稱轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)，該絲桿符合要求。

2.4 系統(tǒng)剛度的計(jì)算

式中：R為滾珠絲桿軸的剛度，N/μm；R為系統(tǒng)剛度，N/μm；為彈性模數(shù)，N/m；R為滾道與鋼珠軸向的接觸剛度，N/μm；c為滾珠絲杠軸受載直徑，mm。

?。?.1×105、R＝113 N/μm，根據(jù)CMF1204-2.5接觸剛度標(biāo)準(zhǔn)[3]計(jì)算得：R＝32 N/μm，符合CMF1204-2.5系統(tǒng)綜合剛度標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 傳感元件選型

為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同外部環(huán)境狀況的感知并操控裝置運(yùn)轉(zhuǎn)，此設(shè)計(jì)選用了DHT11溫濕度傳感器，GY-30光照傳感器以及HX711壓力傳感器。相關(guān)傳感器具有功能性全面、使用便捷、成本較低及便于推廣等特點(diǎn)，適合本裝置的使用。

DHT11溫濕度傳感器是含有已完善校準(zhǔn)相應(yīng)數(shù)字信號(hào)輸出的一款復(fù)合傳感器，它應(yīng)用特定的數(shù)字模塊采集技術(shù)和相關(guān)溫濕度傳感技術(shù)[7]，來(lái)確保產(chǎn)品有較高的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

GY-30傳感器是一款基于IIC通信的16bit的數(shù)字型光照傳感器。模塊主要是以BH1750FVI數(shù)字型光強(qiáng)感應(yīng)芯片為核心及一些外圍驅(qū)動(dòng)電路。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。該集成電路能夠憑借收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)液晶或者鍵盤背景燈的亮度。可以利用它的高分辨率來(lái)分辨較大范圍的光強(qiáng)度變化[8]。

HX711是一種較常見的為高精度壓力傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。和其它同類型芯片相比較，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[9]。

3 程序控制的實(shí)現(xiàn)

如圖7所示，智能型開關(guān)窗的運(yùn)行過(guò)程：當(dāng)打開電源開關(guān)時(shí)中央微處理器電源接通，并通過(guò)掃描方式運(yùn)行。一系列信號(hào)模塊將模擬信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)接收信號(hào)后通過(guò)控制電機(jī)來(lái)達(dá)到控制窗戶的閉合，當(dāng)活動(dòng)窗體接觸到右限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖7 系統(tǒng)程序流程

溫濕度檢測(cè)模塊、光敏模塊、風(fēng)速模塊都是以模擬信號(hào)傳給單片機(jī)，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，控制活動(dòng)窗的開啟，當(dāng)然，開啟的前提是紅外探測(cè)器并沒有檢測(cè)到有陌生人闖入以及相應(yīng)傳感器檢測(cè)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的情況下，才可執(zhí)行此動(dòng)作。此目的是為了保持居住人的生命財(cái)產(chǎn)安全，以及室內(nèi)裝飾免遭淋雨。

4 無(wú)線設(shè)備顯示環(huán)境狀態(tài)及控制電機(jī)

4.1 工作方式

圖8為無(wú)線控制部分工作示意圖。傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并傳送至Arduino單片機(jī)，Arduino單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，并傳送至ESP8266WIFI模塊。WIFI模塊通過(guò)已經(jīng)設(shè)置好的WIFI信息，可以無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)到貝殼物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供的網(wǎng)站接口，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線查看環(huán)境的狀態(tài)信息。

同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也可以發(fā)送指令，通過(guò)WIFI傳輸信號(hào)至ESP8266模塊，Arduino單片機(jī)接收到指令后可以向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作。

圖8 無(wú)線控制部分工作示意圖

4.2 環(huán)境狀態(tài)信息顯示

在貝殼物聯(lián)網(wǎng)上可以直觀地顯示設(shè)備及狀態(tài)，界面清晰直觀，十分方便使用者操作。主要頁(yè)面如圖9所示。

圖9 貝殼物聯(lián)網(wǎng)頁(yè)面

網(wǎng)站接收到ESP8266傳輸?shù)母鞣N狀態(tài)信息后，在頁(yè)面上能通過(guò)折線圖直觀顯示檢測(cè)到的數(shù)據(jù)，并能看出變化的趨勢(shì)，狀態(tài)顯示如圖10、圖11所示。

圖10 溫度監(jiān)測(cè)狀態(tài)顯示

圖11 濕度監(jiān)測(cè)狀態(tài)顯示

4.3 無(wú)線控制功能

在貝殼物聯(lián)網(wǎng)上設(shè)置有控制面板，可以通過(guò)控制面板實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的無(wú)線控制。無(wú)線控制面板如圖12所示。

圖12 無(wú)線控制面板示意圖

在貝殼物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線控制面板上點(diǎn)擊相應(yīng)的控制按鈕，通過(guò)無(wú)線傳輸控制信號(hào)至ESP8266模塊，該模塊將數(shù)據(jù)傳送至Arduino單片機(jī)。Arduino單片機(jī)對(duì)指令進(jìn)行分析處理，最后對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送相應(yīng)指令。

5 總結(jié)

在計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)集成電路技術(shù)的快速發(fā)展的大背景下，傳統(tǒng)的家居設(shè)計(jì)逐漸被智能家居產(chǎn)品所取代已然成為一種必然趨勢(shì)。而可以發(fā)現(xiàn)的是現(xiàn)有的大部分智能家居的核心控制元件是單片機(jī)，高性價(jià)比與全面的使用性能成為其占據(jù)市場(chǎng)的最大優(yōu)勢(shì)。越來(lái)越廣泛的應(yīng)用也加快了智能家居建設(shè)的發(fā)展。而傳感器作為測(cè)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息的接收點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到現(xiàn)代智能家居設(shè)計(jì)中。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物[10]，其精密程度將直接影響環(huán)境數(shù)據(jù)采集的精確度。傳感器是流程自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之器件，其技術(shù)水平將直接影響到自動(dòng)化系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的水平[11]。

本課題針對(duì)智能家居系統(tǒng)的使用要求設(shè)計(jì)的機(jī)電一體化的智能窗戶控制系統(tǒng)，采用了機(jī)械傳動(dòng)、傳感技術(shù)、智能控制等相應(yīng)的先進(jìn)測(cè)控技術(shù)，克服了傳統(tǒng)窗戶的可靠性較低、通風(fēng)性不好、穩(wěn)定性較差、自動(dòng)化程度不高的缺點(diǎn)，使其可靠性更強(qiáng)、使用更方便，并能被高效利用，且維護(hù)簡(jiǎn)單，極大地提高了用戶的使用舒適度。

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Design of Detachable Window Switch Device Based on Singlechip

CHEN Kai，LU Yufan，HE Jie，ZHAO Zhiheng，HUI Hu

( School of Mechanical and Power Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China )

The device is composed of wind speed sensor, temperature and humidity sensor, induction speed stepping motor, control module, screw window opening device, receiving module and moving window, etc. The information of the external environment is obtained through relevant sensors, and then the measured analog signal is transmitted to the receiving device. The receiver converts the analog signal into digital signal, and then transmits the digital signal to the central processor, which determines whether the digital information conforms to the preset switch window conditions, so as to realize the automatic window switch. In addition, the device implements both mobile and PC terminal multi-user real-time monitoring and remote control. Device on/off state, environmental temperature and humidity and wind conditions are monitored through BIGIOT platform.

translational window；automatic control；detachable；cell phone monitoring

TU228；TP212.9

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.04.012

1006－0316 (2021) 04－0074－07

2020－08－24

上海市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S19072）

陳凱（1997－），男，江蘇泰州人，主要研究方向?yàn)橹悄芗揖印?通訊作者：惠虎（1974－），男，山東鄒城人，博士，教授，主要研究方向?yàn)檫^(guò)程裝備結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及安全保障技術(shù)，E-mail：huihu@ecust.edu.cn。