基于慧鱼模型的智能推拉窗设计.pdf

1442023 年 11 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备基于慧鱼模型的智能推拉窗设计*邓艳菲，万宏钢（江西机电职业技术学院，江西 南昌 330013）摘要：课题组以慧鱼创意组合模型为载体，设计了一种机电一体化智能推拉窗。本智能窗主要由智能控制部分、机械部分、传感器部分三部分组成。该智能推拉窗分两种模式，即手动模式和自动模式，手动模式可手动自由控制窗户开关，自动模式由光照强度传感器、空气质量检测器、雨滴传感器、风力传感器、超声波传感器5种传感器根据外部条件来控制窗户的开关。仿真结果表明，该智能推拉窗使用灵活，安全可靠，市场前景广阔。关键词：慧鱼模型；智能推拉窗；传感器中图分类号：TH4；TU228 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.22.0400 引言德国发明家Arthur Fischer博士于1964年在其“工业燕尾槽及六面可拼接”专利技术基础上发明了慧鱼创意组合模型，其涵盖了机械构件、电气构件、控制构件、气动构件、微型电机、计算机编程以及机器人设计等内容1，也是一款可编程的机电一体化教学装置2。结合ROBO TXT控制器，可以轻松通过彩色触屏控制，其包含多种接口，拥有强大的处理器，保证了控制板极高的性能，用以控制各种慧鱼模型，并进行各类专用机器人的制作与控制。随着建筑技术以及人们生活水平的提高，人们对窗户功能的需求越来越高，窗户设计研究工作也不断取得新的成果3，切实解决了日常生活的难题：如在外出时经常忘记关闭窗户，遇上天气突变，经常出现室内淋雨，或是大风把室内物品吹乱，带入灰尘杂物。若此时窗户关闭，则可以避免这些情况造成的损失。正因为窗户的开、关对室内环境有很大影响，而人们不可能时刻、细致地关注这些事情，故本课题组设计了一款机电一体化推拉窗，能智能化解决以上难题，极大地满足人们的需求。1 结构与工作原理1.1 智能控制部分智能控制部分由2块TXT控制器级联，如图1所示，利用感应器与限位开关协同工作，实现精确控制窗户开闭。1.2 机械部分1）传动部分。如图 2 所示，主电机通过齿轮 1、2、3 传动带动蜗杆螺旋传动，从而控制螺母左右移动，而螺母带动螺母上的副电机定块运动，进而实现窗户的左右移动4。图1智能控制装置2）自动/手动切换部分。按下开关后，如图3、图4所示，副电机带动锥齿轮转动和螺杆螺旋传动，从而使螺母上下移动，进而控制定块1和窗户上定块2之间的连接或断开，实现窗户开关手动自动的切换。自动状态，由传感器检测外部条件，智能控制系统接收信息并进行判断，来决定窗户的开关；手动状态，可以手动自由地开关窗户。1.3 传感器部分1）光照强度传感器。由光敏电阻和A/D转换模块组成的光照强度传感器如图5所示。当光照强度传感器感应到光照强度不足后，自动关窗。当外界光照充足时，光照强度检测器检测到后，自动开窗5。基金项目：江西省教育厅科研项目“基于多传感器融合技术的智能窗的设计研究”（GJJ214202）作者简介：邓艳菲（1985），女，湖北随州人，硕士研究生，副教授，研究方向为电子信息技术。2023 年 11 月下145Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备主电机蜗杆螺母齿轮 1齿轮 2齿轮 3图2传动装置和动力装置副电机螺杆锥齿轮螺母图3切换装置（全面图）1.1定块 1定块 2图4切换装置（部分图）图5光照强度传感器2）空气质量检测器。图6中的传感器由一个灰尘传感器和一个显示评估板组成。评估板上的七段数码管若显示P50则代表PM2.5数值为50，若显示则C20代表温度20。每9秒一轮循环往复，PM2.5每轮显示8 s，温度每轮显示1 s。开始运行时PM2.5显示从0往上涨（空气越差数字上涨越快，反之越慢）直到最终数字稳定时为当前空气的质量，温度显示与之相同，值板上2个LED每2秒快闪一次。图6空气质量检测器PM2.5显示数值在050之间，则空气质量为优；显示数值在 50100 之间则空气质量为良；显示数值在 100130 之间，空气质量为轻度污染；显示数值在 130170 之间，则属于中度污染；显示数值在170250之间，则空气质量为重度污染；显示数值若大于250，则空气质量为严重污染。1462023 年 11 月下Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备当室内空气质量较差时，空气检测器检测数值大于100后，将自动开窗通风，疏散有害物质。3）雨滴传感器。图7是雨滴传感器，下雨时，雨滴传感器感应到有雨水降落便会自动关窗，以免雨水进入屋内，淋湿屋内物品。4）风力传感器。图8中的风力传感器由麦克风传感器代替，麦克风传感器可检测周围声音强度，识别声音有无（根据振动原理）。因为真正的风力传感器过大，而风吹物体，物体会振动，所以用麦克风传感器代替，此传感器可调节其灵敏程度，即调节感应风力临界点。图7雨滴传感器图8风力传感器风力传感器的作用是当窗外风力超过3级，模拟风力传感器将感应到，窗户将会自动关闭，以免吹乱屋内物品或将其他灰尘杂物带入室内。5）超声波传感器。图9中红框框出的部分是超声波传感器，接到ROBO TXT Controller输入端I1，并将I1端口设置为Ultrasonic模式，观察信号端输出，即可测出传感器与障碍物的距离6。通过设置相应的阈值，窗户将自动关闭，阻止其他物体进入室内。2 工作流程本课题组设计的这款机电一体化智能推拉窗的工作流程如图10所示。图9超声波传感器图10工作流程图智能推拉窗的工作流程：下雨或者刮大风时自动关窗，当外界下雨时雨滴检测器能够有效及时地检测出下雨情况并立即关闭窗户；当外界出现大风天气时，风力传感器能够迅速测出风力大小并判断是否要关闭窗户7。光照强时自动开窗，当外界阳光照射到光照强度检测器上时，检测器能及时判断外界光照强度大小并在光照强烈时打开窗户，而当光照强度下降时又能够及时关闭窗户。室内空气质量差时自动开窗，当室内空气质量检测器检测到室内空气环境较差时，能够迅速打开窗户方便与外界空气进行交换，或者室内检测出有毒气体例如煤气则可以迅速开窗通风防止出现意外8。窗外有物体靠近时自动关窗，当超声波传感器检测到外界有物体靠近时，可以迅速关（下转第159页）2023 年 11 月下159Agricultural Machinery and Equipment农业机械与装备2 大隆电动叉车助力智能制造J.中国储运，2021(9)：67.3 郑尚敏.基于ANSYS的电动叉车驱动装置分析及改进J.工程机械，2021，52(5)：57-61+10.4 魏敏，魏来.新型电动叉车整车性能检测方法研究J.新技术新工艺，2020(3)：72-76.5 余晓贤.现代电动叉车的结构及技术特点分析J.现代制造技术与装备，2018(11)：58+62.6 包剑南.电动叉车的结构特点及技术性能分析J.科技与创新，2018(14)：74-75.7 姜文东，栾英，姚钢.浅谈电动叉车交流变频控制的方式J.物流技术（装备版），2012(6)：44-45.8 杜峰坡，穆希辉，张宝富，等.经济型防爆电动叉车设计技术研究J.机械设计与制造，2010(6)：24-26.9 陆刚.现代电动叉车的结构及技术特点J.工程机械与维修，2007(2)：150-151.10 张润林.国内外电动叉车的结构特点分析 J.工程机械，1999(8)：24-26.11 陈立华.平衡重式电动叉车的设计与研究 J.南方农机，2022，53(1)：135-137.12 顾芸.浅谈普通货车叉车发展瓶颈与趋势 J.南方农机，2019，50(7)：150.13 和劲松.刍议平衡重式叉车安全操作的基本方法J.特种设备安全技术，2020(4)：40-41+44.14 刘俊红.平衡重式叉车加装属具后实际承载能力核算办法探究J.科技资讯，2020，18(12)：40-41.15 常根固.高置转向桥在平衡重式叉车中的应用J.工程机械与维修，2020(2)：62-63.16 黄奶秋.“增加”平衡重式叉车平衡重的危害探讨J.机电技术，2019(4)：93-95.17 张德良.平衡重式叉车稳定性的几点思考J.装备维修技术，2019(3)：178-180.18 李江波.电动平衡重式叉车电池更换的技术研究J.现代制造技术与装备，2018(9)：54-55.19 常娥，张馨予.平衡重式叉车的特点及营销策略探讨J.中国物流与采购，2013(15)：74-75.20 陈娟.合力 G 系列平衡重式叉车 J.工程机械与维修，2008(7)：130.21 张丽.CPCD250VO内燃平衡重式叉车J.起重运输机械，2007(10)：44-45.22 平衡重式叉车 稳定性基本试验J.起重运输机械，1982(4)：61-63.23 徐国柱.平衡重式叉车配重的改造J.南昌航空工业学院学报（自然科学版），2005(4)：65-68+39.闭窗户防止出现意外。3 推广应用价值本产品有以下创新点：1）窗户自动开与关是由主电机通过齿轮传动和螺旋传动实现的，具有传动平稳、传动效率高、使用寿命长、承载能力强等优点9。2）手动/自动切换是由副电机通过锥齿轮转动和螺旋来控制的，具有传动平稳、维护简便、自动锁定等优点。3）窗户两侧设计了固定插销，在暴雨或台风等恶劣天气时，窗户可锁紧，使装置更加安全可靠。4）本作品属于外加装置，不会破坏窗户整体结构。5）此推拉窗可在高层住宅中广泛推广使用，可作为预防高空抛物行为的有效装置10。4 小结现在商品房出售均为精装修房，而家居装修中，窗户不可或缺，比起一般家居，智能家居更受欢迎，而智能窗就是其中之一。对于外出忙碌的人们，更愿意、更需要智能家居来提高生活质量，而智能机电一体化推拉窗就是一个很好的选择，其使用灵活，安全可靠，市场前景广阔。未来，智能窗可以采用更加先进的通信技术，与其他智能化建筑设备紧密结合，形成更加智能化的建筑智能控制系统。参考文献：1 鹿存建，李策.浅析慧鱼创意组合模型的研究现状与趋势J.科技风，2020(10)：20.2 张凌燕.工业机器人引领制造业升级时代来临N.中国信息化周报，2013-12-30(2).3 王宁，张雅雯，王强强，等.基于慧鱼模型的自动清洗、除霾、开关的智能窗户设计J.科技与创新，2021(4)：41-42.4 杨润杰，万宏钢，邓艳菲.基于慧鱼模型的智能窗户：CN202121482695.3P.2023-10-09.5 战强，王东月.机器人学 课程教学改革探讨J.北京航空航天大学学报（社会科学版），2010，23(2)：117-120.6 慧鱼机械创新设计实验指导书Z.北京：北京中教仪人工智能科技有限公司，2012.7 胡彩云，胡强，杜娇，等.基于“慧鱼”教具的创新创业教育改革探索J.职业教育（中旬刊），2023，22(4)：69-71.8 刘鑫，张新和，何静杰，等.基于自动控制系统的窗户洗刷器设计J.科学技术创新，2021(26)：183-184.9 权洁，陈玉瑜.基于创新组件的遥控电动开窗装置设计与制作J.机电工程技术，2017，46(9)：76-78.10 辛颖，薛伟，王剑，等.基于“慧鱼模型”的机器人课程实验教学改革探索J.现代教育技术，2009，19(7)：138-140.（上接第146页）