自动窗的设计-毕设论文.doc

自动窗的设计学 生 姓 名： 指导教师： 合作指导教师： 专业名称： 机械设计制造及其自动化 所在学院： 机械与动力工程学院 2013 年 6 月目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 自动窗设计背景11.2 自动窗的工作原理11.3 自动窗的发展现状11.4 自动窗的发展趋势21.5 主要研究内容2第二章 总体设计方案的选择与论证32.1 控制系统设计方案的选择与论证32.2 系统方案52.3 机械传动系统方案的选择5第三章 控制系统详细设计73.1 硬件介绍73.2 单片机控制电路163.3 直流电机的接口电路设计163.4 光电耦合电路18第四章 机械部分具体设计194.1 直流电机的选择194.2 主动轴的设计194.3 部分零部件件的二维及三维图21第五章 结论与建议245.1 结论245.2 建议24致谢25参考文献26附录27大连海洋大学本科毕业设计 摘要- 0 -摘要随着科技的不断发展，自动窗在人们日常生活中越来越得到了广泛的应用，同时人们对其安全性及各方面的性能的要求也越来越高。自动窗是随着人们对生活条件的不断追求，科技的不断发展应运而生的高科技产品。本设计中机械系统部分，采用直流电机驱动带转动，窗体体挂接在同步带上。当带转动时，带动窗体动作，实现开关。控制系统部分使用光敏电阻和雨水传感器作为感应器，检测到光线强弱及雨水变化时，将其转化为电信号，传给单片机。通过单片机控制直流电机，驱动传动机构,实现窗的自动开关。关键词: 自动窗，单片机，传感器。IAbstractWith the continuous development of science and technology, automatic window in Peoples Daily life interrupts a wide range of applications, its security and the properties of the demand is higher and higher. The automatic window is with people living conditions for the pursuit of science and technology, the development of high-tech products. This design use dc motor drive the ribbon running, by joining on the synchronous belt, the window can open and close automatically.In the control system, the inductor that this design using are photoresistance and rain sensor, when light and rainwater change, detection to human radiation of the infrared ray energy change turn it into electrical signals, to micro controller. DC motor as the window drive device. By the single-chip microcomputer controlling DC motor, and the DC motor driving transmission machine. the window open and close automatically.II大连海洋大学本科毕业设计 第一章 绪论Key words: automatic window, microcomputer ,sensor.- 1 -大连海洋大学本科毕业设计 第一章 绪论第一章 绪论1.1 自动窗设计背景窗户是我们生活中必不可少的房屋设计,他不仅能够采光而且可以使室内空气流通，如果室内的通风条件不好，空气流通不顺畅，不但会影响我们的心情，更容易滋生病菌，危害人类的健康，可见窗户可以给人类的生活带来了极大的方便与好处。随着科技及电子技术的发展，光控及湿度控制系统设计可以给人们的生活带来了很大的方便。为了保证日常生活环境的舒适，关键就是解决室内的通风问题。但通常的方法就是通过人工的去实现开关，然而问题就是人不是时时刻刻都能记得窗户的开关，自动窗却可以。不仅这样本设计还能自动改善室内空气。因此，本设计物美价廉、方便快捷。1.2 自动窗的工作原理自动窗的控制由驱动部分和传感器两部分组成，城市里大楼的窗户之多有成百上千个，如果在窗户上添加一个雨水传感器和光敏电阻，用于检测外界的天气状况，并在每个窗户旁安装上直流电机与滑轮皮带机构，传感器将检测到的光强度及天气的湿度状况信息传送到单片机上，通过单片机向直流电机发送信号，电机得电后转动，带动电机上的皮带，再通过皮带拉动窗户从而带动窗户的关闭与开启，就可自动保证室内良好的通风和防潮。1.3 自动窗的发展现状随着国民经济的不断增长与生活水平的 不断提高，我国对建筑节能的需求和认识在逐步提高，并已从无认识无法规的阶段逐步进入了高度重视与分布明确实施的法规化阶段，1996年颁布的民用建筑 节能设计标准要求建筑节能指标提高50%，1997年颁布的国家化学建材推广应用“九五”计划和2010年规划纲要规定新建节能建筑和既有住宅节能 改造工程必须使用节能窗，优先使用塑料窗，建设部、国家经贸委、质量技监局、建材局文件，建住房1999295号关于在住宅建设中淘汰落后产品的通 知中明确指出“积极开发生产、推广应用木塑复合窗、钢塑复合共挤节能保温窗及隔热保温型铝合金窗等新型节能窗”。以及其它建筑节能法规的颁布实施，表明 建筑节能的更进一步发展，已经成为我国经济技术发展中的一项重大举措。 在我国的建筑门窗产品市场上，铝门窗产品占的比例最大，为55%;其次是塑料门窗，占的比例为35%;钢门窗产品有6%的份额;其它材料的产品占了剩余的4%。我国金属门窗拥有巨大的市场和广阔的发展空间。建设情况通报建设部办公厅2000年2月18日第四期有数字显示：从1996年到1998年，每年分别建成城乡住宅12.22亿、12.75亿平方米，我们在2001年2010年间，按全国新建住宅及旧房改造每年需要12亿平米的建筑面积，建筑门窗量按20%计算，每年需要的门窗总量约为2.4亿平米，铝合金门窗量约9000万-1.3亿平米，塑料门窗量约3600万-7200万平米，其他为铝木复合窗，木窗，钢窗等。隐形纱窗约占门窗总量的41左右，约为6000万平米，可见需求之大。在近年的几年来，欧洲、北美、日、韩地区，住宅窗体产品启闭方式已开始向自动化方向发展。如德国的诺托、意大利的图兰朵、韩国的LG等，均有自动化窗体生产。在中国，自动窗正在逐步为人们所重视，不仅各种进口的自动窗和自动开窗器出现在中国的市场上，而且以天韵自动窗为代表的具备完全的自主知识产权，技术先进，功能完善的国产自动窗逐步成为国内市场的主体，越来越多的自动窗体被应用到各种建筑当中。由于自动窗是刚刚发展起来的新产品，还没有形成成熟、稳定的行业，尚未形成统一的行业标准和规范，因此目前市场上的自动窗产品在各个方面的差异非常大，多数产品还不能算是成熟、完善的自动窗。1.4 自动窗的发展趋势进入21世纪以来，人类在不断的通过自动化来代替人工操作,而自动窗就是其中之一,对于高楼而言,自动窗不仅解决了自然因素对室内的影响,而且省时省力,最主要的是安全,。人有疏忽大意的时候，可是机器不会，一个很好的机器可以保证在合适的时候为我们做出正确的选择，自动窗可以根据天气状况为我们营造舒适的室内环境，对我们的身心健康有积极的帮助。因此自动窗将越来越多的被人们所接受，而自动窗系统也将越来越多的应用于其他的领域，使得它有一个良好的发展前景。在不久的将来,自动窗控制室内环境也许已经不能让人满足,将集结合美观,安全等于一体,在众多的盗窃案件中,有很多就是通过窗户进入的,那么完全可以设计一个自动防盗装置,报警装置,那时自动窗将欲来越多的走进人们的生活,种种优势注定自动窗越来越智能。1.5 主要研究内容 本设计的主要是针对窗户的安全性、以及窗户的人性化进行研究，通过充分利用传感器与单片机结合，设计一个自动检测天气并自动开关窗实现保持室内环境舒适的功能。- 2 -大连海洋大学本科毕业设计 第二章 总体方案的选择与论证第二章 总体设计方案的选择与论证2.1 控制系统设计方案的选择与论证自动窗控制系统有许多特点： 总体上可以分为价格和结构两方面，自动窗不但结构简单，更是价格低廉。一般情况下，自动窗是以直流电机作为动力的，其它类型的自动窗和这种自动窗相比结构都比较复杂，价格也相对较高。本设计的一个主要优点就是可靠性较高，应用了光敏传感器与雨水传感器，在+12V电压下便可以工作，所以完全可以用蓄能电池作为其备用电源，进一步的提高了其可靠性，对于那些位置较高、不方便手动开关的外窗来说，实用性更好。但是因监测系统会受到外界各种因素的干扰所以会产生较大的偏差；又由于检测环境的复杂、以及各种干扰的影响，检测系统的稳定性和可靠性均会有不同程度的下降。2.1.1 光强传感器选择方案一：采用光敏电阻。光敏电阻为了能更好地吸收光一般情况下制成薄片状结构。光线的强弱与电阻的大小相关联。当光线较强时，半导体内原来处于稳态的电子因吸收了能量而被激发为自由电子。光照的强度越大电阻值就越小是总所周知的；相反，光照的强度越弱电阻值越大。光敏电阻是人类充分利用内光电效应的原理研制出来的一种电子器件。一般情况下，都是将光敏电阻的电极做成梳妆图案似的以提高其灵敏度。光敏电阻除了具有灵敏度高、反应快等优点外，在高温、多湿等等的恶劣环境下，依然能够稳定、可靠的工作。方案二：HA2003光照传感器。HA2003是一种把光信号转化为电信号然后再经调理电路的调节将该电压值转化为02V或420mA的光电转换模块。HA2003传感器不但具有耐腐蚀，响应速度快（1s的优点），而且还可以选用电压或电流作为输出。长距离传输时具有较强的抗干扰能力，量程为20020万lx 误差为7%但是价格昂贵。综上可知：由于光敏电阻随光照强度的变化其阻值随之而改变，又因它响应速度较快，灵敏度高，价格低廉而得到广泛的应用。所以，选用方案一较好。2.1.2 湿度传感器的选择方案一：采用HOS-201湿敏传感器。0100%RH是它所能够测量的范围的宽度， 050也就是要求他的工作温度范围是在这个区间的，一旦超过了这个区间，那么他的性能就有可能发生很大的变化，阻抗在75%RH（25）时的阻值为1M的高湿度开关传感器。传感器是用于控制开关的传感器，但它不能检测宽带带宽范围内的湿度，因此，它主要用于判断规定值以下或以上的湿度电平。方案二：采用HS1100/HS1101湿度传感器。这种传感器跟一个电容的性能差不多它的值都会因为一些因素的变化而发生变化，随空气湿度的增大其所测量的值随之而增大。1%100%RH是它能够检测的湿度的范围； 16pF 200pF是它的电容量的变化区间就这么大，误差范围是2%RH这么大；从这个角度来看它的灵敏度还是挺高的。响应时间则小于5S；温度系数为0.04Pf/。方案三：采用圆盘状的雨水传感器。圆盘状的雨水传感器的正反面上均印有两条平行的螺旋状的铜线，当外界下雨时，传感器上会有积水，该传感器的阻值会下降到很小很小，这样单片机就会收到一个低电平的信号，改传感器就是利用这个低电平的信号控制电动机的运转情况。从上面的一些方案可以看出来虽然说这三种方案都能够满足我们设计的一些要求，但是综合比较可以发现还是第三种方案是最划算的，因为第三种方案不但结构简单，反应灵敏更重要的是价钱相对于另两种两个来说较低；而方案二中的传感器要用到振荡电路，不但电路的设计相对较为复杂，而且其抗干扰能力较差。综合各种原因选用第三种来作为本次设计的雨水检测系统的传感器。 2.1.3 主控方案的选择方案一：采用单片机主控方案。采用集成的单片机主控，通过光照传感器和雨水传感器，将结果传送到单片机控制的主控器。方框图如下图1所示光敏电阻和雨水传感器单片机主控制器 图1 单片机主控方案框图方案二：采用PC机主控方案。如下图2所示： 当采用PC机作为主控制器时，光照信号和雨水信号的处理过程同上一方案相同，但采用鼠标代替键盘方式，如果使用PC机作为主控器，必须有相应的配套软件与之相适应，这就增加了编程的难度，PC机主控方案的框图如下：光强传感器和雨水传感器A/D转换器单片机控制的检测系统PC机主控器人机接口接口图2 PC机主控方案框图综上可以清楚的看出方案一简单明了，设计过程简单，控制方便，因此选用第一种方案。2.2 系统方案综上所述，光强传感器采用第一种方案，湿度传感器采用第三种方案，主控部分采用第一种方案。根据所设计的任务和要求，控制器采用单片机STC89C52RC,光强传感器采用光敏电阻，湿度传感器采用雨水传感器，系统设计方框如如图所示：晶振电路复位电路STC89C52RC雨水传感器光敏电阻直流电机驱动模块光电耦合器控制电路图3 系统总体方案设计2.3 机械传动系统方案的选择机械传动系统的工作原理：由电机拉动皮带再通过连接件拉动窗户右半叶,从而实现窗户的开关。机械系统组成:电机、主动轮、从动轮、皮带、连接件、窗体。因为窗体是日常生活中常见的铝合金窗体，电机用的是12V直流电机驱动，所以这样的设计不仅简单而且实用，成本低，能够普遍的应用于生活当中。1.从动轮 2.窗体左半叶 3.窗体右半叶 4.连接件 5.主动轮图4 机械传动方案示意图- 6 -大连海洋大学本科毕业设计 第三章 控制系统详细设计第三章 控制系统详细设计3.1 硬件介绍3.1.1 STC89C52RC单片机的结构9(1) 特征STC89C52RC集中了其他众多单片机的优点于身上，比如集中了FLASH程序的编程和在线编程之类的东西，这就使得低价位的单片机取代高价位的应用在各种控制领域。 STC89C52RC单片机具有低功耗和高性能等优点，广泛应用于可用干电池供电的系统的便携式产品的设计中。主要特性如下：1. 2*8位内部RAM数据存储空间，8K字节的可重擦写Flash闪烁内存，内带2K字节的EEPROM存储空间；2. 其工作频率范围为：040MHz，相当于普通8051单片机的080MHz。3. 32根可编程I/O线；4. 共6个中断源，其中外部中断源两个；5. 其工作温度范围：-40+85； 由于该设计需要将编写好的编写程序下载到单片机中，所以要求单片机必须具有足够的存储空间，它具有8K字节的Flash完全能满足要求。32位的I/O口线能够使单片机与光敏电阻、雨水传感器、键盘电路、按键电路和直流电机等的连接变得可能。16位的定时器使读取数据变得更加简单，同时该结构不但有利于晶振电路及复位电路的连接，它还能够在断电状态时保存RAM内的数据。把它跟80C51单片机作比较的情况下，它的优点就更多了因为它可以省下一笔买烧写器的钱这样的话就比较方便了。（2）STC89C52RC的引脚功能及连接 引脚图如下图5所示。图5 引脚图 VCC(40):接电源。 GND(20):接地。P0口（3932）：P0端口不但可以作为通用输入输出口使用，另一方面它还有第二功能，这是大家都比较熟悉的，但使用时要先对锁存器写“1”，这的准双向口的要求；也可以作为输出，输出时8个74LS类型的TTL负载都能够被它驱动起来。P1口（18）：P1端口只可以作为通用的I/O端口来用，因为它没有像P0、P2、P3那样有第二功能，但是它内部有上拉电阻，这一点要清楚，可以作为输入也得先给它的锁存器写“1”，这是准双向口的硬性的要求；也可以作为输出，输出时它不像P0能驱动8个，但是它每位能却能够驱动4个74LS类型的TTL负载。 P2口（2128）： P2端口除了可以作为通用的I/O口使用之外，它还具有第二功能，它的内部也有上拉电阻，作为输入也不例外也要先对锁存器写“1”，这也是准双向口的一个硬性的要求；也可以作为输出，输出时每位能驱动4个74LS类型的TTL负载。P3口（1017）: P1端口除了可以作为通用I/O口使用之外，它也像P0、P2一样也有第二功能，内部也一样上拉电阻，作为输入也得先对锁存器写“1”，这是准双向口的要求；也可以作为输出，输出时每位能驱动4个74LS类型的TTL负载。 P3口也作为AT89C51的一些特殊功能口： 表1 P3端口的第二功能 RST(9):复位信号输入端。高电平有效。给单片机复位用的一个端口。 ALE/PROG(30):该频率为振荡器频率的1/6，访问外部存储器时，ALE输出的脉冲下降沿用于锁存P0口输出的低8位地址线，与P2口结合形成16位地址线；在不访问外部存储器时，该引脚仍以不变的频率周期性的输出脉冲信号，可以用作对外部输出的时钟或定时的目的。 PSEN(29):外部程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。从外部程序读取指令或常数期间，该信号在每个机器周期两次有效，在访问片外数据存储器期间，该信号不出现。 EA/VPP(31):片外程序存储器选用端，低电平有效。要想访问内部程序存储器，那么你就要把这个引脚上加上高电平才可以；当PC值超过片内程序存储器空间时，则自动转向外部程序存储器的程序。如果只访问外部程序存储器，而不管内部是否有程序存储器，应当把这个引脚上加上低电平才可以。 XTAL1(19):外接晶体振荡器的一端。它是片内振荡电路中反向放大器的输入端。XTAL2（18）：来自反向振荡器的输入。3.1.2 光敏电阻（1） 光敏电阻的特性 光敏电阻为了更好地吸收光一般情况下制成薄片结构。光线的强弱与电阻阻值的大小有相当大的关系。当光线较强时，半导体内原来处于稳态的电子因吸收了能量而被激发的电子称为自由电子，光线越强，激发的电子就越多，那么阻值就会减小，反之则阻值大。它的原理结构如下图所示：图6 光敏电阻的原理结构基本特性及其主要参数：(1).暗电阻、亮电阻暗电阻是指在无光照的条件下的电阻值。在此条件下的电流为暗电流。如MG41-21型光敏电阻暗阻0.1M。亮电阻或亮阻是指在在有光的条件下的电阻值。在此条件下的电流也称为亮电流。(2).伏安特性由于耗散功率小的缘故，加在其两端的电压不能过高，否则将损坏该器件。图中的那些虚线就是允许的功耗曲线。 图7 光敏电阻的伏安特性曲线1.光照特性光照特性是指电压一定的条件下，光电流和入射到光敏电阻上的光照强度间的关系。光敏电阻的缺点就是因为它不是线性的关系的一般情况下不要用它来作为那些敏感的元器件来用，以免影响测试的性能。图8 光敏电阻的光照特性曲线2.光谱特性光敏电阻的灵敏度随光的波长的不同而不同，这种现象便是光敏电阻的光谱特性。制作光敏电阻的材料及掺杂浓度会改变它的光谱灵敏度。其特性曲线如下图所示：图9 光敏电阻的光谱特性曲线3.光电特性光电特性是指光敏电阻的光电流和光照间的关系。它的特性曲线如下图10所示： 图10 光敏电阻的光电特性曲线4.光敏电阻接口电路结构光敏电阻是利用内光电效应来工作采用半导体材料制成的光电组元件。因光敏电阻没有极性，是一个纯电阻器件，它的阻值随光强的增强而减小，随光强的减弱而增大。光敏电阻和单片机的接口电路如下图11所示：图11 光敏电阻接口电路原理图注:光敏电阻元件并接在比较电路的负输入端,因此会有以下两种情况: 1).光照强时: 光敏电阻接地端阻值最大，使得比较电路负输入端电压为高电平，所以此时输出端输出低电平； 2）.光照弱时：光敏电阻接地端阻值趋近无穷小，使得比较电路负输入端接地，输出端输出高电平。 3.1.3 雨水传感器1.特性：1.工作电压：直流10V16V2.工作电流：200mA3.工作温度：-20854.感应物质：雨水、雾水、雪2.圆盘状雨水传感器接口电路结构：圆盘状的雨水传感器的正反面上均印有两条平行的螺旋状的铜线，当外界下雨、起雾或下雪时，雨水传感器上会有水，传感器上的两条铜线之间便被水连接而导通，圆盘状雨水传感器的阻值由原来的无穷大变为几乎为零，则与单片机相连的rain端的电平由高电平变为低电平，并将此电平传送给单片机，从而使单片机做相应反应。雨水传感器与单片机的接口电路如图12所示：图12 雨水传感器接口电路原理图3.1.4 DS1232芯片DS1232芯片它能够监视电源，是具有看门狗功能的芯片，设计复位电路时常用这个芯片。1. 产品特点：（1）.能防止单片机死机。（2）.看门狗清零指令和睡眠指令不仅可以使看门狗定时器清零，还可以同时把预分频器清零。（3）.喂狗的时机。一般安排在等待查询的循环体内、耗时很大的函数体内或主程序任务队列中而不安排在定时器中断服务程序中。（4）.在噪声环境下工作时，OPTION寄存器可能会受到干扰而改变。 该芯片的引脚如图13所示图13 DS1232的引脚图2. 引脚定义:PBRST：按钮复位输入端；TD：定时器延时设置。接地时，脉冲间隔不应超过150ms；如果不连接，则不得超过600ms；如果连接电源，则不得超过1.2ms；TOL： 5%或10%的电压监测选择端。 GND：地线；RST：高电平有效复位输出端；RST: 低电平有效复位输出端；ST：周期输入端；VCC：电源。在系统工作时，芯片DS1232不断的给引脚7输入一脉冲系列，由引脚2来设定该脉冲的时间间隔，如果大于设定的值则将强制使系统复位。图14 DS1232的应用电路图14 DS1232的应用原理图，TD接+5V电源时，输入给看门狗的脉冲间隔不应超过1.2秒；TOL接地，当电源电压低于4.75V时便会引起该芯片输出复位脉冲；DS1232的功能为电源电压监视、按键复位、定时功能 看门狗定时器周期输入信号ST可从微处理器的地址信号、控制信号或数据信号中获得，不论哪种信号均必须能够周期性的访问DS1232，对MCS51系列单片机，推荐使用ALE信号。DS1232内部第6引脚没上拉电阻，只有当在该引脚上外接一上拉电阻才可以使单片机别的外围接口芯片用低电平复位。3.1.5 TA8050P电机驱动芯片该TA8050P是一个电机直接驱动驱动器双向DC电机。输入DI1和DI2相结合，实现前进、反向、停止和制动模式。由于输入是TTL兼容的，这IC可以直接控制一CPU或其他控制系统，该IC也有各种保护功能。特点：1. 电容量：1.5A2. 四种模式：前进、后退、停止、制动3. 工作电源电压范围：VCC=6V16V4. 热关断、短路保护、过压关断保护功能5. 内置二极管抵消反电动势6. HSOP-20Pin电源平面包装表2 芯片引脚说明表3 电机正反启停控制表注：表中H为高电平，L为低电平，控制状态依次为:停止，前进，反向，关闭。3.2 单片机控制电路时钟电路是用于产生单片机工作所需要的时钟信号。时钟信号则可以由两种方式产生：即内部时钟方式与外部时钟方式。内部时钟方式，它是采用外接晶体与电容组成的并联谐振电路，该晶体可以在1.2Hz12Hz之间任选，且电容可以在20pF60pF之间选择。引脚XTAL1与XTAL2分别是该放大器的输入端与输出端。把放大器和作为反馈元件的晶体振荡器或者陶瓷谐振器连接，便构成了内部自激振荡器并且产生振荡时钟脉冲。该设计采用内部振荡的方式，外接晶体及电容C1与C2构成并联谐振电路，并接在STC89C52RC芯片的XTAL1和XTAL2端一块构成测控主电路时钟。当外接晶体时，选C1与C2的值为30pF，为提高温度的稳定性，通常情况下晶体可在1.2MHz12MHz之间选择。采用按键复位电路使单片机复位的原理为：按钮没有按下时，RESET端保持低电平，单片机正常运行；当按钮按下后，电容的负端将被充电到VCC(负端积累电荷)，当按钮松开后，电容负端积累的电荷会缓慢放电到低电平，而高电平会在该过程中维持一段时间，进而完成单片机的复位。对电容充电是在电容两端积累电荷，进而形成一定的电势差。光敏电阻，雨水传感器,它们所需电源都为+5V，因而电源设计只需设计一+5V电源。3.3 直流电机的接口电路设计所有的电机都是在电磁力和电磁感应的基础上经过进一步的研究设计出来的，直流电机也不例外。 简化结构为图15所示，图15 直流电动机的工作原理图如上图所示，直流电动机的定子上具有一对方向固定的磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别连在两个换向片上（换向片随电枢旋转旋转），换向片上压着电刷A和B（电刷是固定不动的），直流电源通过电刷引入电枢绕组。直流电源的极性及流过电枢的电流方向如图所示。通电导体在磁场中受到电磁力的作用，该力的方向可根据左手定则确定，由此可判断出从换向器这一侧看过去，电枢受到逆时针方向的电磁转矩，电枢逆时针方向旋转。当电枢绕组的ab段从N极下转到S极下时，如果流过其中的电流方向不变，则该段导体受到的电磁力方向改变，电枢受到顺时针方向的电磁转矩的作用。由上可知，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩的作用，必须保证每个磁极下绕组中的电流始终是一个方向。即电枢绕组中的电流方向随着所在磁极的不同而改变，即电流是交变的。而这正是由换向片和点数啊来实现的，它们把直流电源转换为电枢绕组中的交流电，使电枢受到方向不变的磁转矩的作用，从而能连续运转。直流电动机电枢绕组中的电流与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。电磁转矩的大小为： T=KTIa式中，T是电磁转矩，Nm； 是主磁极磁通,Wb； K是与电动机结构有关的常数； Ia是电枢电流，A。让电枢转动起来的那个转矩是电机的驱动转矩。因此，电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡。负载大小的变化直接影响到电机的转速的高低。比如，当负载增加时，电磁转矩小于转矩，转速下降。在磁通不变的条件下，反电动势E必将减少，而电枢电流将增加，则电磁转矩也随之增加。直到电磁转矩与阻转矩达到新的平衡后，转速不再下降，而电动机以较原先相对低的转速稳定运行。图16 直流电机接口原理图3.4 光电耦合电路TLP521-2光电耦合电器是广泛应用在电脑终端、测量仪器、影印机、风扇等电路间的可控制的光电耦合器件，把前端与负载完全隔离，这样不但可以大大的提高安全性，还可以减小外部对电路干扰，使电路设计更为简单。该TLP521-2提供了两个孤立地光耦8引脚塑料封装， 光电耦合器的特点：光电耦合器的主要优点：单向传输信号、抗干扰能力强、使用寿命长、输入端和输出端完全实现了电气隔离、传输效率高等。线性光耦合器在单片机的开关电源中可以构成光耦合反馈电路，为达到精密稳压的目的常通过调节控制端的电流来改变占空比的方法来实现。注意事项：本产品的可靠性会在连续负载较重的情况下明显下降甚至损坏光电耦合电路主要是有光电耦合器TLP521-2、二极管及行程开关等几部分组成。该电路主要是用于当窗户关闭到一定程度时通过给单片机发送低电平来控制电机的停转，同时标示此时窗户的开关情况。接口电路的原理图如下图17所示图17 光电耦合电路的原理图窗户开关是靠电机控制，为了能让电机在合适的时候停转，同时检测窗体的开关状态，所以设计了光电耦合电路，下面详细介绍工作原理：1）.当窗户开到一定程度时,触碰开关S2,上边的灯亮使得forward接地,低电平信号送往单片机forward,单片机控制电机停转，同时此时forward能标志窗户为开启状态；2）.当窗户关到一定程度时,触碰开关S3,下边的灯亮使得backward接地,低电平信号送往单片机backward,单片机控制电机停转，同时此时backward能标志窗户为关闭状态。- 18 -大连海洋大学本科毕业设计 第四章 机械部分具体设计第四章 机械部分具体设计4.1 直流电机的选择直流电机用110WS系列,型号110WS002,功率300W,电压12V,转速1500n/min,机身长145mm。如下图： 图18 电机示意图4.2 主动轴的设计主动轴的设计尺寸如下图：图19 主动轴尺寸图（1）按强度估算轴的直径选用45#调质,硬度220250HBS轴的输入功率=300W转速根据【1】中15-2式，并查表15-3，取C=125 式中：d-轴的直径， mm； P-轴传递的额定功率，KW； n-轴的转速，r/min； C-系数，见【1】中表15-2；带轮主动轴揩油两个键槽且直径小于100mm，最小直径应增大15%，则最小直径应为8.41mm。（2）确定轴的各段直径和长度从右起第一段，轴径取=20mm,长度根据联轴器规格，及其端盖厚度来设计，第一段长度=70mm。右起第二段，该段装有深沟球轴承，选用16005，所以直径=25mm，根据轴承、调整环、垫圈的宽度，确定第二段的长度=25mm。右起第三段，该段装有带轮，带轮的宽度为50，内径为30，所以取=30mm，长度=46mm。右起第四段，为轴承的定位轴肩，取=35mm，长度=4mm。右起第五段，该段装有深沟球轴承，选用16005，所以直径=25mm，根据轴承定位环、垫圈、轴承宽度，取其长度=21mm。4.3 部分零部件件的二维及三维图图20 带轮的二维图图21 主动轴三维图图22 带轮的三维图图23 二维装配图图24 装配三维图- 23 -大连海洋大学本科毕业设计 附录- 25 -大连海洋大学本科毕业设计 第五章 结论与建议- 25 -大连海洋大学本科毕业设计 第五章 结论与建议第五章 结论与建议 5.1 结论此系统基本能够很好的完成设计要求，达到设计目的。能够很好随天气变化而自动开关窗.此系统有以下几个特点：（1） 机械系统结构紧凑，设计合理。采用单片机控制，能够很好的实现动作完成。（2） 系统简单明了容易操作。（3） 该系统解决了高楼关窗的安全问题。（4） 系统的制作成本低，能够被广大群众所接受。（5） 系统工作电压在安全电压以下,没有安全隐患。随着设计的不断深入，我越来越来发现自动窗的功能还不完善，还有很多地方需要改进和补充。这样就能使它的功能更加强大、更加完美。比如可以加一个人工遥控系统,使它与自动控制系统结合，这样人工遥控可以满足主人的不同需求，同时自动控制系统又能满足设计要求。5.2 建议（1）加入检测其他天气的传感器是它能应对多变的天气。（2）对窗户改进增加防盗功能。（3）改进机械机构设计，使开窗方式多样化。- 24 -大连海洋大学本科毕业设计 致谢致谢历时将近两个月的时间终于将该设计设计完成，在设计过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师魏洪磊老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮