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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
設(shè)計(jì)(論文)題目： 智能窗戶的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名：
二級(jí)學(xué)院：
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摘要 III
Abstract IV
1 緒論 1
１.１智能窗戶研究的背景及意義 1
１.２智能窗戶的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 1
１.３智能窗戶的的研究內(nèi)容 1
２ 智能窗戶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1
２.１智能窗戶的控制要求 1
２.２ 確定智能窗戶執(zhí)行方案 1
２.３ 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2
３智能窗戶硬件設(shè)計(jì)與選型計(jì)算 4
３.１ 智能窗戶的組成參數(shù) 4
３.２ 滾珠絲杠副的尺寸選擇計(jì)算 4
３.３聯(lián)軸器選型 6
３.４電動(dòng)機(jī)選型與校核 6
３.５傳感元件選型 9
３.６按鈕及指示燈、蜂鳴器的選擇 11
４智能窗戶控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13
４.１ PLC的選擇 13
４.２I/O端口的分配 13
４.３外部接線圖 14
４.４系統(tǒng)的元器件清單 17
５軟件實(shí)現(xiàn) 18
５.１系統(tǒng)程序流程圖 18
５．２ＰＬＣ編程 19
６ 結(jié)論 24
參考文獻(xiàn) 25
致謝 26
IV
摘要
智能窗戶的設(shè)計(jì)
摘要
我們現(xiàn)在使用的設(shè)備在家大部分關(guān)閉人工方式，不具有自動(dòng)防風(fēng)防雨防盜功能，和防止陌生人進(jìn)入。為了實(shí)現(xiàn)智能控制，本設(shè)計(jì)采用可編程控制器和傳感器，采用可編程控制器，將脈沖信號(hào)發(fā)送給家庭，構(gòu)成一個(gè)家庭的智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)智能家庭。窗戶的智能化控制是以檢測傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，將可編程控制器作為控制單元，使窗體在面臨不同的外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。將智能化控制應(yīng)用于家居窗戶保證了家居的安防工作，提高上班族的生活質(zhì)量，具有高敏度，安全可靠，應(yīng)用廣泛的特點(diǎn)。
本文設(shè)計(jì)一套由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、溫濕度傳感器、風(fēng)速傳感器等主要設(shè)備構(gòu)成的全自動(dòng)化智能窗戶。本設(shè)計(jì)研究的主要內(nèi)容是通過數(shù)據(jù)檢測電路連續(xù)檢測室外溫度和濕度，當(dāng)外界濕度達(dá)到一定時(shí)間（下雨）時(shí)，窗戶將自動(dòng)關(guān)閉，以防止空氣或水的水分進(jìn)入房間；此外，使用可編程控制器自動(dòng)控制、大風(fēng)、暗、報(bào)警自動(dòng)關(guān)閉窗口編程完成。
隨著各種便于生活的自動(dòng)控制系統(tǒng)逐漸滲透人們的生活，未來家居的智能化必然是一種新的發(fā)展趨勢，市面上能提高生活舒適性、便捷性的產(chǎn)品需求量將會(huì)愈來愈大。因而，本文的設(shè)計(jì)研究有其重要的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：智能窗戶；滾珠絲杠；步進(jìn)電機(jī)；PLC 傳感器
?。粒猓螅簦颍幔悖?
The design of intelligent window
Abstract
We now use the equipment in the home most close artificial way, does not have the automatic windproof, rainproof and theftproof function, and prevent access to the stranger. In order to realize the intelligent control. The design using programmable controller and sensors, programmable controller with pulse signal is sent to the family, constitute a family of intelligent control and management, realize intelligent home. Intelligent control of windows is based on the detection of sensing technology, the programmable controller as a control unit, so that the form in the face of different external environment to achieve automatic control. The application of intelligent control in home windows to ensure the security of home work, improve the quality of life of office workers, with Gao Min, safe, reliable, widely used features.
In this paper, we design a set of automatic intelligent windows, which is composed of a stepper motor, ball screw, temperature and humidity sensors, wind speed sensors and other main equipment. Through data detection circuit continuous detection of outdoor temperature and humidity is the main content of the design of the study, when the outside humidity to a certain period of time (rain), windows will automatically shut down, to prevent moisture from the air or water enters the room. In addition, the use of PLC automatic control system, wind, and dark, and alarm automatically shut the windows programming to complete.
With the automatic control system to make it easier for life gradually infiltration of people's lives and the future home of the intelligent must be a new development trend, the market can improve the comfort of living and more convenient products demand will become larger and larger. Therefore, the design and research of this paper has important practical value.
Keywords：Intelligent windows ball screw a stepper motor PLC
第１章 緒論
1 緒論
１.１智能窗戶研究的背景及意義
社會(huì)在進(jìn)步，人們生活水平在迅速提高，各種生活便利的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在人們的生活中扎根，智能建筑已深入到多個(gè)領(lǐng)域，未來的智能家居必然是一個(gè)發(fā)展趨勢。要求以生活方便及提高舒適性為目的，進(jìn)行智能窗戶的設(shè)計(jì)，以此為題進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)際意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值；同時(shí)也有助于學(xué)生實(shí)現(xiàn)控制器、執(zhí)行器和傳感器等知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，提高了知識(shí)和技能理論的綜合應(yīng)用能力，提高了數(shù)據(jù)檢索的能力和解決實(shí)際問題的能力。
因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的智能窗是以智能家居為背景，采用可編程控制器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全技術(shù)和應(yīng)用的傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能窗系統(tǒng)，窗口切換動(dòng)作可以是一個(gè)可靠和環(huán)境中的異常情況，如風(fēng)、雨、天黑、陌生人自動(dòng)識(shí)別等。以便人們能夠更安心的工作，同時(shí)也保證居民生活的舒適以及生命財(cái)產(chǎn)不受威脅。
１.２智能窗戶的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
現(xiàn)在的智能窗戶系統(tǒng)一般由控制器、傳感器以及驅(qū)動(dòng)元器件等組成，主要包含了聲、光、電、機(jī)、通訊等設(shè)備，同時(shí)也是未來智能窗戶設(shè)計(jì)的理想選擇，這也是本設(shè)計(jì)的主要研究方向和目標(biāo)。主要利用PLC的智能化控制，以傳感器為中間傳輸器件，獎(jiǎng)信號(hào)傳給PLC，通過控制電機(jī)來控制窗戶開合。PLC作為控制核心，智能性高，邏輯控制能力強(qiáng)，還具有通訊功能，并且體積與功耗較小，利用率較高。通過它控制窗戶的開合，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)或者封閉功能，從而實(shí)現(xiàn)各種保護(hù)功能。
１.３智能窗戶的的研究內(nèi)容
本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是采用PLC智能控制，風(fēng)、雨、天黑均能自動(dòng)關(guān)閉窗戶和防止盜情出現(xiàn)等功能，PLC完成編程并實(shí)現(xiàn)各種操作。
設(shè)計(jì)過程中，調(diào)研現(xiàn)有智能窗戶的市場現(xiàn)狀并進(jìn)行分析；智能窗戶的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括總體方案，各功能元的安裝方案；結(jié)合西門子PLC、傳感器及機(jī)電控制技術(shù)方面的知識(shí)進(jìn)行智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括主控制端程序設(shè)計(jì)、輔助功能單元程序設(shè)計(jì)；根據(jù)所設(shè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇檢測傳感電路以及各傳感元件；用可編程控制器（PLC）輸入程序?qū)崿F(xiàn)風(fēng)大自動(dòng)關(guān)窗、下雨天自動(dòng)關(guān)窗、天黑自動(dòng)關(guān)窗、防盜以及煤煙報(bào)警等一系列功能。
擬解決的問題主要包括：對(duì)現(xiàn)有的智能窗戶及相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行市場調(diào)研；智能窗戶總體方案及其程序設(shè)計(jì)，包括窗體開合的執(zhí)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主控系統(tǒng)及各功能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保其便捷性及舒適性；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型；軸承的選擇；滾珠絲杠的選擇、檢測傳感器設(shè)計(jì)以及各傳感元件的選擇等。
1
第２章 智能窗戶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
２ 智能窗戶總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
２.１智能窗戶的控制要求
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要是基于PLC的控制，根據(jù)外界的空氣狀況、室內(nèi)情況以及陌生人的接近控制窗戶的開合。
本設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)控制要求：
1）當(dāng)室內(nèi)溫度超過30度時(shí)可以自動(dòng)開窗換氣，保證室內(nèi)空氣的清新（此時(shí)指在沒有風(fēng)雨天氣和盜情的基礎(chǔ)上）；
2）若室內(nèi)的濕度達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)（此時(shí)數(shù)值可以自己設(shè)定），窗戶可以自動(dòng)開啟以通風(fēng)換氣；
3）若室外風(fēng)力超過一定等級(jí)時(shí)（風(fēng)級(jí)自己設(shè)定），由傳感器檢測到信號(hào)，并傳給PLC，控制窗戶的關(guān)閉；
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PLC，由其控制窗戶的關(guān)閉；
5）當(dāng)有人駐留在窗口時(shí)，將阻止紅外探測器發(fā)射和接收路徑，設(shè)置一定時(shí)間后窗戶將被關(guān)閉，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)；
6）若天氣由白到黑時(shí)，光控傳感器會(huì)接收到信號(hào)，并將其傳給PLC，控制窗戶的關(guān)閉。
２.２ 確定智能窗戶執(zhí)行方案
智能窗戶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多種多樣，現(xiàn)在對(duì)其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，最后確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。
方案一：設(shè)計(jì)為齒輪齒條結(jié)構(gòu)，其主要部分是齒輪傳動(dòng)馬達(dá)，齒條和小齒輪，將窗框的底部機(jī)架被固定在墻壁上，將主動(dòng)齒輪與電動(dòng)機(jī)同軸連接并裝入窗體內(nèi)，放置在固定窗一側(cè)（右側(cè)），窗體內(nèi)同時(shí)安裝有與主動(dòng)輪相同尺寸的從動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪在上，從動(dòng)齒輪在下，從動(dòng)齒輪與齒條嚙合，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而主動(dòng)齒輪帶動(dòng)從動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過齒輪齒條的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為窗體的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)窗戶的開啟和關(guān)閉。
方案二：設(shè)計(jì)繞線輪和定滑輪復(fù)合結(jié)構(gòu)，其主要組成部分為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、減速器、繞線輪、牽引繩、定滑輪和系繩樁。電機(jī)固定在窗戶底架上，輸出端通過繞線輪和另一端的定滑輪收放使用，拉伸樁固定在窗扇上，通過移動(dòng)拉伸樁的位置從而實(shí)現(xiàn)窗戶的開啟與關(guān)閉。
方案三：利用滾珠絲杠，其主要組成部分有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、軸承、滾珠絲杠和滾珠螺母等。把滾珠絲杠副放置在窗框的底部并固定在墻體內(nèi)，兩端用軸承聯(lián)接，其中一端安裝聯(lián)軸器，使之與步進(jìn)電機(jī)相連，而PLC作為核心部分，通過接收傳感器的信號(hào)，并用其控制電機(jī)，以此來達(dá)到控制窗戶的開啟和關(guān)閉。
比較三個(gè)方案，分析優(yōu)缺點(diǎn)：
方案一：本方案中使用了齒輪齒條結(jié)構(gòu)，性能穩(wěn)定，傳動(dòng)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；但齒輪齒條結(jié)構(gòu)存在齒側(cè)間隙。
方案二：本方案中采用了定滑輪機(jī)構(gòu)，窗扇在繞線輪和定滑輪的搭配使用下能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開合，并且機(jī)構(gòu)簡單，但不適用于多次啟停場合，磨損較大。
方案三：結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)精度高，且不易磨損，并且使用壽命長，能完成窗戶操作的制定動(dòng)作。
綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇方案三進(jìn)行設(shè)計(jì)。
可設(shè)計(jì)出窗體模型如圖2.2.1所示。
智能窗戶的動(dòng)力源為２４Ｖ的步進(jìn)電機(jī)，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟和關(guān)閉。
2.2.1智能窗戶模型
２.３ 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
２.３.１智能窗戶控制原理
智能窗戶目的是為用戶提供優(yōu)質(zhì)便捷的家居環(huán)境，該裝置是采用步進(jìn)電機(jī)和絲杠的傳動(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。若室外風(fēng)力超過一定等級(jí)時(shí)（設(shè)置為5級(jí)），由風(fēng)速傳感器檢測到信號(hào)，并傳給PLC，PLC控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)軸承旋轉(zhuǎn)，軸承上裝有滾珠絲杠（滾珠絲杠是一種機(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)，并且運(yùn)行精度較高），通過滾珠絲杠帶動(dòng)活動(dòng)窗體來控制窗戶的關(guān)閉；若外界有雨時(shí)，濕度傳感器感應(yīng)到信號(hào)，并將其傳給PLC，由其控制窗戶的關(guān)閉；若天氣由白到黑時(shí)，光控傳感器會(huì)接收到信號(hào)，并將其傳給PLC，控制窗戶的關(guān)閉；若有陌生人駐留在窗口時(shí)，將阻止紅外探測器發(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)檢測正常才執(zhí)行窗戶。若檢測元件某部分失靈，無法接收信號(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)原理框圖如圖2.3.1所示
２.３.２ 系統(tǒng)組成
在智能化控制系統(tǒng)中一般采用單片機(jī)或是PLC作為核心控制元件。本設(shè)計(jì)采用PLC編程軟件運(yùn)行的形式，可大大提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，避免使用過多的繼電器，復(fù)雜系統(tǒng)，簡化了整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；可以實(shí)現(xiàn)故障檢測與報(bào)警指示，確保運(yùn)行安全和監(jiān)測；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，中間操作無需承擔(dān)較多的費(fèi)用。
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第３章 智能窗戶硬件設(shè)計(jì)與選型計(jì)算
３智能窗戶硬件設(shè)計(jì)與選型計(jì)算
３.１ 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3.1.1所示。窗體移動(dòng)速度為4m/min，重w=10kg，尺寸1500mm600mm，定位精度20um，重復(fù)定位精度15um，摩擦因數(shù)u=0.2。
步進(jìn)電機(jī)機(jī)
聯(lián)軸器
軸承
（固定端）
軸承
（支撐端）
滾珠絲杠
滾珠螺旋副
圖3.1.1 窗戶的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成
３.２ 滾珠絲杠副的尺寸選擇計(jì)算
３.２.１初算導(dǎo)程：
其中，Vmax：滾珠絲杠副最大移動(dòng)速度；
nmax：滾珠絲杠最大相對(duì)轉(zhuǎn)速；
查表5.2-6[17]標(biāo)準(zhǔn)值得，Ph=10mm，d0=16mm
Ph：滾珠絲杠的導(dǎo)程；：滾珠絲杠公稱直徑
３.２.２額定動(dòng)載荷Cam：
其中，fw：載荷性質(zhì)原數(shù)，表5.2-19[17]，取1.2；
Ls：預(yù)期工作距離，取400mm；
Fa：精度系數(shù)，表5.1-1[17]，取0.8；
Fc：可靠性系數(shù)，表5.1-2[17]，取1；
Fm：最大軸向載荷，約為1000N。
３.２.３估算絲杠允許最大軸向變形：
空載時(shí)影響最大的軸向作用載荷是靜摩擦力，當(dāng)移動(dòng)部件在剛度處啟動(dòng)和反向時(shí)，由于方向變化將產(chǎn)生誤差2/（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
δｍ′= δｍ″
則取兩者中較小值，即δm= 5 μm
３.２.４估算滾珠絲杠最小螺紋底徑dzm:
其中， ；
L：絲杠兩軸承支撐之間的距離，取+（10～14）Ph=460mm；
其中行程取值320mm
a:支承方式系數(shù)，兩端固定時(shí)，取0.039；
：滾珠絲杠允許的最大軸向變形；
：導(dǎo)軌靜摩擦力；
：靜摩擦系數(shù)。
３.２.５確定絲杠的規(guī)格型號(hào)：
查表5.2-3[17]選定外循環(huán)螺旋槽式L型；又根據(jù)表5.2-13[17]按上述估算的Ph、Cam及dzm的值，選出合適的規(guī)格：CMF1204-2.5。
３.２.６計(jì)算預(yù)緊力Fp：
Fp=bCa=0.052500=125N
其中，系數(shù)b:對(duì)一般載荷取0.05；
Ca:絲杠尺寸系列及性能參數(shù)表中的額定動(dòng)載荷。
３.２.７計(jì)算行程補(bǔ)償值C:
其中，lu：滾珠絲杠的當(dāng)前有效行程，取行程+（8～14）Ph=320+80=400mm；
：溫度變化值，取。
３.２.８預(yù)拉伸力Ft：
其中，dz：絲杠螺紋底徑。
３.２.９?jié)L動(dòng)軸承型號(hào)選擇：
選型原因：除了滾珠絲杠副要求精度高，還要求支撐的設(shè)計(jì)要滿足高精度、高剛度。注意對(duì)于軸向剛度，摩擦力矩，高精度運(yùn)動(dòng)軸承等的選擇。螺釘主要承受軸向載荷（徑向載荷除外）。在一般情況下，主軸承螺釘無外部負(fù)載時(shí)，需要更高的精度和軸向剛度，摩擦力矩要盡可能小。
組配方式：背靠背組配，此類組配方式，力的作用線相外側(cè)發(fā)散，使得軸承有效支點(diǎn)距離增大，這種組配方式可以同時(shí)承受軸向載荷和徑向載荷，并且承受傾斜力矩的能力較高。
因此，選擇600接觸角推力角接觸球軸承，查表選定7602012TN。
３.３聯(lián)軸器選型
選定金屬滑塊聯(lián)軸器，查表3-14-8[17]，取D=70mm，m=0.45kg
３.４電動(dòng)機(jī)選型與校核
３.４.１電動(dòng)機(jī)選擇計(jì)算
（1)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：
（2）加在電動(dòng)軸上的負(fù)載慣量Jd：
滑動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
設(shè)滾珠絲杠的材料為鐵，其密度為
聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
則加載在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量為：
（3)加載在軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL：
(4)電動(dòng)機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩Ta:
：加速時(shí)間常數(shù)取0.1s
：電機(jī)慣量（kgCmS2）
:負(fù)載慣量（kgCmS2）
（5）加載在電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)矩Teq：
（6）電動(dòng)機(jī)選型：
取電動(dòng)機(jī)的安全系數(shù)K=2，則必需轉(zhuǎn)矩（）：
查表25-2-30[17]，初定型號(hào)為ZS56Q-02741，其轉(zhuǎn)子慣量
則有：
而ZS56Q-02741的保持扭矩為0.5>0.353，步距角θ=。
（7）電動(dòng)機(jī)驗(yàn)算：
窗體最大運(yùn)行速度對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為,
則對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率為：
由圖25-2-10[17]中距頻曲線可得出，此脈沖頻率情況下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩大于Teq，即電動(dòng)機(jī)滿足要求。
圖25-2-10 距頻曲線圖
步進(jìn)電機(jī)ZS56Q-02741的具體參數(shù)：
表3.4.1 步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)表
步進(jìn)角
電壓
電流
相數(shù)
最大轉(zhuǎn)矩
重量
轉(zhuǎn)速
1.8度
3.6V
3A
2
0.5N.m
1.1Kg
360r/min
３.４.２ 壓桿穩(wěn)定性計(jì)算
臨界載荷:
查表3-7-46[18]得f1=4.0，Dw=4；
d2=d0-1.2Dw=11.2；
查表3-7-46[18]取L0=500。
d0n校核：d0nmax=16400=6400<70000mm.r/min,符合要求。
３.４.３系統(tǒng)剛度的計(jì)算
（*）
其中，Rs：滾珠絲杠軸的剛度；
：系統(tǒng)剛度；
dc=d0-1.2Dw=11mm，
E:彈性模數(shù)，??；
Ru：滾道與鋼珠軸向的接觸剛度，查標(biāo)準(zhǔn)得113N/μm。
將數(shù)據(jù)代入式（*），解出：Rt=32N/μm，符合標(biāo)準(zhǔn)。
３.５傳感元件選型
３.５.１風(fēng)速檢測裝置的選擇
監(jiān)測刮風(fēng)狀態(tài)時(shí)，可利用風(fēng)壓設(shè)計(jì)，采用電阻應(yīng)變片式壓力傳感器進(jìn)行信號(hào)采集[11]，靈敏度較高，相較于電容式傳感器而言，電阻式壓力傳感器具有高穩(wěn)定性，高壽命，對(duì)環(huán)境要求低等特點(diǎn)[1]。如圖3.5.1.1所示，將四個(gè)相同的電阻應(yīng)變片分別貼在雙孔梁的四處，目的是感受試件形變。在一側(cè)裝上小圓盤，主要用來感受風(fēng)的壓力，為了使鋒利只作用于小圓盤上，應(yīng)在外層裝上鋁合金外罩，并且平行安裝在窗戶上。
圖3.5.1.1 風(fēng)力檢測元件
電路圖如圖3.5.1.2所示，由于四個(gè)應(yīng)變片連成全差動(dòng)電橋，靈敏度高，線性度好[1]，當(dāng)受力點(diǎn)位置發(fā)生變化時(shí)，橋內(nèi)能自動(dòng)補(bǔ)償，從而提高傳感器的精度，此外，當(dāng)有風(fēng)時(shí)，R1和R4上升，電阻增大，R2和R3壓縮，電阻減小，電橋失去平衡，輸出電壓Uo[11]。即有： ?。ǎ保?
由應(yīng)變?chǔ)庞趬毫成正比，可得輸出電壓與風(fēng)壓成線性關(guān)系，輸出電壓經(jīng)差分放大[4]可得輸出電壓Um，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換可測出風(fēng)級(jí)數(shù)。
?。ǎ玻?
比較Um與預(yù)設(shè)電壓，調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)電壓設(shè)置風(fēng)力級(jí)數(shù)（根據(jù)情況自己設(shè)定），用電壓比較器輸出電壓觸發(fā)中斷，進(jìn)行自動(dòng)關(guān)窗。
圖3.5.1.2電路差分放大
RT和R5組成溫度補(bǔ)償電路，完成溫度補(bǔ)償（主要控制外加在橋路上的輸入電壓）15]。
３.５.２ 溫度傳感器
熱敏電阻是最常用的溫度檢測元件，具有成本較低，靈敏性高 ，且體積小，響應(yīng)時(shí)間快的特點(diǎn)。因其低廉的價(jià)格而被應(yīng)用于許多家用電器上。如圖3.5.2.1所示。
圖3.5.2.1 熱敏電阻測溫電路
３.５.３雨滴傳感器的選擇
下雨監(jiān)測采用Y G - 0 0 2 型雨滴傳感器，是一種采用特殊電子漿料和先進(jìn)的厚膜技術(shù)的新型傳感器件，檢測元件與5 5 5 定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)電路，如圖 3.5.3.1 所示，為了能較敏感的感受到雨滴，應(yīng)將傳感器放在適當(dāng)?shù)奈恢?。接收到雨滴后，線路便接通，并且由穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到暫穩(wěn)態(tài)，其中3腳輸出的信號(hào)用來觸發(fā)中斷。
圖3.5.3.1 下雨檢測電路
圖3.5.3.1 下雨檢測電路
３.５.４煙霧傳感器
此類傳感器的檢測元件采用旁熱式煙霧傳感器MQS2B。無煙霧時(shí)，傳感器阻值較高(10K左右)，傳感器檢測到煙霧時(shí)其阻值急劇降低，A、B兩端的電壓下降，使得B處電壓上升，經(jīng)R1和可調(diào)電阻RP分壓、R2限流并加到開關(guān)集成電路，TWH8778選通端腳，通過調(diào)節(jié)RP改變5腳的電壓預(yù)定值，使得腳電壓達(dá)到預(yù)定值。1、2 兩腳導(dǎo)通。繼電器通電（加上+12V電壓），常開觸點(diǎn)閉合，并將信號(hào)傳遞給 PLC 。為了防止繼電器的電動(dòng)勢將開關(guān)集成器件TWH8778擊穿，所以在電路中加上二極管（起保護(hù)作用）
３.６按鈕及指示燈、蜂鳴器的選擇
３.６.1指示燈的選擇
選擇綠色指示燈一只，用于反應(yīng)正常工作中的工作狀態(tài)。
型號(hào)：紅綠指示燈LD11-22B 24V
３.６.２報(bào)警器的選擇
該報(bào)警器主要用于檢測到聲音后的報(bào)警，所以選擇24V的聲控報(bào)警器。
３.６.３按鈕開關(guān)（SB）
本設(shè)計(jì)按鈕結(jié)合其作用選擇點(diǎn)觸式開關(guān)（無需自鎖）。
第４章 智能窗戶控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
４智能窗戶控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
４.１ PLC的選擇
綜合考慮后，本設(shè)計(jì)選擇德國西門子公司生產(chǎn)的PLC，它具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：
⑴、數(shù)模轉(zhuǎn)換與模數(shù)轉(zhuǎn)換精度及轉(zhuǎn)換速度高[13]；
⑵、CPU運(yùn)算速度快，指令豐富，存儲(chǔ)容量大，適應(yīng)現(xiàn)代控制技術(shù)[5]；
⑶、I/O點(diǎn)多、響應(yīng)迅速，4個(gè)20KHz高速計(jì)數(shù)器，2個(gè)高速輸出口，適應(yīng)實(shí)時(shí)控制的要求[6]；
⑷、通訊組網(wǎng)能力強(qiáng)，配有2個(gè)232/485通訊口，可方便連接232/485/422等通訊接口，適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng)的要求[15]；
⑸、高可靠性，集合了CPU模塊，輸入/輸出模塊，通訊模塊，結(jié)構(gòu)簡化，易于使用[15]
４.２I/O端口的分配
本設(shè)計(jì)所選ＰＬＣ的型號(hào)為S7-200 CPU 226，有24點(diǎn)基本輸入端子和16點(diǎn)輸出端子。
PLC I/O表
序號(hào)
地址類型
地址
原件名稱
備注
1
DI
I0.0
啟動(dòng)按鈕
點(diǎn)動(dòng)
2
DI
I0.1
停止按鈕
點(diǎn)動(dòng)
3
DI
I0.2
手自動(dòng)選擇按鈕
自鎖按鈕
4
DI
I0.3
氣敏傳感器
5
DI
I0.4
濕度傳感器
6
DI
I0.5
煙霧傳感器
7
DI
I0.6
紅外探測器
8
DI
I0.7
窗戶左限位開關(guān)
9
DI
I1.0
窗戶右限位開關(guān)
10
DI
I1.1
手動(dòng)開窗
11
DI
I1.2
手動(dòng)關(guān)窗
12
DI
I1.3
溫度傳感器
13
DO
Q0.0
手自動(dòng)指示燈
14
DO
Q0.1
電機(jī)正轉(zhuǎn)（開窗）
15
DO
Q0.2
電機(jī)反轉(zhuǎn)（關(guān)窗）
16
DO
Q0.3
排氣扇
17
DO
Q0.4
火災(zāi)（防盜）報(bào)警器
18
DO
Q0.5
工作指示燈
19
DO
Q0.6
空調(diào)電源
４.３外部接線圖
４.３.１控制箱盤內(nèi)布置圖
４.３.２控制箱盤面布置圖
４.３.３控制箱配電圖
４.３.４控制箱接線原理圖１
４.３.５控制箱接線原理圖2
４.３.６控制箱端子接線原理圖
４.４系統(tǒng)的元器件清單
第５章 軟件實(shí)現(xiàn)
５軟件實(shí)現(xiàn)
５.１系統(tǒng)程序流程圖
５.1．１系統(tǒng)程序流程圖
智能窗戶的運(yùn)行過程：當(dāng)打開電源開關(guān)時(shí)，PLC電源接通，并通過掃描方式運(yùn)行。一系列信號(hào)模塊將信號(hào)傳遞給PLC，PLC接收信號(hào)后通過控制電機(jī)來達(dá)到控制窗戶的開合。煤氣煙霧檢測模塊的作用：分別將煤氣煙霧設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，當(dāng)模塊檢測到煤煙的含量超過設(shè)定值時(shí)，便將該信號(hào)傳給PLC，PLC將控制電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)開窗通風(fēng)、及時(shí)報(bào)警、排氣扇排氣等一系列動(dòng)作。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)，若此時(shí)室內(nèi)煤氣與煙霧的含量低于設(shè)定值時(shí)，便停止工作，否則，將繼續(xù)報(bào)警器與排氣扇的工作，直到煤煙含量低于設(shè)定值為止。
溫度檢測模塊的作用：對(duì)于室內(nèi)溫度可設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，如設(shè)定為30攝氏度，當(dāng)溫度傳感器檢測到溫度超過設(shè)定值30°時(shí)，將信號(hào)傳給ＰＬＣ，通過ＰＬＣ控制活動(dòng)窗的開啟，當(dāng)然，開啟的前提是紅外探測器并沒有檢測到有陌生人闖入以及溫度傳感器也為檢測到異常的情況下，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。防盜檢測模塊的作用：若有陌生人從窗戶闖入時(shí)，將阻斷紅外探測器接收信號(hào)，此時(shí)報(bào)警器將會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒室內(nèi)主人，也可以警醒入侵者，使其知難而退，但這種情況要在室內(nèi)煤煙未超標(biāo)的前提下，凡事以人身安全為先。若室內(nèi)一切正常時(shí)，活動(dòng)窗將關(guān)閉（向左移動(dòng)），直到接觸到左限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。
濕度監(jiān)測模塊的作用：下雨時(shí)，濕度傳感器接收到信號(hào)，并將其傳給ＰＬＣ，同上述情況相同，若室內(nèi)一切正常，則活動(dòng)窗做左移關(guān)閉，若室內(nèi)存在煤煙超標(biāo)現(xiàn)象，則不關(guān)閉，帶到室內(nèi)正常時(shí)，再關(guān)閉活動(dòng)窗。
以上為整個(gè)窗戶的整個(gè)運(yùn)行過程，反復(fù)循環(huán)，即ＰＬＣ進(jìn)入到下一個(gè)周期，接收傳感器的信號(hào)，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直至ＰＬＣ停止運(yùn)行（由自動(dòng)狀態(tài)調(diào)整為手動(dòng)狀態(tài)）。
５．２ＰＬＣ編程
５.２.１梯形圖
（1）主程序
（2）自動(dòng)控制部分
（2）手動(dòng)控制部分
第６章 結(jié)論
６ 結(jié)論
本設(shè)計(jì)針對(duì)智能家居系統(tǒng)的使用要求，采用PLC、傳感器與窗戶等進(jìn)行了全自動(dòng)智能化設(shè)計(jì)，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)，逐步實(shí)現(xiàn)可靠性強(qiáng)，使用方便，高效利用，維護(hù)簡單等特點(diǎn)。
本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1） 自動(dòng)化程度高，采用自動(dòng)與手動(dòng)相結(jié)合，確保安防系統(tǒng)的準(zhǔn)確運(yùn)行；
2） 系統(tǒng)具有故障和管理能力，即可以通過自動(dòng)、手動(dòng)控制兩種方式來確保窗戶的開啟與關(guān)閉；
3） PLC與傳感器相結(jié)合，設(shè)計(jì)較合理，運(yùn)用較先進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
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致謝
致謝
轉(zhuǎn)眼間，我的大學(xué)生涯即將結(jié)束，在此，非常感謝毛老師的用心指導(dǎo)，毛老師深厚的專業(yè)功底，樸實(shí)積極的工作精神，待人為善的人格魅力深深的影響了我，督促我不斷前進(jìn)。不僅使我樹立了長遠(yuǎn)的目標(biāo)，掌握基本的研究方法，而且還讓我明白了很多書不能學(xué)習(xí)生活的理念。在此，謝謝毛老師對(duì)我的悉心教育和用心指導(dǎo)。
同時(shí)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，由于在公司實(shí)習(xí)，在工作當(dāng)中我也學(xué)會(huì)了很多，包括很多與專業(yè)有關(guān)的知識(shí)，其中減速電動(dòng)機(jī)的選型就是參考公司購買的減速機(jī)的選型。
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)機(jī)械專業(yè)知識(shí)的了解，而且需要學(xué)習(xí)一些相關(guān)的知識(shí)，但更重要的是讓我們掌握了學(xué)習(xí)的方法。畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們走向工作崗位的一次演習(xí)，對(duì)以后的工作有著深刻的影響。
謝謝你們！再見，我的金陵科技學(xué)院！