基于平移式窗戶的智能啟閉器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李彥青

摘 要：隨著生活水平的不斷提高，家居產(chǎn)品不斷向智能化方向發(fā)展。然而，目前生活中窗戶主要依靠手動(dòng)操作來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉，這存在諸多弊端。如室內(nèi)無(wú)人而突發(fā)大雨或大風(fēng)時(shí)，不能夠及時(shí)關(guān)閉窗戶進(jìn)而會(huì)使室內(nèi)設(shè)施受破壞；再如煤氣中毒事件在生活中時(shí)有發(fā)生，這也是由于室內(nèi)有毒氣體濃度過(guò)高時(shí)未能及時(shí)打開(kāi)窗戶所致。鑒于此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種基于平移式窗戶的智能啟閉器，實(shí)現(xiàn)在暴雨或暴風(fēng)等惡劣天氣自動(dòng)關(guān)窗或者室內(nèi)有毒氣體超標(biāo)時(shí)自動(dòng)開(kāi)窗，便捷人們的生活，保護(hù)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：智能啟閉器；齒輪齒條傳動(dòng)；平移式窗戶

中圖分類號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 前言

日常生活中，窗戶是室內(nèi)與外界交流的重要通道，如空氣流通，陽(yáng)光照射等等，其與人們的健康生活密切相關(guān)。生活中往往存在突發(fā)暴雨、刮大風(fēng)等惡劣天氣時(shí)人們不在家中的情況，不能及時(shí)關(guān)閉窗戶，進(jìn)而雨水等對(duì)室內(nèi)設(shè)施造成破壞。除此之外，冬季由于在室內(nèi)燃煤取暖未打開(kāi)窗戶而造成的煤氣中毒事件在現(xiàn)實(shí)中反復(fù)重演著，這與其說(shuō)是由于缺乏相關(guān)知識(shí)，不如說(shuō)是由于窗戶沒(méi)有及時(shí)打開(kāi)使空氣流通而釀成的慘劇。

當(dāng)前，平移式窗戶已經(jīng)廣泛被人們接受，而傳統(tǒng)的窗戶啟閉器多適用于翻動(dòng)窗或外開(kāi)式窗戶。蘭州交通大學(xué)的學(xué)者發(fā)明了一種自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗戶的裝置，其可以用于平移式窗戶，但是其功能單一。另一方面，隨著單片機(jī)芯片的集成度越來(lái)越高以及生產(chǎn)成本逐步降低，現(xiàn)在越來(lái)越多的智能化、人性化機(jī)械產(chǎn)品出現(xiàn)在人們的日常生活中，服務(wù)于人們的生活，如自動(dòng)窗簾、智能晾衣架，自動(dòng)拖地機(jī)等等。鑒于此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)一種基于平移式窗戶的智能啟閉器，實(shí)現(xiàn)在暴雨或暴風(fēng)等惡劣天氣自動(dòng)關(guān)窗或者室內(nèi)有毒氣體超標(biāo)時(shí)自動(dòng)開(kāi)窗，方便人們的生活，保護(hù)人們的生命安全。

1 基于平移式窗戶的智能啟閉器的機(jī)械傳動(dòng)方案選擇及工作原理

1.1 機(jī)械傳動(dòng)方案的選擇

平移式窗戶開(kāi)閉的主要?jiǎng)幼髟谟冢涸谕饬Φ淖饔孟率勾吧妊刂圩笥乙苿?dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)窗戶的開(kāi)閉，其運(yùn)動(dòng)形式為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；另一方面，現(xiàn)有的機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力源多為電動(dòng)機(jī)，其輸出為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。即啟閉器的機(jī)械傳動(dòng)裝置需要將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。綜合考慮，啟閉器的機(jī)械傳動(dòng)裝置有3種方案選擇：

方案①：滾珠絲杠傳動(dòng)。

方案②：曲柄滑塊機(jī)構(gòu)傳動(dòng)。

方案③：齒輪齒條傳動(dòng)。

上述3種方案均可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可以滿足智能窗戶啟閉器的功能要求。然而，滾珠絲杠通常用于高精度傳動(dòng)，承載小，其安裝結(jié)構(gòu)大且成本高，易磨損。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)雖然承載大，但是其安裝結(jié)構(gòu)尺寸比滾珠絲杠和齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均大，且不美觀。齒輪齒條傳遞動(dòng)力大，壽命長(zhǎng)，工作平穩(wěn)，可靠性高，其安裝尺寸小，成本低。因此綜合考慮窗戶啟閉器的安裝尺寸、使用壽命以及經(jīng)濟(jì)成本等，選擇齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為智能啟閉器的機(jī)械傳動(dòng)裝置。

1.2 工作原理

基于平移式窗戶的智能啟閉器采用齒輪齒條傳動(dòng)，綜合應(yīng)用濕度傳感器、風(fēng)速傳感器、氣體傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)等。各類傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)各種環(huán)境值，當(dāng)某一環(huán)境值，如空氣濕度或者CO濃度等超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)，傳感器便會(huì)將信號(hào)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)作用于與之相連的電機(jī)，電機(jī)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)齒輪正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，在齒輪齒條的傳動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)窗戶的關(guān)閉或開(kāi)啟。同時(shí)該智能啟閉器還配置有紅外遙控器，使用者可以自主的控制其開(kāi)閉。如圖1所示為該智能窗戶啟閉器的控制原理圖。

2 基于平移式窗戶的智能啟閉器的組成與機(jī)構(gòu)分析及工作模式

2.1 啟閉器的組成

智能窗戶啟閉器主要包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。如圖2所示為窗戶啟閉器的結(jié)構(gòu)示意圖。

機(jī)械系統(tǒng)主要包括：電機(jī)、減速器、齒輪齒條、限位開(kāi)關(guān)以及支撐裝置等。齒條固定在移動(dòng)式窗戶的某一窗扇的下端，電機(jī)經(jīng)減速器連接于齒輪，電機(jī)和減速器以及齒輪通過(guò)支撐裝置安設(shè)在墻體或者窗框上，齒輪齒條相互嚙合傳動(dòng)。限位開(kāi)關(guān)設(shè)置在窗框的兩端，當(dāng)窗扇觸碰到限位開(kāi)關(guān)時(shí)其可以發(fā)出指令進(jìn)而使電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)主要包括單片機(jī)控制器、濕度傳感器、風(fēng)速傳感器以及氣體傳感器。濕度傳感器和風(fēng)速傳感器布置于室外，氣體傳感器布置于室內(nèi)。各傳感器通過(guò)信號(hào)線與單片機(jī)相互連接。

2.2 機(jī)構(gòu)分析

機(jī)構(gòu)具有確定運(yùn)動(dòng)的條件是機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度的數(shù)目。對(duì)于平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式為：

F=3n-2pl-ph （1）

式中：

F—機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)目。

n—活動(dòng)構(gòu)件（不包括機(jī)架）的數(shù)目。

pl—低副的數(shù)目。

ph—高副的數(shù)目。

對(duì)于該智能窗戶啟閉器，其n=2（與窗扇固連的齒條以及齒輪），pl=2（窗扇與窗框之間的移動(dòng)副以及齒輪與支撐裝置之間的轉(zhuǎn)動(dòng)副），ph=1（齒輪齒條之間的齒輪副）。因此易得，該智能窗戶啟閉器的機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目F=1，其原動(dòng)件數(shù)目等于機(jī)構(gòu)自由度數(shù)目，滿足要求。

2.3 工作模式

智能窗戶啟閉器主要具有兩種工作模式：智能控制模式和手動(dòng)操作模式。在智能控制模式中，單片機(jī)根據(jù)濕度傳感器、風(fēng)速傳感器以及氣體傳感器實(shí)時(shí)采集的外部或內(nèi)部環(huán)境信息來(lái)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行自動(dòng)化控制。當(dāng)遇到下雨或刮大風(fēng)的天氣時(shí)，單片機(jī)會(huì)向電機(jī)發(fā)出指令使其正轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶。如果室內(nèi)一氧化碳濃度過(guò)高時(shí)，單片機(jī)會(huì)向電機(jī)發(fā)出指令使其反轉(zhuǎn)打開(kāi)窗戶。在手動(dòng)操作模式中，使用者通過(guò)紅外遙控器來(lái)控制啟閉器的開(kāi)閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其主動(dòng)控制。

3 結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了一種基于平移式窗戶的智能啟閉器，綜合對(duì)比分析了3種不同的傳動(dòng)方案，對(duì)窗戶啟閉器的控制原理以及結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了介紹，并用機(jī)構(gòu)分析相關(guān)知識(shí)對(duì)其自由度進(jìn)行了計(jì)算，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。本窗戶啟閉器需要綜合應(yīng)用傳感檢測(cè)技術(shù)、單片機(jī)控制技術(shù)以及齒輪齒條傳動(dòng)，具有較好的智能性，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低，易于推廣。其可以實(shí)現(xiàn)雨天或大風(fēng)天氣下，自動(dòng)關(guān)閉窗戶保護(hù)室內(nèi)設(shè)施；同時(shí)其還能夠在室內(nèi)有毒氣體超標(biāo)時(shí)自動(dòng)開(kāi)窗，保護(hù)人們的生命安全。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)在于：①實(shí)現(xiàn)在無(wú)人操作下、雨天或室內(nèi)有毒氣體超標(biāo)時(shí)的智能化開(kāi)關(guān)窗；②實(shí)現(xiàn)智能化與手動(dòng)操作的結(jié)合，可根據(jù)需求任意選擇，人性化程度高。

智能窗戶啟閉器可極大地便捷人們的生活，解決上班族等群體對(duì)家里的擔(dān)憂，同時(shí)提高居家時(shí)的安全性。展望未來(lái)，基于平移式窗戶的智能啟閉器將在人們的生活中扮演一個(gè)不可或缺的角色，保證人們生活的安全與舒適，會(huì)更加完美地為人們的美好生活服務(wù)。

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