基于单片机的可拆式窗户开关装置设计

陈凯，陆宇凡，何杰，赵志恒，惠虎

基于单片机的可拆式窗户开关装置设计

陈凯，陆宇凡，何杰，赵志恒，惠虎*

（华东理工大学 机械工程学院，上海 200237）

此装置是由风速传感器、温湿度传感器、感应调速步进电机、控制模块、丝杆开窗装置、接收模块和移动型窗户等部分构成。通过相关传感器来获取外界环境信息，并将测得模拟信号传递给接收装置；信号接收器再将模拟信号转换变数字信号，然后将数字信号传递到中央处理器，由处理器判别数字信息是否符合预设开关窗条件，以此来实现窗户的自动开关。另外，装置实现了移动端及PC端多用户实时监测和远距离操控。通过贝壳物联网平台，监测装置开闭状态、环境温湿度及风力条件。

平移式窗户；自动控制；可拆式；手机监测

家居智能化已经成为现代室内家具设计及家庭安全设计的主要方向。对于大多数城市及农村家庭来说，智能家居至今只是一个理想概念。人们对智能家居有极大需求，但是复杂的室内改装及高昂的产品费用成为智能家居普及化的不可忽略的阻碍。对此，本课题就现代家具最常见到的移动窗户进行调研、分析、设计，解决了现代智能家居常态化所遇到的造价高、安装繁琐等问题，设计了一款可拆卸式智能型窗户开关装置。

1 智能窗户开关装置总体设计

1.1 确定平移式窗户执行机构方案

本设计装置采用的是平移方式的开窗结构，以此避免了传统平开窗常使用连杆机械传动，动力转换过程较为复杂的缺点，而改为采用电机带动装置，提高了传动效率，并使用铝合金材料，减轻产品质量。

关于智能窗户的结构设计，包含多种不同机械结构的选择，现在就对其执行机构的三种设计方案进行比较，并确定最优的设计方案。

表1 执行机构对比表

滚珠丝杆传动效率很高，可达92%～98%，是普通丝杆传动的2～4倍；其利用了斜面原理，将斜面卷曲变形，从而形成罗纹，将转动变成了平动。丝杆转一圈，螺母位移一个螺距。滚珠丝杆螺母机构虽然结构复杂、制造成本较高，不能自锁，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高，精度高，系统刚度好，运动具有可逆性，使用寿命长，因此在机电一体化系统中得到大量广泛应用。

综上所述，本设计选择了方案三进行相关设计，设计出如窗体模型图1所示装置。智能窗户的动力源为24 V的调速步进电机，以此实现窗户的自动开启和关闭。

1.2 锁窗连接件的设计

对于装置而言，不仅需要考虑执行机构的设计选择，还需要考虑执行机构与窗体之间的连接件的选择设计。为了实现手动与机械控制互不干涉，锁窗连接件需满足固定连接、提供横向牵引力及可拆卸的要求。为此，本文考虑设计了两种连接方式进行比较选择。

图1 窗体模型图

方案一设计了一款人字形齿状磁片，通过人字形齿纹嵌入联接后的自锁效应实现提供横向牵引力的作用。在执行机构丝杆螺母内侧安置电导体，通过中央处理器控制电导体的通断电，从而实现与斜齿状磁片的连接与断开，以此实现固定连接与可拆卸功能。如图2所示。

方案二设计使用传统螺栓螺母连接，在丝杆螺母处固定安装L型连接件，以螺栓螺母连接丝杆螺母与窗体（丝杆螺母上方有直径为4 mm的螺孔），实现固定连接、提供牵引力及可拆卸功能。如图3所示。

图2 人字形齿纹联接设计

图3 L型连接件设计

第一种方案经测试存在提供牵引力不足、易打滑、远程通电控制不灵敏的缺陷，为了提高装置可靠性，且考虑到制作成本及维修难度等因素，决定采用方案二，利用L型连接件连接。

1.3 控制系统总体设计

1.3.1 智能窗户控制原理

该智能窗户目的是为用户提供优质便捷的家居环境，装置是采用步进电机和丝杆的传动机构控制窗体的开合，再结合温湿度传感器、风速传感器、红外探测器等多种传感元器件实现面对不同的外部条件自动控制窗户。

控制功能设定标准：

（1）若室外风力超过一定等级时（设置为5级），由风速传感器检测到信号，并传给中央微处理器，中央微处理器控制电机转动，电机通过联轴器带动轴承旋转，轴承上装有滚珠丝杆（滚珠丝杆是一种机械传动装置，主要功能是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动，并运行精度较高[2]），通过滚珠丝杆带动活动窗体来控制窗户的关闭；

（2）对于室内温度超过设定的标准值，如设定为30℃，当温度传感器检测到温度超过设定值30℃时，将信号传给单片机，通过单片机控制活动窗的开启。

（3）当外界湿度超过设定值（如设定为60%rh）时，湿度传感器将接收外界信号，并将模拟信号传递给处理器，实现开关装置的运行；

（4）若外界有雨时，湿度传感器感应到信号，并将其传给中央微处理器，由其控制窗户的关闭；

（5）若室外光线渐暗且达到设定值时，光敏传感器会接收到信号，并将其传给中央微处理器，控制窗户的关闭；

（6）若有陌生人驻留在窗口时，将阻止红外探测器发射和接收路径，窗户将被关闭，并发出报警信号。

以上窗户可以关闭的前提条件是室内的煤气与烟雾的含量未超标，否则，将不能关闭窗户，直至室内检测正常才执行窗户。若检测元件某部分失灵，无法接收信号，则发出报警信号，提示主人手动关闭窗户。系统控制示意图如图4所示。

图4 系统控制示意图

1.3.2 系统组成

本装置采用的是家庭常用的平移式窗户，据调查显示现如今家庭用窗户为保证安全性、实用性、美观性及安装价格，更倾向于使用平移窗户，故以平移式窗户作为研究对象。

在智能化控制系统中一般采用单片机或PLC作为核心控制元件，但PLC价格高昂，设计线路复杂且维护成本高。本设计采用单片机

编程软件运行的形式，可以极大地提高系统运行的可靠性与稳定性，简化了控制系统的整体设计；可以实现故障检测与报警指示，确保运行安全和监测；能够复杂系统的控制，便于添加子功能或是更换功能控制单元，中间操作无需承担较多的费用。

2 智能窗户硬件设计与选型计算

2.1 智能窗户的组成参数

根据载荷重量及智能窗户的开合状态，本次设计选择的执行机构组成如图5所示。窗体重量设为10 kg，移动速度为3 m/min，尺寸1600 mm×400 mm，定位精度＝20 μm且重复定位精度＝15 μm。

图5 窗户的执行机构组成

2.2 滚珠丝杆副的尺寸选择计算

（1）滚珠丝杆的导程[3]

根据丝杆导程标准值选取[4]，得＝10 mm。

（2）额定动载荷为[3]：

执行机构受力及运动示意图如图6所示。

图6 执行装置受力图

（3）丝杆允许最大轴向变形

空载时影响最大的轴向作用载荷是静摩擦力0，当移动部件在刚度min处启动和反向时，由于0方向变化将产生误差20/min（又称摩擦死区误差），它是影响重复定位精度的最主要因素[5]。估算丝杆允许最大轴向变形为：

取较小值，即δ＝5 μm。

（4）滚珠丝杆最小螺纹底径

估算滚珠丝杆最小螺纹底径为[3]：

式中：为丝杆两轴承支撑之间的距离，mm；为行程，mm；为支承方式系数；δ为滚珠丝杆允许的最大轴向变形，μm；0为导轨静摩擦力，N；0为静摩擦系数；为导轨质量，kg。

取＝320，两端固定时取＝0.039，＝0.2，＝10 kg，计算得：；。

（5）确定丝杆的规格型号

查表选定外循环螺旋槽式L型；又根据相关表格[3]按上述估算的P、C及d的值，选出合适的规格：CMF1204-2.5。

2.3 压杆稳定性计算

2＝0－1.2D（9）

0滚珠丝杆公称转速校核为：

根据精密级滚珠丝杆公称转速标准，该丝杆符合要求。

2.4 系统刚度的计算

式中：R为滚珠丝杆轴的刚度，N/μm；R为系统刚度，N/μm；为弹性模数，N/m；R为滚道与钢珠轴向的接触刚度，N/μm；c为滚珠丝杠轴受载直径，mm。

取＝2.1×105、R＝113 N/μm，根据CMF1204-2.5接触刚度标准[3]计算得：R＝32 N/μm，符合CMF1204-2.5系统综合刚度标准。

2.5 传感元件选型

为实现对不同外部环境状况的感知并操控装置运转，此设计选用了DHT11温湿度传感器，GY-30光照传感器以及HX711压力传感器。相关传感器具有功能性全面、使用便捷、成本较低及便于推广等特点，适合本装置的使用。

DHT11温湿度传感器是含有已完善校准相应数字信号输出的一款复合传感器，它应用特定的数字模块采集技术和相关温湿度传感技术[7]，来确保产品有较高的可靠性和长期稳定性。

GY-30传感器是一款基于IIC通信的16bit的数字型光照传感器。模块主要是以BH1750FVI数字型光强感应芯片为核心及一些外围驱动电路。BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。该集成电路能够凭借收集的光线强度数据来调节液晶或者键盘背景灯的亮度。可以利用它的高分辨率来分辨较大范围的光强度变化[8]。

HX711是一种较常见的为高精度压力传感器而设计的24位A/D转换器芯片。和其它同类型芯片相比较，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点[9]。

3 程序控制的实现

如图7所示，智能型开关窗的运行过程：当打开电源开关时中央微处理器电源接通，并通过扫描方式运行。一系列信号模块将模拟信号传递给单片机，单片机接收信号后通过控制电机来达到控制窗户的闭合，当活动窗体接触到右限位开关时，电机停止转动。

图7 系统程序流程

温湿度检测模块、光敏模块、风速模块都是以模拟信号传给单片机，转变为数字信号，控制活动窗的开启，当然，开启的前提是红外探测器并没有检测到有陌生人闯入以及相应传感器检测达到标准的情况下，才可执行此动作。此目的是为了保持居住人的生命财产安全，以及室内装饰免遭淋雨。

4 无线设备显示环境状态及控制电机

4.1 工作方式

图8为无线控制部分工作示意图。传感器实时检测环境的状态数据，并传送至Arduino单片机，Arduino单片机接收数据后进行处理，并传送至ESP8266WIFI模块。WIFI模块通过已经设置好的WIFI信息，可以无线传输数据到贝壳物联网平台。通过物联网平台提供的网站接口，可以实现无线查看环境的状态信息。

同时，物联网平台也可以发送指令，通过WIFI传输信号至ESP8266模块，Arduino单片机接收到指令后可以向步进电机驱动器发送脉冲信号，驱动步进电机工作。

图8 无线控制部分工作示意图

4.2 环境状态信息显示

在贝壳物联网上可以直观地显示设备及状态，界面清晰直观，十分方便使用者操作。主要页面如图9所示。

图9 贝壳物联网页面

网站接收到ESP8266传输的各种状态信息后，在页面上能通过折线图直观显示检测到的数据，并能看出变化的趋势，状态显示如图10、图11所示。

图10 温度监测状态显示

图11 湿度监测状态显示

4.3 无线控制功能

在贝壳物联网上设置有控制面板，可以通过控制面板实现对设备的无线控制。无线控制面板如图12所示。

图12 无线控制面板示意图

在贝壳物联网无线控制面板上点击相应的控制按钮，通过无线传输控制信号至ESP8266模块，该模块将数据传送至Arduino单片机。Arduino单片机对指令进行分析处理，最后对步进电机驱动器发送相应指令。

5 总结

在计算机技术和相关集成电路技术的快速发展的大背景下，传统的家居设计逐渐被智能家居产品所取代已然成为一种必然趋势。而可以发现的是现有的大部分智能家居的核心控制元件是单片机，高性价比与全面的使用性能成为其占据市场的最大优势。越来越广泛的应用也加快了智能家居建设的发展。而传感器作为测控系统中的数据信息的接收点，被广泛应用到现代智能家居设计中。传感器好比人体“五官”的工程模拟物[10]，其精密程度将直接影响环境数据采集的精确度。传感器是流程自动控制系统和信息系统的关键技术之器件，其技术水平将直接影响到自动化系统和信息系统的水平[11]。

本课题针对智能家居系统的使用要求设计的机电一体化的智能窗户控制系统，采用了机械传动、传感技术、智能控制等相应的先进测控技术，克服了传统窗户的可靠性较低、通风性不好、稳定性较差、自动化程度不高的缺点，使其可靠性更强、使用更方便，并能被高效利用，且维护简单，极大地提高了用户的使用舒适度。

[1]张淑波. 真空镀膜机用自转工件支撑架[P]. 中国专利：CN202610314U，2012-5-31.

[2]王锋. 一种滚珠丝杠润滑装置[P]. 中国专利：CN205578698U，2016-5-4.

[3]陈心昭. 现代实用机床设计手册[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[4]高志. 机械原理[M]. 上海：华东理工大学出版社，2014.

[5]陈德富. VAH46复合加工中心Z向进给系统定位精度分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2009.

[6]安琦，顾大强. 机械设计[M]. 北京：科学出版社，2016.

[7]李珂珂. 基于ARM的数字家庭安防系统设计与实现[D]. 杭州：浙江理工大学，2015.

[8]王晶，胡立夫，王德生. 基于nRF24L01的大气环境智能测试系统设计[J]. 工业仪表与自动化装置，2018（2）：81-85.

[9]刘磊. 基于A/D芯片HX711的自制桥式传感器[J]. 数字技术与应用，2018（4）：89-91.

[10]刘昌盛. 基于单片机的智能电子秤设计[J]. 山东工业技术，2015（13）：64.

[11]唐建，张梅军. 传感器的集成化和智能化技术[J]. 机械，2002（1）：63-80.

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

上海市大学生创新创业训练计划项目（S19072）

陈凯（1997－），男，江苏泰州人，主要研究方向为智能家居。*通讯作者：惠虎（1974－），男，山东邹城人，博士，教授，主要研究方向为过程装备结构强度及安全保障技术，E-mail：huihu@ecust.edu.cn。