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基于平移式窗户的智能启闭器的创新设计

范文

李彦青

摘要：随着生活水平的不断提高，家居产品不断向智能化方向发展。然而，目前生活中窗户主要依靠手动操作来实现开闭，这存在诸多弊端。如室内无人而突发大雨或大风时，不能够及时关闭窗户进而会使室内设施受破坏；再如煤气中毒事件在生活中时有发生，这也是由于室内有毒气体浓度过高时未能及时打开窗户所致。鉴于此，创新设计一种基于平移式窗户的智能启闭器，实现在暴雨或暴风等恶劣天气自动关窗或者室内有毒气体超标时自动开窗，便捷人们的生活，保护人们的生命财产安全。

关键词：智能启闭器；齿轮齿条传动；平移式窗户

中图分类号：U463 文献标志码：A

0 前言

日常生活中，窗户是室内与外界交流的重要通道，如空气流通，阳光照射等等，其与人们的健康生活密切相关。生活中往往存在突发暴雨、刮大风等恶劣天气时人们不在家中的情况，不能及时关闭窗户，进而雨水等对室内设施造成破坏。除此之外，冬季由于在室内燃煤取暖未打开窗户而造成的煤气中毒事件在现实中反复重演着，这与其说是由于缺乏相关知识，不如说是由于窗户没有及时打开使空气流通而酿成的惨剧。

当前，平移式窗户已经广泛被人们接受，而传统的窗户启闭器多适用于翻动窗或外开式窗户。兰州交通大学的学者发明了一种自动开关窗户的装置，其可以用于平移式窗户，但是其功能单一。另一方面，随着单片机芯片的集成度越来越高以及生产成本逐步降低，现在越来越多的智能化、人性化机械产品出现在人们的日常生活中，服务于人们的生活，如自动窗帘、智能晾衣架，自动拖地机等等。鉴于此，创新设计一种基于平移式窗户的智能启闭器，实现在暴雨或暴风等恶劣天气自动关窗或者室内有毒气体超标时自动开窗，方便人们的生活，保护人们的生命安全。

1 基于平移式窗户的智能启闭器的机械传动方案选择及工作原理

1.1 机械传动方案的选择

平移式窗户开闭的主要动作在于：在外力的作用下使窗扇沿着滑槽左右移动，进而实现窗户的开闭，其运动形式为直线往复运动；另一方面，现有的机械产品的动力源多为电动机，其输出为旋转运动。即启闭器的机械传动装置需要将旋转运动转化为直线往复运动。综合考虑，启闭器的机械传动装置有3种方案选择：

方案①：滚珠丝杠传动。

方案②：曲柄滑块机构传动。

方案③：齿轮齿条传动。

上述3种方案均可以将旋转运动转化为直线往复运动，可以满足智能窗户启闭器的功能要求。然而，滚珠丝杠通常用于高精度传动，承载小，其安装结构大且成本高，易磨损。曲柄滑块机构虽然承载大，但是其安装结构尺寸比滚珠丝杠和齿轮齿条传动机构均大，且不美观。齿轮齿条传递动力大，寿命长，工作平稳，可靠性高，其安装尺寸小，成本低。因此综合考虑窗户启闭器的安装尺寸、使用寿命以及经济成本等，选择齿轮齿条传动机构作为智能启闭器的机械传动装置。

1.2 工作原理

基于平移式窗户的智能启闭器采用齿轮齿条传动，综合应用湿度传感器、风速传感器、气体传感器和单片机控制技术等。各类传感器实时检测各种环境值，当某一环境值，如空气湿度或者CO浓度等超过设定阈值时，传感器便会将信号传输至单片机，单片机作用于与之相连的电机，电机进而驱动齿轮正转或反转，在齿轮齿条的传动下，实现窗户的关闭或开启。同时该智能启闭器还配置有红外遥控器，使用者可以自主的控制其开闭。如图1所示为该智能窗户启闭器的控制原理图。

2 基于平移式窗户的智能启闭器的组成与机构分析及工作模式

2.1 启闭器的组成

智能窗户启闭器主要包括机械系统和控制系统两部分。如图2所示为窗户启闭器的结构示意图。

机械系统主要包括：电机、减速器、齿轮齿条、限位开关以及支撑装置等。齿条固定在移动式窗户的某一窗扇的下端，电机经减速器连接于齿轮，电机和减速器以及齿轮通过支撑装置安设在墙体或者窗框上，齿轮齿条相互啮合传动。限位开关设置在窗框的两端，当窗扇触碰到限位开关时其可以发出指令进而使电机停止转动。控制系统主要包括单片机控制器、湿度传感器、风速传感器以及气体传感器。湿度传感器和风速传感器布置于室外，气体传感器布置于室内。各传感器通过信号线与单片机相互连接。

2.2 机构分析

机构具有确定运动的条件是机构的原动件数目等于机构自由度的数目。对于平面机构的自由度计算公式为：

F=3n-2pl-ph （1）

式中：

F—机构的自由度数目。

n—活动构件（不包括机架）的数目。

pl—低副的数目。

ph—高副的数目。

对于该智能窗户启闭器，其n=2（与窗扇固连的齿条以及齿轮），pl=2（窗扇与窗框之间的移动副以及齿轮与支撑装置之间的转动副），ph=1（齿轮齿條之间的齿轮副）。因此易得，该智能窗户启闭器的机构自由度数目F=1，其原动件数目等于机构自由度数目，满足要求。

2.3 工作模式

智能窗户启闭器主要具有两种工作模式：智能控制模式和手动操作模式。在智能控制模式中，单片机根据湿度传感器、风速传感器以及气体传感器实时采集的外部或内部环境信息来对电机的正反转进行自动化控制。当遇到下雨或刮大风的天气时，单片机会向电机发出指令使其正转关闭窗户。如果室内一氧化碳浓度过高时，单片机会向电机发出指令使其反转打开窗户。在手动操作模式中，使用者通过红外遥控器来控制启闭器的开闭状态，实现对其主动控制。

3 结论与展望

本文设计了一种基于平移式窗户的智能启闭器，综合对比分析了3种不同的传动方案，对窗户启闭器的控制原理以及结构组成进行了介绍，并用机构分析相关知识对其自由度进行了计算，验证了机构设计的合理性。本窗户启闭器需要综合应用传感检测技术、单片机控制技术以及齿轮齿条传动，具有较好的智能性，同时其结构简单，制造成本低，易于推广。其可以实现雨天或大风天气下，自动关闭窗户保护室内设施；同时其还能够在室内有毒气体超标时自动开窗，保护人们的生命安全。其主要创新点在于：①实现在无人操作下、雨天或室内有毒气体超标时的智能化开关窗；②实现智能化与手动操作的结合，可根据需求任意选择，人性化程度高。

智能窗户启闭器可极大地便捷人们的生活，解决上班族等群体对家里的担忧，同时提高居家时的安全性。展望未来，基于平移式窗户的智能启闭器将在人们的生活中扮演一个不可或缺的角色，保证人们生活的安全与舒适，会更加完美地为人们的美好生活服务。

参考文献

[1]何刚，冯启明.一种智能平移式窗户启闭器的设计[J].机电技术，2011，34（6）：85-86.

[2]马延，赵志刚，王砚麟，等.一种自动开关窗户的装置[P].中国：2051208552760.2016.

[3]唐圣护，林云，郭凯丰，等.平移式多功能自动窗的设计制作[J].电子世界，2013（16）：149-149.

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