基于單片機控制的多功能窗系統(tǒng)設(shè)計目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 摘要窗戶是每家每戶都需要的結(jié)構(gòu)，目前常規(guī)的窗戶結(jié)構(gòu)仍然是采用手工來進行關(guān)閉窗戶。隨著高樓大廈以及智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，窗戶的結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)生了變化。目前比較常見的聲控窗、光控窗、智能控制窗也在不斷的發(fā)展。目前的智能控制窗大部分是通過平開式進行控制的，而目前采用折疊式的多功能窗的結(jié)構(gòu)較少，該結(jié)構(gòu)占據(jù)更少的空間，是未來發(fā)展的重要方向。本文完成多功能窗安全鎖定裝置系統(tǒng)設(shè)計，首先針對目前常見的門窗結(jié)構(gòu)設(shè)計，對其結(jié)構(gòu)進行選型與確定，使其能夠滿足結(jié)構(gòu)的要求，并且完成相關(guān)零部件的設(shè)計與校核，并且完成控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過控制系統(tǒng)單片機實現(xiàn)控制。并且完成了硬件系統(tǒng)的設(shè)計，如電路圖、I/O輸入輸出等線路圖，對其設(shè)計流程圖進行設(shè)計與說明，完成本文的全部設(shè)計內(nèi)容使其符合要求。關(guān)鍵詞：多功能窗；安全鎖定；結(jié)構(gòu)設(shè)計；單片機；流程圖；第一章緒論1.1本課題研究的目的與意義技術(shù)的發(fā)展帶來科技的進步。窗戶是每家每戶都需要的結(jié)構(gòu)，目前常規(guī)的窗戶結(jié)構(gòu)仍然是采用手工進行關(guān)閉窗戶。隨著高樓大廈以及智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，窗戶的結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)生了變化。目前比較常見的聲控窗、光控窗、智能控制窗也在不斷的發(fā)展。目前的智能控制窗大部分是通過平開式進行控制的，而目前采用推拉式的多功能窗的結(jié)構(gòu)較少，該結(jié)構(gòu)占據(jù)更少的空間，是未來發(fā)展的重要方向。經(jīng)過查閱文獻以及相關(guān)資料的了解，門窗大部分采用的材質(zhì)是鋁合金以及鋼化玻璃。窗的結(jié)構(gòu)基本上是延續(xù)20年前的設(shè)計規(guī)范，使用機械門窗是門前部分家庭的首選。在技術(shù)和成本不斷下降的現(xiàn)在，智能多功能窗也已經(jīng)逐漸的進入千家百戶里面了?？梢哉f在未來的社會之中，多功能窗將會成為主體部分。本文通過設(shè)計一款多功能窗安全鎖定裝置系統(tǒng)設(shè)計使其能夠?qū)崿F(xiàn)鎖定的目的，并且對其控制系統(tǒng)進行設(shè)計。對于大學(xué)所學(xué)的知識能夠有所了解以及深入研究，本文對我以后的工作起到重要的作用?？梢姳疚难芯康囊饬x十分的重大。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀如圖所示，是我國一款比較常見的門窗，基本上結(jié)構(gòu)采用的是鋁合金材質(zhì)。從目前來看，大概80%以上的門窗會選擇該類型。目前的智能窗如下圖所示，在使用的過程之中，門窗容易出現(xiàn)卡死或者其余的使用問題，導(dǎo)致使用效率低，安裝用戶少。目前部分問題出現(xiàn)的是鉸鏈卡死。邊框變形，門鎖容易損壞等問題。圖1-1國內(nèi)窗戶的結(jié)構(gòu)設(shè)計它的優(yōu)勢十分的明顯，即能夠?qū)崿F(xiàn)更大面積的開窗作業(yè)。不過在使用的過程之中，由于面積太大，導(dǎo)致門窗在伸縮的過程之中，容易在中間部分卡死，且清洗的時候容易，容易對設(shè)備造成損失。1.2.2國外研究現(xiàn)狀國外的多功能窗也已經(jīng)得到了普遍的使用，很多國家都根據(jù)自己的情況，開發(fā)出符合人們生活習(xí)慣的多功能窗結(jié)構(gòu)，且得到了部分的應(yīng)用。最早研究多功能窗結(jié)構(gòu)的企業(yè)是MINGARDI，其多功能窗的主要通過推桿進行控制，穩(wěn)定性好，推力穩(wěn)定等優(yōu)勢。是目前應(yīng)用范圍較為廣泛的一家多功能窗生產(chǎn)企業(yè)、DFMEIAC采用的開窗結(jié)構(gòu)是齒條式，英國SDFSE公司研發(fā)出智能門窗，能夠?qū)崟r感應(yīng)到空氣流動狀況，實現(xiàn)智能開窗的目的。另外部分企業(yè)通過研究透光率能夠自動調(diào)整門窗結(jié)構(gòu)。使其能夠更加舒適的生活目的。且有企業(yè)研發(fā)處傳感器，能夠感應(yīng)出門的開合情況，人們只需要遠程用手指即可以操作門窗的控制目的。隨著技術(shù)的不斷提升，特別是控制以及傳感器方面，那么隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，我們的多功能窗行業(yè)發(fā)展也將會迎來發(fā)展的高峰期。其主要的發(fā)展趨勢包含以下幾個方面：1、自動化高度集成，控制以及傳感器方面技術(shù)的不斷深入發(fā)展，必將減少人的參與，或者降低勞動強度，保證安全推進；2、使用壽命將越來越高，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計原來越合理，發(fā)展越來越好。3、價格越來越低，設(shè)計人員的技術(shù)在不斷積累，多功能窗設(shè)計將越來越通用化。1.3本課題主要研究內(nèi)容課題中在研究時首先需要根據(jù)多功能窗安全鎖定裝置的工藝要求來對其工藝流程和工藝方案進行制定，并完成目前已有的方案分析與對比，最終確定設(shè)計方案，通過三維建模軟件完成對設(shè)計方案的建模，設(shè)計方案中的控制系統(tǒng)部分使用單片機來完成，因此本文設(shè)計的主要內(nèi)容包括以下幾個部分：（1）緒論章節(jié)部分，介紹多功能窗的重要作用以及未來的發(fā)展方向；（2）分析討論幾種設(shè)計方案，確定最終的設(shè)計方案；（3）通過三維建模軟件完成對設(shè)計方案的建模，并對多功能窗的零部件進行分析；（4）利用單片機系統(tǒng)完成多功能窗的控制系統(tǒng)的設(shè)計，并保證多功能窗具有煙霧檢測功能。完成設(shè)計全部內(nèi)容的撰寫。

第二章總體方案的確定第二章總體方案的確定2.1設(shè)計原則本文設(shè)計的多功能窗主要在結(jié)構(gòu)以及控制方面有著以下的特點：能夠保證設(shè)備使用的安全可靠，在使用的過程之中，不會因為設(shè)備的問題從而導(dǎo)致的門窗損壞，所以對其穩(wěn)定性要求很高，另外針對高空情況下，需要確保鋼化玻璃不會損壞從而導(dǎo)致高空墜物；結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，目前的很多場所都是較小的空間內(nèi)，如果門窗的占地面積過大的話，將會導(dǎo)致門窗使用受限，人們不會考慮采購這種門窗；電機運行平穩(wěn)，載荷低，保證使用過程之中不會出現(xiàn)問題。本文設(shè)計的多功能窗考慮到實際情況，本文主要用于家庭的燃氣場合，能夠通過該設(shè)備對燃氣進行檢測，然后實現(xiàn)對燃氣檢測、自動開啟門窗，保護人們的使用安全，提高人們使用的安全性。2.2方案對比方案一：參考國內(nèi)外窗戶的情況后，設(shè)計出多功能窗的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，該設(shè)計方案的多功能窗主要由鉸鏈機構(gòu)、滑輪、軌道、電動機、齒輪齒條組成。該設(shè)計方案的折疊窗優(yōu)點在于它的結(jié)構(gòu)比較簡單，易于操作，手工才做即可。缺點在于該設(shè)計方案的多功能窗在滑動的過程中產(chǎn)生的摩擦力較大，推動時需要很大的推力。如果采用電控的方式來實現(xiàn)窗戶的關(guān)、閉開合搞設(shè)計方案的多功能窗戶易于出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，一旦卡死，窗戶的結(jié)構(gòu)將受到很大的破壞。再加上，如果該設(shè)計方案的窗數(shù)較大的話，不僅占用到室內(nèi)的環(huán)境，而且窗戶也不便于清洗。圖2-1多功能窗結(jié)構(gòu)設(shè)計方案二：方案二是在方案一的基礎(chǔ)上進行的，重新設(shè)計窗戶的結(jié)構(gòu)。方案二多功能窗戶設(shè)計方案的優(yōu)點在于每一塊窗戶的都是各自獨立的，不會出現(xiàn)方案一中出現(xiàn)的卡死的現(xiàn)象。由于每一塊窗戶都可以繞著旋轉(zhuǎn)機構(gòu)旋轉(zhuǎn)一定的角度，這既便于人工來操作，也便于對窗戶的清潔，相比方案一的設(shè)計，也可以省出一半的室內(nèi)空間。圖（b）圖圖2-2多功能窗結(jié)構(gòu)設(shè)計方案三：如圖2-3所示，在窗戶的底部有兩個滾輪的設(shè)計，這樣設(shè)計的好處是這兩個滾輪相當于兩個支撐點，能夠承受窗戶的力比較均勻，比較穩(wěn)定可靠。在軌道末端設(shè)有拐角，可以使窗戶的直線滑動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。圖（b）圖圖2-3家庭折疊窗結(jié)構(gòu)設(shè)計方案四：方案四也是在方案一的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計了多功能窗的軌道以及傳動系統(tǒng)，如圖2-4（a）、（b）、（c）圖所示。這樣設(shè)計的主要優(yōu)點在于既可以實現(xiàn)多功能窗的直線運動，也可以實現(xiàn)多功能窗的旋轉(zhuǎn)運動，設(shè)計方案中的傳動系統(tǒng)主要有電動機、齒輪、軸承等部件等組成。圖（b）圖（c）圖圖2-4家庭結(jié)構(gòu)窗軌道設(shè)計及傳動系統(tǒng)設(shè)計方案五：方案五的設(shè)計初衷是保證到功能窗的直線運動與旋轉(zhuǎn)運動之間互不干涉，多功能窗直線運動的時候，就不需要旋轉(zhuǎn)運動；需要旋轉(zhuǎn)運動時，就不需要直線運動。為此設(shè)計兩種設(shè)計方案。第一種方案設(shè)計如圖2-5（a）所示，借助齒型帶側(cè)方結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)齒型帶與齒輪的嚙合、脫離。第二種設(shè)計方案如圖2-5（b）所示，在主軸上安置可伸縮撥叉，利用可伸縮撥叉的可伸縮特性實現(xiàn)齒型帶與齒輪的嚙合、脫離。（a）圖（b）圖圖2-5齒型帶的偏移和自制撥叉撥動齒輪方案六：如圖2-6所示，設(shè)計的家庭折疊窗的設(shè)計，通過電機帶動圓盤轉(zhuǎn)動，使得小關(guān)節(jié)能夠移動從而使得支柱轉(zhuǎn)動，完成窗戶的在直線移動的同時，完成旋轉(zhuǎn)的動作。這樣完成折疊的動作。同時可以采用幾個窗戶相互連接的方式，真正達到簡單易用的效果,即可節(jié)省所占據(jù)的空間，又方便使用。圖2-6多功能窗設(shè)計2.3最終方案確定根據(jù)前面的幾個方案，綜合考慮最后決定折疊窗的結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇方案二如圖2-2所示，它的優(yōu)點是每扇窗戶都是獨立存在的，不會容易出現(xiàn)方案一的“卡死”現(xiàn)象。軌道設(shè)計及傳動系統(tǒng)設(shè)計選擇方案三如圖2-3所示，方案三的設(shè)計可以實現(xiàn)窗戶的直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，并保證兩種運動之間的相互獨立性，穩(wěn)定可靠。為了使直線往復(fù)運動和旋轉(zhuǎn)運動互不干涉，選擇方案四的（b）圖如圖2-4所示，利用自制撥叉結(jié)構(gòu)撥動齒輪，將齒型帶與齒輪脫離嚙合，當兩者之間嚙合時，此時做旋轉(zhuǎn)運動；當兩者之間脫離時，則實現(xiàn)直線運動。而方案2-6所示的家庭折疊窗使用一個電機，實現(xiàn)窗戶在開啟的時候?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)。

第三章重要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型重要零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型3.1電機選型做水平直線往復(fù)運動時，運動的最大行程L為2000mm，往復(fù)直線運動的周期T為4s，定位的誤差精度小于0.05mm。多功能窗的設(shè)計重量記為M=10kg。接下來開始選擇電動機的型號以及同步帶輪的直徑等相關(guān)參數(shù)。水平直線運動的平均速度：（3-1）假設(shè)電動機的加速時間為0.1S；電動機的速度與直線關(guān)系見下圖：因此有：L＝0.1′Vmax/2＋1.8′Vmax+0.1′Vmax/2（3-2）＝0.4m所以：Vmax＝0.4/（0.2/2＋1.8）（3-3）＝0.211m/s電動機的加速度為：（3-4）電動機加速產(chǎn)生的距離為：（3-5）勻速運動產(chǎn)生的距離為：（3-6）因為減速、加速時間相，加速度相同，所以距離相同，即：。所以：根據(jù)牛頓第二定律可以知道同步帶上需要拉力為：F＝Ma+f（3-7）其中摩擦力的計算公式為：f＝mMg（3-8）這里假設(shè)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)為m＝0.1，因此摩擦力為：f＝0.1′10′9.8＝9.8N（3-9）所以同步帶需要的拉力為：F＝F1+f＝21.1＋9.8＝30.9N（3-10）3.2選擇同步帶直徑Φ和步進電機細分數(shù)m這里首先假設(shè)同步帶的直徑Φ＝30mm，所以同步帶的周長C為3.14′Φ＝3.14′30＝94.2mm。校核定位精度計算公式：C/(360°/1.8′m)<0.05，滿足要求細分數(shù)計算公式為：m>C/(200′0.05)=94.2/(200′0.05)=9.42（3-11）校核最大轉(zhuǎn)速：nmax＝Vmax/C＝0.211/(94.2/1000)＝2.24r/s（3-12）可以看出細分數(shù)較大，而轉(zhuǎn)速較低，因此需要增加一處減速，如下圖所指示：第1級主動輪直徑取：Φ1＝25mm；這里的第2級主動輪直徑仍?。害?＝30mm；減速比這里?。篿＝1：3；根據(jù)計算公式可以得出第1級從動輪直徑為Φ2=25*3=75mm。電機的最大轉(zhuǎn)速計算公式為：（3-13）驅(qū)動器細分數(shù)為：，因此取4細分滿足要求。實際脈沖當量：￡0.05mm，滿足定位誤差的要求。3.3計算電機力矩，選擇電機型號根據(jù)上文提到的減速比，則第2級主動輪上的力矩計算公式為：T2＝F′Φ3/2（3-14）而第1級主動輪上的力矩由于直接與電機相連接，所以即為電機軸的力矩：T1＝T2′i＝F′Φ3/2′i=0.155Nm（3-15）這里均是理想的情況下計算出的電機的力矩。還需要考慮到同步帶的傳遞效率、摩擦力等因素，我們這里取2為安全系數(shù)，所以需要電機的力矩為：To＝0.155′2＝0.310Nm（3-16）查閱機械設(shè)計知識，可以得出選擇型號為57HS09的電動機即可，它的靜力矩為0.9Nm。和57HS09類似的電機矩頻特性圖如下：4細分：nmax＝6.72r/s=806r/min＝5374pps時，從上圖對應(yīng)的T＝35Ncm＝0.35Nm>0.310Nm，滿足要求。

第四章基于軟件建模與出圖第四章基于軟件建模與出圖4.1三維軟件簡介為了可以更好的設(shè)計尺寸，把相關(guān)的設(shè)計通過虛擬樣機技術(shù)進行尺寸建模，使人們可以更容易更直觀的觀察實物形狀，并可以實現(xiàn)三維仿真，及時的發(fā)現(xiàn)所存在的問題，本文采用SolidWorks三維建模軟件進行建模工作，此軟件的三維建模非常簡便，通過命令的查找，使用，在草圖中能夠十分方便的實現(xiàn)尺寸的確定。它是工程機械中不可或缺的三維建模軟件。軟件中包括運動仿真，力學(xué)分析，流體力學(xué)等模塊，基本涵蓋了產(chǎn)品開發(fā)周期的各個環(huán)節(jié)。目前，新模塊還包括加工仿真，大大提高了產(chǎn)品設(shè)計速度，有效的縮短了開發(fā)周期。4.2零件圖的三維建模在SolidWorks軟件中建模是非常方便和簡潔的。通過軟件的草圖建模命令，繪制出零件的草圖，實現(xiàn)完全固定，然后通過拉伸或旋轉(zhuǎn)。掃描等其他命令完成了建模的目的。如下圖所示的結(jié)構(gòu)，就是這樣建模的，比較方便，且產(chǎn)品的實際設(shè)計尺寸進行設(shè)計。這樣的好處就是能根據(jù)實際尺寸進行建模，能很方便了解問題的所在部分，從而為產(chǎn)品的改進和優(yōu)化提出改進意見，另外針對常見的標準件，為了縮短建模所用的時間，在設(shè)計的時候，一般都是通過查找標準件庫的命令完成的。通過直接拖放，并且選擇相關(guān)的標準件就會自動生成三維建模的標準件。另外一些常見的零部件設(shè)計也可以通過這種方式實現(xiàn)的。（a）圓盤模型（b）窗戶模型 （c）旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)圖4-1多功能窗零部件模型4.3裝配體的三維建模使用三維軟件SolidWorks在進行裝配的過程之中，通過按照實際的裝配順序進行裝配即可，通過該軟件之中的同軸、距離、位置、平行等相關(guān)零部件進行組合的目的。另外特別注意的是零件的自由度應(yīng)該和實際的產(chǎn)品所用的自由度保持高度一致，這樣做的好處是十分方便后期的運動仿真，且可以通過運動仿真，針對不合理的地方進行優(yōu)化設(shè)計，也方便模擬實際的裝配狀態(tài)。圖4-2多功能窗三維模型4.4二維裝配圖的繪制一般二維裝配圖采用的是CAD查看，本文設(shè)計的尺寸具有一定的難度，所以在設(shè)計之初，采用三維建模的軟件通過投影、輔助視圖、剖視圖完成三維導(dǎo)出二維圖紙，可以自動生成明細表以及零部件的標號，然后導(dǎo)出dwg格式，之后針對一些細節(jié)部分可以通過CAD軟件進行優(yōu)化，標準總體的結(jié)構(gòu)尺寸，并且針對配合處的尺寸進行標準。圖紙簡介明了。圖4-3多功能窗裝配圖

第五章基于單片機控制設(shè)計第五章基于單片機控制設(shè)計5.1總體設(shè)計方案社會在不斷地進步和更新，人們也隨之越來越關(guān)注安全方面的問題。據(jù)統(tǒng)計數(shù)字表明，絕大多數(shù)城市地下都安裝了煤氣管道，故用煤氣來生活的人數(shù)非常龐大。另外加上沼氣等新能源的使用，這些無疑不表明了安裝煙霧檢測多功能窗刻不容緩，而且這個安裝工程任務(wù)非常艱巨，它的市場非常大。為此，我們必須要設(shè)計出一款科學(xué)可行的煙霧檢測多功能窗，并且使用起來要簡單使用，實現(xiàn)數(shù)字智能化的特性，來滿足人民生活和生產(chǎn)的需求。只要有燃氣存在的場所，不論是居家還是工業(yè)場所，安裝煙霧檢測多功能窗是大勢所趨，非常重要。它就好比是一個百事通，能夠提前覺察到災(zāi)情的信息，及時發(fā)出信號，傳遞給人們，讓人們提前預(yù)防和規(guī)避，給人們帶來了充分的準備時間，有效減少損失，保護著他們的安全。在災(zāi)情的萌芽時期，能夠精確預(yù)知火情，馬上發(fā)出警報，有利于展開有序撤離，避免火災(zāi)的擴大，迅速消滅火災(zāi)，保護人們的安全，減少他們的損失。為此，它的使用顯得非常有意義。5.2煙霧傳感器的選型它可以用來檢測很多種不同類型氣體濃度值，并將氣體的實時濃度變換成電信號，利用A/D轉(zhuǎn)換電路把模擬量切換為數(shù)值，接著傳輸給單片機，讓單片機來對數(shù)據(jù)做出應(yīng)對、判斷濃度是否超過限值，是否需要提前發(fā)出警報等。傳感器是煙霧檢測報警器中非常重要和關(guān)鍵的構(gòu)成部件，它可以用于收集相關(guān)信號。所以，設(shè)計出一種科學(xué)實用的傳感器十分緊要。5.2.1煙霧傳感器介紹1、煙霧傳感器的分類分成物理化學(xué)性質(zhì)煙霧傳感器、物理性質(zhì)煙霧傳感器、電化學(xué)性質(zhì)煙霧傳感器。2、煙霧傳感器應(yīng)滿足的基本條件要具有如下條件：針對要被檢測的煙霧，需具備很高的敏感性，可以高效地測出限值內(nèi)的煙霧含量；對接收到的相關(guān)信號反應(yīng)迅速，重現(xiàn)性高；（3）能夠持續(xù)運轉(zhuǎn)，性能平穩(wěn)固定；（4）可以使用的年限久；（5）研制投入少，操作和維修便捷。3、常見的煙霧傳感器簡介接觸燃燒式氣體傳感器有兩種品種，第一種是直接接觸燃燒式傳感器，第二種是催化接觸燃燒式傳感器。其工作大致流程：首先把氣敏材質(zhì)通上電，那些能燃燒的氣體在相關(guān)條件下氧化，達到著火點燒起來或者在催化條件下氧化達到著火點燒起來，進而形成了大量熱量，促進電熱絲溫度增加，導(dǎo)致電阻值改變，電阻值的不同直接顯現(xiàn)了氣體容積的改變。可是它只適用于那些可以燃燒的氣體，不能適用于不燃性氣體。如：Pt絲表面加上合適活性催化劑，有廣譜性能，可測試各類可燃氣體。接觸燃燒式氣體傳感器性能很平穩(wěn)，可以對爆炸下限的很多可以燃燒的氣體展開測試，在很多地方都能夠頻繁使用，實施測試和及時發(fā)出警報，如石油化工區(qū)、船舶業(yè)、煤礦區(qū)、洗澡室、廚房等。MC101型催化元件也是按照催化燃燒體系來進行的，它是通過測試元件及彌補元件搭配，構(gòu)成電橋雙臂，碰到可燃氣時，阻值變大，輸出電壓改變，電壓和氣體含量呈正相關(guān)關(guān)系變化，彌補元件起參照作用，并且可以對溫濕度做出相應(yīng)的補給。圖2.1基本測試電路圖2.2MC101外形結(jié)構(gòu)圖5.2.2MC101型煙霧傳感器的特點與技術(shù)指標1、MC101傳感器的特點及應(yīng)用輸出電壓存在一次函數(shù)關(guān)系，反應(yīng)迅速，重現(xiàn)性高，選擇性高，元件運轉(zhuǎn)固定平穩(wěn)，能抵御H2S的入侵，抵制有機硅的侵蝕；適用于測試各類可以燃燒氣體和各類有機溶劑蒸汽的工業(yè)區(qū)域。還能對那些側(cè)漏氣體進行報警，檢測氣體含量，探測可燃氣等，使用面很廣。2、MC101傳感器的技術(shù)指標（1）MC101傳感器的基本特性參數(shù)工作電壓(V)3.0±0.1工作電流(mA)110±10靈敏度(mV)1%甲烷25～501%丁烷30～501%氫氣25～45線形度（%）≤5測量范圍（％LEL）0～100響應(yīng)時間(90%)小于10秒恢復(fù)時間(90%)小于30秒使用環(huán)境-40－+70℃低于95%RH儲存環(huán)境-20—+70℃低于95%RH外形尺寸（mm）Φ12mm×8mm表2.1MC101基本特性參數(shù)（2）MC101傳感器的靈敏度特性橋路輸出和氣體濃度存在一次函數(shù)關(guān)系，其靈敏度特點下圖所示。圖2.3MC101靈敏度特性（3）MC101傳感器持續(xù)固定平穩(wěn)MC101傳感器在大氣中一年移動少于±2個mV，在1%甲烷情形中，一年移動少于±2個mV。短時間儲存只需30分鐘就可以保持平穩(wěn)狀態(tài)，長時間儲存要將其老化5個小時才能保持平穩(wěn)狀態(tài)。傳感器由于受周圍氛圍溫濕度和運轉(zhuǎn)電壓因素的影響，大多情況下都不可能高于±1mV，很牢靠。5.3煙霧報警系統(tǒng)總體設(shè)計方案本文選取STC12C5410AD單片機，把它當做關(guān)鍵部件，通過MC101熱催化燃燒型傳感器來收集煙霧信號。把通過傳感器傳輸來的煙霧濃度相應(yīng)電壓信號進行擴大30倍，把擴大后的信號反饋給單片機，接著實施A/D切換，對比濃度，然后把電壓信號換算成相應(yīng)具體濃度值；接著把值傳給顯示器進行評判，對照看其有沒有超過限值，若沒有超過則綠燈一直亮，當超過限值，警報聲會立刻響起，紅燈執(zhí)行亮起操作，同時，操控繼電器，使之運行安全設(shè)施。由于傳感器要達到某個溫度點，并要持續(xù)一個階段，用3V平穩(wěn)電壓不間斷提供電能。5.4多功能窗的功能（1）檢測燃氣種類切換功能對兩個開關(guān)來回進行轉(zhuǎn)換，測出不同類可燃氣，并把液化石油氣測試調(diào)成常態(tài)，在開關(guān)切換下，能測試氫氣和甲烷。在很多地方都很適用。（2）煙霧濃度顯示由數(shù)碼管來顯現(xiàn)可燃煙霧濃度值，將其轉(zhuǎn)換至設(shè)置情形，借助鍵盤設(shè)定或改變報警準許值，讓用戶和測試人實時監(jiān)控?zé)熿F數(shù)值和改變報警準許值。（3）煙霧報警功能若其含量20秒內(nèi)均超出限定值，蜂鳴器接收到信號立即發(fā)出警報，同時紅燈亮起。由于人們對突然產(chǎn)生的信號特別注意，故亮起的燈光和發(fā)出的警報激起了人們的關(guān)注。（4）防止報警器誤報功能能很快繼續(xù)檢測，延后發(fā)出警報，留下一定時間查出究竟是管道常見的可疑氣體向外漏出還是閥門內(nèi)殘存的微量氣體所導(dǎo)致的。（5）看門狗自檢單片機狀態(tài)功能用看門狗程序，每次時間間距差不多時候，去看看單片機作業(yè)進展，看看有沒有異常情況出現(xiàn)，如果系統(tǒng)發(fā)生死循環(huán)，及時執(zhí)行復(fù)位操作，以此要確保報警器順利平穩(wěn)作業(yè)。（6）與上位機通訊功能和計算機串口通訊，共同來接管控制報警器作業(yè)，方便收集和應(yīng)對數(shù)據(jù)，并且可在計算機使改變限定值。（7）自動控制相關(guān)安全裝置的擴展功能狀態(tài)指示燈聲音報警狀態(tài)指示燈聲音報警濃度顯示四個按鍵傳感器放大電路A/D轉(zhuǎn)換模式切換安全控制裝置傳感器串口通信單片機圖2.4多功能窗結(jié)構(gòu)框圖5.5多功能窗的主要技術(shù)指標（1）傳感器品種：熱催化形式（2）檢測區(qū)間：0～100%LEL（3）報警可靠性：±3%LEL（4）報警點設(shè)置：液化石油氣、甲烷達30%LEL，氫氣達25%LEL，馬上警報聲發(fā)出（5）作業(yè)方式：其區(qū)域定位設(shè)置，等其擴散后實施采樣，長時間不間斷作業(yè)（6）工作環(huán)境溫度：檢測器0°C～70°C；報警器0°C～70°C（7）工作環(huán)境濕度：≤95%RH（8）報警方式：煙霧泄漏聲光報警（9）指示方式：通過一系列數(shù)值來展現(xiàn)，能清晰知道當時具體濃度，控制限定值（10）響應(yīng)時間：≤10S輸出信號：可輸出與煙霧濃度對應(yīng)0～5VDC標準信號（11）工作電壓：AC220V±15%，50±lHz或DC9V±10%（12）能很快再次測試，推遲響起警報聲，留下一定時間查出究竟是管道可燃性煙霧發(fā)生外溢還是閥門中存在的極少煙霧導(dǎo)致的，以防出現(xiàn)錯誤判斷。5.6多功能窗硬件設(shè)計STC12C54xxAD系列有STC12C5412AD，STC12C5410AD，STC12C5408AD，STC12C5406AD，STC12C5404AD，STC12C5402AD。差異之處在于其中Flash大小。假如它們市場價格一樣，沒有什么硬性需求，要盡可能地用Flash大的芯片，本文用STC12C5410AD單片機來研制煙霧檢測多功能窗。它外觀不大，單價便宜，特別適應(yīng)此畢設(shè)，如下闡述它的特征。STC12C5410AD單片機運轉(zhuǎn)速率遠高于過去的單片機，系統(tǒng)可行性高，抵御入侵能力得到大大的加強，除此之外，還可作進一步地完善，將其縮小，便于攜帶。它內(nèi)部構(gòu)造Flash基本上滿足了當前使用者的相關(guān)需求，如耗完電后數(shù)據(jù)不會消失、存儲速度快、內(nèi)存大、電能擦除、在線編輯、擦寫次數(shù)多、成本不高及可行性強等全部優(yōu)點[5]。圖3.1STC12C5410AD管腳結(jié)構(gòu)圖5.7多功能窗硬件電路設(shè)計5.7.1信號采集及前置信號放大電路傳遞來的信號大多數(shù)都不強，要通過前置電路的媒介，把它擴大、濾波、調(diào)節(jié)電平，實現(xiàn)相關(guān)信號需求。運算放大器類別很多，LM324頗受大家青睞。它單價便宜，操作難度小，故本文選用LM324來當做電路運算放大器。通過擴大兩級。傳感器電路中，任何電阻精度均不準許超出1%，當=，=，=時，放大倍數(shù)：A=（5-1）把相關(guān)值代入，電路放大倍數(shù)30。使用差分放大電路，能很快高效地驅(qū)除掉信號產(chǎn)生的共模雜音。圖3.2前置放大電路圖5.7.2聲光報警電路用常見的小型揚聲器，對比蜂鳴器，它外形較大，產(chǎn)生聲音強度大，能使用在很多地方的燃氣報警器。單片機STC12C5410AD19腳(P3.7)在1時，三極管Q1導(dǎo)通。若含量大于限定數(shù)值，則單片機接管P3.7口，傳出一定頻率脈沖，接著斷開T1，使頻率發(fā)生變化，進而揚聲器發(fā)出和警報相同的聲音。單片機STC12C5410AD6腳(P0.0)、10腳(P0.1)、23腳(P0.2)，操控指示燈作業(yè)狀態(tài)，正確顯示亮燈顏色。顯示綠燈亮?xí)r，反映工作正常進行，可燃性煙霧含量處于正常范圍；顯示黃燈亮?xí)r，表明傳感器正在預(yù)熱階段；顯示紅燈亮?xí)r，說明周圍可燃煙霧含量高于限定值，說明使用者要仔細注意提早做出應(yīng)對之措。(a)聲音報警電路(b)燈光報警電路圖3.3聲光報警電路5.7.3數(shù)碼管顯示電路字高：11.4mm環(huán)境相對濕度：<85％視角：6:00作業(yè)溫度：-10～+50°C顯現(xiàn)形式：動態(tài)顯示顯現(xiàn)位數(shù)：四位顯現(xiàn)顏色：紅色接口步驟：8線并行接口圖3.4數(shù)碼管顯示電器5.7.4鍵盤控制與模式切換控制電路將操作鍵固定，單片機外側(cè)斷開0，會形成低電平，然后程序失聯(lián)7]。P1.7引腳和顯現(xiàn)報警限定值按鍵相接，它來反應(yīng)現(xiàn)在的報警限定值；P1.6引腳和報警限定值的加鍵連接，可確保使用者增加限定值；P1.5引腳和報警限定值減鍵相接，可讓使用者縮小限定值；P1.4引腳和去除報警音鍵連接，若煙霧含量超出限定值，警報響起，使用者趕至現(xiàn)場，按好相關(guān)鍵中止警報，若過了一會兒，煙霧濃度依然超過限定值，警報再次響起，告知使用者。模式切換控制電路利用單片機P1.3和P1.2接口來展開，采用定時掃描的方式，對其展開操控。墨守成規(guī)地將液化石油測試含量既定為缺省模式；只和P1.3引腳相連，把操作鍵改變成氫氣測試模式；只和P1.2引腳相連，通過對開關(guān)進行相關(guān)命令，改至甲烷測試模式；在同一時間，若兩個開關(guān)一起開啟或一起失聯(lián)時，表明不具備一點作用，代表缺省模式。圖3.5鍵盤與模式切換電路5.7.5安全控制裝置電路此電路，要確認好繼電器的作業(yè)狀態(tài)，它是確保口令能否操作的獨有判定依據(jù)。如果現(xiàn)場煙霧實際含量高于設(shè)定報警限定值時，繼電器開始運作，開啟安全設(shè)施[8]。圖3.6安全控制裝置電路5.7.6直流穩(wěn)壓電源電路為了便于系統(tǒng)能適用于各類地方，可使用220V交流電來給予電能，如果沒有交流電，可選用9V點池來提供電能實施檢漏，電路中安裝了防反灌充電二極管，運作沒有任何風(fēng)險，可靠性有保障。傳感器要用3V電源獨自供電，故要把5V電源轉(zhuǎn)換成3V穩(wěn)壓電源。圖3.8傳感器3V獨立電源電路圖5.8基于單片機的多功能窗硬件總電路將以上電路綜合分析，進行總結(jié)聯(lián)合，可勾勒出多功能窗總電路。每個電路單獨工作，能反映出實時煙霧含量，程序性地切換氣體，排出煙霧，根據(jù)相關(guān)信號，借助聲光體系發(fā)出警報，及時地進行開窗。第六章多功能窗軟件設(shè)計第六章多功能窗軟件設(shè)計6.1STC12系列單片機調(diào)試及開發(fā)工具軟件程序編輯用KeilC51，和匯編對比，C語言優(yōu)勢很突出，它結(jié)構(gòu)完美、可讀性強、維護方便。KeilC51軟件庫函數(shù)特別充裕，有著功能杰出集成研制調(diào)節(jié)工具，全方位Windows界面。除此之外，它生成目標代碼速度非常迅速，很多語句構(gòu)成的匯編密切，易于領(lǐng)悟。6.2多功能窗軟件流程及設(shè)計接收到相關(guān)測試煙霧信號后，用軟件對其做出一系列措施，將信號展開A/D轉(zhuǎn)換步驟，數(shù)字濾波，不停地刷新實時含量數(shù)值，按操作鍵布置一系列性能命令，改變模式應(yīng)付，合理科學(xué)地使用好聲光報警器。6.2.1主程序設(shè)計及流程圖對其執(zhí)行初始化命令，接著對傳感器做出相關(guān)操作，將其預(yù)熱，需5分鐘，MC101型熱催化燃燒式煙霧傳感器斷電，且經(jīng)過一定時間后，又接著接通電源，傳感器不可以馬上捕捉到煙霧信號，要先進行預(yù)熱，約莫達到一定時間。初始化命令終結(jié)后，體系進入監(jiān)控態(tài)勢。A/D切換，防脈沖作用濾波，按鍵處理等都在中斷子程序中處理。開始開始初始化初始化濃度顯示濃度顯示中斷處理中斷處理結(jié)束結(jié)束圖4.1主程序流程圖6.2.2主程序初始化設(shè)計及流程圖起動片內(nèi)看門狗，把傳感器進行預(yù)熱，約5分鐘，系統(tǒng)自動辨別當前模式，針對報警限值，對其進行設(shè)定和修改，功能包括各種I/O口輸入輸出狀態(tài)設(shè)定、寄存器初始化等。將T0定時，其初步數(shù)值固定成50ms，把它定成含量值間距，對T1執(zhí)行初始化命令，T1中斷優(yōu)先級，轉(zhuǎn)置最高級。準許使用中止性能，進行A/D轉(zhuǎn)換，打開綠燈。開始開始啟動看門狗啟動看門狗返回關(guān)閉揚聲器關(guān)閉狀態(tài)指示燈關(guān)閉顯示器返回設(shè)置T1中斷優(yōu)先啟動T0打開綠燈允許總中斷允許A/D中斷允許T0中斷允許外部0中斷黃燈閃爍傳感器預(yù)熱設(shè)置報警界限初值讀取當前模式開啟A/D轉(zhuǎn)換T0定時50MS顯示器顯示移動的0返回關(guān)閉揚聲器關(guān)閉狀態(tài)指示燈關(guān)閉顯示器返回設(shè)置T1中斷優(yōu)先啟動T0打開綠燈允許總中斷允許A/D中斷允許T0中斷允許外部0中斷黃燈閃爍傳感器預(yù)熱設(shè)置報警界限初值讀取當前模式開啟A/D轉(zhuǎn)換T0定時50MS顯示器顯示移動的0結(jié)束結(jié)束圖4.2初始化程序流程圖6.2.3數(shù)碼管顯示程序設(shè)計選取了四位共陰紅色數(shù)碼管，以此來反應(yīng)真實的含量和報警限定值。為了便于應(yīng)對數(shù)據(jù)處理，在捕獲到相應(yīng)數(shù)值后，將其擴大1000倍，取其整數(shù)，傳送值顯示器顯現(xiàn)。四位數(shù)碼中，若首位小數(shù)點一直處于亮著狀態(tài)，則能很正確地表示當前含量或報警限定值。如下顯示程序：voidDisplay(XSDATA) //顯示程序{inta,b,c,d;a=XSDATA/1000;b=(XSDATA%1000)/100;c=(XSDATA%100)/10;d=XSDATA%10;P2=XS1[a];Delay_ms(1);P2=XS2[b];Delay_ms(1);P2=XS3[c];Delay_ms(1);P2=XS4[d];Delay_ms(1);WDT_CONTR=0x35; //喂狗}6.2.4外部中斷0程序設(shè)計及流程圖由硬件圖知，外部斷開0，把它與鍵盤相接，所以外部斷開0子程序，通常對鍵盤展開掃描操作，固定好按鍵，按住不動，對它做出相關(guān)處理操作。要提升正確率，特意使用了拖延去震動方式來去除擾亂。四個按鍵，第一個用來執(zhí)行顯現(xiàn)實時設(shè)置的報警限值操作，第二個能執(zhí)行調(diào)大現(xiàn)在報警限值操作，每次能調(diào)大0.01%，第三個能執(zhí)行調(diào)低現(xiàn)在報警限值操作，每次能調(diào)低0.01%，第四個執(zhí)行除掉警報聲操作。外部斷開0子程序。開始開始關(guān)閉中斷0允許關(guān)閉中斷0允許掃描鍵值掃描鍵值延時10MS去抖動延時10MS去抖動N是否有鍵按下 N是否有鍵按下 Y– Y提取鍵值提取鍵值鍵值對應(yīng)動作處理鍵值對應(yīng)動作處理開啟中斷0允許開啟中斷0允許結(jié)束結(jié)束圖4.3外部中斷0程序流程圖6.2.5T0中斷程序設(shè)計及流程圖用單片機內(nèi)部定時器T0，最初值定成50ms，每隔50ms去識別目前在測試哪類燃氣，當進行模式轉(zhuǎn)換時，立即回應(yīng)，及時修訂相應(yīng)燃氣的報警限定值和該燃氣的含量計算方式；外部中止0程序，如果調(diào)節(jié)報警限定值按鍵被按時，顯示器要呈現(xiàn)報警限定值，這時取TO計數(shù)，在5s時間內(nèi)，如果沒有執(zhí)行按鍵口令，則將顯示器轉(zhuǎn)換至顯現(xiàn)真實含量；此外，T0斷開程序，其中最為重要的任務(wù)，要觀察當前的煙霧含量數(shù)值，與限值對比，判斷是否超過限值，若超出限定值，要立即進行報警。開始開始設(shè)置報警界限讀取當前模式設(shè)置報警界限讀取當前模式Y(jié)Y是否顯示報警界限五秒無操作？YY是否顯示報警界限五秒無操作？NN報警標志位為1？N顯示濃度報警標志位為1？N顯示濃度NYNY報警報警Y雙通道均超限？Y已延時20秒？Y當前濃度是否超限Y雙通道均超限？Y已延時20秒？Y當前濃度是否超限NNNNNN報警標示為0延時20秒報警標示為0延時20秒報警標示為1定時50ms，啟動T0報警標示為1定時50ms，啟動T0結(jié)束結(jié)束圖4.4T0中斷程序流程圖6.2.6ADC中斷程序設(shè)計及流程圖單片機A/D轉(zhuǎn)置操作結(jié)束，向CPU發(fā)布命令，中止程序，CPU洞察到這一情況，馬上終結(jié)ADC程序。在這個階段，要對樣值數(shù)字濾波做出處理，根據(jù)相關(guān)運算規(guī)則算出當前的真實煙霧含量，傳輸?shù)斤@示器顯現(xiàn)，此外要操控傳感器采樣通道轉(zhuǎn)換。開始開始清除溢出標志采樣為最大值？N清除溢出標志采樣為最大值？N取A/D采樣結(jié)果取A/D采樣結(jié)果YY存為最大值存為最大值采樣為最小值？采樣為最小值？Y存為最小值Y存為最小值NNNN轉(zhuǎn)為實際濃度N啟動A/D轉(zhuǎn)換存入寄存器切換通道送至顯示器結(jié)束采樣已夠10次？數(shù)字濾波Y轉(zhuǎn)為實際濃度N啟動A/D轉(zhuǎn)換存入寄存器切換通道送至顯示器結(jié)束采樣已夠10次？數(shù)字濾波Y圖4.5ADC中斷程序流程圖6.3多功能窗標定若液化石油氣爆炸下限是1.5%體積比，相應(yīng)報警限定值定為30%LEL，煙霧檢測多功能窗發(fā)出警報；氫氣爆炸下限為4%體積比，相應(yīng)報警限定為25%LEL，煙霧檢測多功能窗警報聲響起；同理，甲烷爆炸下限為5%體積比，相應(yīng)報警限定為30%LEL，煙霧檢測多功能窗發(fā)出警報。若在兩周內(nèi)再次使用，要對其首先預(yù)熱，要達到30分鐘才可作業(yè)。儀器接通電源，待其平穩(wěn)牢靠運行后，于大氣中調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，讓其數(shù)值為0；系統(tǒng)輸入2.10%標準氣，流量200ml/min。若數(shù)值保持不變，調(diào)節(jié)靈敏度電位器，促使系統(tǒng)顯現(xiàn)濃度和運用標準氣濃度一致。逐次輸入不一樣濃度標準氣，取甲烷為實例，等其數(shù)值固定后，分別記下每種濃度下標準氣體真實值和顯現(xiàn)值，求出誤差。序號標準氣體濃度本機顯示值誤差100.000%+0.000%21.09%1.085%-0.005%32.10%2.100%+0.000%43.06%3.038%-0.022%53.90%3.906%+0.006%表5.1實際濃度與顯示濃度比較煤炭部頒標準基本誤差標準為：0～1%CH4時，±0.1%1～2%CH4時，±0.2%2～4%CH4時，±0.3%由此可見，本系統(tǒng)誤差遠遠小于國家標準。參考文獻第七章總結(jié)與展望窗戶的結(jié)構(gòu)也在不斷地發(fā)生了變化。目前比較常見的聲控窗、光控窗、智能控制窗也在不斷的發(fā)展。目前的智能控制窗大部分是通過平開式進行控制的，而目前采用推拉式的多功能窗的結(jié)構(gòu)較少，該結(jié)構(gòu)占據(jù)更少的空間，是未來發(fā)展的重要方向。課題中在研究時首先需要根據(jù)多功能窗安全鎖定裝置的工藝要求來對其工藝流程和工藝方案進行制定，并完成目前已有的方案分析與對比，最終確定設(shè)計方案，通過三維建模軟件完成對設(shè)計方案的建模，設(shè)計方案中的控制系統(tǒng)部分使用單片機來完成。緒論，了解多功能窗的重要作用以及發(fā)展方向，確定本文研究的主要內(nèi)容；完成目前已有的方案分析與對比，確定本文選用的最終方案；使用三維軟件完成三維建模，包含零部件的建模與分析；完成能拿單片機系統(tǒng)的設(shè)計，本文設(shè)計的多功能窗能夠?qū)崿F(xiàn)煙霧檢測，完成本文的全部內(nèi)容。通過這次對多功能窗的設(shè)計，既讓自己清晰的了解認識了自己的設(shè)計能力，掌握到自己設(shè)計某些方面的不足，也提