智能窗户控制系统设计

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1、四川信息职业技术学院毕业设计说明书（论文）（论文）题目：智能窗户控制系统设计专班学机电一体化机化18-12020 年 9 月 27 日目录第1章绪论11.1智能窗户研究的背景及意义11.1.1智能窗户的发展现状及趋势 11.1.2智能窗户的研究内容1第2章智能窗户系统设计32.1智能窗户的控制要求32.2智能窗户的执行方案32.3控制系统功能及组成52.4检测系统功能及工作原理6第3章 智能窗户硬件选型及电气设计83.1机械系统重要部件选型83.2控制系统硬件选型83.2.1 PLC 的选择 83.2.2 PLC功能选用 93.3传感元件选型103.3.1风速检测装置的选择103.3.2温度传

2、感器 103.3.3湿度传感器的选择 103.3.4烟雾传感器113.4光控开关的选择113.5按钮及指示灯、蜂鸣器的选择123.5.1指示灯的选择123.5.2报警器的选择 123.5.3按钮开关（SB） 12第4章PLC控制程序设计 144.1控制流程图144.2 PLC软件设计 154.2.1梯形图154.2.2 I/O端口的分配204.2.3 系统兀器件清单 21第5章PLC仿真225.1界面设计22第6章日常维护与保养256.1 PLC的日常保养256.2步进电机的日常维护 25第7章结论26致谢27参考文献28摘要四川信息职业技术窗户作为室内与外界“交流”的通道，与人们的健康生活息

3、息相关。而智能窗 户的出现，给人们的生活带来了更多的方便和安全。它是智能家庭的重要组成部分。 窗户的智能化控制是以检测传感技术为基础，将可编程控制器作为控制单元，使窗 体在面临不同的外界环境实现自动化控制。将智能化控制应用于家居窗户保证了家 居的安防工作，提高了上班族的生活质量。本文设计一套由PLC、步进电机、滚珠丝杠、温湿度传感器和风速传感器等主 要设备构成的全自动化智能窗户。本文主要对智能窗户的系统组成和机械原理进行 了阐述，根据控制要求进行了电气设计、PLC程序设计和触摸屏设计，并对程序进 行了仿真。智能窗户可根据用户设定的开闭时间、室外风速，室内光线，空气湿度 等参数，进行窗户的自动开

4、闭，以调节室内的光线和空气质量。未来家居的智能化 是一种新的发展趋势，因此本文的设计研究有其一定的实用价值。关键字：PLC；智能窗户；滚珠丝杠；步进电机；传感器第1章绪论1.1智能窗户研究的背景及意义社会在进步，人们生活水平在迅速提高，各种生活便利的自动控制系统，在人 们的生活中扎根，智能建筑已深入到多个领域，未来的智能家居必然是一个发展趋 势。要求以生活方便及提高舒适性为目的，进行智能窗户的设计，以此为题进行毕 业设计具有较高的实际意义和经济价值；同时也有助于学生实现控制器、执行器和传 感器等知识的实际应用，提高了知识和技能理论的综合应用能力，提高了数据检索 的能力和解决实际问题的能力。因此

5、，我们设计的智能窗是以智能家居为背景，采用可编程控制器技术、自动 控制技术、系统设计和安全技术和应用的传感器技术实现智能窗系统，窗口切换动 作可以是一个可靠和环境中的异常情况，如风、雨、天黑、陌生人自动识别等。以 便人们能够更安心的工作，同时也保证居民生活的舒适以及生命财产不受威胁。 1.1.1智能窗户的发展现状及趋势现在的智能窗户系统一般由控制器、传感器以及驱动元器件等组成，主要包含 了声、光、电、机、通讯等设备，同时也是未来智能窗户设计的理想选择，这也是 本设计的主要研究方向和目标。主要利用PLC的智能化控制，以传感器为中间传输 器件，将信号传给PLC,通过控制电机来控制窗户开合PLC作为

6、控制核心，智能性 高，逻辑控制能力强，还具有通讯功能，并且体积与功耗较小，利用率较高。通过 它控制窗户的开合，实现通风或者封闭功能，从而实现各种保护功能。1.1.2智能窗户的研究内容本设计的主要内容是采用PLC智能控制，风、雨、天黑均能自动关闭窗户和防 止盗情出现等功能，PLC完成编程并实现各种操作。设计过程中，参考各种文献资料并进行分析;智能窗户的机械结构设计，包括总 体方案，各功能元的安装方案:结合西门子PLC、传感器及机电控制技术方面的知识 进行智能窗户控制系统的设计，包括主控制端程序设计、辅助功能单元程序设计； 根据所设定的数据进行选择检测传感电路以及各传感元件；用可编程控制器(PLC

7、) 输入程序实现风大自动关窗、“下雨天自动关窗、天黑自动关窗、防盗以及煤烟报 警等一系列功能。拟解决的问题主要包括:对现有的智能窗户及相关产品进行市场调研;智能窗户 总体方案及其程序设计，包括窗体开合的执行结构设计，主控系统及各功能控制系统的设计，确保其便捷性及舒适性;步进电动机的选型;轴承的选择;滚珠丝杠的选择、检测传感器设计以及各传感元件的选择等。根据载荷重量及智能窗户的开合状态，本文窗户参数如表1-1表1-1窗户基本参数窗体移动速度4m/min重量10kg宽度600mm高度1500mm四川信息职第2章2.1智能窗户的控制要求本设计系统主要是基于PLC的控制，根据外界的空气状况、室内情况以

8、及陌生 人的接近控制窗户的开合。本设计主要有以下几个控制要求：（1）当室内温度超过30度时可以自动开窗换气,保证室内空气的清新（此时指在 没有风雨天气和盗情的基础上）。（2）若室内的湿度达到一定的数值时（此时数值可以自己设定），窗户可以自动开 启以通风换气。（3）若室外风力超过一定等级时（风级自己设定），由传感器检测到信号，并传给 PIC,控制窗户的关闭。（4）若外界有雨时，湿度传感器感应到信号，并将其传给PLC,由其控制窗户的关 闭。（5）当有人驻留在窗口时，将阻止红外探测器发射和接收路径，设置一定时间后 窗户将被关闭，并发出报警信号。（6）若天气由白到黑时，光控传感器会接收到信号，并将其传

9、给PLC,控制窗户的 关闭。2.2智能窗户的执行方案智能窗户的结构设计多种多样，现在对其执行机构的三种设计方案进行比较， 最后-确定最优的设计方案。方案一:设计为齿轮齿条结构，其主要部分是齿轮传动马达，齿条和小齿轮，将 窗框的底部机架被固定在墙壁上，将主动齿轮与电动机同轴连接并装入窗体内，放 置在固定窗一侧（右侧），窗体内同时安装有与主动轮相同尺寸的从动齿轮，主动齿 轮在上，从动齿轮在下，从动齿轮与齿条啮合，电动机驱动主动齿轮转动，进而主 动齿轮带动从动齿轮旋转，通过齿轮齿条的旋转运动转换为窗体的直线运动，从而 实现窗户的开启和关闭。方案二:设计绕线轮和定滑轮复合结构，其主要组成部分为步进电动

10、机、减速器、 绕线轮、牵引绳、定滑轮和系绳桩。电机固定在窗户底架上，输出端通过绕线轮和 另一端的定滑轮收放使用，拉伸桩固定在窗扇上，通过移动拉伸桩的位置从而实现 窗户的开启与关闭。方案三:利用滚珠丝杠，其主要组成部分有步进电动机、联轴器、轴承、滚珠丝 杠和滚珠螺母等。把滚珠丝杠副放置在窗框的底部并固定在墙体内，两端用轴承联 接，其中一端安装联轴器，使之与步进电机相连，而PLC作为核心部分，通过接收 传感器的信号，并用其控制电机，以此来达到控制窗户的开启和关闭。比较三个方案，分析优缺点：方案一:本方案中使用了齿轮齿条结构，性能稳定，传动效率高，便于实现自动 控制;但齿轮齿条结构存在齿侧间隙。方案

11、二:本方案中采用了定滑轮机构，窗扇在绕线轮和定滑轮的搭配使用下能实 现自动开合，并且机构简单，但不适用于多次启停场合，磨损较大。方案三:结构紧凑，运动平稳，传动精度高，且不易磨损，并且使用寿命长，能 完成窗户操作的制定动作。综上所述，本设计选择方案三进行设计。可设计出窗户模型如图2-1所示。智能窗户的动力源为24v的步进电机，以此实现自动开启和关闭。图2-1窗户模型关于窗户打开方式及优缺点的介绍：(1) 推拉窗 窗户沿轨道上下或者左右推拉优点:不占用室内外空间，操作轻便，特别适用于阳台。缺点:最大开启度只能达到整个窗户面积的1/2 ;在风雨天，窗户只能关闭， 无法换气;要清洁朝外的玻璃面较困难

12、;密封性差，湿气、灰尘容易进入;窗框下滑轨 来回滑动，上有较大的空间，下有滑轮间的空隙，造成较大的热损失。(2) 平开窗:是一种传统的窗型，应用范围最广，分内开、外开两种。优点: 窗扇和窗框间均有橡胶密封压条，封闭性能好;外平开窗防水性能好，且开启时不占 用室内空间，内平开窗便于经常擦洗，保持窗户洁净。缺点:外开式窗会占用室外空间；内开式窗容易撞到小孩的头而且容易造成雨 水、沙尘侵袭室内。(3) 平开上悬窗:这是德国应用得最广泛的窗型，其技术含量相对较高。它通过 转动执手选择门窗的关闭，向内平开及顶部向内上悬，从而达到密封、通风、适量 通风及防盜的目的。其五金件多为国外进口，价格相对较高。优点

13、:具有良好的保温隔音性能;通风时，新风回旋进入室内；刮风下雨时，也 可以开启窗户，保持室内空气清新;便于清洁朝外的玻璃面。缺点:其技术含量较高，五金件多为国外进口，价格相对较高。(4) 射窗:射窗的结构与平开窗相似，只是铰链(合页)安装的位置不同，安装在 顶部。射窗较适合厨房、卫生间等小窗户或有中央空调的宾馆、写字楼，有时是与 平开窗、推拉窗配套使用的。每种打开方式都有有点和缺点，目前我国使用最广泛的窗户是推拉窗，所以这 次设计的基础是以推拉窗为载体，安装在推拉窗上实现机构的功能。.2.3控制系统功能及组成智能窗户的主要工作原理是，通过PLC控制电机的正反转来带动窗户沿着轨道 来回运动。智能窗

14、户控制系统主要由可编程控制器、各种传感器、步进电机、控制按钮、 指示灯、报警器、触摸屏等组成，其中以可编程控制器、步进电机为控制核心，结 合传感器，对智能窗户进行控制。有自动开关窗户、自动防风、防雨、和防盗等功 能。自动防风：刮风时，预先设置好的传感器会检测到大风信号，窗门会自动关闭, 使您的家免遭风沙侵挠，解除您的后顾之忧。自动防雨:下雨时，传感器会检测到下 雨信息，窗门会自动关闭，即便您出门时忘记关窗，也能使您的家免受雨水之灾。 防盗：如遇小偷从外面靠近住宅窗户，传感器会检测到人体信号，窗门首先会自动关 闭，并以高亮度红色警灯闪烁示警，阻吓小偷自觉离开，如果小偷继续动作，则智 能窗将高分贝

15、声音报警信息传给周围人。2.4检测系统功能及工作原理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 PLC,PLC控制电机转动，电机通过联轴器带动轴承旋转，轴承上装有滚珠丝杠（滚珠 丝杠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，并且运行精度较高），通过滚珠丝杠带动活动窗体来控制窗户的关 闭;若外界有雨时，湿度传感器感应到信号，并将其传给PLC，由其控制窗户的关闭; 若天气由白到黑时，光控传感器会接收到信号，并将其传给PLC，控制窗户的关闭; 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。系统原理框图如图2-2图2-2系统原理图关系图如图2-3图2-3系统关系图第3章智能窗户硬件选型及电气设计3.1机械系统重要部件选型