菏泽学院本科生毕业设计（论文）
2 机械结构的设计
2.1 自动开关窗机械传动形式设计
2.1.1 自动开关窗任务分析 智能窗的传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑动，任务简单，但要求精确度较高。通过学习机械设计知道，齿轮齿条传动传动较为准确、可靠，并且机械效率高[18]，因此，选定齿轮齿条传动能满足智能窗传动任务的要求。传动形式见图2-1。
图2—1 齿轮齿条传动
2.1.2 齿轮齿条参数选择 由于此传动所带负载不是很大，故齿轮齿条参数选取较为宽松，根据具体需要确定其主要参数为：
齿轮：m=1.5 Z=20
d=mz=30mm β=20°
P=πm=3.14×1.5=4.7mm 齿条：m=1.5
β=20°
P=πm=3.14×1.5=4.7mm
2.2 窗框与窗扇的结构设计
2.2.1 窗框结构设计 此窗框是在常规窗框的基础上进行的更改设计，在窗框上下两侧各开一道滑移槽，使窗扇开关窗时在滑移槽内滑动实现关窗。同时为实现窗扇的旋转在滑移槽一侧各设计一转轴槽。其具体设计见图1-3窗框结构图。
图2-2 窗框结构图
2.2.2 窗扇结构设计 窗扇在常规窗扇的基础上进行部分改进，在窗扇一侧加一旋转轴，同时在旋转轴上安装滑动轮。具体设计见图2-3。
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图2-3 窗扇结构图
2.2.3 步进电机滑槽设计
为实现窗扇的180°旋转，特别将电机卡座设计成可上下移动的形式。具体设计见图2-4滑移槽设计图与2-5步进电机滑槽设计装配局部图。
图2-4滑移槽设计图
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图2-5步进电机滑槽设计装配局部图
2.3 180°旋转工作流程示意图
本设计窗扇可以具有180°旋转功能，此设计解决了楼层高的住户擦拭玻璃困难的问题。绘制了其工作流程示意图加以说明，见图2-6。
1、窗户开闭状态
2、拿下防护罩状态
3、齿轮与齿条离合状态图
图2-6 180°旋转工作流程示意图
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4、旋转后状态图
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3 自动控制系统主要硬件的设计
3.1 单片机选型
3.1.1 单片机发展过程 单片机是一种集成电路芯片。它采用超大规模技术将具有数据处理能力的微处理器(CPU)、存储器（含程序存储器ROM和数据存储器RAM）、输入、输出接口电路(I/O接口)集成在同一块芯片上，构成一个既小巧又很完善的计算机硬件系统，在单片机程序的控制下能准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。其诞生于20世纪70年代末，主要经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。
1）SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。
2） MCU即微控制器（Micro Controller Unit）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。
3)MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。
4)单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SOC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统[4]。
3.1.2 单片机发展趋势 （1）CMOS化 近年，由于CHMOS技术的进步，大大地促进了单片机的CMOS化。CMOS芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作在功耗精细管理状态。因为单片机芯片多数是采用CMOS（金属栅氧化物）半导体工艺生产。CMOS电路的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的TTL电路速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了HMOS（高密度、高速度MOS）和CHMOS工艺。CHMOS和HMOS工艺的结合。目前生产的CHMOS电路已达到LSTTL的速度，传输延迟时间小于2ns，它的综合优势已在于TTL电路。因而，在单片机领域CMOS正在逐渐取代TTL电路。
（2）高性能化 主要是指进一步改进CPU的性能，加快指令运算的速度和提高系统控制的可靠性。采用精简指令集（RISC）结构和流水线技术，可以大幅度提高运行速度。现指令速度最高者已达100MIPS（Million Instruction Per Seconds，即兆指令每秒），并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运算速度比标准的单片机高出10倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可以用软件模拟其I/O功能，由此引入了虚拟外设的新概念。
（3）低噪声与高可靠性 为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片厂家在单片机内部电路中都采用了新的技术措施。
（4）低功耗化 单片机的功耗已从Ma级，甚至1uA以下；使用电压在3至6V之间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化
（5）大容量化 以往单片机内的ROM为1KB至4KB，RAM为64B至128B。但在需要复杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内ROM最大可达64KB，RAM最大为2KB
（6）低电压化 几乎所有的单片机都有WAIT、STOP等省电运行方式。允许使用的电压范围越来越宽，一般在3至6V范围内工作。低电压供电的单片机电源下限已可达1至2V。目前0.8V供电的单片机已经问世[5]。
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3.1.3 AT89S51单片机简介 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS –51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、 NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51系列可能最终形成事实上的标准MCU芯片[6]。
本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机AT89S51。其片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
主要性能参数：
（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容
（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器 （3）1000次擦写周期
（4）4.0-5.5V的工作电压范围 （5）全静态工作模式：0HZ-33MHZ （6）三级程序加密锁
（7）128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线 （8）2个16位定时/计数器 （9）6个中断源
（10）全双工串行UART通道 （11）低功耗空闲和掉电模式 （12）中断可从空闲模式唤醒系统 （13）看门狗（WDT）及双数据指针 （14）掉电标示和快速编程特性
（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式） 3.2 数据检测传感器的选择
3.2.1 数据检测传感模块组成 根据该设计的功能要求数据检测传感系统由四个部分组成： 1)光度传感电路； 2)风速传感电路；3）湿度传感电路；4)有害气体传感电路；5)红外防盗传感器。
3.2.2 传感器选型及电路 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、
[9]
处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
1、 光度传感器
光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫 外线波长。其中最简单的光敏传感器是光敏电阻，本设计中采用光敏电阻与驱动电路来构成光敏传感电路。电路图如图2-1所示。
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