多功能安全衛(wèi)士說(shuō)明書(shū)-----機(jī)電一體化

1、多功能安全衛(wèi)士 設(shè)計(jì)者：胡琪曼 楊彥榮 張超 史麗娜 韓宜珂指導(dǎo)老師：琚曉濤 賈爽（西安建筑科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 西安 710055）作品內(nèi)容簡(jiǎn)介經(jīng)過(guò)實(shí)踐和實(shí)地考察，我們發(fā)現(xiàn)在家居生活中燃?xì)庵卸臼录r(shí)有發(fā)生，但是在現(xiàn)實(shí)中避免這種事件發(fā)生的設(shè)備和裝置很少，而且很不完善，因此我們?cè)O(shè)計(jì)發(fā)明了此項(xiàng)實(shí)用的“多功能安全衛(wèi)士”。作品主要使用齒輪齒條傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)窗戶的打開(kāi)和關(guān)閉，并采用了單片機(jī)原理進(jìn)行自動(dòng)控制，由氣敏元件來(lái)感知空氣中的燃?xì)饷芏?，從而?shí)現(xiàn)了防護(hù)各種燃?xì)庵卸镜淖饔谩ＴO(shè)備實(shí)用性較強(qiáng)，可在一般的窗戶上面安裝，操作簡(jiǎn)單，功耗較低。并且此發(fā)明的市場(chǎng)潛力較巨大，可作為一種家庭人生安全裝置大力推廣到市場(chǎng)中去，讓我們

2、生活的更好，更安全，更放心！1 設(shè)計(jì)背景及意義隨著人民生活水平的提高，城市管道燃?xì)猓簹?，天然氣，液化石油氣等）的使用已越?lái)越普及。然而，因燃?xì)庠罹叩睦匣蛘呤褂貌划?dāng)?shù)鹊仍?，而造成由于燃?xì)庑孤┒斐傻娜藛T傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的事故屢有發(fā)生。當(dāng)燃?xì)庑孤r(shí)，人們常常很難察覺(jué)，處于危險(xiǎn)之中而不自知。為了防止此類事故發(fā)生，目前常用的方式是安裝監(jiān)測(cè)報(bào)警器或者人為打開(kāi)窗戶。這兩種處理方式雖然都有一定的作用，但在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人或者夜晚熟睡的情況下卻無(wú)能為力。立足于防范于未然，我們?cè)O(shè)計(jì)了“多功能安全衛(wèi)士”，旨在保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全。本作品克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，能有效解決突發(fā)燃?xì)庵卸臼录陌l(fā)生。本設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便實(shí)

3、用、造價(jià)低廉、靈活快捷、效率高，功能多樣等優(yōu)點(diǎn)。2 設(shè)計(jì)方案“多功能安全衛(wèi)士”主要由四部分組成，分別是傳感模塊、控制終端、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。首先“多功能安全衛(wèi)士”通過(guò)感應(yīng)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)燃?xì)鉂舛?，?dāng)燃?xì)鉂舛瘸^(guò)預(yù)定安全閥值時(shí)，感應(yīng)裝置發(fā)送信號(hào)給終端控制器，電機(jī)（動(dòng)力源）正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)齒輪齒條嚙合，窗戶自動(dòng)打開(kāi)，同時(shí)啟動(dòng)排氣扇，并進(jìn)行聲光報(bào)警。維持打開(kāi)狀態(tài)，直到氣敏元件監(jiān)測(cè)到室內(nèi)燃?xì)鉂舛鹊陀陬A(yù)設(shè)閥值時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉，同時(shí)排氣扇停轉(zhuǎn)，報(bào)警器關(guān)閉。2.1傳感模塊圖1 MQ-2煙霧傳感器眾所周知，煤氣的主要成分是一氧化碳，一氧化碳為劇毒氣體，并且無(wú)色無(wú)味，人們通常很難察覺(jué)，健康人在含一氧化碳1

4、的空氣中，10分鐘則產(chǎn)生痙攣，半個(gè)小時(shí)就會(huì)死亡。所以，煤氣泄漏時(shí)，既有爆炸的危險(xiǎn)，又存在一氧化碳中毒（直接中毒）的危險(xiǎn)；天然氣的主要成分是甲烷，乙烷對(duì)人的生理無(wú)害，但有窒息作用。當(dāng)其在空氣中 燃?xì)獾臐舛冗_(dá)到10時(shí)，可使人窒息死亡?？諝庵刑烊粴猓淄椋┖窟_(dá)到5至15時(shí)，遇火源會(huì)發(fā)生爆炸。而液化石油氣具有低毒性，當(dāng)空氣中的液化石油氣濃度超過(guò)1%時(shí)，會(huì)使人感到頭痛嘔吐，當(dāng)超過(guò)10%時(shí)，二分鐘就能使人麻醉，自如大量有蹊蹺時(shí)，導(dǎo)致窒息身亡。氣敏元件用于測(cè)量室內(nèi)空氣中燃?xì)鉂舛?，并向控制終端傳輸信號(hào)。我們選用的是MQ-2氣體傳感器。該傳感器特點(diǎn)高靈敏度，低功耗，優(yōu)異的穩(wěn)定性，壽命長(zhǎng)，具有小巧的外形。MQ-

5、2 氣體傳感器，這是一個(gè)探測(cè)范圍很廣的傳感器，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、CO等的濃度監(jiān)測(cè)，它是一種使用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測(cè)裝置，具有高的靈敏度和快速響應(yīng)，濕度對(duì)它的影響很小。如圖1所示。2.2控制終端控制終端與燃?xì)飧袘?yīng)傳感器連接，用于接收燃?xì)鉂舛葌鞲衅鱾鬏數(shù)男盘?hào)，并根據(jù)信號(hào)控制窗戶與換氣扇是否工作，是否啟動(dòng)報(bào)警裝置。單片機(jī)技術(shù)日臻成熟，其系統(tǒng)體積小，便攜性能好，功耗低，在芯片上集成了好多功能。而且隨著最新的亞微米工藝技術(shù)用于單片機(jī)，其運(yùn)算速度有了很大提高。根據(jù)排除煤氣實(shí)時(shí)性的要求與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，我們選用廉價(jià)的單片機(jī)89S52做控制終端。 2.3傳動(dòng)裝置傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型紛繁復(fù)雜，功能

6、多樣，因而采取何種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是本作品考慮的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求，我們考慮了如下幾種方案：2.3.1鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用鏈傳動(dòng)，其對(duì)安裝要求較高，同時(shí)又需要較好的潤(rùn)滑和張緊裝置，并且傳動(dòng)不夠精確，噪聲大，震動(dòng)大，平穩(wěn)性差。故排除次方案。2.3.2四桿機(jī)構(gòu)四桿機(jī)構(gòu)尺寸較大，由于窗臺(tái)面積較為緊湊，不易安裝擺放，且一般情況下，人們不希望看見(jiàn)窗臺(tái)上亂七八糟的桿桿棍棍的，影響審美，有駁于以人為本的創(chuàng)新原則。故排除次方案。2.3.3蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為緊湊，這點(diǎn)很符合設(shè)計(jì)初衷，但是此機(jī)構(gòu)在反轉(zhuǎn)時(shí)很容易產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，從而導(dǎo)致窗戶不能正確動(dòng)作，進(jìn)而不能達(dá)到保護(hù)目的。故排除次方案。2.3.4

7、絲杠機(jī)構(gòu) 這個(gè)機(jī)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)生活中應(yīng)用的地方也比較多，但是由于在絲杠螺母在正反轉(zhuǎn)的時(shí)候存在許多的空程，因此它的傳遞精度不高，再者絲杠結(jié)構(gòu)螺絲較為封閉，很容易受環(huán)境因素影響，很容易因空氣潮濕生銹，很難達(dá)到我們所要求的功效，因此，此方案也排除2.3.5齒輪齒條機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，精確性高，效率高，壽命長(zhǎng)，并且易于安裝和更換。此結(jié)構(gòu)精密緊湊，并且通用性好，可實(shí)現(xiàn)窗戶的正常動(dòng)作，無(wú)不良及不穩(wěn)定性因素，故采用此結(jié)構(gòu)最為合適。安裝時(shí)將齒輪齒條機(jī)構(gòu)安裝于窗戶下面。若安裝在上面，由于安裝窗戶框時(shí)需要預(yù)留安裝間隙，從而引發(fā)齒輪齒條嚙合不完全甚至發(fā)生脫齒現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)窗戶不能正常動(dòng)作或動(dòng)作不到位等問(wèn)題。而將其

8、安裝在下面，則可利用窗戶自身的重力壓緊齒輪齒條，從而保證其正確嚙合使動(dòng)作精確到位，并且齒輪聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以使窗戶打開(kāi)或關(guān)閉運(yùn)動(dòng)同步。再者，齒輪外嚙合可以任意的添加受控窗戶的數(shù)目，無(wú)需增加動(dòng)力源，即能實(shí)現(xiàn)多窗開(kāi)閉同步。適用于各類數(shù)目不同的窗戶，所以我們選用了此方案，如下圖2,3,4，5所示： 、圖2 齒輪細(xì)節(jié)圖3 齒條細(xì)節(jié)3 執(zhí)行部件的設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算齒輪類型的選擇：直齒圓柱齒輪嚙合時(shí)，齒面的接觸線平行于齒輪的軸線。因此輪齒沿整個(gè)齒寬方向同時(shí)進(jìn)入嚙合、同時(shí)脫離嚙合的，載荷沿齒寬突然加上或卸下。因此直齒齒輪傳動(dòng)的平穩(wěn)性較差，容易產(chǎn)生沖擊和噪聲。斜齒齒輪齒廓接觸線的長(zhǎng)度由零逐漸增加，又逐漸縮短，直至脫離

9、接觸，當(dāng)其齒廓前端面脫離嚙合時(shí)，齒廓的后端面仍然在嚙合中，載荷在齒寬方向上不是突然加上及卸下，其嚙合過(guò)程比直齒輪長(zhǎng)，同時(shí)嚙合的齒輪對(duì)數(shù)也比直齒輪多，即其重合度較大。因此斜齒輪傳動(dòng)工作較平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、噪聲和沖擊較小。材料的選?。河捎诒緳C(jī)構(gòu)運(yùn)用的特殊環(huán)境（廚房、窗臺(tái)）：廚房的油煙，或者下雨時(shí)候的雨水等因素，如果用鋼鐵材料做成的齒輪，很容易發(fā)生銹蝕，并且難于潤(rùn)滑保養(yǎng)。銹蝕后造成機(jī)構(gòu)卡死，窗戶難以打開(kāi)。故針對(duì)本結(jié)構(gòu)的特殊運(yùn)用場(chǎng)所及動(dòng)作需求，現(xiàn)決定用pom(聚甲醛)材料加工齒輪齒條。POM具有很低的摩擦系數(shù)和很好的幾何穩(wěn)定性，特別適合于制作齒輪和軸承。加工精度的選擇：齒輪加工時(shí)，由于輪坯、刀具在機(jī)床

10、上的安裝誤差，機(jī)床和刀具的制造誤差以及加工時(shí)所引起的震動(dòng)等原因，加工出來(lái)的齒輪存在著不同程度的誤差，加工誤差大、精度低，將影響齒輪的傳動(dòng)質(zhì)量和承載能力；反之，若精度要求過(guò)高，則會(huì)對(duì)加工帶來(lái)困難，提高制造成本。針對(duì)本作品的設(shè)計(jì)要求、功能的完全實(shí)現(xiàn)，根據(jù)GB10095-88選取加工精度為8級(jí)精度。相關(guān)計(jì)算：本作品設(shè)定窗戶寬度50cm、關(guān)窗時(shí)間設(shè)定40秒，即窗戶在40秒內(nèi)移動(dòng)0.5m，速度為0.0125m/s。根據(jù)窗戶框的幾何尺寸確定齒寬為7mm,齒頂圓直徑25mm。齒頂圓直徑：，其中分度圓直徑：齒頂高： 螺旋角初定為： 壓力角： 齒數(shù)取最小根切齒數(shù)：z=25 模數(shù)： 由：得齒頂高： 齒根高： 全齒

11、高：根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核公式：及齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核公式：均符合要求。4 工作原理及性能“多功能安全衛(wèi)士”由傳感模塊、控制終端、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)四部分組成。燃?xì)飧袘?yīng)傳感器放置在燃?xì)庠罡浇?，用于測(cè)量燃?xì)鉂舛取Ｈ細(xì)鉂舛冗_(dá)到10%以上，燃?xì)飧袘?yīng)器發(fā)出信號(hào)給控制終端，控制終端開(kāi)始執(zhí)行指令，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過(guò)齒輪齒條機(jī)構(gòu)自動(dòng)打開(kāi)窗戶，同時(shí)自動(dòng)接通排氣扇排氣，并進(jìn)行聲光報(bào)警，以避免人身中毒、火災(zāi)和爆炸等事故的發(fā)生。當(dāng)室內(nèi)燃?xì)鉂舛鹊陀陬A(yù)定安全閥值時(shí)，燃?xì)飧袘?yīng)器停止發(fā)送信號(hào)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉。作品工作原理圖如圖4所示，控制器的原理電路圖如圖5所示： 圖4 工作原理圖圖5 控制器工作電路圖5 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用。Ø 本作品氣感元件選用的是MQ-2煙霧傳感器，它可以同時(shí)感應(yīng)CO，甲烷，乙烷，丙烷，丁烷，液化氣等多種氣體，滿足了不同人群的需求，實(shí)現(xiàn)了多功能防護(hù)。Ø 本作品集聲光報(bào)警，排氣扇，以及自動(dòng)打開(kāi)關(guān)閉窗戶于一體，而且本作品裝有減速機(jī)構(gòu),無(wú)法用手推開(kāi),實(shí)現(xiàn)防盜功能，多重安全防護(hù)。任何家庭，無(wú)論如何注意，都可能有萬(wàn)一。其中點(diǎn)火失誤、冒鍋或風(fēng)吹滅、中途熄火、總閥未管嚴(yán)等就占了泄漏原因的七成多。本作品采用自動(dòng)檢測(cè)并且自動(dòng)動(dòng)作手段，有效的防治了不必要的麻煩甚至悲劇的發(fā)生。價(jià)格低廉，安裝方便，應(yīng)用靈活 ，功能多樣而且此