移動(dòng)式濕感控制關(guān)窗裝置的研究與設(shè)計(jì)

黃禮萬

（陽江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，廣東陽江 529500）

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展與智能家居的理念提出，很多樣板工程及高檔住宅，采用了智能控制系統(tǒng)[1]，雨天自動(dòng)關(guān)窗是其中常見且重要的功能之一，其功能為通過程序的預(yù)設(shè)，隨時(shí)監(jiān)測天氣的變化，當(dāng)下雨時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉門窗[2]。目前智能家居引入了物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)或者手機(jī)APP可以隨時(shí)監(jiān)測、控制與管理家里的事物，這也是未來的發(fā)展方向[3]。但是目前該技術(shù)還沒有得到廣泛應(yīng)用，主要是因?yàn)檫@是一項(xiàng)系統(tǒng)裝修工程，在做基礎(chǔ)裝修的時(shí)候，同步開展對(duì)各類設(shè)備進(jìn)行智能化管理系統(tǒng)建設(shè)，具有工程大、成本高與維護(hù)難等特點(diǎn)。因此，普通家庭一般不會(huì)采用這種高檔次的裝修方式。

門窗是家居中重要的一個(gè)部分，具有采光通風(fēng)等作用，也是與外面連接的通道。在生活當(dāng)中，門窗經(jīng)常會(huì)被打開，讓室內(nèi)保持空氣流通，維持好的空氣質(zhì)量。因此，外出時(shí)不關(guān)門窗也變成了日常當(dāng)中的常態(tài)，隨之而來的問題就是常說的“下雨了回家關(guān)窗”，給人們外出帶來了極大的困擾和不便。窗門最常用的是鋁合金框架內(nèi)嵌玻璃的結(jié)構(gòu)，有較好的透光性能，門窗的開關(guān)一般采用軌道式拖拉結(jié)構(gòu)，操作比較簡單，安全耐用。對(duì)于已經(jīng)裝修好的家居，想要在門窗上增加一個(gè)下雨自動(dòng)關(guān)窗裝置，一般都是通過對(duì)門窗主體進(jìn)行改造，加裝軌道、電機(jī)及控制系統(tǒng)，該做法有以下缺點(diǎn)：（1）改造原有的所有門窗，需要每個(gè)窗配一個(gè)，工程量大，材料成本與人工成本高；（2）常年處于工作狀態(tài)容易損壞，電能損耗大，存在觸電的安全隱患；（3）設(shè)備位置安裝固定，維護(hù)與維修難度大；（4）改造后，推拉門窗的阻力增大，影響日常使用。

1 設(shè)計(jì)思路

為了解決上述問題，本文提出一種移動(dòng)式濕感控制關(guān)窗裝置的研究與設(shè)計(jì)思路。該設(shè)計(jì)為獨(dú)立移動(dòng)式的控制裝置，吸附固定裝置采用強(qiáng)力吸盤作為固定連接點(diǎn)，一端吸附在墻壁上，另一端吸附在門窗的玻璃上，吸盤間通過牽引鋼絲連接，可以隨拆隨裝且不影響原有門窗結(jié)構(gòu)，當(dāng)有需要的時(shí)候才把該控制裝置安裝到需要監(jiān)控的門窗上。控制裝置內(nèi)的電源、電動(dòng)機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、濕度傳感器、行程開關(guān)、控制器等器件，選擇體積小重量輕的電器元件，外殼與機(jī)械結(jié)構(gòu)采用重量輕的塑料件，設(shè)計(jì)成體積小重量輕的控制裝置。該裝置安裝調(diào)試好后，當(dāng)門窗打開時(shí)遇到下雨，濕度傳感器輸出濕感信息，通過控制器對(duì)比識(shí)別并發(fā)出關(guān)窗指令，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)收緊鋼絲，門窗關(guān)閉嚴(yán)實(shí)后，通過行程開關(guān)限位結(jié)束關(guān)窗驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下雨自動(dòng)關(guān)窗的功能[4]。整體效果如圖1所示。

圖1 整體效果圖

該裝置體積小重量輕，使用時(shí)不需要改變?cè)虚T窗的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)天氣情況與生活需要靈活使用，具有方便節(jié)能、易維護(hù)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，解決了上述改裝措施中存在的缺點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)方案與特點(diǎn)

根據(jù)設(shè)計(jì)思路制定以下設(shè)計(jì)實(shí)施方案，所用電器元件均為小巧輕便型，機(jī)械部件與外殼采用輕質(zhì)塑料件，控制裝置的整體尺寸約為10 cm×5 cm×4 cm，質(zhì)量約為200 g，適用于所有的拖拉式門窗。整體結(jié)構(gòu)如圖2所示[5]。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

2.1 吸附固定裝置

吸附固定裝置主要由具有松緊功能的強(qiáng)力真空吸盤a與吸盤b組成。可以吸附在光滑平面物體上起位置固定作用，左邊吸盤a上面附加一個(gè)扣環(huán)，當(dāng)左邊不是玻璃或者光滑瓷磚時(shí)，可以通過墻體安裝鉤釘，用扣環(huán)套上固定，適應(yīng)不同的環(huán)境要求，右邊吸盤b與控制裝置連接在一起，一般吸緊固定在所需關(guān)閉的玻璃窗上。該吸附固定裝置的設(shè)計(jì)，達(dá)到了在使用時(shí)不受環(huán)境限制，也不會(huì)破壞原有的門窗結(jié)構(gòu)。

2.2 濕度傳感裝置

濕度傳感裝置由濕度傳感器模塊HR202和伸縮桿組成。當(dāng)控制裝置安裝完畢后，根據(jù)門窗的位置大小，調(diào)節(jié)伸縮桿的長度，可調(diào)節(jié)濕度傳感器所處的位置，便于檢測外面是否下雨。當(dāng)雨點(diǎn)滴在濕度傳感器上時(shí)，模塊檢測輸出的濕感信息送入控制器對(duì)比識(shí)別，控制器發(fā)出關(guān)窗指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行關(guān)窗動(dòng)作[6]。該裝置性能穩(wěn)定，便捷可靠。

2.3 卷揚(yáng)裝置與行程控制裝置

卷揚(yáng)裝置由牽引鋼絲、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、直流電動(dòng)機(jī)3部分組成。電動(dòng)機(jī)采用GA12-N20（3 V）直流減速電動(dòng)機(jī)，牽引鋼絲為柔軟的鋼絲，連接吸盤a與控制裝置中的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)，通過直流電動(dòng)機(jī)與帶有變速齒輪的卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)收卷鋼絲，產(chǎn)生拉力完成下雨關(guān)窗的功能，相比軌道驅(qū)動(dòng)方式更加簡易和便捷，且不需要對(duì)門窗進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。

行程控制裝置由行程定位裝置、定位器、行程開關(guān)3部分組成。定位器采用按壓式卡線結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，定位器安裝于牽引鋼絲上，按下按鈕時(shí)定位器內(nèi)外環(huán)同軸，定位器可以在牽引鋼絲上移動(dòng)，移到合適位置放手，在彈簧彈力作用下，定位器的內(nèi)外環(huán)錯(cuò)位夾緊牽引鋼絲，用于設(shè)置下雨自動(dòng)關(guān)窗裝置的門窗關(guān)緊定位。行程開關(guān)采用OV-154-1C25微動(dòng)開關(guān)，安裝于定位板的下方，并與定位板屬聯(lián)動(dòng)關(guān)系。行程定位裝置采用彈壓式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，定位行程裝置為安裝于卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)前端的行程裝置，下雨執(zhí)行鋼絲收緊使門窗關(guān)閉嚴(yán)實(shí)時(shí)，定位器剛好壓下定位板，同時(shí)也觸動(dòng)行程開關(guān)，控制電動(dòng)機(jī)斷電停止。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定可靠。

圖3 定位器內(nèi)結(jié)構(gòu)意圖

圖4 行程定位裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.4 控制器

控制器為移動(dòng)式濕感控制關(guān)窗裝置的核心控制單元，控制電路主要使用STC89C51單片機(jī)為控制芯片，通過IO端口及外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)與濕度傳感器、行程開關(guān)、直流電動(dòng)機(jī)的電路連接[7]，并設(shè)置有停止復(fù)位開關(guān)與啟動(dòng)開關(guān)，根據(jù)使用要求編寫好程序后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行燒錄，完成控制器的功能預(yù)設(shè)與調(diào)試。供電電源采用手機(jī)通用的鋰電池，參數(shù)為：電壓3.8 V、額定容量5 000 mA·h，并設(shè)有兼容的移動(dòng)電話充電端口，為使用與充電提供便利。在使用時(shí)，當(dāng)雨點(diǎn)滴落在濕度傳感器上，檢測到的濕度數(shù)據(jù)送入控制器識(shí)別，確認(rèn)外界下雨后，突出指令給電源驅(qū)動(dòng)電路，輸出電能給直流電動(dòng)機(jī)供電，并驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)收緊機(jī)構(gòu)關(guān)閉門窗，門窗關(guān)閉嚴(yán)實(shí)后，定位器剛好觸動(dòng)行程開關(guān)，STC89C51單片機(jī)發(fā)出斷電指令，電動(dòng)機(jī)斷電停止。電路原理如圖5所示[8]。

圖5 電路原理圖

3 應(yīng)用功能

3.1 安裝優(yōu)勢

安裝步驟：（1）把需要監(jiān)控的門窗關(guān)閉嚴(yán)實(shí)；（2）將a、b兩個(gè)吸盤分別吸附安裝于墻壁和門窗上；（3）鋼絲處于拉緊狀態(tài)，把定位器移到控制器的定位點(diǎn)，剛好壓下定位行程裝置前定位板；（4）推開門窗，鋼絲由卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中釋放拉出，拉出的長度與門窗開啟寬度相等；（5）調(diào)整濕度傳感器伸縮桿，使其處于門窗開啟位置，按一下控制器上的啟動(dòng)按鈕,即可使該裝置處于監(jiān)控狀態(tài)。

3.2 監(jiān)控優(yōu)勢

沒有下雨，該裝置處于監(jiān)控狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)不工作，門窗處于打開狀態(tài)；當(dāng)下雨時(shí)，雨點(diǎn)滴在濕度傳感器上，檢測到數(shù)據(jù)送入控制器識(shí)別，確認(rèn)外界下雨后，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)收緊鋼絲關(guān)閉門窗，門窗關(guān)閉嚴(yán)實(shí)后，定位器剛好壓下定位行程裝置前定位板，觸動(dòng)行程開關(guān)，電動(dòng)機(jī)斷電停止。

3.3 收納與維修優(yōu)勢

使用完畢，撥動(dòng)吸盤松緊開關(guān)拆卸裝置，把定位器移到吸盤a末端，按一下停止復(fù)位按鈕，鋼絲收回卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)中。裝置小巧輕便，如發(fā)生故障，可以直接送維修點(diǎn)進(jìn)行維修。

4 結(jié)束語

本文提出一種移動(dòng)式濕感控制關(guān)窗裝置的設(shè)計(jì)思路，該設(shè)計(jì)為獨(dú)立可移動(dòng)的設(shè)備，不需要改裝原來的門窗，也不需要每個(gè)門窗配一個(gè)，成本低作用大。國內(nèi)很多地方下雨天氣不多，可以按需使用，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。采用了強(qiáng)力真空吸盤為吸附固定工具，在使用時(shí)不會(huì)破壞原有門窗結(jié)構(gòu)，可安裝到需要監(jiān)控的任意推拉式門窗上，操作靈活方便，適用范圍廣，當(dāng)設(shè)備損壞時(shí)，可以帶到外面維修，不用維修人員上門維修，維修成本低。該裝置較好地解決了在門窗上增加下雨自動(dòng)關(guān)窗裝置遇到的常見難題，有較大的推廣價(jià)值和較高的經(jīng)濟(jì)效益。