多功能安全衛(wèi)士說明書-----機電一體化

1、多功能安全衛(wèi)士 設(shè)計者：胡琪曼 楊彥榮 張超 史麗娜 韓宜珂指導(dǎo)老師：琚曉濤 賈爽（西安建筑科技大學機電學院 西安 710055）作品內(nèi)容簡介經(jīng)過實踐和實地考察，我們發(fā)現(xiàn)在家居生活中燃氣中毒事件時有發(fā)生，但是在現(xiàn)實中避免這種事件發(fā)生的設(shè)備和裝置很少，而且很不完善，因此我們設(shè)計發(fā)明了此項實用的“多功能安全衛(wèi)士”。作品主要使用齒輪齒條傳動來實現(xiàn)窗戶的打開和關(guān)閉，并采用了單片機原理進行自動控制，由氣敏元件來感知空氣中的燃氣密度，從而實現(xiàn)了防護各種燃氣中毒的作用。設(shè)備實用性較強，可在一般的窗戶上面安裝，操作簡單，功耗較低。并且此發(fā)明的市場潛力較巨大，可作為一種家庭人生安全裝置大力推廣到市場中去，讓我們

2、生活的更好，更安全，更放心！1 設(shè)計背景及意義隨著人民生活水平的提高，城市管道燃氣（煤氣，天然氣，液化石油氣等）的使用已越來越普及。然而，因燃氣灶具的老化或者使用不當?shù)鹊仍?，而造成由于燃氣泄漏而造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失的事故屢有發(fā)生。當燃氣泄漏時，人們常常很難察覺，處于危險之中而不自知。為了防止此類事故發(fā)生，目前常用的方式是安裝監(jiān)測報警器或者人為打開窗戶。這兩種處理方式雖然都有一定的作用，但在現(xiàn)場無人或者夜晚熟睡的情況下卻無能為力。立足于防范于未然，我們設(shè)計了“多功能安全衛(wèi)士”，旨在保護人們生命財產(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)燃氣中毒事件的發(fā)生。本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、方便實

3、用、造價低廉、靈活快捷、效率高，功能多樣等優(yōu)點。2 設(shè)計方案“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、傳動裝置、執(zhí)行機構(gòu)。首先“多功能安全衛(wèi)士”通過感應(yīng)裝置實時監(jiān)測室內(nèi)燃氣濃度，當燃氣濃度超過預(yù)定安全閥值時，感應(yīng)裝置發(fā)送信號給終端控制器，電機（動力源）正轉(zhuǎn)，帶動齒輪齒條嚙合，窗戶自動打開，同時啟動排氣扇，并進行聲光報警。維持打開狀態(tài)，直到氣敏元件監(jiān)測到室內(nèi)燃氣濃度低于預(yù)設(shè)閥值時，電機反轉(zhuǎn)，窗戶自動關(guān)閉，同時排氣扇停轉(zhuǎn)，報警器關(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，并且無色無味，人們通常很難察覺，健康人在含一氧化碳1

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

5、2 氣體傳感器，這是一個探測范圍很廣的傳感器，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、CO等的濃度監(jiān)測，它是一種使用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，具有高的靈敏度和快速響應(yīng)，濕度對它的影響很小。如圖1所示。2.2控制終端控制終端與燃氣感應(yīng)傳感器連接，用于接收燃氣濃度傳感器傳輸?shù)男盘枺⒏鶕?jù)信號控制窗戶與換氣扇是否工作，是否啟動報警裝置。單片機技術(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，其運算速度有了很大提高。根據(jù)排除煤氣實時性的要求與執(zhí)行機構(gòu)的動作，我們選用廉價的單片機89S52做控制終端。 2.3傳動裝置傳動機構(gòu)的類型紛繁復(fù)雜，功能

6、多樣，因而采取何種傳動機構(gòu)是本作品考慮的重點。設(shè)計過程中針對執(zhí)行機構(gòu)的動作要求，我們考慮了如下幾種方案：2.3.1鏈傳動機構(gòu)用鏈傳動，其對安裝要求較高，同時又需要較好的潤滑和張緊裝置，并且傳動不夠精確，噪聲大，震動大，平穩(wěn)性差。故排除次方案。2.3.2四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)尺寸較大，由于窗臺面積較為緊湊，不易安裝擺放，且一般情況下，人們不希望看見窗臺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蝸輪蝸桿機構(gòu)蝸輪蝸桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為緊湊，這點很符合設(shè)計初衷，但是此機構(gòu)在反轉(zhuǎn)時很容易產(chǎn)生卡死現(xiàn)象，從而導(dǎo)致窗戶不能正確動作，進而不能達到保護目的。故排除次方案。2.3.4

7、絲杠機構(gòu) 這個機構(gòu)在現(xiàn)實生活中應(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齒輪齒條機構(gòu)齒輪齒條機構(gòu)，運動平穩(wěn)，精確性高，效率高，壽命長，并且易于安裝和更換。此結(jié)構(gòu)精密緊湊，并且通用性好，可實現(xiàn)窗戶的正常動作，無不良及不穩(wěn)定性因素，故采用此結(jié)構(gòu)最為合適。安裝時將齒輪齒條機構(gòu)安裝于窗戶下面。若安裝在上面，由于安裝窗戶框時需要預(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，進而引發(fā)窗戶不能正常動作或動作不到位等問題。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作精確到位，并且齒輪聯(lián)動機構(gòu)，可以使窗戶打開或關(guān)閉運動同步。再者，齒輪外嚙合可以任意的添加受控窗戶的數(shù)目，無需增加動力源，即能實現(xiàn)多窗開閉同步。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 齒輪細節(jié)圖3 齒條細節(jié)3 執(zhí)行部件的設(shè)計及相關(guān)計算齒輪類型的選擇：直齒圓柱齒輪嚙合時，齒面的接觸線平行于齒輪的軸線。因此輪齒沿整個齒寬方向同時進入嚙合、同時脫離嚙合的，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度由零逐漸增加，又逐漸縮短，直至脫離

9、接觸，當其齒廓前端面脫離嚙合時，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，其嚙合過程比直齒輪長，同時嚙合的齒輪對數(shù)也比直齒輪多，即其重合度較大。因此斜齒輪傳動工作較平穩(wěn)、承載能力強、噪聲和沖擊較小。材料的選?。河捎诒緳C構(gòu)運用的特殊環(huán)境（廚房、窗臺）：廚房的油煙，或者下雨時候的雨水等因素，如果用鋼鐵材料做成的齒輪，很容易發(fā)生銹蝕，并且難于潤滑保養(yǎng)。銹蝕后造成機構(gòu)卡死，窗戶難以打開。故針對本結(jié)構(gòu)的特殊運用場所及動作需求，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，由于輪坯、刀具在機床

10、上的安裝誤差，機床和刀具的制造誤差以及加工時所引起的震動等原因，加工出來的齒輪存在著不同程度的誤差，加工誤差大、精度低，將影響齒輪的傳動質(zhì)量和承載能力；反之，若精度要求過高，則會對加工帶來困難，提高制造成本。針對本作品的設(shè)計要求、功能的完全實現(xiàn)，根據(jù)GB10095-88選取加工精度為8級精度。相關(guān)計算：本作品設(shè)定窗戶寬度50cm、關(guān)窗時間設(shè)定40秒，即窗戶在40秒內(nèi)移動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)齒面接觸疲勞強度校核公式：及齒根彎曲疲勞強度校核公式：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、傳動裝置、執(zhí)行機構(gòu)四部分組成。燃氣感應(yīng)傳感器放置在燃氣灶附近，用于測量燃氣濃度。燃氣濃度達到10%以上，燃氣感應(yīng)器發(fā)出信號給控制終端，控制終端開始執(zhí)行指令，電機正轉(zhuǎn)，通過齒輪齒條機構(gòu)自動打開窗戶，同時自動接通排氣扇排氣，并進行聲光報警，以避免人身中毒、火災(zāi)和爆炸等事故的發(fā)生。當室內(nèi)燃氣濃度低于預(yù)定安全閥值時，燃氣感應(yīng)器停止發(fā)送信號，電機反轉(zhuǎn)，窗戶自動關(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，實現(xiàn)了多功能防護。Ø 本作品集聲光報警，排氣扇，以及自動打開關(guān)閉窗戶于一體，而且本作品裝有減速機構(gòu),無法用手推開,實現(xiàn)防盜功能，多重安全防護。任何家庭，無論如何注意，都可能有萬一。其中點火失誤、冒鍋或風吹滅、中途熄火、總閥未管嚴等就占了泄漏原因的七成多。本作品采用自動檢測并且自動動作手段，有效的防治了不必要的麻煩甚至悲劇的發(fā)生。價格低廉，安裝方便，應(yīng)用靈活 ，功能多樣而且此