毕业设计关于智能窗帘的课程设计.docx
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毕业设计关于智能窗帘的课程设计
课程设计
机电一体化系统设计课程设计
教学单位:
机电工程学院
专业:
机械设计制造及其自动化
班级:
10机械C（机电一体化）
1.学号:
2010100203013学生姓名:
谢伟军
2.学号:
2010100203027学生姓名:
李伟雄
3.学号:
2010100203067学生姓名:
吴海富
指导教师:
何伟
完成时间:
2013年11月10日
电子科技大学中山学院机电工程学院
前言
如今伴随着信息时代的到来，人们的生活水平日益提高，方便、快捷、自动、智能成为时代的主题，在现代家庭生活环境中，居家环境早已不仅仅局限在物理空间上，人们更为关注的是一个安全、方便、舒适的环境，自动化的电子产品自然成为人们追求的目标。
窗是人心灵的眼睛，窗帘则是眼睛上的睫毛，窗帘在防止强光射入，帮助人们合理的安排时间，美化室内环境，保证个人隐私，增强居家环境方面有重要作用。
随着人们生活节奏的加快，窗帘的自动化随之产生。
本产品是在学习机械原理及设计和电工学等知识，通过实践，观察，思考的基础上设计而成的，且人性化的思想理念也体现了科学技术在人们生活中的作用。
通过几个月的努力，使我们深刻感受到了电学，力学，加工工艺，理论知识与实践相结合在机械设计中的重要性。
加强和拓展这些方面的知识对机械学子们是很有必要的。
由于我们能力、经验以及一些方面的知识有限，许多地方未能深入的研究，如有误漏之处，敬请评委老师批评指正。
课程设计任务书
目录
1课题分析1
1.1设计目的1
1.2设计达到的功能和要求1
1.3设计内容和主要步骤2
1.4小组成员及其分工2
2机械结构设计3
2.1设计参数计算3
2.2机械部件的选择3
2.3机械结构的设计4
2.4机械结构装配图5
3控制电路设计6
3.1电机的选择6
3.2传感器的选择7
3.3PLC的选择9
3.4控制系统电路图11
4控制系统设计12
4.1控制系统工作原理12
4.2控制系统框图13
4.3.控制过程流程图。
13
4.4PLC控制程序14
5结语15
6附录16
5.1机械结构装配图16
5.2控制系统电路图17
5.3PLC控制程序18
参考文献19
1课题分析
1.1设计目的
如果说建筑是凝固的音乐，那么完美的家庭智能化自动控制系统则是这首
乐曲上绝妙的音符。
在科技发达、物质富庶的今天，自控系统已不单纯是实现室内基本安防、照明、采暖的工具，而且是建筑装饰的一种实用艺术品，是自动化技术与建筑艺术的统一体。
完善的自控系统集装饰、照明、安防及节能于一身，尽力达到完美与和谐的统一，充分利用科学与艺术的搭配，光与影的组合以及安防与空调的自动控制来创造各种舒适、优雅的环境，以加强室内空间效果的气氛。
而智能窗帘作为智能家居的一部分，更显得尤为重要。
试想，当你在看电视前还要去理会那窗帘的开关实在是一件烦人的事情，当你躺在床上的时候，发现窗帘没有关上的时候，当你早上醒来发现房间里乌黑一片……你是不是很恼火啊。
作为一个家的主人你需要可调节的透光度去适应不同天气下的室内环境。
智能窗帘是带有一定自我反应、调节、控制功能的窗帘。
如根据室内环境状况自动调光线强度。
使得达到室内人体适应的光线亮度而不至于对人眼睛的伤害为了解决这些生活中碰到的实际问题，智能窗帘设计便应运而生。
1.2设计达到的功能和要求
目前，国外已大量应用机器人技术，机器人自动化生产线成套装备已成为自动化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。
随着国民经济的发展和科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发张，生活现代化得以实现，居住环境向舒适化、安全化发展。
家居智能化在这种形势下应运而生。
本次设计是基于PLC控制技术的随光线强弱来自动控制型智能窗帘。
每个人对坏境室内光线强弱适应能力不同，室内主人可根据自己的需求自行调节所适应的最佳光线强度，连接电源并选择控制类型（自动控制/手动控制）。
选择自动控制时，智能窗帘由室内光线强度的变化，而经由相关器件接收、处理、控制信号，达到自行调节窗帘的开合程度，从而使光线的强弱程度达到主人所预先设定的值范围。
选择手动控制时，由于室内主人在黑夜白天的特殊需求而自行来控制窗帘的开合（例如在晚上、睡觉等时候，根据主人的需要是要求把窗帘闭合，而不影响睡眠质量，但是根据预先设定和程序设定，智能型窗帘是会依设定值打开窗帘的，所以需要手动控制来关闭窗帘）
智能窗帘说需达到的要求：
（1）窗帘能根据室内光线强弱自动调节自身开合量；
（2）满足不同客户需求，能让客户手动初始化窗帘所需调节的光线强弱；（3）、解决窗帘临界条件不断正反转问题以节约电量；（4）、窗帘结构简单美观，占位空间小，适用不同门窗需求。
1.3设计内容和主要步骤
本次设计主要工作就是通过系统软件的编程和硬件的设计来实现对自动家居窗帘单元的结构控制。
系统用GX-developer软件来编程，采用步序状态字的变化来实现。
硬件采用的是三菱FX2N-16MR-001PLC来进行驱动，使直流电动机按照编制好的程序来工作。
通过软件和硬件的结合从而实现对自动家居窗帘单元的结构控制。
本次设计的意义在于更多的了解三菱FX2N-16MR-001PLC的应用，能熟练的使用V4.0STEP7MicroWINSP3软件编程，并且能自己设计出硬件，自己去设计、焊接、组装和调试。
这使得自己对自动控制有了更深刻的认识了解。
主要步骤：
（1）控制电路设计。
对智能控制窗帘整体流程构思及所需元件的选择，为设计智能窗帘做初步系统的整体构思，为进一步的设计制作打下基础。
（2）机械结构设计。
对智能控制窗帘整体外形的设计，设计出外形美观、廉价、小型使用的结构类型，并对电路元件的使用进行配合使用。
（3）控制系统设计。
对智能控制窗帘整体的运作控制进行安排设计，根据智能窗帘的实现功能，对PLC控制程序设计、PLC课程软件调试运行。
（4）设计结尾阶段。
智能控制窗帘的设计说明书的编写和设计实验心得总结。
1.4小组成员及其分工
13谢伟军：
控制系统设计（PLC控制程序设计PLC课程软件调试控制系统工作原理
控制系统框图控制过程流程图课程设计说明书）
27李伟雄：
控制电路设计（电机的选择传感器的选择PLC的选择控制系统电路图）
67吴海富：
机械结构设计（设计参数计算机械部件的选择机械结构的设计机械结构装配图）
2机械结构设计
2.1设计参数计算
2.2机械部件的选择
1、连接装置
方案一：
键连接
由于键连接在细轴上不宜加工，费用高，所以不适合；
方案二：
过盈配合连接
由于过盈配合不宜拆装，所以不适合；
方案三：
销连接
由于容易加工，费用低，拆装方便，所以适合；
方案四：
联轴器连接
要求同轴度不高，在市场上容易买到，所以适合。
2、传动装置
方案一：
摩擦传动
由于摩擦阻力大，对加工表面粗糙度要求高，易磨损，所以不适合；
方案二：
滑动轴承
由于滑动轴承摩擦力较滚动轴承大，润滑维护较滚动轴承复杂，所以不适合；
方案三：
滚动轴承
由于启动阻力小，润滑维护方便，在市场上容易买到，所以适合；
2.3机械结构的设计
机械结构各零件设计：
2.4机械结构装配图
3控制电路设计
3.1电机的选择
1.电机型号的选择
采用微型减速箱与直流电机的组合。
6DK-06-12电机12V6w空载3300rpm负载3000rpm
配备微型齿轮减速箱6GN50K-GN18K减速比50搭配后转速60rpm左右
2.电机的控制方法
通过控制其电流方向从而控制他的转向
3.2传感器的选择
1.传感器的工作原理
一．光敏电阻：
•光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，这些制作材料利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，又称为光电导探测器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
•光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
•光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
在半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。
通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度。
入射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值。
在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。
二．对射式光电开关/红外对管
主要：
（1）发射器红外灯自动开关。
（2）接收器
对射式光电开关的结构图：
对射式光电开关的工作原理：
当物体进入发射器跟接收器之间时，形成阻挡的时候，物件被检查。
2.传感器的性能参数
•根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。
光敏电阻的主要参数是：
（1）光电流、亮电阻。
光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。
（2）暗电流、暗电阻。
光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。
外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。
（3）灵敏度。
灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。
（4）光谱响应。
光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。
若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。
（5）光照特性。
光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。
从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。
若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。
在大多数情况下，该特性为非线性。
（6）伏安特性曲线。
伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。
（7）温度系数。
光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。
（8）额定功率。
额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低。
3.PLC对传感器的控制和检测方法
通过两个电压比较器对其进行比较然后转化成数字量，plc再对其进行处理
3.3PLC的选择
1.PLC的型号和参数
FX2N-16MR-001 输入点：
8，8继电器输出
●控制规模：
16~256点●内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16K●CPU运算处理速度0.08μS/基本指令●在FX2N系列右侧可连接输入输出扩展模块和特殊功能模块●基本单元内置2轴独立最高20kHz定位功能（晶体管输出型）
编辑本段详细介绍
FX2n系列是FX系列PLC家族中最先进的系列。
由于FX2n系列具备如下特点：
最大范围的包容了标准特点、程式执行更快、全面补充了通信功能、适合世界各国不同的电源以及满足单个需要的大量特殊功能模块，它可以为你的工厂自动化应用提供最大的灵活性和控制能力。
为大量实际应用而开发的特殊功能开发了各个范围的特殊功能模块以满足不同的需要----模拟I/O，高速计数器。
定位控制达到16轴，脉冲串输出或为J和K型热电偶或Pt传感器开发了温度模块。
对每一个FX2n主单元可配置总计达8个特殊功能模块。
网络和数据通信连接到世界上最流行的开放式网络CC-Link，ProfibusDp和DeviceNet或者采用传感器层次的网络解决您的通信需要。
其它功能内置式24V直流电源24V、400mA直流电源可用于外围设备，如传感器或其它元件。
快速断开端子块因为采用了优良的可维护性快速断开端子块，即使接着电缆也可以更换单元。
时钟功能和小时表功能在所有的FX2NPLC中都有实时时钟标准。
时间设置和比较指令易于操作。
小时表功能对过程跟踪和机器维护提供了有价值的信息。
持续扫描功能为应用所需求的持续扫描时间定义操作周期。
输入滤波器调节功能可以用输入滤波器平整输入信号（在基本单元中x000到x017）。
注解记录功能元件注解可以记录在程序寄存器中。
在线程序编辑在线改变程序不会损失工作时间或停止生产运转。
RUN/STOP开关面板上运行/停止开关易于操作。
远程维护远处的编程软件可以通过调制解调器通信来监测、上载或卸载程序和数据密码保护使用一个八位数字密码保护您的程序。
2.PLC的工作原理
1.CPU运算和控制中心
起“心脏”作用。
纵：
当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。
横：
输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。
然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。
把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。
组成：
CPU由控制器、运算器和寄存器组成。
这些电路集成在一个芯片上。
CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。
2．存储器
具有记忆功能的半导体电路，分为系统程序存储器和用户存储器。
系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。
由只读存储器、ROM组成。
厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。
用户存储器：
分为用户程序存储区和工作数据存储区。
由随机存取存储器（RAM）组成。
用户使用的。
断电内容消失。
常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。
3．输入/输出接口
（1）输入接口：
光电耦合器由两个发光二极度管和光电三极管组成。
发光二级管：
在光电耦合器的输入端加上变化的电信号，发光二极管就产生与输入信号变化规律相同的光信号。
光电三级管：
在光信号的照射下导通，导通程度与光信号的强弱有关。
在光电耦合器的线性工作区内，输出信号与输入信号有线性关系。
输入接口电路工作过程：
当开关合上，二极管发光，然后三极管在光的照射下导通，向内部电路输入信号。
当开关断开，二极管不发光，三极管不导通。
向内部电路输入信号。
也就是通过输入接口电路把外部的开关信号转化成PLC内部所能接受的数字信号。
（2）输出接口
PLC的继电器输出接口电路
工作过程：
当内部电路输出数字信号1，有电流流过，继电器线圈有电流，然后常开触点闭合，提供负载导通的电流和电压。
当内部电路输出数字信号0，则没有电流流过，继电器线圈没有电流，然后常开触点断开，断开负载的电流或电压。
也就是通过输出接口电路把内部的数字电路化成一种信号使负载动作或不动作。
（3）还有特别用来输入/输出模拟电流信号和高速脉冲信号的特殊结构，例如：
模数/数模转换模块、高速计数模块等。
4．编程器
编程器分为两种，一种是手持编程器，方便，我们实验室使用的就是手持编程器。
二种是通过PLC的RS232口，与计算机相连，然后敲击键盘，通过NSTP-GR软件（或WINDOWS下软件）向PLC内部输入程序。
PLC采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式
1．每次扫描过程，集中采集输入信号，集中对输出信号进行刷新。
2．输入刷新过程，当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。
只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。
3．一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。
4．元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。
5．扫描周期的长短由三条决定。
（1）CPU执行指令的速度
（2）指令本身占有的时间（3）指令条数，现在的PLC扫描速度都是非常快的。
6．由于采用集中采样，集中输出的方式，存在输入/输出滞后的现象，即输入/输出响应延迟。
3.4控制系统电路图
Plc接线图
信号采集电路图主电路图
4控制系统设计
4.1控制系统工作原理
Ⅰ设置两个光敏电阻，分别为上限光敏电阻和下限光敏电阻，光线强度高于设置值时，输出高电平1；低于时输出低电平0，用于设置光线强度的适应范围。
1当上下限光敏电阻都输出低电平0时，表示室内光线强度过暗，需要程序控制电机将窗帘上升。
2当上限光敏电阻输出低电平0，而下限光敏电阻输出高电平1时，表示室内光线强度在所设定的适应值范围内，需要程序将电机停止。
③当上下限光敏电阻都输出高电平1时，表示室内光线强度过亮，需要程序控制电机将窗帘下移。
Ⅱ放置两个对射式光电开关的位置，分别放置在智能窗帘的上下两端，用于检测窗帘是否开闭情况。
对射式光电开关被窗帘阻挡时，输出高电平1；未被阻挡时，输出低电平0.
①当两个对射式光电开关都被窗帘阻挡时，则其都输出1，表示窗帘全关，那么程序将阻止电机控制窗帘继续向下移动的状态。
②当上端的对射式光电开关被阻挡，而下端未被阻挡时，输出1,0，表示窗帘半开。
③当两个对射式光电开关都未被阻挡时，都输出0，表示窗帘全开，那么程序将阻止电机控制窗帘继续向上移动的状态。
4.2控制系统框图
4.3.控制过程流程图。
4.4PLC控制程序
输入输出继电器地址分配表：
梯形图：
5结语
13谢伟军：
通过本学期的机电一体化课程设计学习研究，从而了解到，首先要有自己小组上独特创意上的设计，要切合自身的实践能力，不过高要求自己且严格约束自己。
为更好的将理论教学与实践相结合，成功完成试验要求，需要我们对PLC应用系统设计及各种传感元件的知识有深刻了解，通过小组成员之间的兴趣，合理的进行分工合作，将整个设计方案分化为几个小方面放别完成，在自己不能解决及不能完善的部分，组员之间相互讨论得出最佳解决方法，培养成员之间的合作精神，节省时间更大效益的完成所需的任务。
熟悉系统设计的全过程；提高对设计课题的分析能力、设计能力、编程能力及解决实际问题的综合能力。
通过本次课程实际的学习，让我们了解到的自身的一些不足。
对于基础知识掌握的不够牢固，特别是对于机械结构结构设计应用理解及程序编写的实践经验不够；对外界硬件认识和市场不了解，使得前期选择元件有些分歧；在学习中实践少，导致完成设计过程中，动手能力差，时常在一些细节方面有失误；基础知识不够扎实，导致在程序编写上，常常遇到问题。
通过本次试验，根据实践得出问题是做系统的一个很重要的能力，善于对程序运行的一些现象去找出问题发现问题，加强实践能力，获得更多的实践经验用于完善自我。
27李伟雄：
通过本次机电一体化课程设计，本人受益匪浅。
1.从组队到课题的选择大大激发了本人对此次课程设计的热情。
2.团队协作的重要性。
一个人的能力是有限的，本次智能窗帘的课题，没有团队明确的分工和互相协作，是很难在规定时间里完成的。
3.知识的综合运用与实践相结合。
本次设计中囊括了PLC、传感器、电机传动、汇编、机械结构设计等知识。
是我们充分做到了学以致用。
4.资料的查找与收集。
从课题讨论到设计需要的相关资料很多，而且大部分都已经忘记。
通过本次设计，很好的回顾了学过的知识，提高了资料的查找与筛选能力。
5.本人此次主要工作是元器件的选择。
元器件的型号很多，如何选择适合本课题的，得充分结合本次设计。
通过查找大量数据，很好的做到了理论结合实践。
67吴海富：
对于机电一体化技术，里面所包含的学科很多；各项技术相辅相成。
有的机电一体化技术可以通过对 伺服电机的精确控制达到要求。
在一个开环控制系统中所要求的电机与算法都必须十分精确。
现在应用 更多的是机电一体化的闭环系统，通过一些反馈来达到控制要求。
我们的只能窗帘也是用到闭环控制系 统。
通过用红外对管做行程开关来达到对于电机是否到达一个极限位置的反馈。
引入一个反馈后无论对于电机、机构以及算法的要求都大大降低。
这也是引入反馈的一大优点。
理想与实际，做机电一体化作品我们脑海里刚才是浮现的是一个理想模型；但是理想化与实际应用有很大的冲突；因为实际问题要考虑诸多因素，如结构尺寸大小问题。
功率问题、以及客户需求问题等。
6附录
2.4机械结构装配图
3.4控制系统电路图
Plc接线图
信号采集电路图主电路图
4.4PLC控制程序
输入输出继电器地址分配表：
梯形图：
参考文献
[1]荣雅君.电工学[M].电子技术（非电类）.第2版.北京：
机械工业出版社，2007.
[2]吕爱华.电气控制与PLC应用技术（三菱系列）.北京：
电子工业出版社2011.
评分标准
1.机械系统设计（10分），得分：
2.控制系统设计（20分），得分：
3.控制程序设计（20分），得分：
4.说明书格式（10分），得分：
小组得分：
小组成员得分：
1学号2010100203013姓名谢伟军得分
2学号2010100203027姓名李伟雄得分
3学号2010100203067姓名吴海富得分
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