多功能安全卫士说明书-----机电一体化

1、多功能安全卫士 设计者：胡琪曼 杨彦荣 张超 史丽娜 韩宜珂指导老师：琚晓涛 贾爽（西安建筑科技大学机电学院 西安 710055）作品内容简介经过实践和实地考察，我们发现在家居生活中燃气中毒事件时有发生，但是在现实中避免这种事件发生的设备和装置很少，而且很不完善，因此我们设计发明了此项实用的“多功能安全卫士”。作品主要使用齿轮齿条传动来实现窗户的打开和关闭，并采用了单片机原理进行自动控制，由气敏元件来感知空气中的燃气密度，从而实现了防护各种燃气中毒的作用。设备实用性较强，可在一般的窗户上面安装，操作简单，功耗较低。并且此发明的市场潜力较巨大，可作为一种家庭人生安全装置大力推广到市场中去，让我们

2、生活的更好，更安全，更放心！1 设计背景及意义随着人民生活水平的提高，城市管道燃气（煤气，天然气，液化石油气等）的使用已越来越普及。然而，因燃气灶具的老化或者使用不当等等原因，而造成由于燃气泄漏而造成的人员伤亡和财产损失的事故屡有发生。当燃气泄漏时，人们常常很难察觉，处于危险之中而不自知。为了防止此类事故发生，目前常用的方式是安装监测报警器或者人为打开窗户。这两种处理方式虽然都有一定的作用，但在现场无人或者夜晚熟睡的情况下却无能为力。立足于防范于未然，我们设计了“多功能安全卫士”，旨在保护人们生命财产安全。本作品克服了现有技术的不足，能有效解决突发燃气中毒事件的发生。本设计具有结构简单、方便实

3、用、造价低廉、灵活快捷、效率高，功能多样等优点。2 设计方案“多功能安全卫士”主要由四部分组成，分别是传感模块、控制终端、传动装置、执行机构。首先“多功能安全卫士”通过感应装置实时监测室内燃气浓度，当燃气浓度超过预定安全阀值时，感应装置发送信号给终端控制器，电机（动力源）正转，带动齿轮齿条啮合，窗户自动打开，同时启动排气扇，并进行声光报警。维持打开状态，直到气敏元件监测到室内燃气浓度低于预设阀值时，电机反转，窗户自动关闭，同时排气扇停转，报警器关闭。2.1传感模块图1 MQ-2烟雾传感器众所周知，煤气的主要成分是一氧化碳，一氧化碳为剧毒气体，并且无色无味，人们通常很难察觉，健康人在含一氧化碳1

4、的空气中，10分钟则产生痉挛，半个小时就会死亡。所以，煤气泄漏时，既有爆炸的危险，又存在一氧化碳中毒（直接中毒）的危险；天然气的主要成分是甲烷，乙烷对人的生理无害，但有窒息作用。当其在空气中 燃气的浓度达到10时，可使人窒息死亡。空气中天然气（甲烷）含量达到5至15时，遇火源会发生爆炸。而液化石油气具有低毒性，当空气中的液化石油气浓度超过1%时，会使人感到头痛呕吐，当超过10%时，二分钟就能使人麻醉，自如大量有蹊跷时，导致窒息身亡。气敏元件用于测量室内空气中燃气浓度，并向控制终端传输信号。我们选用的是MQ-2气体传感器。该传感器特点高灵敏度，低功耗，优异的稳定性，寿命长，具有小巧的外形。MQ-

5、2 气体传感器，这是一个探测范围很广的传感器，适宜于液化气、丁烷、丙烷、甲烷、CO等的浓度监测，它是一种使用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置，具有高的灵敏度和快速响应，湿度对它的影响很小。如图1所示。2.2控制终端控制终端与燃气感应传感器连接，用于接收燃气浓度传感器传输的信号，并根据信号控制窗户与换气扇是否工作，是否启动报警装置。单片机技术日臻成熟，其系统体积小，便携性能好，功耗低，在芯片上集成了好多功能。而且随着最新的亚微米工艺技术用于单片机，其运算速度有了很大提高。根据排除煤气实时性的要求与执行机构的动作，我们选用廉价的单片机89S52做控制终端。 2.3传动装置传动机构的类型纷繁复杂，功能

6、多样，因而采取何种传动机构是本作品考虑的重点。设计过程中针对执行机构的动作要求，我们考虑了如下几种方案：2.3.1链传动机构用链传动，其对安装要求较高，同时又需要较好的润滑和张紧装置，并且传动不够精确，噪声大，震动大，平稳性差。故排除次方案。2.3.2四杆机构四杆机构尺寸较大，由于窗台面积较为紧凑，不易安装摆放，且一般情况下，人们不希望看见窗台上乱七八糟的杆杆棍棍的，影响审美，有驳于以人为本的创新原则。故排除次方案。2.3.3蜗轮蜗杆机构蜗轮蜗杆机构的结构较为紧凑，这点很符合设计初衷，但是此机构在反转时很容易产生卡死现象，从而导致窗户不能正确动作，进而不能达到保护目的。故排除次方案。2.3.4

7、丝杠机构 这个机构在现实生活中应用的地方也比较多，但是由于在丝杠螺母在正反转的时候存在许多的空程，因此它的传递精度不高，再者丝杠结构螺丝较为封闭，很容易受环境因素影响，很容易因空气潮湿生锈，很难达到我们所要求的功效，因此，此方案也排除2.3.5齿轮齿条机构齿轮齿条机构，运动平稳，精确性高，效率高，寿命长，并且易于安装和更换。此结构精密紧凑，并且通用性好，可实现窗户的正常动作，无不良及不稳定性因素，故采用此结构最为合适。安装时将齿轮齿条机构安装于窗户下面。若安装在上面，由于安装窗户框时需要预留安装间隙，从而引发齿轮齿条啮合不完全甚至发生脱齿现象，进而引发窗户不能正常动作或动作不到位等问题。而将其

8、安装在下面，则可利用窗户自身的重力压紧齿轮齿条，从而保证其正确啮合使动作精确到位，并且齿轮联动机构，可以使窗户打开或关闭运动同步。再者，齿轮外啮合可以任意的添加受控窗户的数目，无需增加动力源，即能实现多窗开闭同步。适用于各类数目不同的窗户，所以我们选用了此方案，如下图2,3,4，5所示： 、图2 齿轮细节图3 齿条细节3 执行部件的设计及相关计算齿轮类型的选择：直齿圆柱齿轮啮合时，齿面的接触线平行于齿轮的轴线。因此轮齿沿整个齿宽方向同时进入啮合、同时脱离啮合的，载荷沿齿宽突然加上或卸下。因此直齿齿轮传动的平稳性较差，容易产生冲击和噪声。斜齿齿轮齿廓接触线的长度由零逐渐增加，又逐渐缩短，直至脱离

9、接触，当其齿廓前端面脱离啮合时，齿廓的后端面仍然在啮合中，载荷在齿宽方向上不是突然加上及卸下，其啮合过程比直齿轮长，同时啮合的齿轮对数也比直齿轮多，即其重合度较大。因此斜齿轮传动工作较平稳、承载能力强、噪声和冲击较小。材料的选取：由于本机构运用的特殊环境（厨房、窗台）：厨房的油烟，或者下雨时候的雨水等因素，如果用钢铁材料做成的齿轮，很容易发生锈蚀，并且难于润滑保养。锈蚀后造成机构卡死，窗户难以打开。故针对本结构的特殊运用场所及动作需求，现决定用pom(聚甲醛)材料加工齿轮齿条。POM具有很低的摩擦系数和很好的几何稳定性，特别适合于制作齿轮和轴承。加工精度的选择：齿轮加工时，由于轮坯、刀具在机床

10、上的安装误差，机床和刀具的制造误差以及加工时所引起的震动等原因，加工出来的齿轮存在着不同程度的误差，加工误差大、精度低，将影响齿轮的传动质量和承载能力；反之，若精度要求过高，则会对加工带来困难，提高制造成本。针对本作品的设计要求、功能的完全实现，根据GB10095-88选取加工精度为8级精度。相关计算：本作品设定窗户宽度50cm、关窗时间设定40秒，即窗户在40秒内移动0.5m，速度为0.0125m/s。根据窗户框的几何尺寸确定齿宽为7mm,齿顶圆直径25mm。齿顶圆直径：，其中分度圆直径：齿顶高： 螺旋角初定为： 压力角： 齿数取最小根切齿数：z=25 模数： 由：得齿顶高： 齿根高： 全齿

11、高：根据齿面接触疲劳强度校核公式：及齿根弯曲疲劳强度校核公式：均符合要求。4 工作原理及性能“多功能安全卫士”由传感模块、控制终端、传动装置、执行机构四部分组成。燃气感应传感器放置在燃气灶附近，用于测量燃气浓度。燃气浓度达到10%以上，燃气感应器发出信号给控制终端，控制终端开始执行指令，电机正转，通过齿轮齿条机构自动打开窗户，同时自动接通排气扇排气，并进行声光报警，以避免人身中毒、火灾和爆炸等事故的发生。当室内燃气浓度低于预定安全阀值时，燃气感应器停止发送信号，电机反转，窗户自动关闭。作品工作原理图如图4所示，控制器的原理电路图如图5所示： 图4 工作原理图图5 控制器工作电路图5 创新点及应用。Ø 本作品气感元件选用的是MQ-2烟雾传感器，它可以同时感应CO，甲烷，乙烷，丙烷，丁烷，液化气等多种气体，满足了不同人群的需求，实现了多功能防护。Ø 本作品集声光报警，排气扇，以及自动打开关闭窗户于一体，而且本作品装有减速机构,无法用手推开,实现防盗功能，多重安全防护。任何家庭，无论如何注意，都可能有万一。其中点火失误、冒锅或风吹灭、中途熄火、总阀未管严等就占了泄漏原因的七成多。本作品采用自动检测并且自动动作手段，有效的防治了不必要的麻烦甚至悲剧的发生。价格低廉，安装方便，应用灵活 ，功能多样而且此