智能集成家具设计

2018年第11

期

智能集成家具设计

德州学院机电工程学院

王瑞全

陈洁

1 引言

我国人口流动人口众多，再加上房价居高飞涨，使部分地区住房非常紧张。以北京、上海为例，2018年，北京新房均价在42644元/m 2左右，上海新房均价在47281元/m 2左右，北京人均收入57230元左右，上海人均收入在58988元左右，这就意味着买70m 2的居住房要工作56年，对于低收入群体而言相当于一家两代人的全部收入[1]，由此不难看出小型居住房是大部分人最好的选择。住房面积小，摆放生活必要的常规家具后，家庭活动空间很受限制，为解决以上问题，本文论述设计了该智能集成家具，其主要特征是集衣柜、书柜、茶几、电脑电视桌、床等生活必需家具于一体，采用收纳式、隐藏式设计，可以大大减少空间占用率，以解决住房问题，进而使住户在有限的住房面积内享受更舒适的居住环境。而且该集成家具还能实现智能控制、安全设计，为小居住户提供舒适、健康、安全的居住形式，具有广阔的应用前景。

2 设计方案2.1机械结构设计

机械结构设计是该作品设计的重中之重，它构成作品的基本框架，同时是实现功能转换的结构基础，这部分设计我们主要从其实用性和可行性两方面来考虑。它主要包括五个部分，分别是：①可旋转衣柜、书架的设计；②升降电视/电脑桌设计；③学习桌的设计；④床的主体设计；⑤防震设计。如图1、图2所示。

图1 模型框架图

图2 重要部分细节图

2.1.1可旋转衣柜、书架的设计

单独的衣柜、书架，内部空间利用不充分，占地面积大，不适合小居住户，因此可将二者集成到一起，设计成可旋转衣柜、书架，设计过程主要考虑两个方面：可行性和美观性。

考虑到它的可行性，①旋转的可行性：在衣柜和书架的下面放置小型牛眼轴承，以减少旋转过程中所产生的摩擦力，然后通过衣柜、书架下的小型电机带动衣柜、书架的旋转；②旋转轴位置的确定：由于可升降电视/电脑桌需要从作品内部升出来，因此要求可旋转衣柜、书架在打开状态时，需要在二者中间形成充足的空间，并且在关闭时，二者可以完美扣合，最终我们将衣柜和书架的旋转轴的位置分别确定在各自三分之一的边缘处。

考虑到它的美观性：①通过对衣柜、书架的旋转，实现衣柜的打开与关闭；②小型电机则是嵌入到作品内部边缘，并不占用太大的空间。这样的设计同时保证了家具的功能性和美观性。

2.1.2升降电视/电脑桌设计

有些家庭必须品在不用的时候会显得多余，那么就需要快捷方便地把它们收纳起来，电视/电脑桌即采用可收纳式设计[2]。该设计需要与可旋转衣柜、书架相配合，为保证运行安全，只有当可旋转衣柜、书架处于打开状态时才可以启动上升功能，因此需要通过软件程序检测可旋转衣柜、书架的状态，再启动上升功能。另外，为保证升降的稳定性、充足的扭矩并减少空间占用，选用小型减速电机上的齿轮带动电视/电脑桌下方的齿轮条实现电视/电脑桌的升降，如图2中1所示。

2.1.3学习桌的设计

当前，人类社会正从信息化时代迈向智能化时代，在这个变

革时期，学习已不再是一劳永逸的事情，而是人们工作或生活的

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一种方式，人人都应该有终身学习的意识和能力，才能跟上时代发展的步伐，因此，学习桌成为家居环境中不可缺少的一部分。智能学习桌的设计兼顾美观性和可行性，随时用随时取。它是由完全对称的两部分组成，每一部分都是由水平可旋转滑轮固定一端而成，并且可基于这一端实现旋转。平时两部分可旋转设计处于模型内部，坐在床上使用时可以将面前的学习桌旋转出来，放置笔记本电脑，用于学习或工作，如图2中3所示。

2.1.4防震设计

由于地震灾害的人员伤亡主要由建筑物倒塌造成，因此地震发生时迅速反应就成为成功避险的关键，但是如果地震发生在夜里，熟睡中的人们浑然不觉则无法主动采取避险措施，为规避此类危险，本设计加入了地震防护系统。利用陀螺仪检测地面的振动，当检测到地震发生时，以舵机转轴和转轴钉之间的连线为旋转轴利用四个舵机提供动力把床从中间位置打开缺口，人进入后，床底后缺口将自动关闭，以达到保护人的作用，如图2中5所示。

2.1.5床的主体设计

睡觉是生活的一部分，人们的生活离不开床，那么不睡觉的时候床就显得多余了，为了减少室内空间的占用，白天可以将床转换成占地面积小的茶几。具体设计如下：首先连接杆与从动轮之间固定，与主动轮之间可以相对转动，利用小型电机上的小齿轮带动床边上的大齿轮，将电机力量放大后实现床主体从中间对折的目的，对折后将省出一半的空间，然后将床腿放倒、收纳，那么茶几就形成了。在晚上需要睡觉时，同样茶几也可以还原为床，如上图2中4所示，同时为提高床的舒适程度，我们将床设计成可调节枕高的，通过合页扇实现高度的调节，通过支撑片实现高度的选择，如图2中2所示。

2.2电气设计及模块选择

电气设计使作品具有远程控制和自动调节功能，是作品中不可或缺的一部分，这部分设计主要考虑它的稳定性和准确性。由四部分组成：①核心控制模块设计；②信息显示传递模块的设计；③伺服电机的选择；④传感器选择；

2.2.1核心控制模块设计

核心控制模块决定了自动调控的准确性和可靠性，在设计时应充分兼顾成本和性能。因此本设计采用经典STC89C52单片机作为核心控制芯片,将要执行的c 语言程序写入单片机内部，通过单片机的读取执行实现智能调控[3]。

2.2.2信息显示传输模块设计

信息交流是实现智能控制不可或缺的一部分，要求信息传输迅速、准确。①显示屏：显示屏需要与控制部分相互配合，用于显示调节室内温湿度的调控值，本设计采用性能稳定、价格较低的5110LCD 显示屏作为显示模块。②蓝牙模块：本设计采用体积小巧，具有较强的穿透能力的CC2541。在此用于手机与单片机，单片机与空调、加湿器之间的信息交换。

2.2.3伺服电机选择

由于要充分考虑空间占用和扭矩问题，所以对伺服电机的选择要求体积小、扭矩大。①减速电机：采用N20减速电机作为动力源，为集成家具各集成部分之间的相互转换提供动力。②舵机：采用工作状态稳定的S03611，为防震部分提供动力。

2.2.4传感器选择

传感器为自动调节提供数据支持，传感器采集数据的准确性直接关系到整个调控系统的正确性，因此选择的传感器一定要精确、稳定。①温湿度传感器：选用DHT11，在此用于室内温湿度的检测。②陀螺仪：采用MPU-6050，在此用于检测地面振动。

3 工作原理简介

控制指令的接收有两种形式：第一种是按键接收，另一种是蓝牙模块接收[5]。按键接收形式是通过单片机对IO 口高低电平的扫描确定不同控制按键是否摁下，蓝牙模块接收形式是通过手机app 向蓝牙模块发送指令，然后运用单片机的串口中断检测并接收控制指令。本设计用到了两种传感器，一种是检测温湿度的温湿度传感器，另一种是检测地面震动的陀螺仪。通过单片机控制，时时采集传感器监测状态，由单片机对所取状态进行数据分析。执行器：本设计用到的执行器有用于防震部分的舵机、用于温湿度调节传递控制指令的蓝牙模块、控制旋转变换的减速电机。执行器由单片机直接进行控制，单片机根据接收到的不同控制指令，对不同执行器进行不同的控制，以此达到控制目的。

例如：温湿度调节操作，首先根据控制指令的接收部分接收操作人员发出的调温湿指令，通过显示屏显示调节状态，然后将温湿度传感器采集的当前温湿度和所设置的温湿度进行时时比对，通过蓝牙模块向加湿器和空调发出调节指令，以此控制室内温湿度。

4 结论

目前中国人均住房面积只有33平方米左右，北上广深等大城市的住房更加紧张，该设计可以满足人们对家居生活的需求，发展潜力巨大。本设计各功能之间相互联系，设备功能齐全，且节省空间；运用电气控制，解放人力，操作安全简单，省时省力；智能调节温湿度，增强舒适感；设计有地震防护系统与床结合，以达到熟睡状态下也可以规避危险的目的。设备功能完备，成本较低，操作简单，具有很好的市场应用前景。

参考文献：

[1]王昆.机械设计课程设计[M].武汉：高等教育出版社,1995:42～56.

[2]电子电路图网：.

[3]郭天祥.新概念51单片机C 语言教程[M].北京：电子工业出版社,2009.

[4]韩成浩,李柏峰,高晓红等.基于单总线技术的温湿度检测系统设计[J].建筑电气,2009,06:16～20.

[5]夏德钤.自动控制理论[M].机械工业出版社,2000.5.

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