新型温室大棚自动卷帘机的设计

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毕业设计(论文)
新型温室大棚自动卷帘机的设计THE DESIGN OF NEW GREENHOUSE TRELLIS AUTOMATIC SHUTTER MACHINE
学生姓名
学院名称机电工程学院
专业名称机械设计制造及其自动化
指导教师
20**年05月27日
学位论文原创性声明
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论文作者签名：日期：年月日
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论文作者签名：导师签名：
日期：年月日日期：年月日
摘要
自动卷帘机分为机械部分和控制部分，机械部分是电动机通过减速器带动卷轴按照预定在大棚上面的轨道滚动，这样就可以实现草帘子的卷放。

控制部分是单片机通过温度传感器，光照传感器和GSM模块的信号通过控制继电器开关来控制电动机。

这就是自动卷帘机，整个系统的电路结构简单，可靠性能高。

管理人员可以根据需要随时随地通过发送手机短信来控制草帘子的收放
本设计大大减轻了人工的劳动强度，提高了新型温室大棚的经济效益。

应该可以得到广泛的运用。

关键词自动卷帘机；短信；单片机控制
Abstract
There two parts of the automatic shutter machine ,Scroll through the gear drive motor in the shed above the predetermined orbit rolling sub-volumes can put straws, microcontroller through the temperature sensor, light sensor and GSM module through the control relay switches the signals to control the motor. This is the automatic shutter machine, simple circuit structure of the system reliability can be high. Management staff as needed at any time by sending SMS to control the child's retractable straw mat.
This design reduces the manual labor and increase the economic benefits of the new greenhouse greatly. It should be widely used
Keywords automatic shutter machine; Message; Single-chip microcomputer control
目录
摘要 (II)
Abstract........................................................................................................................................ I II 1绪论. (1)
1.1自动卷帘机的作用 (1)
1.2自动卷帘机的原理 (1)
1.2.1拉绳式 (1)
1.2.3 爬行移动式电动机 (1)
1.2.4摆臂式电机 (1)
1.2.5悬臂自走式卷帘机 (2)
1.3 使用注意事项 (2)
1.4卷帘设备的技术标准 (2)
1.5 自动卷帘机的总体设计方案 (3)
2电动机的选择 (1)
3机械部分的设计 (2)
3.1减速器传动比的计算与分配 (2)
3.2计算传动装置的运动和动力参数 (3)
3.3带的选择 (3)
3.3.1 带的计算 (3)
3.3.2带的根数确定 (4)
3.4减速器齿轮的设计及模数的选择 (4)
3.4.1第一级齿轮传动设计 (4)
3.4.2第一级齿轮传动的校核计算 (5)
3.4.3第二级齿轮传动设计 (7)
3.4.4第二级齿轮传动的校核计算 (8)
3.5轴径的设计 (9)
3.5.1轴径的计算 (9)
3.5.2轴的校核 (11)
3.6 滚轮支架的设计 (13)
4硬件设计 (15)
4.1控制系统的总体设计 (15)
4.2 P80C51RA+4N的简介 (15)
4.2.1电源引脚 (16)
4.2.2时钟引脚 (16)
4.2.3控制引脚 (16)
4.2.4 I/O口引脚 (17)
4.3 P80C51RA+4N最小系统的设计 (17)
4.3.1 时钟电路 (18)
4.3.2 复位电路 (18)
4.4 无线通信模块的设计 (19)
4.4.1 GSM模块的概述 (19)
4.4.2 TC35的控制简介 (19)
4.4.3 TC35的联机接口RS232 (19)
4.5 存储器的扩展及其接口电路 (21)
4.5.1 ROM芯片的选用 (21)
4.5.2 地址锁存器SN74LS373N (22)
4.5.3 单片机的外扩电路 (23)
4.6 模数转换器ADC接口的设计 (23)
4.6.1 模数转换器ADC574AJH的简介 (24)
4.6.2 ADC574AJH的工作特性 (25)
4.6.3 ADC574AJH与P80C51RA+4N的接口电路图 (25)
4.7 多路模拟开关 (26)
4.7.1 AD7501简介 (26)
4.8 显示器的设计 (27)
4.8.1 HDSM-577G的简介 (27)
4.8.1 HDSM-577G的显示原理 (28)
4.8.3 HDSM-577G与P80C51RA+4N的电路图 (28)
4.9温度传感器、光照传感器 (29)
4.10.单片机控制电动机 (30)
4.10.1 单片机控制继电器 (30)
5软件编程 (31)
5.1软件设计 (31)
5.2 程序设计总流程图 (31)
5.2 源程序如下 (33)
结论 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
1绪论
1.1自动卷帘机的作用
缩短卷放帘时间，一般每天可增加日照时间近2 个小时，提高温室内温度3～5℃。

由于卷放过程运行平稳，无绳索与保温帘的摩擦，使保温帘延长使用寿命1～2 年。

由于温室内温度增高，生长快，使作物早熟，缩短作物生长期，一般可使作物提前上市5～10 天。

通过减少用工量，减少保温帘的损坏，提高作物的产量，增加反季量等，可明显地提高经济效益。

1.2自动卷帘机的原理
卷帘机按不同的分类方法有多种形式，按动力形式分为手动式和电动式，按结构形式分为牵引式、滑轨式、支臂式、侧悬浮动式等，按工作形式分为固定式和走动式。

固定式是卷帘机固定在大棚后墙的砖垛上，利用机械动力把草帘子卷上去，利用大棚的坡度和草帘子的重量往下滚放草帘子，该种型号的卷帘机都是早期安装的，造价较高，大棚要有一定的坡度，如果棚面坡度太小，草帘子滚不下来。

走动式是电机和减速机一起在棚面上走动，利用卷帘机的动力上下自由卷放草帘子，不受大棚坡度大小的限制，安装简单，造价低，效率高，卷放整齐，是目前广泛采用的一种形式。

1.2.1拉绳式
这种形式应用的比较早，主要的部件有电动机，减速器、卷绳轴、联轴器、卷绳等组成。

卷帘时依靠电动机、减速器驱动卷绳轴转动把绳子缠绕在轴上，通过绳子拉紧使保温帘卷起。

放帘时靠帘的自重自动滚落。

此种形式的卷帘机安装施工比较复杂，而且造价高，卷放速度慢，保温帘易损坏，现在已很少使用。

1.2.3 爬行移动式电动机
爬行移动式电动机和减速器连在一起，卷帘过程是电动机减速器在温室中间沿轨道爬行，卷放帘靠电动机正反转开关控制，在棚外设一支杆，定位滑杆可在支杆上移动，保证电机减速器能紧贴在大棚上上下移动，减速器带动卷帘轴随电机转动实现卷放帘，它结构简单，造价低，卷帘速度较快。

缺点是卷帘时电动机、减速器需在棚膜上爬行，而且有一片保温帘需经常放在棚上作为保护棚膜垫料，影响进光量。

1.2.4摆臂式电机
摆臂式电机与减速器纵向相连，动力输出端与卷帘轴相连，保温帘末端系在卷帘轴上，摆臂式又分为悬臂型和支臂型两种。

特点是结构简单，重量轻，工作性能可靠，卷放速度快，价格适中，但安装技术要求高。

1.2.5悬臂自走式卷帘机
悬臂自走式卷帘机目前主要使用较多的悬臂自走式卷帘机主要由底座、支臂、摆臂、三相或单相电动机、减速机、卷帘轴及电机座组成，一般都用单相电动机，功率1.1～2.2kW，适合棚长30～80m，摆臂、支臂及卷帘轴均为2寸钢管，在棚前中间地面位置安装即可，卷帘机安好后将草帘的下端固定在卷帘轴上，上端搭在或固定在后墙上，卷帘机即可工作。

工作时接通电源，电机动力通过减速机传给卷帘轴，卷帘轴卷起草帘，电机反转即为放帘，工作中电机和减速机一起在棚面上走动，并且可以在任何位置停止或启动。

此种型号的卷帘机结构非常简单，具有以下优点：
1）效率高，卷放一次仅需5～8min。

2）减轻劳动强度，接通电源卷帘机自行卷放，不用人工操作。

3）延长光照时间，提高作物的质量和产量，促进作物早熟。

4）安全性好，可靠性高，保护大棚。

5）卷放整齐，棚上材料不受破坏。

6）操作方便，可在棚上任意位置停止或启动。

7）结构简单，价格较低。

1.3 使用注意事项
使用注意事项卷帘机在使用和维护时要注意以下问题：
1）接通电源时防止缺一相电源，如果缺一相电源会烧坏电机。

2）主机的传动部分（如减速机、传动轴承等），要每年添加一次润滑油，变速箱要加防冻机油。

3）在安装过程中要把卷帘绳子的长度（松紧）调整一样，使卷起的草帘子处在一条直线上。

在使用过程中要经常对卷帘绳子进行调整，如果绳子长短不齐，草帘子松紧不一样，卷起的草帘子会出现曲线状，在使用中会加大卷帘机和卷轴的扭矩力，影响使用效果或损坏卷帘机和卷轴。

4）草帘的底部（即和卷帘轴联接的地方）不能过湿，过湿使草帘子过重，卷起困难。

在使用中最好用塑料布将草帘盖上，避免雨雪淋湿草帘，也便于清雪。

5）每年对部件涂一遍防锈漆。

1.4卷帘设备的技术标准
卷帘设备的技术标准虽然目前卷帘机尚没有明确的技术标准，但一般应参考下列参数：
一、拉绳式
1）一次卷帘长度应小于100m，卷帘重量应小于5000kg。

2）卷帘时间应小于15min。

3）单帘宽度1.5～2.0m，铺放时不能有重迭，也不可有过大的缝隙。

二、移动式
1）一次卷帘长度不大于80m，卷帘重应小于4000kg。

2）卷、放帘时间应小于10min。

3）卷轴速度应小于1.5r/min。

1.5 自动卷帘机的总体设计方案
本设计中的自动卷帘机的示意图如下：
图1.1 卷帘机总体的示意图
1滚轮支架 2导轨 3减速器 4卷轴
如图所示的导轨2是预先固定在温室大棚的上方，滚轮支架1（具体如上图1.2）通过滚轮5在导轨2上面的滑动，电动机与减速器连在一起，通过减速器前方的主轴7与滚轮支架1通过转套6相连。

减速器外连的长轴4就可卷绕草帘子通过卷帘机上的电动机的正反转实现草帘子的卷放。

电动机由继电器控制，也可由现场按钮操作。

电动机接受启动信号后，按照预定的正反转信号，电动机可带动减速器的卷轴正转或反转来实现草帘子的卷放。

单片机通过温度传感器、光照传感器对实时情况的采样将信息通过TC35模块发送短信给管理员，管理员再根据季节与时令的需要来决定草帘的收放。

2 导轨 5 滚轮 6 转套 7 主轴
图1.2 滚轮支架
2电动机的选择
温室大棚总长为100m，总共需要1个卷帘机来对100个1m长的草帘子进行卷放，也就是卷帘机要卷起100个草帘子，每个草帘子重2.5Kg。

每个卷帘机要卷起的重量：F=G=mg=100×2.5 Kg×10N/Kg=2500N
卷帘机的卷帘的速度为V=0.5r/s
功率P=FV=2500N×0.5r/s=1250W=1.25KW
所选电动机的功率P>1.25KW
查阅相关资料，我选用Y90L-4型号的电动机，其相关的参数如下表2-1：
图2.1 电动机
3机械部分的设计
3.1减速器传动比的计算与分配
减速器的机体是用于支持和固定轴系的零件，是保证传动零件的啮合精度，良好的润滑和密封的重要零件，其重量约占减速器总重量的50%。

因此，机体结构对减速器的工作性能，加工工艺，材料消耗，重量及成本等有很大的影响。

1 第一根齿轮轴 2第二根轴 3第三根轴 （卷帘机卷轴） 4电动机5大带轮 6第一级大齿轮 7第二级大齿轮
图3-1卷帘机示意图
总传动比 140046.730
m n i n =
==总 所以选用二级直齿齿轮减速器（展开式）
0i i i
=总（式中0i
，i 分别为带传动和减速器的传动比）
选择0i
=5，则减速器传动比为：
046.79.345
i i i =
==总
分配减速器的传动比
为了使两级大齿轮直径相近，根据书上公式 （15.1） 得13i =.1，则21/3i i i ==
3.2计算传动装置的运动和动力参数
为了进行传动件的设计计算，要推算出各轴的转速和转矩。

如将传动装置各轴由高到低依次定为Ⅰ轴，Ⅱ轴，Ⅲ轴见图3-1
0,1
i i …为相邻两轴间的传动比
0112,...ηη为相邻各轴间的传动效率；
2P P 1，…为各轴的输入功率（KW ） 12
T T ，…为各轴的输入转距（N.m ） 12
,n n …为各轴的转速（ r/min ）
则可按电动机轴至动作机运动传递路线推算，得到各轴的运动和动力参数。

各轴的转速
Ⅰ轴 101400280/min
5m n n r i ===
Ⅱ轴 2128090.3/min 3.1m n n r i =
== Ⅲ轴 3290.330.1/min 3
m n n r i =
== 各轴输入功率
Ⅰ轴 101.
1.50.99 1.49d P P η==⨯=KW Ⅱ轴 211
2.
1.490.980.97 1.41P P η==⨯⨯=KW Ⅲ轴 3223. 1.410.980.97 1.34P P η==⨯⨯=KW Ⅰ~Ⅲ轴的输出功率则分别为输入功率乘轴承效率0.98。

各轴的输入转矩 电动机的输入转矩
1.5
9550955010.23.1400
d d m P T N m n ==⨯
= Ⅰ轴 1001.10.2350.9650.6.d T T i N m η==⨯⨯=
Ⅱ轴 21112.50.6 3.10.980.97149.3.T T i N m η==⨯⨯⨯=
Ⅲ轴 32223.149.330.980.97425.6.T T i N m η==⨯⨯⨯=
3.3带的选择
3.3.1 带的计算
工作情况系数，每天工作时间小于十小时，工作载荷性质为载荷变动小，根据《机械设计》表11.5，选工作情况系数A K =1.1
计算功率 . 1.1 1.5 1.65C A P K P ==⨯= KW
选出带的型号 《机械设计》图11.15中由计算功率和小带轮转速选A 型 A 型查资料得小带轮直径由表11.6，取1D =100mm 大带轮
大带轮的转速
11221001400
(1)(10.01)280/min
495D n n r D ε⨯=-=-⨯=
（设ε=1%）
带长 12100495
297.522m D D D ++===
21495100197.5
22D D --∆===
初取中心距 12122()0.55()D D a D D h +≥≥++ 其中h=8
1190≥a ≥335 .25 取a=650mm
带长 2
2934.151300602294.15m L D a a
π∆=++=++= mm 查《机械设计》图11.4，A 型V 带的基准长度L=2500mm
中心距
650.194m L D a π-=+= mm
小轮包角 0021
18060143.5D D a a
-=-⨯=
中心距
650.194m L D a π-== mm
3.3.2带的根数确定
带的根数 00 1.65 1.14()(1.320.17)0.890.92
C a c P Z P P k k =
==+∆+⨯⨯
(由表11.10，查得0P ∆=0.17；由表11.8，查得0P =1.32) 所以Z 取2。

3.4减速器齿轮的设计及模数的选择
3.4.1第一级齿轮传动设计
因传动无严格限制，批量较小，故小齿轮用45号钢，调质处理，平均用260HB,大齿轮轮用40Cr,调质处理，平均取用240HB 。

计算步骤如下：图表参考《机械设计书
齿面接触疲劳强度的计算
计算步骤如下：
661 1.49
9.55109.551050087.4.280P T N mm n =⨯=⨯⨯=
齿宽系数 b ψ=0.6 软齿面硬度≤350HB
初步计算许用接触应力1[]H σ=0.9 lim1H σ =0.9×710=639MPa
2[]
H σ=0.9lim 2H σ =0.9×580=522MPa
d A 由表12.16取d A =90
初步计算小齿轮直径19073mm d A ≥== 1d 取100mm 即第一级齿轮传动中小齿轮的分度圆直径为100mm
初步计算齿宽10.6100d b d ϕ==⨯ =60mm 初取齿数20
11/100/205
m d z ===
21z iz = =3×20=60
22560300d mz mm
==⨯= 即第一级齿轮传动中的大齿轮的分度圆直径为300mm
中心距 12()/2200a m z z =+= mm
齿顶圆的直径a d ：（*
a h 为齿顶高系数取1）
小齿轮*
11(2)(202)5110a a
d z h m mm =+=+= 大齿轮*
22(2)(602)5310a a
d z h m mm =+=+= 齿根圆的直径f d ：（*c 为齿隙系数取0.25）
小齿轮*
*11(22)(20220.25)587.5f a d z h c m mm =--=--⨯⨯=：
大齿轮**22(22)(60220.25)5287.5f a d z h c m mm =--=--⨯⨯= 齿顶高*
155a a
h h m mm ==⨯= 齿根高*
*((10.25)5 6.25f a h h c mm =+=+⨯=）m
齿距 3.14515.7p m mm π==⨯=
基圆齿距（法向齿距）cos 15.7cos 2014.7b p p mm α==⨯︒= 齿厚s /2 3.145/27.85m mm π==⨯= 齿槽宽e /2 3.145/27.85m mm π==⨯= 顶隙*0.255 1.25c c m mm ==⨯=
标准中心距12()/25(2060)2200a m z z mm =+=⨯+÷=
3.4.2第一级齿轮传动的校核计算
圆周速度 1
100280
1.5/601000601000
dn v m s ππ⨯⨯=
=
=⨯⨯
精度等级由表11.6选九级精度。

使用系数A K ，A K =1.5
动载荷系数v K 由书本得, v K =1.2
齿间载荷系数Ha K 由书本公式先求
112250087.41001.7100
t T F N
d ⨯===
1.51001.7
15.6/100100A t K F N mm Mpa
b ⨯==<
12
1111
[1.88 3.2()] 1.88 3.2()] 1.67
2060
a z z
ε=-+=-+=
0.88
Z
ε
===
由此得
2
11
1.28
0.88
Ha
k
Z
ε
===
齿向载荷分布H
k
β由书本资料得
233
1
()10 1.170.160.40.611040 1.258 H
b
k A B c b
d
β
-
=++⨯=+⨯+⨯⨯=
载荷系数 1.5 1.2 1.28 1.26 2.90
A v Ha H
k k k k k
β
==⨯⨯⨯=
许用接触应力lim11
l
min
710 1.18
[]798
1.05
H N
H
H
Z
MPa
S
σ
σ
⨯
===
lim22
2
min
580 1.25
[]690
1.05
H N
H
H
Z
MPa
S
σ
σ
⨯
===
验算
189.8 2.50.87
H E H
Z Z Z
ε
σ==⨯⨯
=351.8MPa＜
2
[]
H
σ
计算结果表明接触疲劳强度较为适合，齿轮尺寸无需调整
重合度系数
0.750.75
0.250.250.68
1.75
a
Y
εε
=+=+=
齿间载荷分配系数
1/1/0.68 1.47
Fa
K Y
ε
===
载荷系数
1.5 1.2 1.47 3.56 3.65
A V Fa F
k k k k k
β
==⨯⨯⨯=
齿型系数1
2.46
Fa
Y=
2
2.19
Fa
Y=
应力修正系数1
1.65
Sa
Y=
2
1.8
Sa
Y=
弯曲疲劳极限由lim1
600
F
MPa
σ=
lim2
450
F
MPa
σ=
尺寸系数由
1.0
X
Y=
许用弯曲应力lim11
1
min
6000.951
[]456
1.25
F N X
F
F
Y Y
MPa
S
σ
σ
⨯⨯
===
lim22
2
min
4500.971
[]349
1.25
F N X
F
F
Y Y
MPa
S
σ
σ
⨯⨯
===
验算
111
1
22 3.6550087.4
2.46 1.650.68
401005
F Fa Sa
KT
Y Y Y
bd mε
σ
⨯⨯
==⨯⨯⨯
⨯⨯
=50.5MPa＜
1
[]
F
σ
2221
11 2.19 1.8
92.2 2.46 1.65Fa Sa F F Fa Sa Y Y Y Y σσ⨯==⨯
⨯ 89.54=MPa ＜2[]F σ
初步计算
6
622 1.419.55109.5510141296.195.3
P T n =⨯=⨯⨯= N.m 齿宽系数 表12.13 b ψ =0.6 软齿面硬度≤350HB
初步计算许用接触应力1[]H σ=0.9 lim1H σ=0.9×710=639MPa
2[]H σ=0.9lim 2H σ=0.9×580=522MPa
校核同上，经验算计算结果表明接触疲劳强度较为适合，齿轮尺寸无需调整重合度系数。

因为这两个的齿轮的齿顶圆直径，主动的为110mm,从动的为310mm ，均小于500mm ，这样的齿轮通常是锻造或铸造的，锻造的齿轮一般采用圆盘式即腹板式结构，所以一级传动的两个齿轮我选用腹板式。

主动轮的齿轮根径很小，还可选用齿轮轴的形式。

3.4.3第二级齿轮传动设计
因传动尺寸无严格限制，批量较小，故小齿轮用45号钢，调质处理，硬度240HB-280HB ，平均用260HB,大齿轮轮用ZG35SiMn,调质处理，硬度229HB-280HB 。

平均取用240HB 。

计算步骤如下：图表参考机械设计书
初步计算
6622 1.5
9.55109.5510158637.890.3
P T n =⨯=⨯⨯
= N.m 齿宽系数 b ψ=0.6 软齿面硬度≤350HB 初步计算许用接触应力1[]H σ=0.9 lim1H σ=0.9×710=639MPa
2[]H σ =0.9lim 2H σ=0.9×580=522MPa
d A 由表12.16取d A =90
初步计算小齿轮直径390117d d A ≥==
3d 取150mm 即第二级齿轮传动中的小齿轮的分度圆直径为150mm ；
初步计算齿宽30.6150d b d ϕ==⨯ =90mm
初取齿数25
33/150/256
m d z ===
43z iz = =3×25=75
44675450d mz mm
==⨯= 即第二级齿轮传动中的大齿轮的分度圆直径为450mm ；
中心距 34()/26(25+75)/2300a m z z =+=⨯= mm
齿顶圆的直径a d ：（*
a h 为齿顶高系数取1） 小齿轮*
33(2)(252)5135a a
d z h m mm =+=+=
大齿轮*
44(2)(752)6462a a
d z h m mm =+=+= 齿根圆的直径f d ：（*c 为齿隙系数取0.25）
小齿轮*
*33(22)(25220.25)6135f a d z h c m mm =--=--⨯⨯=： 大齿轮**44(22)(75220.25)643.5f a d z h c m mm =--=--⨯⨯= 齿顶高*
166a a
h h m mm ==⨯= 齿根高*
*((10.25)67.5f a h h c mm =+=+⨯=）m
齿距 3.14618.84p m mm π==⨯=
基圆齿距（法向齿距）cos 18.84cos 2017.7b p p mm α==⨯︒= 齿厚s /2 3.146/29.42m mm π==⨯= 齿槽宽e /2 3.146/29.42m mm π==⨯= 顶隙*0.256 1.5c c m mm ==⨯=
标准中心距12()/26(2575)2300a m z z mm =+=⨯+÷=
3.4.4第二级齿轮传动的校核计算
圆周速度 1
15090.3
0.75/601000601000
dn v m s ππ⨯⨯=
=
=⨯⨯
精度等级由表12.6,选九级精度。

使用系数A K 由表12.9, A K =1.5 动载荷系数v K 由资料得, v K =1.2
齿间载荷系数Ha K 由资料得先求
1122158637.8
3172.7100
t T F N d ⨯==
= 1.53172.7
47.6/100A t K F N mm b ⨯==＜100N/mm
121111
[1.88 3.2()] 1.88 3.2()] 1.222585
a z z ε=-+=-+=
0.96Z ε=
== 由此得211
1.280.88
Ha k Z ε==
= 齿向载荷分布H k β由资料得
2
331
(
)10 1.170.160.40.611040 1.258H b k A B c b d β-=++⨯=+⨯+⨯⨯=
载荷系数 1.5 1.2 1.28 1.26 2.90A v Ha H k k k k k β
==⨯⨯⨯=
许用接触应力 lim11
l min 710 1.18
[]7981.05H N H H Z MPa S σσ⨯=
=
=
lim22
2min
580 1.25[]6901.05H N H H Z
MPa
S σσ⨯===
验算
189.8 2.50.87H E H Z Z Z ε
σ==⨯⨯
=563MPa ＜[]2H σ
0.75
0.75
0.250.250.861.22
a
Y εε=+
=+
= 计算结果表明接触疲劳强度较为适合，齿轮尺寸无需调整重合度系数 齿向载荷分布系数
1.38
F K β= 齿间载荷分配系数
1/1/0.86 1.16
Fa K Y ε===
载荷系数 1.5 1.1 1.16 3.567.4A V Fa F k k k k k β==⨯⨯⨯=
齿型系数由资料 1 2.46
Fa Y =
2 2.19
Fa Y =
应力修正系数由图12.22 1 1.65
Sa Y =
2 1.8
Sa Y =
弯曲疲劳极限由图12.23 lim1600F MPa
σ=
lim2450F MPa
σ=
尺寸系数由图12.25 1.0
X Y =
许用弯曲应力 lim111min 6000.941
[]4561.25F N X F F Y Y MPa
S σσ⨯⨯===
lim222min
4500.971
[]3491.25F N X
F F Y Y MPa
S σσ⨯⨯=
=
=
验算 1111227.4275587.1
2.46 1.650.86601505
F Fa Sa KT Y Y Y bd m εσ⨯⨯=
=⨯⨯⨯⨯⨯ =250MPa ＜1[]F σ
2221
11 2.19 1.8
250242.92.46 1.65
Fa Sa F F Fa Sa Y Y Y Y σσ⨯==⨯=⨯MPa ＜2[]F σ
经过验算计算结果表明接触疲劳强度较为适合，齿轮尺寸无需调整重合度系数。

3.5轴径的设计
3.5.1轴径的计算
轴的材料选择45号钢
设计公式，轴的最小直径
6339.55100.2[]p p d C mm
n n τ⨯≥=
式中 P ——轴的传动功率，KW n ——轴的转速，r/min []τ——许用切应力，MPa
C ——与轴材料有关的系数，可由资料得
轴Ⅰ 331 1.49
11220.5
280p d C n ≥==mm 轴Ⅰ的最小直径为30mm
因为一级传动中的主动齿轮的根径很小，所以我采用的是齿轮轴 下图3.2为轴Ⅰ的总体设计形状
图3.2 轴Ⅰ
图中三段轴径分别为30mm,40mm,50mm
轴Ⅱ 33
2 1.41
11230.690.3
p d C n ≥==mm 2d
取直径为40mm 下图3.3为轴Ⅱ的总体设计形状
图3.3 轴Ⅱ
图中d1为此轴的最小直径为40mm, d2=d1+7mm=47mm, d3=d2+3mm=50mm, d4=d2=47mm, d5=d1=40mm.
轴Ⅲ 333 1.3411239.7mm 30.1
p d n ≥==
所以轴Ⅲ的最小直径取40mm
下图3.4为轴Ⅲ的总体设计形状（与轴Ⅱ相同）
图3.4 轴Ⅲ
图中d1为此轴的最小直径为40mm, d2=d1+25mm=65mm, d3=d2+5mm=70mm, d4=d2=65mm, d5=d1=40mm.
3.5.2轴的校核
校核第一根轴见图3.5
输入功率：1.5KW 带轮的直径为505mm 转速为280 r/min
则已知：
12800.505
27.56/602
V w r m s π==⨯=
式中 v ——带速 p ——功率为KW
则带轮的有效拉力为1000 1.51000
3617.56
P F N v ⨯===
受力分析轴
水平方向的受力分析图
水平方向的弯矩图
垂直方向的受力图
垂直方向弯矩图
合成弯矩图
转矩图
当量弯矩图
图3.5 轴Ⅰ的校核计算
p mw =
则3
1.51097.32682260
p p m Nm w v ππ⨯==
==⨯ 21101212227550000.11tan 201820r T F N d F F N ⨯⎧⎫===⎪⎪⎨⎬⎪⎪==⎩⎭′
1091=1820+FR1′+FR2′
'121820186.51091281.50R m F =⨯+-⨯=∑
'1601.8R F N =- 2'127.2R F N =-
"1125000"05000186.5"2540R R R F F m F ⎧⎫--=⎨⎬∑=⨯-⨯=⎩⎭ 1"1329R F N = 2"3671R F N =
轴材料为45号钢 由表得[]1102.5b mpa σ+=
[]160b mpa σ-= 则应力校正系数 [][]
110.59b b σασ+-== 校核轴径连接带轮处的
30.835d mm mm ===〈
连接齿轮处的
44.5110d mm mm
===〈
其余两轴的校核与它相同。

3.6 滚轮支架的设计
因为卷帘机的运行的路线是完全根据轨道，卷帘机的主轴要必须要固定在轨道上，并且可以进行相对移动。

在这里我选用滚轮支架这一结构，因为主轴与导轨直接必然会产生一些浮动，所以我选用类似三角形的支架，最底的三角边可以提供给主轴足够的浮动空间。

如下图3.6
由于卷帘机是放置在温室大棚的上面的，而温室大棚是有一定的弧度的，因此卷帘机与轨道和支架会产生一个偏角，并且这个偏角会随着卷帘机的移动而变化着。

所以我选择转套与卷帘机主轴焊在一起，这样主轴与支架的偏角可随意波动。

其剖面图如下图3.7
图3.6三角形支架
图3.7转套6与主轴7和三角支架底边的连接
4硬件设计
4.1控制系统的总体设计
本设计的功能是由手机通过单片机的控制部分来对卷帘机进行控制收放。

具体过程：短信收发模块TC35上的RS-232接口通过MAX232与单片机连接，单片机本身需要外扩数据存储器RAM，模数转换器通过地址锁存器与单片机连接，由于有多个传感器，所以还需要一个多路开关与模数转换器相连。

自动卷帘机的整个硬件电路设计的总体结构框图可由下图4-1表示
图4.1 自动卷帘机控制部分的总体结构框图
4.2 P80C51RA+4N的简介
P80C51RA+4N是一款80C51微控制器，包含16/32/64kB Flash和1024字节的数据RAM。

它的典型特性是它的X2方式选项。

利用该特性，设计工程师可使应用程序以传统的80C51时钟频率（每个机器周期包含12个时钟）或X2方式（每个机器周期包含6个时钟）的时钟频率运行，选择X2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量。

从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可以极大地降低电磁干扰(EMI)。

下图4.2所示为P80C51RA+4N的引脚及其电路图，此芯片由ATMEL公司所制造，可重复烧录1000次以上，8051单片机必须有供应电压，电源引脚为V CC、GND。

工作电压在4V~6.6V 之间，建议使用+5V电源供应器，保持芯片的工作寿命。

图4.2 P80C51RA+4N单片机的外部引脚图
40个引脚按引脚功能大致可分为4个种类：电源、时钟、控制和I/O引脚。

4.2.1电源引脚
（1） VCC - 芯片电源，接+5V；
（2） VSS - 接地端；
注：用万用表测试单片机引脚电流一般为0v或者5v，这是标准的TTL电平，但有时候在单片机程序正在工作时候测试结果并不是这个值而是介于0v-5v之间，其实这之是万用表反映没这么快而已，在某一个瞬间单片机引脚电流还是保持在0v或者5v的。

4.2.2时钟引脚
XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。

4.2.3控制引脚
控制线共有4根
(1)ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲① ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址② PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。

(2) PSEN:外ROM读选通信号。

(3) RST/VPD:复位/备用电源。

① RST（Reset）功能：复位信号输入端。

②VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。

(4) EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

① EA功能：内外ROM选择端。

② Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。

4.2.4 I/O口引脚
8051共有4个8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。

(1) P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。

（2）P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。

（3）P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，可驱动4个LS型TTL 负载。

（4）P3口：8位准双向I/O口，双功能复用口，可驱动4个LS型TTL负载。

4.3 P80C51RA+4N最小系统的设计
因为P80C51RA+4N内部有存储器，芯片本身就是一个最小系统，在能满足系统的性能要求的情况下，可优先考虑采用这种方案，用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。

用P80C51RA+4N单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可。

P80C51RA+4N的最小系统图如下图4.3。

图4.3 P80C51RA+4N的最小系统
4.3.1 时钟电路
P80C51RA+4N的整个功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。

因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

P80C51RA+4N内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。

这两个引脚跨接石英晶体振荡器（简称晶振）和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器，下图4.4为其内部时钟方式的振荡器电路。

图4.4 时钟电路
电路中的电容C5和C4典型值通常选择为30pF左右。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

晶振的震荡频率范围通常是在1.2MHz~12 MHz之间。

晶振的频率越高，则系统的时钟频率就越高，单片机的运行速度也就越快。

4.3.2 复位电路
因为自动卷帘机要随时检测管理员是否发来命令短信，所以单片机要随时保持一个初始化的状态，这就必须使用复位电路。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

本系统采用的是按钮复位方式，如下图4.5。

图4.5 按钮复位电路
4.4 无线通信模块的设计
4.4.1 GSM模块的概述
由本设计的功能要求，单片机要接受管理员的短信然后继续下面的动作，所以单片机的最小系统必须外扩一个无线短信收发模块。

随着全球移动通信系统( GSM) 移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈,新技术和新业务的开发和应用就已经提到十分重要的位置。

短消息服务业务作为GSM 网络的一项基本业务,已经得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视,基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。

本设计正是利用单片机对GSM 调制解调器TC35 模块进行控制并实现了单片机与管理员之间的无线短消息的收发。

4.4.2 TC35的控制简介
TC35 是 Siemeils 公司推出的新-代无线通信GSM 模块。

自带RS232通讯接口,可以方便地与单片机联机通讯。

可以快速、安全、可靠地实现系统方案中的与管理员进行无线短信通信。

TC35 模块的工作电压为3.3—5.5V,可以工作在900MHz 和1800MHz 两个频段,所在频段功耗分别为2w(900M)和1w(1800M)。

4.4.3 TC35的联机接口RS232
本设计中所选用的GSM模块TC35自带RS-232接口。

RC-232是异步串行通信中应用最广的标准串行接口，它定义了数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间的串行接口标准，主要包括了有关串行数据传输的电气和机械方面的规定。

下图4.6为TC35的RS232为“D”型9针插头的引脚定义。