家用小型自动浇花器的设计报告

机械机电一体化设计报告

设计题目：家用小型自动浇花器

院系：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化班级：11级机械2班

学号：

姓名：

指导老师：杨咸启

一．家用小型自动浇花器设计的基本原理、要求和尺寸选择。

1.设计的前提背景：

离家出差或者旅行的时候，家中的花儿无人照看，很容易死掉，基于这种现象，我萌发了设计一种小型的家用自动浇花器，来解决无人照看的花花草草的浇灌问题。

2.设计基本原理与整体结构图：

我所设计的自动浇花器是利用微型家用水泵和土壤湿度传感器和单片机等元件组成的，主要原理是通过土壤湿度传感器去感知花盆中土壤的湿度，给单片机设定一个初始值，当土壤传感器的湿度值低于设定值时，单片机下达命令给电机，电机驱动微型水泵吸水浇花，这时土壤是传感器的湿度值在升高，当高于设定值时，单片机指示电动机停转，水泵也会随后停止吸水浇水。

3.设计要求：由于本产品是面对家庭盆栽植物的，所以整套设备要尽量低价实用；由于一盆植物一次的浇水量不大，所以泵选择微型泵，电机的功率比较小；由于本产品是有关水的吸入排出问题，故对泵与吸水管和排水管间的连接的密封性有一定要求。

4.主要结构的尺寸选择：

微型水泵尺寸选择

我所设计的自动浇花器是采用单作用叶片转子泵作为吸水浇花器的主体的，一下根据我所定的排量等要求，进行该水泵的尺寸设计：

根据估计将设计原始数据定为：额定流量3-4L/min 额定转速240r/min （1)转子尺寸的设计

转子半径: 转子作为与轴的连接部分，主要是力的承受着，叶片镶嵌在转子里，它承载着叶片，带动叶片做旋转运动，叶片同时在其中做伸缩运动，转子半径r 应根据花键轴孔尺寸和叶片长度L 考虑，取花键轴直径

019.0d mm =

初选 0(0.91)19.0z r d mm '== 再根据初选值计算得到的叶片长度L 调整r 的大小。 初选转子半径

z r '

计算得到叶片泵叶片的长度L 为，由后面的（1）式得

L=10.0mm

由于叶片镶嵌在转子内，且嵌入叶片的槽长度略等于叶片的长度L,根据叶片长度和转子强度考虑，调整转子半径z

r 为

29.0z z r r L mm '=+=

转子轴向宽度：转子﹑叶片和定子都有一个共同的轴向宽度B ，B 增加可减少端面泄漏的比例，使容积效率增加，但B 增加会加大油窗孔的过流速度，转子轴向宽度B 与流量成正比。在系列设计中，确定径向尺寸后，取不同的宽度B ，可获得一组排量规格不同的泵。对于径向尺寸相同的泵，B 增大会使配油窗口的过流速度增大，流动阻力增大。据统计资料可略取

1

(0.451)20B R mm ''== 式中 1R '──定子小半径。

由式(5-2)，29z r mm =，最终确定10.8324.9B R mm =?=，取 25B mm =

（2）叶片尺寸选择及数量：

叶片安放角可选取0°。

叶片数量及长度：我选择了叶片个数为4个，为使叶片在转子槽内运动灵活，叶片伸缩式留在槽内的最小长度应不小于叶片总长的2/3，即 22

()3

z L R r L --≥

则 23()10z L R r mm ''≥-= （1） 故叶片长度选择10mm 。

叶片厚度t 应保证在最大压力下工作时具有足够的抗弯强度和钢度。在强度和转子槽制造工艺条件允许的前提下应尽量减薄，以减小叶片根部承受压力作用的面积，减轻对定子的压紧力。

叶片厚度，一般取 1.8

2.5t mm =

此处，取 2t mm = 叶片宽度与定子轴向宽度一致为25mm 。 叶片倒角查材料取245?。

故，叶片的总体结构是25210mm mm mm ??=??长宽高

（3）定子尺寸估选：

定子轴向宽度：选择为25mm ，与转子轴向宽度一致。

定子半径：由转子半径为29㎜，再根据单作用叶片转子泵的排量公式V=4BzResin （π/4）,在把B=0.25dm ，z=4，V=3/240代入得Re=44（平方毫米），取定子半径R=35mm ，则估算出偏心距离e=1.25mm 这里取偏心距离为1.3mm.再代入验算，发现没有超过额定流量的取值范围，故定子半径为35mm ，转子定子间的偏心距为1.3mm 。 定子厚度：取2mm 。

定子上的孔径：根据定子大小，可以将其定为10mm 的直径。

（4）泵体尺寸选择： 泵体的主要尺寸见图：

泵体下部支撑架的局部俯视图：

由图见泵体上部分的内圆半径为定子的外圆半径37mm，泵体上部分最大外圆半径在右视图中可以看出为94mm其余见图。

（6）泵盖尺寸：

由于泵盖是直径类的物件，所以只显示其俯视图，便可知道其具体尺寸,图如下：

（6）其余尺寸：

吸水口直径：10mm 出水口直径：10mm 螺母内径：6mm 螺栓直径：6mm

喷头尺寸结构：能与排水管配合，外径等于水管内径8mm

（7）轴的尺寸：直径为19mm，长度为105mm，键槽长度为25mm，宽度为8mm，深度为4mm。键槽离轴最左端10mm。

储水箱结构尺寸设计：

由于是家用小型自动浇灌器，所以储水箱不必太大，我根据估计，确定了储水箱为圆柱水桶状，其尺寸为：内径400mm，壁厚3mm，高度400mm。并且储水箱上盖留有一个四分之三圆的平台用来防止电机与微型水泵的。

进水管与排水管尺寸：选用软管，外径10mm，内径8mm。

适用花盆尺寸类型：一般的家用大、中、小型花盆均可

二．家用自动浇花器的主要零件图与绘图步骤

1.泵体外壳绘图步骤：（1）打开proe5.0，新建零件图，不勾选缺省鼠标，进入画图界面，单击旋转按钮，点放置，选择FRONT平面作为截面绘制平面，然后进入草绘界面，绘

制如右草绘截面：

勾选对勾后，推出草绘界面，点击轴向旋转360°，就形成了如下图的旋转体

(2)拉伸支撑座：以TOP平面作为基准平面，向下方偏移62,后新建平面DIMI1，点击放置，以DIMI1平面为草绘平面，绘制如下草绘图：

退出草绘界面后点击拉伸深度10，拉伸出底座，然后再点击拉伸按键，以刚才拉伸出的底座的前端面为放置平面，进入草绘界面，绘制如下图：

拉伸深度为20，就形成了如下的立体图：

（3）进水口和排水口：同上，运用拉伸画出的出水、进水孔，草绘界面如图：

然后，再用拉伸去除材料，画出直径10mm的孔。

（4）在底座拉伸一个高于底座的平台，并画出孔，孔内径10mm，外径15mm，图如下：

（5）镜像：将第（3）（4）步画出来的镜像，镜像参照平面为FRONT平面。

（6）拉伸底座底下的槽

（7）拉伸孔，利用螺旋扫描画出孔的螺纹，在对泵体前端面进行拉伸去除材料，去除一个直径为74、厚度为28的圆柱体，即形成泵壳。如图（见下页）

（8）倒完圆角后即绘图完成，形成最终的零件图，如下：

2.泵盖绘图步骤：

（1）打开proe5.0，新建零件图，不勾选缺省鼠标，进入画图界面，单击旋转按钮，点放置，选择FRONT平面作为截面绘制平面，然后进入草绘界面，绘制如下草绘截面：

点击轴，旋转360°，即形成旋转体。

（2）拉伸：选择上面的旋转体的最大圆端面作为草绘平面，画出草绘图：

拉伸深度为3mm。

（3）旋转去除材料画出泵盖上的轴孔：旋转的草绘界面图如下：

（4）最后，拉伸出一个直径6mm的孔，阵列成3个，再倒圆角，即完成绘图。图如下：

3.转子的绘图步骤：（1）旋转出转子主轮廓，旋转的草绘界面图如下：

.

选择轴，360°旋转，得到旋转体。如下：

（2）拉伸（去除材料）得到叶片槽：拉伸时选择上述旋转体的端面为基准面，进入草绘界面，会出草绘图，如下：

，形成叶片槽。

（3）拉伸（去除材料）得到键槽。

（4）阵列叶片槽，阵列数为4，阵列角度为90°，阵列方式为轴阵列，即完成绘图，最终形成的转子如下：

4、定子的绘图步骤：

（1）单击旋转按钮，点放置，选择FRONT平面作为截面绘制平面，然后进入草绘界面，绘制如下草绘截面：

旋转360°，得到旋转体。

（2）拉伸：拉伸出一个直径为10mm的圆柱，用去除材料，得到孔。

（3）拉伸：选择端面为基准面，草绘出如下图：

再进行去除材料拉伸。

（4）镜像：将（2）（3）的拉伸镜像，即完成绘图，最终的定子图如下：

5.电动机的放置装置的绘制：

(1)拉伸下座：点击，选择FRONT面为草绘平面，画出如下的草绘图：

拉伸深度为60 ，再拉伸出四个螺栓孔，再倒圆角等即形成如下的立体图：

（2）同理，拉伸加阵列等，可以画出上部分

（3)这两个部分配合：中间放电机。

6.排水管、进水管绘制步骤：

利用扫描伸出像，先草绘扫描轨迹，再草绘界面为一个内经8，外径10 的圆环，即可扫描出水管。

7.其他：储水箱采用拉伸画法，喷头采用拉伸加阵列画的，螺母螺栓等是拉伸结合螺旋扫描画出来的，联轴器选用尼龙联轴器，其他略。

三．驱动电机选择与计算

（1)微型水泵电机理论功率计算：

水泵电机功率计算计算工式如下，并附上公式中各个部分包含的意义解释。

N=KP=KPe/η=KρgQH/1000η (KW)

式中各符号意义如下：

P：泵的轴功率(KW)，又叫输入功率，即电动机传到泵轴上的功率;

Pe：泵的有效功率(KW)。又叫输出功率，即单位时间输出介质从泵中获得的有效能量;

ρ：泵输送介质的密度(Kg/m3)。一般水的密度为1000Kg/m3(比重为1)，酸的密度为1250Kg/m3(比重为1.25);

Q：泵的流量(m3/S)。当流量单位为m3/h时，应注意换算成m3/S;

H：泵的扬程(m);

g：重力加速度(m/s2),为9.8 m/s2;

K：电动机的安全系数，一般取1.1~1.3;

η:泵的效率

由V=4BzResin（π/4）=4×0.025×4×0.035×0.0013×(1.414/2)=0.000129m3/r,

又n=240r/min=4r/s,所以Q=nV=4×0.129=0.000516m3/s,水的密度ρ=1000Kg/m3，假设H=0.8m，由于是家用工况较好且是微型泵，可假设η=75%代入以上数据，可求出：

微型水泵电机理论功率为N=1.1×1000×9.8×0.000516×0.8/(1000×0.75)=0.0059kw=5.9w （2）电机型号选择：根据所求出的大致功率5.9w，和转速240rpm，可以近似选择额定功

率为6w，减速比为5，输入转速为1200rpm的型号为5IK6RA-A的微型减速电机。

额定电压110v，额定电流0.22A，具体参数如下：

（3）电动机尺寸：如下图：

可见，电动机直径70mm，长度为L1=60mm，其余见图。

四．传感器与控制元件选择

（1）传感器选择:选用HA2001.FDR型土壤湿度传感器

土壤湿度传感器简介：

又名：土壤水分传感器、土壤墒情传感器、土壤含水量传感器。

主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护

目前常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型，即频域型和时域型。

目前比较流行的是FDR型，常用型号HA2001.

FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。

土壤湿度传感器功能与特点：

本传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。

结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。

外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。

土质影响较小，应用地区广泛。

测量精度高，性能可靠，确保正常工作。

响应速度快，数据传输效率高。

适用范围

广泛应用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等场领域。

技术参数：

测量参数：土壤容积含水率

单位：%( m3/m3)

量程：0～100%

探针长度：5.3cm

探针直径：3mm

探针材料：不锈钢

密封材料：环氧树脂

测量精度：±3%

工作温度范围：-40℃～85℃

工作电压：5～12V或12-24V

工作电流：21～26mA，典型值21mA

输出信号：0～2V DC或4-20mA

测量稳定时间：2秒

响应时间：<1秒

测量区域：以中央探针为中心，围绕中央探针的直径为7cm、高为7cm的圆柱体

(2)控制元件选择：选用AT89S52单片机

简介：

A T89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，A T89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

（3）湿度传感器与单片机合作的工作过程：

先通过按键设定湿度，这里选用的湿度传感器是LTM8901湿度传感器，LTM8901是一款专门为用户设计自身产品而提供的数字化温湿度探头，其湿度测量量程为1％～99％RH，分辨率为0．5％RH，测量精度为±3．0％RH(典型值)；温度测量范围为-25～+60℃，分辨率为0．062 5℃，测量精度为±0．5℃；响应时间典型值为5 s；工作电压范围为4．5～5．5 V。LTM8901将测量结果直接输出为数字信号，通过“一线式总线”串行传送给单片机，不需要进行模数转换，减少了元件，简单方便。利用LTM8901湿度传感器检测到湿度，传送到单片机进行处理，湿度显示在数码管上，当湿度低于设定值时，给单片机一个指令，seth p2．0，继电器线圈有电流经过，对应的常开触点闭合，使电磁阀线圈得电，此时电磁阀门由闭合变成断开，进行浇花，当等于或高于设定值时，clr p2．0，继电器线圈失电，对应常开触点断开，电

磁阀线圈失电，阀门闭合，水无法流过，停止浇花。

五．家用小型浇花器的整体结构图和特点：

（1)装置装配图和局部放大图：

（2）装置特点与可改进点：

本浇花器用来给外出人照顾家内的盆栽的，有一定可用性，且是微型的，故成本不会很贵，但由于水桶内的水有限，故不能长年的浇水，大概可以进行十几天到一个月左右的浇水，所以产品还可以改进，比如加一个水位报警系统等或是加一个太阳能供电系统，但由于是家用，加上这些也许会智能，但成本略高，故没有做这两方面的设计。

六．设计总结

通过本次设计，我初步了解了设计一个产品的基本过程，设计并不是想想说说而已，必须要考虑很多方面，通过机电一体化化设计这个课程，我收获了一些以前不了解的知识，我了解到机电一体化的基本过程和一些基础的控制元件类型，这个课程也锻炼我们独立解决问题以及创新的能力。我所设计的是家用小型自动浇花装置，一开始只是有个大致概念，当深入思考的时候发现有好多地方不太明白，后来通过上网查资料，和同学交流，以及老师上课时的疑课，对本次设计有了进一步了解，在设计过程中，我学习到了如何解决问题的方法，相信这对未来的我处理事情的能力会有些许的提高，还有一个感触，就是有些是一开始是摸不着头脑，就觉得自己做不到，但实际上真正着手做的时候，也许就会豁然开朗。想做好任何一件事，途中都会出现困难，关键在于如何解决。

也要我了解到设计的过程很难，我没用足够的才智，所以并没有励志想要成为设计人才，因为不够天分、不够热情更不够努力，但我觉得能够尽可能的去了解事物的原理而非表象，这样的过程才觉得大脑没有白长，在未来的生活中我还将遇到更多要解决的事，通过这次设计，我知道做好一件事要努力，不会的问题可以请教还有查资料，在资料的选择上也要学会甄别，这就好像在社会上生存要努力发展自己的能力，搞好人际关系，还要懂的明辨是非一样，因小知大事物间的联系真的是十分奇妙的。