低成本高可靠智能窗控制器的設(shè)計(jì)

金珍珍 周佳敏

（臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

1 引言

隨著人們生活水平的日益提高，人們?cè)谧非笫孢m溫馨的同時(shí)也追求房屋的智能化。人們對(duì)智能型家庭自動(dòng)關(guān)窗系統(tǒng)的需求越來越大。在此大背景下，智能窗戶應(yīng)運(yùn)而生。現(xiàn)在市場(chǎng)上的智能窗控制器往往采用單片機(jī)控制，能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的功能，但價(jià)格昂貴，可靠性和壽命受單片機(jī)控制電路影響，有待提高，而且很多功能在實(shí)際使用中用不到，造成很大的浪費(fèi)，對(duì)于普通百姓來說，經(jīng)濟(jì)上也不許可。因此，設(shè)計(jì)一種性能可靠、成本低廉、安裝方便的智能窗控制器很有必要。本設(shè)計(jì)研究一種在普通窗基礎(chǔ)上改進(jìn)的智能窗控制器，該控制器通過光、風(fēng)速和濕度感應(yīng)，能遇到刮風(fēng)、下雨時(shí)使窗戶自動(dòng)閉合，白天會(huì)自動(dòng)打開窗戶通風(fēng)。該設(shè)計(jì)功能簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、性能可靠，能滿足普通百姓對(duì)智能窗的需求。

2 智能窗結(jié)構(gòu)和控制器原理

2.1 智能窗結(jié)構(gòu)

圖1 窗戶結(jié)構(gòu)圖

窗戶結(jié)構(gòu)如圖1，1、左窗戶；2、右窗戶；3、電機(jī)；4、開窗限位；5、關(guān)窗限位；6、齒條；7、窗框。

當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)拖動(dòng)右窗戶沿著齒條向左移動(dòng)，當(dāng)右窗戶碰觸到開窗限位時(shí)，電機(jī)停止。當(dāng)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)3拖動(dòng)窗戶2向右移動(dòng)，當(dāng)右窗戶碰觸關(guān)窗限位時(shí)，電機(jī)停止。

2.2 控制器原理

智能窗控制器要通過光、濕度和風(fēng)力感應(yīng)，對(duì)風(fēng)、雨、光進(jìn)行感應(yīng)，并發(fā)出相應(yīng)的電信號(hào)，然后通過邏輯電路的控制使窗戶自動(dòng)關(guān)閉和打開。人們還可通過按鍵,直接控制窗戶的開/關(guān)等。在功能上，包括：

（1）自動(dòng)開關(guān)窗：陽光明媚的早上光敏電阻感光通過邏輯控制電路自動(dòng)打開窗戶，更新室內(nèi)空氣；傍晚太陽落下時(shí)窗戶自動(dòng)關(guān)閉；

（2）自動(dòng)防風(fēng)：當(dāng)風(fēng)速超過8m/s時(shí)，風(fēng)速傳感器檢測(cè)信號(hào)，通過控制電路使窗戶自動(dòng)關(guān)閉。即使主人不在家，照樣將其看管得無微不至，為人們營(yíng)造一個(gè)干干凈凈的環(huán)境。

（3）自動(dòng)防雨：平時(shí)上班或臨時(shí)加班不能及時(shí)關(guān)窗、出門在外也總有忘記關(guān)窗的時(shí)候，遇到下雨時(shí)，濕敏傳感器檢測(cè)到下雨信息，邏輯控制電路控制電動(dòng)機(jī)動(dòng)作，窗門自動(dòng)關(guān)閉，使家用設(shè)備免于遭雨水侵襲，解除后顧之憂。

實(shí)現(xiàn)的電路原理框圖如圖2所示。檢測(cè)模塊主要是風(fēng)、雨、光強(qiáng)的信號(hào)拾取，采用專用傳感器來實(shí)現(xiàn)。邏輯控制電路主要由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，而不采用單片機(jī)，一是硬件電路比軟件執(zhí)行更加可靠，二是成本更加低廉，可以由簡(jiǎn)單的門電路或可編程芯片來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由單電源供電可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的H橋電路來實(shí)現(xiàn)。手動(dòng)開關(guān)是為了便于根據(jù)用戶的需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)開關(guān)。

圖2 智能窗控制器的原理框圖

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

（1）光強(qiáng)檢測(cè)

光檢測(cè)電路主要采用光敏電阻和雙電壓比較器LM324N構(gòu)成。光敏電阻阻值隨入射光強(qiáng)變化而改變，入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大，電路如圖3。白天時(shí)，光敏電阻阻值減小，U1A的3腳電位增加，當(dāng)它大于2腳的電位時(shí)，U1A輸出高電平。當(dāng)晚上光線變暗，光敏電阻阻值增加，U1A的3腳電位減小，當(dāng)高于2腳的電位時(shí)，U1A輸出低電平。通過圖3電路，可以實(shí)現(xiàn)有光時(shí)輸出高電平，無光時(shí)輸出低電平的光信號(hào)檢測(cè)。

圖3 光檢測(cè)電路

（2）濕度檢測(cè)模塊

使用HG38濕敏電阻，安裝檢測(cè)模塊原理同圖3，只需把光敏電阻改成濕敏電阻。

（3）風(fēng)速檢測(cè)模塊

風(fēng)傳感器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)防風(fēng)的功能,它能實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速,將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸給邏輯控制電路。主要裝置有風(fēng)輪、傳感器電路。其主要原理是在窗戶打開的情況下當(dāng)室外起風(fēng)時(shí)風(fēng)帶動(dòng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)數(shù)器記錄每分鐘風(fēng)輪所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)并將數(shù)據(jù)傳輸給控制電路，控制電路根據(jù)設(shè)置的風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)下限值決定是否需要啟動(dòng)電機(jī),以帶動(dòng)窗戶轉(zhuǎn)動(dòng)將其關(guān)閉,當(dāng)風(fēng)速有所減弱,帶動(dòng)風(fēng)輪每分鐘所轉(zhuǎn)圈數(shù)小于之前的下限值時(shí),發(fā)出命令啟動(dòng)電機(jī)再次帶動(dòng)窗戶開啟的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

利用小型風(fēng)力發(fā)電馬達(dá)，將它發(fā)出的低電平通過非門使它輸出高電平，然后用LM353做一個(gè)比較電路，當(dāng)電壓隨小型發(fā)電馬達(dá)的轉(zhuǎn)速上升而上升到達(dá)一定值時(shí)輸出，從而達(dá)到控制的效果。

3.2 主控制電路設(shè)計(jì)

圖4所示設(shè)計(jì)圖中，該設(shè)計(jì)主要通過光強(qiáng)、濕度、風(fēng)速三個(gè)感應(yīng)模塊（L/R/W）來感應(yīng)外界的環(huán)境變化，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，能靈敏地產(chǎn)生一定的電信號(hào)（數(shù)字信號(hào)），通過控制邏輯電路輸出K1、K2、K3、K4四路控制信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)邏輯控制電路輸送的控制信號(hào)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或者停止，為了表示窗戶已關(guān)閉或已打開，在窗框上裝2個(gè)限位開關(guān)，當(dāng)觸碰限位開關(guān)時(shí)，發(fā)出限位信號(hào)，電機(jī)停止。同時(shí)，為了能方便用戶的操作，在設(shè)計(jì)中增加了手動(dòng)開、關(guān)按鈕，可以優(yōu)先控制窗戶的開和關(guān)。為了能形象闡述控制器的控制功能及過程，采用真值表的形式加以描述。表1中用L、R、W分別表示光、雨、風(fēng)信號(hào)，1表示有光、有雨、有風(fēng)，0表示無光、無雨、無風(fēng)；O表示手動(dòng)開按鈕，C表示手動(dòng)關(guān)按鈕，1表示按下，0表示未按；FC、FO分別表示已關(guān)上限位開關(guān)和已全開限位開關(guān)，1表示已到限位點(diǎn)，0表示未到限位點(diǎn)。K1、K2、K3、K4表示驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止的4個(gè)數(shù)字邏輯信號(hào)。開窗電機(jī)正轉(zhuǎn)，用1001表示，關(guān)窗電機(jī)反轉(zhuǎn)，用0110表示，電機(jī)不動(dòng)用0000表示。

圖4 智能窗控制電路設(shè)計(jì)圖

表1 智能窗控制器的功能表

根據(jù)表1的智能窗控制器的功能表，可得出K1、K2、K3、K4與輸入信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，根據(jù)此邏輯關(guān)系得到主控制電路原理圖，見圖5。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于電機(jī)需要正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)窗戶的開啟和閉合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中使用由4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管組成的H橋電路，為了有效隔離弱電和強(qiáng)電部分的干擾，通過集成芯片IR2110來驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通或截止來實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的過流保護(hù)，在設(shè)計(jì)時(shí)加入了R5來檢測(cè)電機(jī)電流，當(dāng)R5電流過高時(shí)，R5電壓升高，運(yùn)放的同相輸入端電位升高，導(dǎo)致運(yùn)放輸出高電平，IR2110的SD端為1，4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管截止，從而使得電機(jī)速度急速下降，見圖6。

4 結(jié)論

智能窗控制器主要針對(duì)普通百姓對(duì)智能窗的基本功能而設(shè)計(jì)，它可以在普通窗的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，成本低廉，適用于一般家庭。在此基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)客戶的需求，增加其它的功能（如防盜、溫度檢測(cè)）等，設(shè)計(jì)思路與上類同，不再一一闡述。

圖5 邏輯控制電路

圖6 電機(jī)控制電路

[1]王樹德.AT89C51單片機(jī)在智能窗控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].成都師專學(xué)報(bào)，2003：32-36.

[2]徐彬，劉緒，王宏亮，等.基于STC89C52單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)[J].科技與企業(yè)，2013，(18)：123.

[3]李碩，賈子慶，張明瑋.基于多傳感器的智能窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2011，(4)：6-9.

[4]鞠永勝.基于單片機(jī)的防盜防雨智能窗設(shè)計(jì)[J].硅谷，2012，(5)：7，73.

[5]王學(xué)文，趙洛印，李夢(mèng)達(dá)，等.基于單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].黑龍江科技信息，2014，(8)：109-111.

[6]張超，周克，何威，等.基于STC單片機(jī)多傳感器的智能窗設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械，2014，(1)：84-87.

[7]王杰，楊曄，蔡劍文.基于單片機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014，(12)：61-62.

[8]高素萍，李旭斌，鐘德永，等.智能窗控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].低壓電器，2009，(20)：8-11，47.