基于單片機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

秦嘉嶸　陳云龍

[摘要]家居智能化已成趨勢，針對傳統(tǒng)手動開關(guān)窗無法實(shí)現(xiàn)人們對便捷、智能化生活的現(xiàn)狀，通過單片機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一款基于濕敏傳感器、PM25傳感器和紅外傳感器的單片機(jī)智能數(shù)字控制開合的窗戶。該智能控制窗是一種機(jī)電一體化的智能窗戶控制系統(tǒng)，采用了智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械傳動技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，主要功能是實(shí)現(xiàn)對房子內(nèi)所有窗戶的自動控制，可自動打開或者關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)和防盜報警功能。

[關(guān)鍵詞]多傳感器；單片機(jī)；環(huán)境控制；智能控制窗戶控制系統(tǒng)

[DOI]1013939/jcnkizgsc201533060

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家居成為家庭信息化和社會信息化的重要組成部分。本人將介紹一款同時具備“雨天自動關(guān)窗”和“粉塵超標(biāo)自動關(guān)窗”，以及“天黑自動閉窗”和“從窗暴力進(jìn)入自動關(guān)窗”四項(xiàng)功能的智能型窗戶。功能簡單實(shí)用，成本低廉，具有廣闊的市場空間、可觀的市場價值和應(yīng)用前景。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

11總體設(shè)計思路

智能控制窗屬建筑領(lǐng)域的附件，它主要包括室外采集區(qū)，中央控制區(qū)和同步響應(yīng)區(qū)。主要由三大部分組成，分別是單片機(jī)核心控制電路及簡單外圍電路，PM25傳感器、濕敏傳感器、紅外傳感器組成的信息采集系統(tǒng)，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)。該智能控制窗由安置在室外的濕敏傳感器和PM25傳感器收集室外空氣的溫度濕度以及粉塵含量等各項(xiàng)數(shù)據(jù)，傳送給單片機(jī)中央處理單元進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，并向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令，進(jìn)而步進(jìn)電機(jī)帶動同步帶輪連接窗框，使窗戶發(fā)生位移，達(dá)到自動開合窗戶的目的。各種指令在液晶屏幕上顯示以便于識別。其基本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

12室外數(shù)據(jù)采集檢測模塊設(shè)計室外數(shù)據(jù)采集檢測模塊主要由GP2Y1010AUOF PM25傳感器、E18-D80NK紅外傳感器和DS18B20溫度傳感器構(gòu)成。這些傳感器應(yīng)用廣泛、價格低廉，擁有卓越的穩(wěn)定性和可靠性，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號輸出的功能。傳感器原理如圖2、圖3所示，傳感器中心有孔可以讓空氣自由流過，定向發(fā)射LED光，通過檢測經(jīng)過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。

圖2傳感器原理

圖3傳感器模數(shù)轉(zhuǎn)換

13中央控制模塊設(shè)計

該智能控制系統(tǒng)主控芯片采用SSTC公司生產(chǎn)的STC89，這是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。

STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。與傳統(tǒng)的51單片機(jī)相比較它具有較大的存儲器空間并且可以支持串口直接下載程序，免去了購買價格昂貴的專門編程器，開發(fā)成本很好控制。

該單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)還包括時鐘電路和復(fù)位電路，時鐘電路使得電路在唯一的時鐘信號下工作；復(fù)位電路使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)下，無論是在控制系統(tǒng)剛接上電源還是斷電或者故障重啟都要復(fù)位。

14電機(jī)同步驅(qū)動響應(yīng)模塊設(shè)計

采用42BYG250B兩相混合式步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械部分的驅(qū)動設(shè)備，步距角18°；靜力矩048～075N·m；機(jī)身長48～60mm；引線數(shù)：4；電流：12～25A。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移的開環(huán)控制元件。其中的脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生頻率變化的脈沖信號。脈沖分配器將脈沖信號轉(zhuǎn)換成有一定邏輯關(guān)系的環(huán)形脈沖。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)控制變得非常的簡單[1]。

15系統(tǒng)主程序設(shè)計流程

本系統(tǒng)軟件以Keil為編程軟件，以C語言為編程語言。系統(tǒng)設(shè)計流程如圖4所示。

圖4程序設(shè)計流程

16系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)各模塊設(shè)計結(jié)束后進(jìn)行系統(tǒng)功能測試，接通電源后顯示屏正常顯示室外溫度、濕度、PM25濃度。對自動識別室外環(huán)境指標(biāo)開關(guān)窗做出測試。各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)良好。與原有的手動開關(guān)窗方式相比，基于由室外檢測裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置、可使用戶的生活更加舒適便捷，通過數(shù)據(jù)顯示與PM25標(biāo)準(zhǔn)值比對的方法說明問題。既方便快捷，易于處理信息，又具有可視化的特點(diǎn)，生動形象。

2結(jié)論

本項(xiàng)目是一種機(jī)電一體化的智能窗戶控制系統(tǒng)，它采用了智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械傳動技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，主要功能是實(shí)現(xiàn)對房子內(nèi)所有窗戶的自動控制，可自動打開或者關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)。我們所研制的智能窗控制系統(tǒng)是利用了一套簡單的傳送裝置以及一實(shí)用電路來實(shí)現(xiàn)其功能的。其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單但很實(shí)用。因此其科學(xué)性是毋庸置疑的。機(jī)械結(jié)構(gòu)單一，電路簡單，故成本低廉，且能根據(jù)需求增加檢測的指標(biāo)，更改方便靈活。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛靜基于單片機(jī)的智能窗的設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014（12）.

[2]浦靈敏，季愛明基于STC89C52單片機(jī)智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國科技信息，2010（10）.

[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[J].電子設(shè)計工程，2011（2）.