基于AT89S52單片機的智能窗戶的設(shè)計

倪青青 周源源

(蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215325)

0 引言

生活質(zhì)量的提高促成了智能家居技術(shù)的誕生與發(fā)展，作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)——智能窗戶應(yīng)運而生，智能窗戶一般指安裝了先進的防盜、防劫、報警系統(tǒng)技術(shù)的窗戶，其控制系統(tǒng)由智能主控器、窗戶控制器、窗戶驅(qū)動器等組成，智能窗戶系統(tǒng)集現(xiàn)代聲、光、機、電、通訊為一體，綜合利用傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)和自動控制技術(shù)等，實現(xiàn)了窗戶各種信息的采集、傳輸、處理和控制，可以實現(xiàn)自動防風(fēng)防雨、防盜、自動監(jiān)控燃氣、聲控、光控、防嬰兒墜樓、濕度控制等功能，是智能居家的理想選擇。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 硬件電路的概述

智能窗戶屬建筑領(lǐng)域的附件,該設(shè)計包括智能控制系統(tǒng)和窗戶開關(guān)裝置以及報警系統(tǒng)。該智能窗戶實現(xiàn)主要功能是當室內(nèi)燃氣泄露等有毒物質(zhì)超標時,能夠控制窗戶自動打開,讓空氣形成對流,當室外環(huán)境不允許開窗時(比如風(fēng)雨和沙塵等天氣)由風(fēng)光雨傳感器傳輸信號到主控系統(tǒng),使其發(fā)出指令關(guān)閉窗戶。如果狀況仍未緩解,則啟動警報裝置。

整個系統(tǒng)由主控芯片、各種傳感器、報警器終端,以及機械傳動裝置組成,控制芯片和傳感器等直接固定在窗戶上,而報警終端則可固定在室內(nèi)墻壁或容易引起主人警覺的地方。它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 智能窗戶原理框圖

圖1中，電源是輸入220V的交流電通過變壓器以及整流濾波的調(diào)整得到直流電壓5V，供給后續(xù)電路使用；AT89S52單片機是這個設(shè)計的核心，他相當于人的心臟，用來接受與發(fā)射命令，且控制最后的動作；電機采用的是直流小電機，通過皮帶來帶動窗戶左右運動，利用光電開關(guān)來檢測窗戶到位從而讓電機停止；按鍵用來測試電機的動作是否正常，以及用來強制控制窗戶的正常開關(guān)；傳感器用于采集數(shù)據(jù)，比如風(fēng)力傳感器，當檢測到有風(fēng)，且風(fēng)力級別在我設(shè)計的3級以上的時候，窗戶能自動關(guān)閉。

1.2 各類檢測模塊的設(shè)計

供電部分的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，本次供電部分的設(shè)計初步選定三端固定式穩(wěn)壓器實現(xiàn)+5V和±12V這三路直流穩(wěn)壓電源。其中AT89S52和LCD12864等電子元件所需電壓為+5V；而集成運放LM358所需電壓為±12V。

煙霧檢測模塊主要實現(xiàn)對空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測，并判斷空氣質(zhì)量是否超標。在該電路中主要用氣敏傳感器實現(xiàn)“氣-電”轉(zhuǎn)換,后級電路由LM358運放來實現(xiàn)一個門限的控制，設(shè)置了一個基準。

聲音檢測模塊主要實現(xiàn)室外噪音影響你的工作或休息時，智能窗可根據(jù)你設(shè)定的室外噪音分貝自動關(guān)窗。此模塊主要由麥克風(fēng)和音頻振蕩器組成，通過音頻振蕩電路和兩個施密特整形電路實現(xiàn)聲信號到電信號的轉(zhuǎn)換，最后整得到“0”，“1”的輸出信號給單片機。

震動檢測模塊電路是由震動傳感器以及LM358構(gòu)成的一個簡單的電壓比較電路。

紅外防盜檢測模塊主要由基于紅外線技術(shù)的人體靠近傳感器組成，當有人進入開關(guān)感應(yīng)范圍時,傳感器探測到人體紅外光譜的變化,光照檢測模塊是利用光敏電阻接收光后，阻值會發(fā)生變化的特性來實現(xiàn)的。

溫濕度控制模塊是由濕敏電阻和DS18B20溫度傳感器來實現(xiàn)溫濕度的實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)上傳。

兒童安全檢測模塊是為防止兒童墜樓事件發(fā)生而設(shè)計的保護電路，此電路是利用紅外對射管來實現(xiàn)的，在窗戶四周每隔20厘米裝一對對射管，因為每個階段孩子的身高是不一樣的，利用這點，通過對射管對射的個數(shù)來控制窗戶的打開或關(guān)閉。

風(fēng)力檢測模塊是利用二極管1S2076A的溫度特性（1S2076A在溫度相同時，二極管正向電流越大，則其正向壓降越高；在正向電流相同時，溫度越低，則其正向壓降越高）檢測風(fēng)的變化。系統(tǒng)提供對二極管加熱的熱源（兩個1K電阻），無風(fēng)時，在熱源的作用下，二極管溫度較高；有風(fēng)時，風(fēng)將熱量散發(fā)出去，使二極管溫度降低，這樣會使二極管正向壓降升高，從而將風(fēng)信號轉(zhuǎn)換為電信號，為系統(tǒng)所感知。

雨水檢測模塊主要是利用了測雨板上裸露的兩排指叉狀金屬導(dǎo)線間，干燥時，電阻很大，導(dǎo)電性能極差；在被雨滴打濕的時候，會有一定的導(dǎo)通電阻，可以傳遞一定的電信號，從使系統(tǒng)感知到下雨。

障礙檢測模塊是為了防止窗戶在動作時突然有手伸出，而夾到手的一個保護電路主要利用對射管來實現(xiàn)此功能。

蜂鳴器報警模塊主要是有煙霧報警和防盜報警的功能，當煙霧達到一定濃度時，不僅窗戶會打開，并且蜂鳴器報警；當有小偷的時候，防盜模塊動作之后，帶動蜂鳴器報警。報警音只有當險情解除后才會停止。

此外，還有一個到位停止閉鎖電路，使得窗戶在開關(guān)到位后窗戶能停下來，從而保護電機。

1.3 單片機與液晶顯示模塊

單片機是整個系統(tǒng)的控制核心，如圖2所示。S1開關(guān)其作用是手動控制智能窗戶的開與關(guān)，當單片機檢測到窗戶處于關(guān)的狀態(tài)（P1.5為1）時，按下按鈕可以使智能窗戶關(guān)閉；當單片機檢測到窗戶未處于關(guān)的狀態(tài)（P1.5為0）時，按下按鈕可以使智能窗戶打開。

S2為緊急停止按鈕，當遇到突發(fā)狀況時，可以及時切斷控制電機的動作。

LCD12864是一款128*64像素的點陣液晶模塊，該點陣的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域。在本智能窗戶的系統(tǒng)中主要顯示當前的年月日與時間，溫度傳感器所檢測到的溫度值，濕度值和四季情況。

圖2 主控模塊與液晶顯示模塊

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

圖3 程序流程圖

智能窗戶的設(shè)計既要滿足設(shè)定的功能（完成如計算等）的程序，也要有對傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析的程序。其中，傳感器采集程序的主要作用是實時的響應(yīng)來自外界環(huán)境的各種信息，按信息的類別，優(yōu)先級進行處理。但是，在接收傳感器的采集的環(huán)境數(shù)據(jù)后，本身窗戶是不會動作的，為此我們必須設(shè)計一套控制窗戶動作的電機驅(qū)動程序，此程序是結(jié)合電機驅(qū)動模塊而編寫的。此外，作為本系統(tǒng)中唯一的顯示模塊液晶屏，我們還利用程序編寫使屏上顯示出時間，溫度，濕度和季節(jié)。

3 結(jié)論

隨著集成電路和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的家居逐步被智能家居所取代。智能家居的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，從而加快了智能家居的發(fā)展。而傳感器作為測控系統(tǒng)中對象信息的入口，越來越受到人們的關(guān)注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，其精密度將直接影響環(huán)境數(shù)據(jù)采集的精確度，其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，應(yīng)選取合適的運算放大電路對傳感器輸出的信號進行放大。最好是預(yù)先計算好應(yīng)放大的倍數(shù)，以便選取。還有就是進行數(shù)據(jù)處理時，選取適當?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使輸出滿足量程要求。

本次系統(tǒng)就是在上述基礎(chǔ)上設(shè)計而成的。因此，只有充分了解有關(guān)智能家居、單片機、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能完成整個設(shè)計。

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