基于單片機的智能全開窗設(shè)計

王樹杰 羅劍英

（東莞理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，東莞 523000）

現(xiàn)今，科技發(fā)展日新月異。以人工智能、微電子半導(dǎo)體技術(shù)、航天、生物、新能源等為代表的一大批現(xiàn)代高新技術(shù)蓬勃發(fā)展?？萍嫉陌l(fā)展給人們帶來了巨大的便利，但窗戶在這個變革的時代中沒有發(fā)生根本性進步。如果有一種多功能的智能窗，用技術(shù)的手段進行設(shè)計，便能夠使傳統(tǒng)的智能窗實現(xiàn)遠程開關(guān)窗、火災(zāi)主動開窗、雨天關(guān)窗等智能化功能。此外，該窗戶具有結(jié)構(gòu)簡單、適用性強、功能完善等特點，十分符合現(xiàn)代智能家居的要求，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)功能介紹

本多功能智能窗可實現(xiàn)七大功能。

1.1 監(jiān)控危險情況

窗戶系統(tǒng)會24h監(jiān)控室內(nèi)各種氣體含量，當可燃氣體或某種特定的氣體濃度達到了預(yù)先設(shè)計的值時，窗戶將會自動打開，與室外進行通風。如果氣體濃度回歸到正常水平，窗戶則會自動關(guān)閉。

1.2 雨天關(guān)窗

當窗戶打開時，窗戶系統(tǒng)將會啟動對于天氣下雨情況的監(jiān)控。一旦雨量達到一定的值而會影響室內(nèi)時，窗戶將自動關(guān)閉。

1.3 遠程遙控

窗戶系統(tǒng)內(nèi)置有藍牙通信模塊，只要通過遙控器，遠程便可以實現(xiàn)對于窗戶的控制。此外，還可對窗戶進行語音控制，只要說出特定語音語句，窗戶識別后便可實現(xiàn)開/關(guān)功能。

1.4 調(diào)節(jié)溫度

窗戶系統(tǒng)監(jiān)控室內(nèi)溫度情況，當溫度過高時，窗戶將自動打開，當溫度回歸到正常水平則關(guān)閉。

1.5 自動上鎖

窗戶內(nèi)置有電磁鎖結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自動上鎖功能。

1.6 機械式與電子式操作切換

為了防止停電窗戶無法工作的情況，只需按一個按鈕，窗戶便可切換為手動操作的模式。

1.7 窗戶具有防盜功能

開啟后，若有人從窗戶進入，窗戶便能監(jiān)控到并立刻發(fā)出報警聲音。

2 系統(tǒng)機械設(shè)計

2.1 全開窗結(jié)構(gòu)

本智能窗改變了過去傳統(tǒng)窗戶的開關(guān)方式，采用了“全開窗”結(jié)構(gòu)，使得空間得到最大化利用。經(jīng)計算，本結(jié)構(gòu)打開率高達94.5%（常規(guī)推拉窗打開空間最高只有45%）。窗戶外框架采用了鋁合金結(jié)構(gòu)，其分格的靈活性比較大，可以將其做出多種立面效果，人們可以把此類窗戶改裝運用到多種場合。窗戶整體機械框架如圖1所示。

圖1 窗戶整體機械框架

2.2 內(nèi)部機械驅(qū)動

多功能智能家居全開窗裝有各類高靈敏度傳感器，如煙霧傳感器、雨滴傳感器等，在此基礎(chǔ)上便可實現(xiàn)感知外部環(huán)境的變化，然后通過電路，使得電機開始工作。電機工作后，帶動窗戶內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)相互運行，從而實現(xiàn)了雨天自動關(guān)窗、陽光充足時自動開窗等一系列功能。利用大扭矩電動機輪組帶動同步帶，同步帶上安裝一個固定夾，固定夾子與底下的窗戶底座相連接，即可實現(xiàn)窗戶的左右平移滑動。與此同時，利用窗運動的慣性和電磁鐵通斷電實現(xiàn)自動上鎖。

而在窗戶的開關(guān)運行過程中，會遇到“死點”的問題。當窗戶關(guān)閉后，兩窗扇處在同一直線，這時就出現(xiàn)了機構(gòu)的死點問題。如果在該情況下給電機通電，無論多大扭矩都無法使窗戶打開，最后只會令電機燒壞。針對此類情況，人們在兩扇窗中間加上了兩根彈簧進行“儲能”，以確保窗戶在關(guān)閉之后仍保持有一定的動力。當窗戶一打開，就能夠使得其不在同一直線上，形成一個較小的角度，從而順利開關(guān)窗戶。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

系統(tǒng)基于STC89C52單片機進行控制，作為系統(tǒng)控制器，其具有功耗低、體積小、存儲容量大、硬件功能容易實現(xiàn)的特點[1]。系統(tǒng)整體電路如圖2所示。

圖2 整體電路

3.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

智能窗是通過步進電機與STC89C52芯片、運算放大器、邏輯門芯片和各種敏感電阻和遙控器組成各種外部環(huán)境變化感應(yīng)控制電路，實現(xiàn)步進電機的智能開和關(guān)，從而簡單地實現(xiàn)窗的自動化。

圖3 驅(qū)動整體電路

3.3 溫濕度檢測模塊設(shè)計

本智能窗以單片機為核心，采用溫濕度傳感器DHT11設(shè)計一個對環(huán)境溫度、濕度的檢測系統(tǒng)。DHT11是一款已經(jīng)校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字信號模塊采集技術(shù)和先進的溫度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于實驗室、工業(yè)、環(huán)保、衛(wèi)生防疫、倉儲運輸、溫室等領(lǐng)域[2]。

溫度測量范圍：0～50℃；濕度測量范圍：20%～90%RH。DHT11有一根數(shù)據(jù)線、一根電源線、一根地線，還有一根（NC）懸空。直接將電源線與單片機的電源VCC相連，地線與單片機的GND相連。數(shù)據(jù)線DATA與單片機的P1.0口相連，外加一個5kΩ的上拉電阻。所需要的溫濕度數(shù)據(jù)便是由DATA引腳通過P1.0送入單片機，在單片機內(nèi)做出相應(yīng)的處理之后得到相應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)，如圖4所示。

采用該傳感器后，室內(nèi)溫度過高時，智能窗戶自動開啟，以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。讓室內(nèi)環(huán)境舒服自在。

3.4 雨滴傳感模塊設(shè)計

雨滴傳感器過去常被運用到汽車中，以控制雨刮的速度。雨滴傳感器用于檢測是否下雨或者雨滴量的大小[3]。

雨滴傳感器可在程序設(shè)計的規(guī)定工作條件下進行工作。筆者創(chuàng)新性地把CCD攝像頭雨滴傳感器運用到此智能窗中，使得系統(tǒng)能夠檢測到下雨天氣，以達到下雨天關(guān)窗的功能。傳感器安裝于窗戶三角突出的位置，在剛下雨時就能接受到雨滴。當傳感器接收到雨滴后，發(fā)出信號接通控制器，通過控制器使執(zhí)行機構(gòu)動作而關(guān)好門窗，其原理如圖5所示。

圖4 溫度檢測模塊電路

圖5 雨滴傳感模塊電路

3.5 煙霧傳感模塊設(shè)計

窗上裝有煤煙傳感器，當檢測到室內(nèi)一定濃度煤氣對人體造成危險時，警報聲響起，同時向電路傳輸信號，實現(xiàn)自動開窗。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號，通過A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機，進而由單片機完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報警控制等工作[4]。此感應(yīng)器靈敏度高，當測試到有氣體濃度異常時，窗戶將關(guān)閉，待煙霧回歸到正常范圍才會重新開啟。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

該智能窗控制系統(tǒng)的控制單元選用了STC89C52單片機，這是ATMEL公司的一款低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8kΩ系統(tǒng)可編程Flash存儲器[5]。系統(tǒng)以Keil作為編程軟件，以C語言為編程語言。

通過各個傳感器對外界和室內(nèi)環(huán)境條件進行檢測，由單片機判斷采取相應(yīng)的開關(guān)窗動作。接通電源后，各個傳感器各自初始化，開始檢測環(huán)境的各種參數(shù)，當數(shù)值達到所設(shè)定值后，便開始動作。程序中設(shè)置了手動開關(guān)窗是最高優(yōu)先級，所有窗戶的自動操作都可被手動主動停止，這充分體現(xiàn)了人性化設(shè)計，人的意愿是最優(yōu)先考慮的。第二優(yōu)先級為防燃氣泄漏，當檢測到燃氣泄露時，電機正轉(zhuǎn)開窗并語音報警及時通風換氣。其后根據(jù)更傳感器的重要性，依次進行優(yōu)先級排序。

5 結(jié)語

本智能窗結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙，集合了溫度、濕度、煙霧等多種傳感器。機、電高度融合，可靠性高、穩(wěn)定性強。其集成后的智能化程度十分高，人性化理念強。而其制造、安裝簡易，可適用范圍廣，其適合引進到高檔住宅、酒店、學(xué)校等場景，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。