基于STC89C52單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)研究

王 靜，馬 進(jìn)

（華北電力大學(xué) 仿真與控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

0 引言

隨著人們生活水平的提高以及消費(fèi)理念的改變，更潮流、更先進(jìn)、更方便、更環(huán)保的家庭生活已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)生活的主流。智能家居在我們的日常生活中的地位越來(lái)越高，智能窗也越發(fā)受到重視，這引發(fā)了世界各地科研人才的廣泛關(guān)注[1]。傳統(tǒng)門(mén)窗在防風(fēng)、防雨、防盜、感應(yīng)有毒氣體、凈化空氣等各方面不能滿(mǎn)足人們對(duì)舒適、環(huán)保、安全的家庭生活的需求，而智能窗的廣泛使用讓人們?cè)诩抑心軌虺浞窒硎艿叫腋Ｖ笖?shù)較高的生活，同時(shí)也讓家具以及其他家庭設(shè)施更具有人性化。

本文研究了智能窗控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊，嘗試結(jié)合節(jié)能環(huán)保的理念以增加新功能，盡力做到整個(gè)設(shè)計(jì)裝置簡(jiǎn)潔、高效、易于實(shí)現(xiàn)。

圖1 智能窗控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Smart window control system block diagram

1 智能窗控制系統(tǒng)流程分析

1.1 控制流程分析

首先步進(jìn)電機(jī)模塊開(kāi)始工作，此時(shí)使得窗戶(hù)先關(guān)閉。各數(shù)據(jù)傳感器將檢測(cè)到的相應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給STC89C52RC單片機(jī)[2]。傳感電路實(shí)時(shí)檢測(cè)各種數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較，再結(jié)合當(dāng)前窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，系統(tǒng)輸出脈沖信號(hào)用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針或者逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)滑輪組動(dòng)作，以此控制窗戶(hù)的開(kāi)啟與閉合。

1.2 控制原理分析

該智能窗控制系統(tǒng)利用機(jī)械傳動(dòng)裝置來(lái)控制窗戶(hù)的開(kāi)啟或者閉合，其機(jī)械裝置主要是由步進(jìn)電機(jī)來(lái)提供控制力，通過(guò)滑輪組和窗戶(hù)連接，使窗戶(hù)可以根據(jù)該控制系統(tǒng)的指令進(jìn)行開(kāi)啟或者閉合。電子自動(dòng)控制系統(tǒng)部分包含濕度溫度探測(cè)傳感器模塊、光敏電阻傳感器模塊、煙霧探測(cè)傳感器模塊、紅外檢測(cè)防盜模塊、換風(fēng)控制模塊[3]。各個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器把檢測(cè)到的各種信息反映到STC89C52RC單片機(jī)上，之后由STC89C52RC單片機(jī)根據(jù)反饋過(guò)來(lái)的信息來(lái)判斷外界環(huán)境的變化情況，然后根據(jù)自己對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)定的程序，嚴(yán)格地執(zhí)行操作命令，進(jìn)而控制機(jī)械傳動(dòng)裝置，讓窗戶(hù)精準(zhǔn)的開(kāi)啟或者閉合。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 探測(cè)技術(shù)分析

數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路[4,5]由四個(gè)部分組成，分別選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器；煙霧傳感器；紅外防盜探測(cè)頭；LY-C1光敏傳感器。

1）DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出，是一個(gè)溫濕度復(fù)合傳感器。它能夠提供產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性，因?yàn)樗鼞?yīng)用了兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)，即數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。STC89C52RC單片機(jī)與DHT11數(shù)字溫濕度傳感器之間的通訊同步，采用單總線(xiàn)數(shù)據(jù)格式，一次傳40位數(shù)據(jù)，高位先出。將溫濕度傳感器安裝在窗戶(hù)的外部，可以在天氣濕度超過(guò)70%的時(shí)候，即下雨的時(shí)候，系統(tǒng)可以及時(shí)有效地檢測(cè)到其變化進(jìn)而控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)或者閉合。

2）煙霧傳感器，安裝在室內(nèi)即安裝在窗戶(hù)的內(nèi)部，當(dāng)有毒氣體或者煙霧的濃度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的時(shí)候，煙霧傳感器會(huì)及時(shí)檢測(cè)到，并且使步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)滑輪組執(zhí)行命令使窗戶(hù)打開(kāi)。于此同時(shí)，換風(fēng)系統(tǒng)和蜂鳴器都開(kāi)啟進(jìn)行工作。

3）紅外檢測(cè)防盜部分中設(shè)計(jì)了激光防盜電路，其中探測(cè)器由兩部分組成，包括：發(fā)射頭、接收頭。探測(cè)原理：發(fā)射頭用來(lái)發(fā)射紅外線(xiàn)，接收頭用來(lái)接收紅外線(xiàn)，探測(cè)器導(dǎo)通時(shí)不發(fā)生動(dòng)作。如果有人出現(xiàn)擋住了紅外線(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器接收頭接收不到由發(fā)射頭發(fā)射的紅外線(xiàn)，這種情況會(huì)使探測(cè)器斷開(kāi)進(jìn)而輸出低電平信號(hào)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩組紅外探測(cè)器，兩個(gè)接收頭的輸出端分別連接了STC89C52RC單片機(jī)的P3.3口和P3.4口。將紅外防盜探測(cè)頭同煙霧檢測(cè)器一樣安裝在室內(nèi)即安裝在窗戶(hù)的內(nèi)部，當(dāng)有不法分子企圖從窗戶(hù)進(jìn)入屋內(nèi)盜竊時(shí)，會(huì)快速檢測(cè)到并且及時(shí)報(bào)警，此時(shí)窗戶(hù)也會(huì)執(zhí)行緊急閉合操作。

4）LY-C1光敏傳感器，利用光敏電阻的檢測(cè)原則，可以精確地檢測(cè)到周?chē)h(huán)境的光照亮度。當(dāng)周?chē)h(huán)境的亮度沒(méi)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，D0端口則會(huì)輸出高電平；當(dāng)周?chē)h(huán)境的亮度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，D0口則輸出低電平。根據(jù)這一原理，可以利用光敏電阻監(jiān)測(cè)周?chē)h(huán)境亮度的變化，進(jìn)而判斷是白天還是晚上，其中天變暗時(shí)，信號(hào)端則會(huì)輸出高電平。該系統(tǒng)將LY-C1傳感器的D0端口連接到單片機(jī)的P3.6口，以便STC89C52RC單片機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)D0端口的變化，協(xié)調(diào)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制窗戶(hù)的開(kāi)啟或關(guān)閉。

2.2 控制及輸出技術(shù)分析

該系統(tǒng)采用紅外技術(shù)進(jìn)行控制，紅外遙控系統(tǒng)可以分成兩部分：發(fā)射和接收。它的發(fā)射部分是使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的并且經(jīng)過(guò)調(diào)制的紅外光波；紅外接收則是由紅外接收二極管、三極管或硅光電池組合而成的，紅外接收電路可以將紅外發(fā)射器發(fā)射的紅外光轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，再送后置放大器。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為使系統(tǒng)不受電壓、電流、溫度等因素的影響，采用兩組ULN2003模塊和24YBJ模塊相結(jié)合的步進(jìn)電機(jī)。其穩(wěn)定性和控制性能非常好，并且運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的誤差不會(huì)長(zhǎng)期累加。

系統(tǒng)采用LCD1602液晶顯示屏，顯示室外的亮度、室內(nèi)外溫度、室外的濕度以及系統(tǒng)時(shí)間等。蜂鳴器是一種把提醒人的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成人耳能夠識(shí)別的聲音信號(hào)的轉(zhuǎn)換裝置，該系統(tǒng)將蜂鳴器的正極接入高電平，負(fù)極接到STC89C52RC單片機(jī)P3.1端口，已到達(dá)信號(hào)提醒的功能。

3 智能窗的應(yīng)用與分析

圖2 實(shí)體安裝設(shè)計(jì)圖Fig.2 Physical installation design diagram

本次設(shè)計(jì)的智能窗戶(hù)控制系統(tǒng)分為兩大部分，包括：電子自動(dòng)控制部分、機(jī)械傳動(dòng)部分。電子控制部分使用STC89C52單片機(jī)，結(jié)合多種數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)控制窗戶(hù)周?chē)h(huán)境；機(jī)械傳動(dòng)部分則利用步進(jìn)電機(jī)安裝在窗戶(hù)上，這樣則不需要對(duì)原有窗戶(hù)進(jìn)行大的改動(dòng)，只需要將智能窗戶(hù)裝置安裝到窗戶(hù)上即可，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)的開(kāi)啟或者閉合。實(shí)體安裝設(shè)計(jì)如圖2所示。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如下功能：1）顯示檢測(cè)到的室外溫濕度、室內(nèi)的煙霧濃度值、室外的亮度值以及系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的時(shí)間；2）可以設(shè)定出溫濕度、亮度、煙霧濃度的最大值和最小值，進(jìn)而控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)；3）系統(tǒng)有按鍵，可以手動(dòng)控制窗戶(hù)的開(kāi)啟和閉合；4）可以設(shè)定窗戶(hù)開(kāi)啟或者閉合的時(shí)間；5）利用紅外線(xiàn)傳感器，監(jiān)測(cè)不法分子是否企圖潛入，確認(rèn)之后則利用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，有防盜作用。

4 結(jié)論

本文研究了基于STC89C52單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)。將STC89C52單片機(jī)與各數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感器相結(jié)合，實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度、濕度、光照、煙霧濃度等各種數(shù)據(jù)，進(jìn)而來(lái)控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)增加了防火災(zāi)以及防盜功能，提高了建筑的安全性，并且系統(tǒng)較好地將各技術(shù)模塊組合在一起，形成了一個(gè)性能穩(wěn)定且功能優(yōu)良的系統(tǒng)。