多傳感器融合技術(shù)的智能窗居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖建寧 袁粼 唐浩權(quán) 馬雪亭

摘要：以STC89C51單片機(jī)為主導(dǎo)的控制芯片，實(shí)現(xiàn)一種多傳感器融合技術(shù)的智能窗居系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過溫度傳感器、灰塵傳感器等模塊檢測(cè)模塊，對(duì)室內(nèi)、外環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行自動(dòng)的開、關(guān)窗戶，實(shí)現(xiàn)防塵、通風(fēng)、防曬等多個(gè)功能。該設(shè)計(jì)采用多傳感器技術(shù)融合技術(shù)，具有一定的機(jī)電一體結(jié)構(gòu)，使其整體結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，成本低、使用便捷、維修方便等特點(diǎn)。利用太陽能進(jìn)行供電裝置，無需再提供電力，使得該系統(tǒng)具有一定的環(huán)保、節(jié)能性能。

關(guān)鍵詞：防塵;灰塵傳感器;溫度傳感器;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）04-0165-02

0 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提升，智能化的窗居系統(tǒng)逐漸融入人們的日常生活。窗戶是現(xiàn)在智能化安全防范的重要組成，智能化的控制系統(tǒng)，是一種具有智能化、現(xiàn)代化、人性化的現(xiàn)代高科技產(chǎn)品。現(xiàn)如今，人們工作繁忙、早出晚歸，常常忘記關(guān)窗。當(dāng)遇到惡劣天氣時(shí)，可能會(huì)造成不必要的財(cái)產(chǎn)損失?，F(xiàn)如今的傳統(tǒng)手關(guān)窗已經(jīng)已不能滿足人們種追求高水平生活的要求。因此，就急需一種智能的、并能夠在惡劣天氣情況下自動(dòng)關(guān)閉或者開啟的智能窗戶。

根據(jù)實(shí)際的發(fā)展情況來說，在未來智能化的窗居系統(tǒng)，可以為住戶提供一個(gè)舒適、安全、智能的生活環(huán)境。依據(jù)南疆特殊地理因素所作的智能化窗居系統(tǒng)還存著一些可以優(yōu)化的問題，在風(fēng)沙、溫度、光強(qiáng)等諸多環(huán)境因素的影響下，窗居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不光要滿足簡(jiǎn)潔、高效、易實(shí)現(xiàn)，還要突出節(jié)約環(huán)保的理念。本設(shè)計(jì)通過傳感器檢測(cè)電路不斷檢測(cè)室內(nèi)外的變化來控制窗戶的開或關(guān)。利用灰塵傳感器判斷室外的灰塵情況，若室外灰塵達(dá)到設(shè)定值，自動(dòng)關(guān)閉窗戶，防止灰塵進(jìn)入室內(nèi)。根據(jù)情況天氣情況，判斷其室內(nèi)外溫度、室外光強(qiáng)的狀況，若溫度、光強(qiáng)達(dá)到設(shè)定值，自動(dòng)進(jìn)行窗戶開與關(guān)。集多傳感器融合技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的智能窗居控制系統(tǒng)。

1 智能窗居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)控制框圖如圖1所示，本系統(tǒng)采用單片機(jī)STC89C51控制，通過溫度傳感器、光線傳感器、灰塵傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，將信息傳給STC89C51進(jìn)行處理，STC89C51再控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)窗戶的開與關(guān)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)芯片方案選擇

選擇STC公司的STC89C51單片機(jī)芯片，STC89C51芯片是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可以使用C語言編寫的程序，具有8K系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。它通過光敏傳感器、溫度傳感器、沙塵傳感器發(fā)給單片機(jī)的指令，單片機(jī)控制窗戶的電機(jī)，來控制窗戶的閉合。其中的電力系統(tǒng)由太陽能電池板來供電。

2.2 光敏傳感器

（在一定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)）當(dāng)光照強(qiáng)度過高時(shí)光線照過傳感器時(shí)電阻會(huì)變小，電流會(huì)變大，單片機(jī)通過電流的變化，進(jìn)而來控制系統(tǒng)窗簾的閉合。當(dāng)光照減弱后，光線照過傳感器時(shí)電阻變大，通過的電流變小。單片機(jī)就會(huì)控制系統(tǒng)讓窗簾拉開。

2.3 溫度傳感器

（在一定的溫度變化范圍內(nèi)）當(dāng)室內(nèi)溫度升高后，熱電阻的阻值便會(huì)增加，通過的電流便會(huì)減小，單片機(jī)控制居家系統(tǒng)打開窗戶進(jìn)行通風(fēng)降溫。當(dāng)室內(nèi)溫度降低后，熱電阻的阻值便會(huì)減小，通過的電流便會(huì)增大，單片機(jī)控制居家系統(tǒng)關(guān)閉窗戶進(jìn)行“保溫”。

2.4 沙（灰）塵傳感器

此為一種灰塵傳感器，其包括：風(fēng)扇和感應(yīng)器本體。它可以同時(shí)獲得室內(nèi)和室外的空氣相關(guān)數(shù)據(jù)，采用同一個(gè)發(fā)光管發(fā)出光線，通過光學(xué)透鏡組分別射入室內(nèi)通道和室外通道，可保證相對(duì)數(shù)據(jù)的精確。風(fēng)扇的設(shè)置使得傳感器內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，進(jìn)而促使外部空氣進(jìn)入傳感器內(nèi)部。（在一定的沙塵變化范圍內(nèi)）沙塵在光的照射下會(huì)產(chǎn)生光的散射現(xiàn)象，在此同時(shí)，還會(huì)吸收部分光的能量。這樣光強(qiáng)在這些的影響下會(huì)被衰減，如此便可檢測(cè)濃度場(chǎng)的相對(duì)衰減率，而相對(duì)衰減率便能反應(yīng)待測(cè)場(chǎng)的相對(duì)濃度。光強(qiáng)大小和經(jīng)光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)強(qiáng)弱成正比，通過測(cè)得電信號(hào)就可得到相應(yīng)的衰減率。便可通過電流的形式給單片機(jī)傳遞信息，控制居家系統(tǒng)控制窗戶的開關(guān)。

2.5 步進(jìn)電機(jī)與行程開關(guān)

步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，它將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移，給一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定，很適合單片機(jī)控制。

行程開關(guān)是一種小行的電流主令電器;若運(yùn)動(dòng)物體觸碰到它時(shí)，觸頭動(dòng)作進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接通和分?jǐn)嗫刂齐娐罚_(dá)到控制的效果。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€位移或者角位移的控制元件。通過這兩個(gè)硬件結(jié)合，當(dāng)窗戶碰到行程開關(guān)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)自動(dòng)的停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)主控程序

運(yùn)用Keil軟件編寫傳感器控制程序以及步進(jìn)電機(jī)控制程序。接通電源的時(shí)候，傳感器就會(huì)進(jìn)行初始化，STC89C51接收傳感器檢測(cè)到的信號(hào)，進(jìn)而步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)晶振為12MHz，工作電壓為5V，如圖2所示。

3.2 傳感器和STC89C51的連接

當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到高溫，D0口輸出低電平， 從端口P2.3輸入STC89C51，低溫輸入高電平， 仿真時(shí)用按鍵開關(guān)代替溫度傳感器;光敏傳感器，其D0口與STC89C51的P2.4端口相連， 將光敏傳感器檢測(cè)到的信號(hào)傳給單片機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制;灰塵傳感器的TXD口接單片機(jī)的RXD端口。

3.3 步進(jìn)電機(jī)與STC89C51的連接

由于單片I/O口不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)需要外接驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器端口連接STC89C51的P1.2～P1.7端口，步進(jìn)電機(jī)采用4相混合式。

3.4 實(shí)現(xiàn)過程

根據(jù)傳感器控制流程圖，可知：當(dāng)外界環(huán)境都是高溫天氣的時(shí)候，溫度傳感器將檢測(cè)出來，自動(dòng)將窗戶打開;當(dāng)外界環(huán)境是出于浮沉天氣，煙塵傳感器通過測(cè)試空氣中的沙塵的濃度，進(jìn)行判定，若浮沉大于設(shè)定值將進(jìn)行關(guān)窗狀;當(dāng)外界環(huán)境出于高溫和沙塵天氣，將會(huì)優(yōu)先考慮沙塵傳感器，先執(zhí)行沙塵傳感器傳輸?shù)男盘?hào)，進(jìn)行關(guān)窗狀態(tài)。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于STC89C51單片機(jī)的多傳感器融合技術(shù)的智能窗居控制系統(tǒng)， 通過溫度傳感器、灰塵傳感器、光敏傳感器的輸出信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開、關(guān)窗。解決生活中無人在家時(shí)強(qiáng)光強(qiáng)溫來襲或灰塵來襲無法關(guān)窗的困擾。該系統(tǒng)還采用太陽能電池板，能夠?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行提供電源，此系統(tǒng)比較穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)， 普遍適合廣大家庭、醫(yī)院和倉(cāng)庫(kù)的使用。因此，多傳感器融合技術(shù)的智能窗居控制系統(tǒng)，將在未來的使用前景會(huì)非常大，具有不可估量的潛力。

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