基于微控制器的智能窗戶設(shè)計(jì)

彭甫森，劉江鵬，翁龍海，韋霄翔

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇南京，210000）

0 引言

使用市面上的傳統(tǒng)窗戶時(shí)，每次外出都需檢查窗戶是否上鎖，預(yù)防小偷入室盜竊；每次刮風(fēng)下雨都會(huì)思慮家里的窗戶是否關(guān)閉，擔(dān)心雨滴飄進(jìn)室內(nèi)，這些都給生活增添了負(fù)擔(dān)。身處快節(jié)奏生活的人們急切需要一種智能型的自動(dòng)開關(guān)窗系統(tǒng)，在刮風(fēng)下雨時(shí)能夠智能的關(guān)閉窗戶，在盜賊入侵時(shí)能夠智能的通知戶主，在有害氣體泄漏時(shí)能夠自動(dòng)開窗。這種智能化窗戶能夠減輕家庭生活的負(fù)擔(dān)，給人們帶來更大的便利和安全。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)利用微控制器以及相關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)窗戶的自動(dòng)開關(guān)。微控制器會(huì)處理來自傳感器的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，相較于傳統(tǒng)的窗戶更加智能，符合社會(huì)發(fā)展需求。考慮成本以及設(shè)計(jì)難度，我們選擇STC89C52RC為微控制器，系統(tǒng)由雨滴傳感器模塊、聲音傳感器模塊、煙霧傳感器模塊、紅外傳感器模塊、電機(jī)模塊、限位開關(guān)、短信模塊組成，設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案框圖

智能窗戶系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為自動(dòng)和手動(dòng)，由按鍵切換。在手動(dòng)模式下，微控制器不處理來自雨滴傳感器、聲音傳感器和煙霧傳感器的信號(hào)，窗戶的開關(guān)由按鍵控制。在自動(dòng)模式下，微控制器首先會(huì)判斷當(dāng)前窗戶的狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)，處理不同的傳感器信號(hào)。當(dāng)開窗狀態(tài)下，微控制器不處理來自煙霧傳感器的信號(hào)，當(dāng)關(guān)窗狀態(tài)下，微控制器不處理雨滴和聲音傳感器的信號(hào)。窗戶的開關(guān)是由限位開關(guān)的狀態(tài)來確定[3]。窗戶關(guān)閉時(shí)，限位開關(guān)被觸發(fā)，給微控制器一個(gè)信號(hào)，否則沒有信號(hào)，微控制器根據(jù)信號(hào)的有無判定窗戶的開關(guān)狀態(tài)。

在自動(dòng)關(guān)窗時(shí)，當(dāng)窗戶上的紅外傳感器檢測(cè)到關(guān)窗途中有阻礙時(shí)，將會(huì)發(fā)送信號(hào)給微控制器，微控制器會(huì)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了保證財(cái)產(chǎn)生命安全，當(dāng)窗外的紅外模塊檢測(cè)到窗前有人停留時(shí)，微控制器則會(huì)控制短信模塊發(fā)短信給戶主。

2 硬件部分設(shè)計(jì)

2.1 微控制器

整個(gè)系統(tǒng)的微控制器是STC89C52，它是宏晶科技推出的一款低功耗、低成本、高效率的微控制器。在設(shè)計(jì)上與MCS-51系列的單片機(jī)完全兼容，學(xué)習(xí)成本低。STC89C52的程序具有電可擦寫特性，在開發(fā)時(shí)能夠反復(fù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，幫助我們完善程序。

2.2 雨滴檢測(cè)模塊

雨滴檢查模塊我們選用了電容式雨量傳感器，它可用于根據(jù)電容值的大小來檢測(cè)是否下雨及雨量的大小，然后通過LM393比較器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)輸出。在開窗狀態(tài)下，微控制器會(huì)處理來自雨滴傳感器的信號(hào)，控制電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)智能關(guān)窗。

2.3 聲音檢測(cè)模塊

聲音傳感器內(nèi)置一個(gè)對(duì)聲音敏感的電容式駐極體話筒，聲波使話筒內(nèi)的駐極體薄膜振動(dòng)，導(dǎo)致電容的變化，而產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)變化的微小電壓[1]。然后通過電壓比較器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，傳送給微控制器,在開窗狀態(tài)下，微控制器會(huì)處理此信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)智能關(guān)窗。

2.4 煙霧檢測(cè)模塊

煙霧檢測(cè)模塊我們采用了MQ-2煙霧傳感器，這種傳感器能夠檢測(cè)多種有害氣體，靈敏度高、穩(wěn)定性好，而且價(jià)格便宜。我們給它的信號(hào)預(yù)處理使用的是比較器電路，可以輸出數(shù)字信號(hào)，方便微控制器處理。在關(guān)窗狀態(tài)下，如果室內(nèi)有害氣體泄漏，觸發(fā)MQ-2煙霧傳感器，它會(huì)發(fā)送數(shù)字信號(hào)給微控制器。微控制器收到信號(hào)后，控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)智能開窗。

2.5 紅外檢測(cè)模塊

紅外傳感器是用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測(cè)量的傳感器，有靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[2]。當(dāng)窗外的紅外模塊檢測(cè)到窗前有人停留時(shí)，將會(huì)發(fā)送信號(hào)給微控制器。微控制器則會(huì)控制短信模塊發(fā)短信給戶主，以保證財(cái)產(chǎn)生命安全。

在自動(dòng)關(guān)窗時(shí)，當(dāng)窗戶上的紅外傳感器檢測(cè)到關(guān)窗途中有障礙時(shí)，會(huì)持續(xù)發(fā)送信號(hào)給微控制器。微控制器收到信號(hào)后，會(huì)立即控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，直到紅外傳感器沒有發(fā)送信號(hào)后，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能關(guān)窗。

2.6 短信模塊

短信模塊我們選擇SIM-800C，它的性能穩(wěn)定，功耗低，能夠長(zhǎng)時(shí)間工作，具有SMS短信息服務(wù)（Short Message Service）功能。此短信模塊具備GSM服務(wù)，即支持2G網(wǎng)絡(luò)，能夠很穩(wěn)定的完成預(yù)期目標(biāo)中的短信報(bào)警。微控制器與它之間進(jìn)行串口通信，發(fā)送AT指令集控制其實(shí)現(xiàn)SMS功能，進(jìn)行短信息發(fā)送。

2.7 電機(jī)模塊

電機(jī)模塊由電機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003和電機(jī)24YBJ組成，ULN2003的達(dá)林頓晶體管可以用來驅(qū)動(dòng)控制不能直接控制的負(fù)載。由于ST89C52RC的I/O輸出的電流不能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要通過ULN2003擴(kuò)大輸出電流，使得電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

智能窗戶軟件部分采用C語言進(jìn)行編程，主要編寫程序讓微控制器在不同的情況下處理特定的傳感器信號(hào)，從而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)窗戶開關(guān)。程序分為兩個(gè)主要部分，一部分為自動(dòng)處理部分，另一部分為手動(dòng)控制部分。

兩部分是通過判斷一個(gè)特定變量的值去切換與選擇。當(dāng)這個(gè)變量置“1”時(shí)，程序進(jìn)入自動(dòng)處理部分；當(dāng)這個(gè)變量置“0”時(shí)，程序進(jìn)入手動(dòng)控制部分，而這個(gè)變量是由按鍵控制的。按下自動(dòng)模式按鍵使變量置“1”，按下手動(dòng)開窗鍵或者手動(dòng)關(guān)窗鍵使變量置“0”，同時(shí)控制窗戶做出相應(yīng)的指令，這種并發(fā)的指令使窗戶更加安全。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)窗的程序設(shè)計(jì)的流程如圖2所示。

圖2 自動(dòng)開關(guān)窗流程圖

程序進(jìn)入自動(dòng)處理部分后，首先微控制器會(huì)判斷窗外的紅外傳感器是否被觸發(fā)。如果紅外傳感器被觸發(fā)，并且持續(xù)發(fā)送信號(hào)時(shí)間超過設(shè)定值，微控制器就會(huì)發(fā)送AT指令集給短信模塊，通過發(fā)送短信通知戶主，然后程序進(jìn)入下一步。如果紅外傳感器沒有被觸發(fā)，則會(huì)之間進(jìn)入下一步，判斷限位開關(guān)是否被按下。

如果限位開關(guān)被按下，則說明窗戶現(xiàn)在處于關(guān)閉狀態(tài)，這時(shí)微控制器會(huì)判斷煙霧傳感器是否被觸發(fā)。如果煙霧傳感器沒有被觸發(fā)，則回到上一步判斷限位開關(guān)是否按下。如果煙霧傳感器被觸發(fā)，那么微控制器會(huì)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)開窗，電機(jī)的反轉(zhuǎn)角度為設(shè)定值，根據(jù)用戶的實(shí)際需求，由工程師設(shè)定。至此，程序的一個(gè)大循環(huán)結(jié)束。

如果限位開關(guān)沒有按下，則說明窗戶現(xiàn)在處于開啟狀態(tài)，此時(shí)微控制器會(huì)判斷雨滴傳感器和聲音傳感器是否被觸發(fā)。這里判斷兩個(gè)傳感器的程序，可以用C語言的位運(yùn)算符“或”，寫成一條語句。如果判斷到有傳感器被觸發(fā)，那么微控制器會(huì)進(jìn)入到一個(gè)小循環(huán)。這個(gè)小循環(huán)的主要目的是關(guān)窗，出循環(huán)的條件是限位開關(guān)被按下。在這個(gè)小循環(huán)的里面，如果窗戶上的紅外傳感器檢測(cè)到關(guān)窗途中有障礙，則會(huì)進(jìn)入到另外一個(gè)更小的循環(huán)，直到?jīng)]有障礙，才會(huì)出去，重新進(jìn)入小循環(huán)。當(dāng)限位開關(guān)被按下后，關(guān)窗小循環(huán)結(jié)束，至此，程序的一個(gè)大循環(huán)結(jié)束。

4 結(jié)語

該基于微控制器的智能窗戶能夠在不同環(huán)境下智能調(diào)整窗戶的開關(guān)狀態(tài)，并且具備短信報(bào)警功能。它作為智能化設(shè)備中的一員，將來普及到普通家庭必然是一種趨勢(shì)，能為減少人們的生活壓力做出它自己的貢獻(xiàn)！