基于空調(diào)器的一種智能開關(guān)窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

◎王博

基于空調(diào)器的一種智能開關(guān)窗裝置是基于家用空調(diào)器功能的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的一款控制裝置，實(shí)現(xiàn)空調(diào)器在不同環(huán)境下的自動(dòng)開關(guān)窗功能，從而達(dá)到室內(nèi)通風(fēng)換氣、節(jié)約電能的效果。

一、裝置簡介

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步已經(jīng)涉及到各個(gè)行業(yè)，科技改變生活的理念也在人們的生活中時(shí)刻體現(xiàn)，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來越高。目前，許多地區(qū)夏季最高溫度達(dá)到了38℃以上，人們對(duì)空調(diào)器的需求也越來越大。根據(jù)調(diào)研顯示2019年空調(diào)器的銷售額要比2018年的增長6.07%，可見空調(diào)器的市場前景非常廣闊。

人們?cè)谑褂每照{(diào)器時(shí)習(xí)慣關(guān)門關(guān)窗，長時(shí)間在密閉的環(huán)境下就會(huì)導(dǎo)致空氣不流通，病毒和細(xì)菌會(huì)趁機(jī)大量的繁殖和生長，很容易誘發(fā)咽喉炎等疾病，而夏季早晚溫差大及天氣多變，室內(nèi)不能及時(shí)的開關(guān)窗通風(fēng)換氣、空調(diào)器也不能及時(shí)改變工作狀態(tài)，即影響了人們的健康又浪費(fèi)了電能。根據(jù)此現(xiàn)象設(shè)計(jì)了一款符合目前社會(huì)需求的空調(diào)器智能開關(guān)窗裝置，本裝置是在家用空調(diào)器功能的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出的一款智能控制裝置，實(shí)現(xiàn)空調(diào)器在不同環(huán)境下的自動(dòng)開關(guān)窗功能，從而達(dá)到室內(nèi)通風(fēng)換氣、節(jié)約電能的效果。

二、市場分析

空調(diào)器的智能開關(guān)窗裝置是目前市場所缺少的智能家庭裝置，目前的空調(diào)器和智能家居產(chǎn)品沒有達(dá)到可以自動(dòng)識(shí)別外界環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)空調(diào)器和窗戶聯(lián)動(dòng)的裝置。

近年來，隨著價(jià)格戰(zhàn)向價(jià)值戰(zhàn)的轉(zhuǎn)化，中國空調(diào)消費(fèi)市場一直保持了平穩(wěn)的發(fā)展態(tài)勢，具備健康、節(jié)能、時(shí)尚外觀的空調(diào)產(chǎn)品成為主流產(chǎn)品。總的來看，空調(diào)市場有以下幾點(diǎn)特征：

1.價(jià)格向價(jià)值的轉(zhuǎn)變。近年來，整個(gè)空調(diào)市場的啟動(dòng)運(yùn)作過程中，多數(shù)廠家都在提“價(jià)值”的概念，并表示降價(jià)已經(jīng)是五、六年前的事情了。可見一味的打價(jià)格戰(zhàn)已經(jīng)不能滿足于當(dāng)代人們的需求。也正因?yàn)閮r(jià)格低，并連年促銷，使得本應(yīng)該時(shí)高利潤的空調(diào)行業(yè)一直徘徊在微利的狀態(tài)，于是商家意識(shí)到，提高產(chǎn)品價(jià)值才是核心競爭力。

2.以健康為主導(dǎo)。隨著消費(fèi)水平的提高，消費(fèi)者對(duì)環(huán)境質(zhì)量和自身生活水平的要求也越來越高。方便健康成為消費(fèi)者選擇空調(diào)的重要條件之一。各個(gè)空調(diào)商都先后推出了清潔健康的二代產(chǎn)品。

3.節(jié)能空調(diào)的優(yōu)勢。目前空調(diào)的節(jié)能已成為空調(diào)銷售的最大亮點(diǎn)，大多數(shù)空調(diào)企業(yè)都推出了變頻空調(diào)，較好的變頻空調(diào)由于比傳統(tǒng)的空調(diào)更具有優(yōu)勢，其發(fā)展勢頭迅猛，已經(jīng)漸漸成為發(fā)展的主流。于是空調(diào)市場引爆了一場將抗節(jié)能大戰(zhàn)。

空調(diào)與家居智能化已成為了當(dāng)代社會(huì)的主要發(fā)展趨勢，在越來越多的家庭和工廠內(nèi)實(shí)施，本設(shè)計(jì)發(fā)展方案主要分為兩部分：

1.合作生產(chǎn)：將本技術(shù)與空調(diào)企業(yè)合作生產(chǎn)，在空調(diào)主控板上加入本設(shè)計(jì)主控功能，實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下空調(diào)改變自身的工作狀態(tài)，并在安裝空調(diào)時(shí)技術(shù)人員提供安裝自動(dòng)開關(guān)窗系統(tǒng)。其主要優(yōu)勢在于本裝置所需元件市場供應(yīng)量大，成本低，與廠方合作生產(chǎn)，既可以控制廠方的生產(chǎn)成本，又加大了人們對(duì)“價(jià)值”的評(píng)估。在生產(chǎn)工程中對(duì)廠方原電路修改較小，所需人員較少，滿足了空調(diào)企業(yè)對(duì)質(zhì)量和價(jià)格要求。

2.自主生產(chǎn)：成立公司，專職生產(chǎn)主控電路及自動(dòng)開窗系統(tǒng)。專職配備技術(shù)人員、安裝人員、銷售人員及售后服務(wù)人員等。

據(jù)調(diào)查，80%以上的用戶對(duì)本產(chǎn)品功能表示期待，尤其是家里有老人和小孩子的家庭，該裝置適合所有家庭及企業(yè)安裝使用。

眾所周知，節(jié)能省電、低碳減排已經(jīng)成為全社會(huì)共同推動(dòng)的目標(biāo)?？照{(diào)器智能開關(guān)窗裝置采用24V電源供電，在安全電壓內(nèi)實(shí)現(xiàn)開關(guān)窗戶及空調(diào)工作狀態(tài)的改變，有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

三、設(shè)計(jì)原理與組成

本裝置的主控電路由單片機(jī)STC89c51和24V電源電路組成，采用溫度傳感器、風(fēng)速傳感器、雨滴傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境信號(hào)，并將采集的信號(hào)傳輸?shù)轿⑻幚砥鬟M(jìn)行信號(hào)處理，通過24V電源電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)在大風(fēng)天、雨天和低溫天等不同的環(huán)境下開窗器自動(dòng)開關(guān)窗、空調(diào)器快速改變工作狀態(tài)的功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1系統(tǒng)框圖

1.微控制器模塊。微控制器模塊采用具有單片機(jī)8051核的STC89C51RC可編程芯片，芯片內(nèi)集成了通用的8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程(ISP)的特性，配合計(jì)算機(jī)端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，是高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)。本系統(tǒng)采用它做為系統(tǒng)的核心，把采集到的風(fēng)力、雨滴、溫度信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，進(jìn)行信息處理完后傳輸給顯示模塊和開關(guān)窗驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)與空調(diào)器的聯(lián)動(dòng)操作。

2.風(fēng)力檢測模塊。該模塊采用三杯式風(fēng)速傳感器，采用三個(gè)直徑6CM的半球碗，呈120度分支安裝，在風(fēng)力的作用下，可以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速越大，旋轉(zhuǎn)越快。風(fēng)力旋轉(zhuǎn)組件旋轉(zhuǎn)時(shí)，直徑約22CM，其帶動(dòng)一個(gè)小直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生直流電壓，風(fēng)速越高，產(chǎn)生的直流電壓越高，最高可產(chǎn)生2V直流電壓，按照具體風(fēng)速與電壓輸出參數(shù)的說明書就可用單片機(jī)程序處理輸入的信號(hào)，該參數(shù)誤差約10%，傳感器有兩條引出線，紅為正黑為負(fù)。和STC89C51RC單片機(jī)連接非常方便，黑線接入GND，紅線做為電壓采樣接入STC89C51RC的AD口。AD口不需要做任何下拉或上拉電阻，只需并聯(lián)一個(gè)104瓷片電容就可使用。

3.雨滴檢測模塊。該模塊采用FR-04雙面材料，超大面積并用鍍鎳處理表面，具有抗氧化、導(dǎo)電性及壽命方面比同類產(chǎn)品更優(yōu)越的YS-JDQ型雨滴控制模塊，與STC89C51RC單片機(jī)連接電路簡單，只需提供5V供電、信號(hào)端采集高低電平信號(hào)即可判斷是否下雨，接通電源，電源指示燈亮，感應(yīng)板上沒有水滴時(shí)，繼電器不動(dòng)作，開關(guān)指示燈熄滅，只要有水滴滴在感應(yīng)板上，繼電器就立刻吸合，把信號(hào)傳遞給單片機(jī)STC89C51RC，單片機(jī)檢測到信號(hào)就會(huì)做出處理。

4.溫度檢測模塊。該模塊采用耐腐蝕、可靠性高、具有負(fù)阻特性的10K空調(diào)器專用膠質(zhì)探頭，在溫度升高時(shí)阻值減小，溫度降低時(shí)阻值增大，電路中設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)放比較器電路，放大采集到的信號(hào)，傳輸給STC89C51RC單片機(jī)的AD口進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)把轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行處理。

5.顯示模塊。該模塊采用普通的兩位七段數(shù)碼管顯示，用來實(shí)時(shí)顯示測量的溫度值。

6.開關(guān)窗驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊體積小、安裝方便、控制簡單、適用工作環(huán)境惡劣的場合，開啟和關(guān)閉力量大，電流通過開窗器經(jīng)由電壓轉(zhuǎn)變控制板轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姍C(jī)的額定電壓，開關(guān)窗驅(qū)動(dòng)模塊的核心部件之一直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，通過另一核心部件減速器裝置（小齒輪帶動(dòng)大齒輪，大齒輪再帶動(dòng)小齒輪，小齒輪再帶動(dòng)鏈輪）把這一過程形成的力量傳輸給鏈條機(jī)構(gòu)，鏈條的伸出、收回實(shí)現(xiàn)窗戶的開關(guān)動(dòng)作，另外機(jī)構(gòu)兩端安裝微動(dòng)開關(guān)進(jìn)行限位，防止越位操作。

具體功能如下：當(dāng)空調(diào)器正常運(yùn)行時(shí)，特別是晚上人們進(jìn)入夢鄉(xiāng)后，不能察覺室內(nèi)與室外環(huán)境的變化，裝上該裝置后，系統(tǒng)就能實(shí)時(shí)采集到室外環(huán)境與室內(nèi)環(huán)境的差別。當(dāng)采集到室外溫度小于空調(diào)器設(shè)定的溫度且室外無雨、風(fēng)速小于4級(jí)時(shí)，窗戶自動(dòng)打開，自然風(fēng)進(jìn)來，空調(diào)器制冷狀態(tài)停止，達(dá)到通風(fēng)換氣、節(jié)約電能的目的；當(dāng)天氣突然下雨或突然起風(fēng)（風(fēng)速達(dá)到4級(jí)以上）時(shí)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉，空調(diào)器檢測到室內(nèi)溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)器開始進(jìn)入制冷狀態(tài)。

四、裝置使用說明

接通220V交流電，按下‘開機(jī)鍵’看到指示燈亮，這時(shí)設(shè)備進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；按下按鍵1，設(shè)定系統(tǒng)溫度與空調(diào)器設(shè)定的溫度相同，系統(tǒng)自動(dòng)檢測室外環(huán)境的變化，當(dāng)采集到室外溫度小于空調(diào)器設(shè)定的溫度且室外無雨、風(fēng)速小于4級(jí)時(shí)，窗戶自動(dòng)打開，自然風(fēng)進(jìn)來，空調(diào)器制冷狀態(tài)停止，達(dá)到通風(fēng)換氣、節(jié)約電能的目的；當(dāng)天氣突然下雨或突然起風(fēng)（風(fēng)速達(dá)到4級(jí)以上）時(shí)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉，空調(diào)器檢測到室內(nèi)溫度大于設(shè)定溫度時(shí)，空調(diào)器開始進(jìn)入制冷狀態(tài)。

結(jié)語：本采用STC89C51RC單片機(jī)作為主控芯片，采用三杯式風(fēng)速傳感器、具有負(fù)阻特性的10K空調(diào)器專用膠質(zhì)探頭、FR-04雙面材料，超大面積并用鍍鎳處理表面，具有抗氧化、導(dǎo)電性及壽命方面比同類產(chǎn)品更優(yōu)越的YS-JDQ型雨滴控制模塊以及數(shù)碼管顯示電路和開關(guān)窗驅(qū)動(dòng)模塊組成整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與空調(diào)器配合實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)窗戶的功能。