基于STC89C52單片機智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計

浦靈敏 季愛明 蘇州大學(xué)，江蘇蘇州 215006

基于STC89C52單片機智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計

浦靈敏 季愛明 蘇州大學(xué)，江蘇蘇州 215006

本論文通過單片機技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計一種窗戶的智能控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)光線的強弱自動打開/關(guān)閉安裝在窗戶上的窗簾；并且能夠監(jiān)測窗戶上的灰塵量，當(dāng)達(dá)到一定量時，能自動將其清除干凈；此外，為了使智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計更加完善，本設(shè)計中還加入了窗戶防盜報警系統(tǒng)。

單片機；傳感器；智能窗戶控制系統(tǒng)

MCU; Sensors; Intelligent windows control system

引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能家居成為家庭信息化和社會信息化發(fā)展的重要組成部分，智能家居又稱智能住宅，當(dāng)家庭智能網(wǎng)關(guān)將家庭中各種各樣的家電設(shè)備通過家庭總線技術(shù)連接在一起時，就構(gòu)成了功能強大、高度智能化的現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)。智能家居強調(diào)人的主觀能動性，重視人與居住環(huán)境的協(xié)調(diào)，能夠隨心所欲地控制居住環(huán)境。

智能家居控制系統(tǒng)的應(yīng)用讓人們在家中能夠享受到更安全、更舒適、更方便的生活，并且生活的環(huán)境更加符合環(huán)保要求。而現(xiàn)代家居中，窗戶具有良好裝飾、采光和阻擋灰塵的作用，是建筑必不可少的一個組成部分。智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計思想也就在這種形勢下應(yīng)運而生。

1 硬件結(jié)構(gòu)框架設(shè)計

基于STC 89C 52單片機的智能窗戶控制系統(tǒng)主要有單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、電機控制模塊三大主要部分組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊包括了單片機正常工作所必需的電源電路、時鐘電路和復(fù)位電路。

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要利用傳感器技術(shù)進行非電量到電量的轉(zhuǎn)換，完成對光線強弱、透明度、振動等信號的采集工作，然后送給單片機進行分析處理，得到目前的光照強度、玻璃透明度，和玻璃是否破碎等信息。

電機控制模塊采用步進電機42BYGH 4604，ULN 2003作為運行驅(qū)動電路，接收來自單片機的控制信號，從而完成對窗簾電機和窗戶玻璃雨刮器電機的控制。

2 主要硬件模塊的設(shè)計及原理

(1) 單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)模塊的設(shè)計

本設(shè)計中采用了STC 89C 52單片機作為主控芯片，STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read On ly M emory ）的低電壓，高性能CMOS 8位微處理器，該器件采用STC高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的M C S-5 1指令集和輸出管腳相兼容。與傳統(tǒng)的51單片機相比較，STC89C52單片機具有較大的存儲器空間并且可以支持串口直接下載程序，免去了購買價格昂貴的專門編程器來燒寫程序，使得開發(fā)成本得到很好控制。

單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)中時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，使得單片機電路在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進行工作。

單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)中復(fù)位電路使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)下，并從這個狀態(tài)開始工作，無論是在控制系統(tǒng)剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位。本設(shè)計采用如圖2所示的復(fù)位電路，該電路既可以實現(xiàn)上電復(fù)位，又可以按鍵復(fù)位。

圖2 單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)復(fù)位電路

(2) 光強檢測傳感器接口電路設(shè)計

光強檢測電路如圖2所示，其輸出為一標(biāo)準(zhǔn)的TT L電平，可以直接送給單片機進行分析處理，從而控制窗簾電機的正反轉(zhuǎn)。電路的核心是一光敏電阻傳感器，光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)，當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，相應(yīng)分到的電壓也減少，經(jīng) LM 193雙電壓比較器的參考端（2腳）、和輸入端（3腳）比較，當(dāng)U inU ref時，輸出高電平，發(fā)光二極管LED1熄滅（不滿足光照條件）。通過調(diào)節(jié)R3的阻值可以調(diào)整光照檢測的靈敏度。

(3) 玻璃濁度傳感器模塊設(shè)計原理

當(dāng)窗戶玻璃上沾滿灰塵和和其他污物時，將影響窗戶的采光和美觀，玻璃濁度傳感器用于檢測窗戶上的透明清澈程度，其核心為一高靈敏度的光電傳感器，它由一對發(fā)射和接收對管組成，當(dāng)玻璃較為清澈時，發(fā)射的光將被光敏三極管接收的到，而當(dāng)窗戶玻璃沾滿一定量的灰塵或污物時，發(fā)出的光將無法被光敏三極管接收到，或只能接收到少許光通量，完成輸出不同的信號供單片機判斷，從而控制雨刮器電機的正反轉(zhuǎn)，使得雨刮器上下運行刮去灰塵。

圖3 光強檢測傳感器硬件電路圖

圖4 玻璃濁度傳感器模塊原理圖

(4)壓電振動傳感器模塊設(shè)計原理

壓電式傳感器是一種自發(fā)電式傳感器。它以某些電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力作用下，在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的。壓電傳感元件是力敏感元件，它可以測量最終能變換為力的那些非電物理量，例如動態(tài)力、動態(tài)壓力、振動加速度等，但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量。

根據(jù)壓電傳感器的原理，可以將高分子壓電測振薄膜粘貼在玻璃上，感受來自玻璃破碎時會發(fā)出的振動，并將電壓信號經(jīng)發(fā)大后送給單片機進分析判斷，從而控制蜂鳴器發(fā)出報警聲音，提醒主人可能有犯罪分子破窗而入。由于感應(yīng)片很小很透明，所以安裝在窗戶上也不易被察覺。

(5)電機驅(qū)動電路設(shè)計

步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常的簡單。本設(shè)計中使用采用了42BYGH 4604型1 2V工作步進電機和高耐壓、大電流達(dá)林頓管U LN 2003作為驅(qū)動芯片，電機扭矩足夠驅(qū)動窗簾和雨刮器的運行，并且可以根據(jù)窗戶的實際大小精確地控制旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，窗簾和雨刮器位置定位準(zhǔn)確。本設(shè)計中所使用的窗戶實物模型，窗簾電機行程為1 0圈，雨刮器電機來回行程為40圈。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計中所有涉及的傳感器輸出信號都為TT L電平，這為單片機控制程序的設(shè)計帶來了極大的方便。本設(shè)計中窗簾初始為拉開狀態(tài)（有光照時）且要求晚上時雨刮器電機不工作。

主要的程序設(shè)計流程如圖7

4 結(jié)論

基于STC 89C 52單片機的智能窗戶控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)了能感知光線的強弱來自動打開和拉上窗簾；能判斷窗戶上有無灰塵和其他污物，即通過檢測玻璃的透明清澈度，來自動控制雨刮器的上下（或左右）運行；能監(jiān)測通過窗戶盜竊者的入侵信號，并且壓電傳感器的安裝位置還具有隱蔽性和抗干擾性，通過蜂鳴器的報警聲音，提醒主人即使采取措施，減少人身和財產(chǎn)損失。通過以上設(shè)計的使得人與窗戶的交互進一步增強，符合智能家居的發(fā)展和具體應(yīng)用。

圖5 壓電振動傳感器模塊原理框圖

圖6 步進電機驅(qū)動電路

圖7 主程序框圖

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Design of Intelligent w indow s Control System Based on STC89C52 MCU

Pu lingmin ji aiming （soochow university, suzhou Jiangsu, 215006)

The paper is to design a Intelligent windows Control System through MCU and sensors technology. the system can open or close the curtains automaticly by the lighteness, and clean the windows when the quantity of dust reach a certain amount; additionally，in order to make the Control System more perfect,a guard against theft and alarm system is added into the design.

TP3

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.104

浦靈敏（1 9 8 2－），男，蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院工程碩士，主要從事單片機技術(shù)應(yīng)用研究；

季愛明（1 9 7 2－），男，蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院教師，工學(xué)博士。