基于單片機(jī)的自動(dòng)控制窗戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常淑英

天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

窗戶是室內(nèi)環(huán)境調(diào)節(jié)的重要途徑，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量具有直接的影響，如果完全依據(jù)人工根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境的變化情況對(duì)窗戶的開閉進(jìn)行控制，容易導(dǎo)致一些意外情況的發(fā)生，本文主要結(jié)合相關(guān)的單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種基于環(huán)境檢測(cè)的自動(dòng)控制窗戶系統(tǒng)，單片機(jī)選用AT89C52，對(duì)其硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)予以簡(jiǎn)單分析研究。

隨著社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民的生活水平不斷提升，智能家居的概念從提出之后，受到了越來越多的關(guān)注，其能夠?yàn)槿藗儙戆踩?、舒適、便利的生活環(huán)境，智能窗控系統(tǒng)的應(yīng)用，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境條件的改善具有積極的作用，本次研究中的基于單片機(jī)的窗戶控制系統(tǒng)，其主要工作原理表現(xiàn)為：AT89C52 單片機(jī)在接收到傳感器所采集到的風(fēng)雨、煙霧等數(shù)據(jù)之后，對(duì)其實(shí)施分許處理，然后將相關(guān)的處理結(jié)果通過脈沖信號(hào)的形式作用于電機(jī)之上，通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，來對(duì)窗戶的開度予以有效的控制，從而起到改善室內(nèi)環(huán)境的作用。本文主要基于環(huán)境檢測(cè)的自動(dòng)控制窗戶系統(tǒng)的研究進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

基于環(huán)境檢測(cè)的自動(dòng)控制窗戶系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)主要由機(jī)械部分、軟件部分、硬件部分等組成，其軟件部分主要應(yīng)用C 語言來進(jìn)行編程；硬件部分的設(shè)計(jì)主要由輔助電路、電機(jī)、揚(yáng)聲器、單片機(jī)、傳感器等組成；機(jī)械部分的設(shè)計(jì)則需要依據(jù)實(shí)際的需求來開展設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷是機(jī)電一體化，系統(tǒng)中應(yīng)用了智能控制技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)、軟件編程技術(shù)、傳感器技術(shù)等，要求其能夠?qū)崿F(xiàn)這樣的幾點(diǎn)控制指標(biāo)：（1）如果室內(nèi)的煙霧、可燃性氣體等超標(biāo)，要求窗戶能夠自動(dòng)打開，并要自動(dòng)啟動(dòng)排氣扇排氣，這在所有操作中占有最高的優(yōu)先級(jí)，與此同時(shí)，報(bào)警器要自動(dòng)報(bào)警，提醒主人注意，防止出現(xiàn)火災(zāi)與煤氣中毒等事故；（2）在刮風(fēng)下雨等惡劣天氣條件中，一旦傳感器檢測(cè)到相關(guān)的風(fēng)雨信號(hào)，會(huì)將其所收集的信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)會(huì)發(fā)出相關(guān)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)指令，保證窗戶的關(guān)閉及自動(dòng)報(bào)警，防止有雨水進(jìn)入到室內(nèi)，滴室內(nèi)環(huán)境造成損害，并要每隔一段時(shí)間實(shí)施一次檢測(cè)，以便于能夠在風(fēng)雨停止時(shí)及時(shí)將窗戶打開；（3）該系統(tǒng)同樣具有防盜作用，當(dāng)有人停留于窗外時(shí)，窗戶會(huì)由于紅外線探測(cè)器的發(fā)射與接收通絡(luò)的阻斷予以關(guān)閉，并且能夠自動(dòng)報(bào)警，非常好的防盜功能；（4）設(shè)計(jì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)開、關(guān)窗功能及手動(dòng)按鍵功能，以便于其設(shè)計(jì)更加的人性化。系統(tǒng)的功能框架圖如圖1 所示。

基于環(huán)境檢測(cè)的自動(dòng)控制窗戶系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

煙霧及可燃性氣體檢測(cè)電路

MQ-2 是本次研究中應(yīng)用于煙霧機(jī)可燃性氣體檢測(cè)中的傳感器，其具有較大的阻值，高達(dá)10 千歐姆，其工作原理表現(xiàn)為：傳感器中進(jìn)入煙霧之后，會(huì)導(dǎo)致傳感器自身組織的快速下降，則會(huì)直接導(dǎo)致傳感器兩端電壓值的下降，會(huì)導(dǎo)致其相關(guān)信號(hào)的變化，在單片機(jī)的P0.3 口獲取相應(yīng)的數(shù)據(jù)之后，通過信號(hào)的處理分析，能夠得到相應(yīng)的指令，其中傳感器MQ-2 是一種氣敏原件，其主要是由二氧化鋅敏感層、氧化鋁陶瓷管，對(duì)加熱器及電極所構(gòu)成的敏感元件固定于不銹鋼或者是塑料制成的腔體中實(shí)施測(cè)量，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件，封裝完成的氣敏元件一共有六只針狀管腳，其中有兩個(gè)是用于提供加熱電流，四個(gè)應(yīng)用于信號(hào)取出。該傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)及特性表現(xiàn)為：恢復(fù)時(shí)間：Trec 小于30s，響應(yīng)時(shí)間：Tres 小于10s，加熱功率P 大約為750mW、加熱電壓VH：5.0±0.2V；取樣電阻RL：1～20K，MQ-2 型傳感器具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性及良好的重復(fù)性，其具有長(zhǎng)時(shí)間工作性能好、響應(yīng)時(shí)間短、初始穩(wěn)定、并且具有較好的抗干擾能力，能夠?qū)⒋碳ば缘姆强扇紵熿F信息的干擾予以排除，并且其電路設(shè)計(jì)中的電壓氛圍比較寬，加熱電壓值為5±0.2 伏特。

圖1 系統(tǒng)功能框架圖

圖2

紅外防盜檢測(cè)電路

紅外防盜檢測(cè)電路中應(yīng)用成品主動(dòng)式紅外探測(cè)器，探測(cè)器主要由處理電路、接收頭、發(fā)射頭等組成，正常情況下，發(fā)射頭會(huì)發(fā)出紅外線，接收到接受到紅外線之后，單片機(jī)所接收到的脈沖是高電平，主要三極管發(fā)生了作用，對(duì)開關(guān)進(jìn)行了導(dǎo)通，此時(shí)如果將光束遮擋，那么三極管就會(huì)截止，此時(shí)單片機(jī)會(huì)檢測(cè)出低電平，將信號(hào)傳遞給單片機(jī)。

風(fēng)監(jiān)測(cè)電路

風(fēng)監(jiān)測(cè)電路是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化防風(fēng)功能，并且可以自動(dòng)檢測(cè)風(fēng)速，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)化，將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過傳輸至微處理器MCU中，其主要組成部分有：傳感器電路、風(fēng)輪等，其主要工作原理為：窗戶處于打開狀態(tài)時(shí)，一旦室外起風(fēng)，風(fēng)會(huì)帶動(dòng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，計(jì)數(shù)器會(huì)就愛那個(gè)每分鐘風(fēng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)予以記錄，并會(huì)將所記錄的數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU 中，根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的下限值及所編程序的設(shè)置，決定是否啟動(dòng)電機(jī)，如果啟動(dòng)電機(jī)，可以帶動(dòng)窗戶轉(zhuǎn)動(dòng)，如果窗戶外的風(fēng)速降低的時(shí)候，那么風(fēng)輪每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)就會(huì)小于下限值，此時(shí)MCU 發(fā)出相關(guān)指令，電機(jī)啟動(dòng)，朝著窗戶開啟的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。其工作原理如圖2。

雨檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

室外空氣雨滴的檢測(cè)室背刺研究中系統(tǒng)的重要組成部分，如果有雨滴落于傳感器上，容易導(dǎo)致其出現(xiàn)短路，這灰直接造成線路中出現(xiàn)短路，直接導(dǎo)致檢測(cè)電平發(fā)生較大的變化，進(jìn)一步會(huì)引起相應(yīng)動(dòng)作，如果導(dǎo)線上的水滴全部都蒸發(fā)掉時(shí)，線路短路狀態(tài)就會(huì)恢復(fù)正常，此時(shí)MCU 就會(huì)發(fā)出指令，啟動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)窗戶做出開啟動(dòng)作。

語音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

在語音電路中，集成功率放大器作為輸出端低電壓，驅(qū)動(dòng)電路則采用典型應(yīng)用電路作為揚(yáng)聲器，將10mF 的旁路電容接入LM386 的1 腳與8 腳間，此時(shí)可以大幅度提高電路放大倍數(shù)，最高可達(dá)200 倍，USD4004 語音芯片的工作電壓是3v，可以應(yīng)用變壓電路將5v 的電壓轉(zhuǎn)化為3v的電壓。該芯片的單片錄放時(shí)間為8min 到16min，具有較好的音質(zhì)，在一些便攜式電子產(chǎn)品及移動(dòng)電話中具有廣泛的應(yīng)用，該芯片中應(yīng)用CMOS 技術(shù)，其中含有高密度多電平閃爍存儲(chǔ)、自動(dòng)靜噪裝置、音頻放大器、平滑濾波器、防混淆濾波器、振蕩器等，其所有的操作必須經(jīng)由微控制器來進(jìn)行控制，相關(guān)的操作命令可以通過串行通信接口送入，芯片可以應(yīng)用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)直接儲(chǔ)存于片內(nèi)FLASH 存儲(chǔ)器中，所以其能夠?qū)⑿Ч暋⒁粽{(diào)、音樂、語音等予以自然、真實(shí)的展現(xiàn)，能夠有效的防止常規(guī)固體錄音電路在量化、壓縮中產(chǎn)生的噪聲和金屬聲，其采樣的頻率不是固定的，可以劃分為多個(gè)頻率進(jìn)行，頻率越低，錄放的時(shí)間也就越長(zhǎng)，但是音質(zhì)相應(yīng)的會(huì)下降，F(xiàn)LASH 存儲(chǔ)卡用于存儲(chǔ)片內(nèi)信息，其優(yōu)勢(shì)在于在斷電的時(shí)候，可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，對(duì)其各個(gè)引腳予以簡(jiǎn)單說明，主要表現(xiàn)為：（1）片選CS：低電平時(shí)選中的芯片；（2）VSSA、VSSD 表示地線；（3）AMCAP 為自動(dòng)噪音控制端，其連接至主控板的RF 信號(hào)輸入端；（4）SCLK 為時(shí)鐘輸入端，其主要應(yīng)用于MISO 與MOSI 數(shù)據(jù)的輸入；（5）IN+、IN-信號(hào)同相與反相的輸入端；（6）OUT 表示音頻的輸入端，可以驅(qū)動(dòng)5 千歐的負(fù)載；（7）VCCD、VCCA 供電電源3V。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路

將PWM 調(diào)速方法應(yīng)用于電機(jī)的調(diào)速工作中，其原理主要是開關(guān)管在一個(gè)周期中的導(dǎo)通時(shí)間是t，周期表示為T，那么就將電機(jī)兩端的平均電壓值表示為：，其中α 表示的是占空比，Vcc表示的是電源電壓，本次研究中應(yīng)用的是雙路的PWM 所產(chǎn)生的占空比，主要是由單刀雙擲開關(guān)來完成，應(yīng)用55定時(shí)器產(chǎn)生可調(diào)的占空比。

基于環(huán)境檢測(cè)的自動(dòng)控制窗戶系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在開機(jī)之后首先進(jìn)行初始化，對(duì)各個(gè)端口進(jìn)行監(jiān)聽，傳感器開展環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，并將其傳送至單片機(jī)中，對(duì)其是否達(dá)到開窗條件予以判斷，然后依據(jù)判斷結(jié)果事實(shí)相應(yīng)的操作，系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，應(yīng)用單片機(jī)將所采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與判斷，并對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相關(guān)操作予以控制，以便于對(duì)窗戶的開關(guān)狀態(tài)實(shí)施有效的控制。

結(jié)束語

本次研究中設(shè)計(jì)的基于環(huán)境檢測(cè)的自動(dòng)控制窗戶系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)室內(nèi)外各種環(huán)境參數(shù)的采集，并通過單片機(jī)系統(tǒng)及機(jī)械控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境因素的調(diào)節(jié)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。