基于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宰文姣，汪華章

(1.四川師范大學(xué)，成都610101;2.西南民族大學(xué)，成都610041)

0 引 言

智能窗是帶有一定判斷能力的窗戶，目前市場上出現(xiàn)的智能窗大多是智能型的窗簾和向外推出式的智能窗戶。智能窗簾有一不足之處:當(dāng)住戶外出但忘記關(guān)窗，如果遇到下雨，雨水很可能會(huì)飄進(jìn)住戶家中，造成不必要的損失。外推式的智能窗也有一些不足:窗戶只能向外開啟一定的角度，不能完全打開，通風(fēng)效果欠佳。

本文設(shè)計(jì)的推拉式智能窗與上述兩種智能窗相比較，既能保證在下雨時(shí)雨水不會(huì)飄入室內(nèi)，能保證良好的通風(fēng)效果。因此推拉式智能窗戶具有不錯(cuò)的市場前景。

智能窗主要由4 個(gè)部分組成:數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與分析處理系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及電源模塊。

數(shù)據(jù)檢測與采集部分主要是由傳感器網(wǎng)絡(luò)組成;數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與分析處理系統(tǒng)主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成;執(zhí)行機(jī)構(gòu)則由電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路組成。電源模塊則是由變壓器、整流模塊及穩(wěn)壓模塊組成。傳感器網(wǎng)絡(luò)包括1 個(gè)濕度傳感器HS1101、1 個(gè) 光 敏 電 阻GL5539、2 個(gè) 行程 開 關(guān)LJ12A3－4－Z/BX。

整體方案如圖1 所示。

圖1 整體方案圖

1 窗戶位置檢測電路

LJ12A3－4－Z/BX 屬于渦流式接近開關(guān)(電感式接近開關(guān))，是一種NPN 常開型、探測距離為4 mm 的接近開關(guān)。

由于電感式接近開關(guān)是利用導(dǎo)電物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場接近開關(guān)時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用到接近開關(guān)，使開關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無導(dǎo)電物體移近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。因此LJ12A3－4－Z/BX 可以用于判斷窗戶是否已經(jīng)到達(dá)窗框位置。

當(dāng)窗戶到達(dá)窗框位置時(shí)，接近開關(guān)就會(huì)探測到在窗框處其正對(duì)位置上的金屬片，此時(shí)LJ12A3－4－Z/BX 電感式接近開關(guān)就會(huì)由其2 腳輸出一個(gè)高電平。窗戶位置測量電路如圖2 所示。

圖2 窗戶位置測量電路

2 空氣濕度檢測電路

HS1101 在電路組成中相當(dāng)于一個(gè)電容器件，當(dāng)檢測到空氣中相對(duì)濕度增大時(shí)，其電容值也隨之增大［3］。HS1101 與TLC555 芯片構(gòu)成多諧振蕩電路，諧振方波的頻率隨空氣中相對(duì)濕度的增大而減小，本文選用典型數(shù)據(jù)的相對(duì)濕度做實(shí)驗(yàn)，測得相應(yīng)的電路振蕩頻率，具體數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖3 濕度測量電路

表1 濕度與輸出頻率關(guān)系表

電路的充電時(shí)間t1、放電時(shí)間t2計(jì)算公式:

輸出諧振波形的頻率f 和占空比D 的計(jì)算公式如下:

通常取R23+R29?R25+R28，從而使D≈50%，輸出接近于方波。例如，取R25+R28=570 kΩ，R23+R29=50 kΩ。

空氣濕度的測量精度與濕度傳感器和外圍電路精密相關(guān)。濕度傳感器保證了傳感器探頭的精度。外圍電路中對(duì)R1要求比較高，最好選擇精密電阻，精度為1%，并且最大溫漂不超過10－4。例如，要想相對(duì)濕度為55%，輸出頻率為6 600 Hz，電路的相關(guān)參數(shù)如表2 所示。

3 光強(qiáng)檢測電路

GL5539 是一種可見光光敏電阻器，亮電阻為50 ～100 kΩ，暗電阻為5 MΩ，工作環(huán)境溫度在－30℃～+70℃之間，電阻值上升響應(yīng)時(shí)間20 ms，電阻值下降響應(yīng)時(shí)間30 ms。溫度特性曲線如圖4 所示。

圖4 溫度特性曲線

在檢測光照條件時(shí)，采用半橋接線方式，測量電路如圖5 所示。由于光敏電阻是負(fù)電阻特性器件，受到的光強(qiáng)越大，其阻值越小，在串聯(lián)電路中所分得的電壓越小;反之，光強(qiáng)越小，光敏電阻上所分得的電壓越大。ADC0809 將光敏電阻上分得的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)判斷此時(shí)的光照強(qiáng)度。

圖5 光照情況測量電路

4 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及分析處理電路

在本文中，因?yàn)檩斎胄盘?hào)只有1 路，因此將ADC0809 地址控制線ADD C 接地，此時(shí)選通了IN0，IN2，IN4，IN6 四路輸入端，本系統(tǒng)中只用了IN0，多出的3 路輸入端即作為預(yù)留端口。由于ADC0809 是逐次逼近型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，因此需要有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，但ADC0809 沒有內(nèi)部時(shí)鐘，且引入的外部時(shí)鐘最大不能超過640 kHz，所以就以單片機(jī)(單片機(jī)所選用的晶振為12 MHz)的ALE 信號(hào)經(jīng)74HC74 雙D 觸發(fā)器二分頻后得到的500 kHz 的方波信號(hào)作為ADC0809 的時(shí)鐘信號(hào)。ADC0809 具體接線方法如圖6 所示［5］。

圖6 ADC0809 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換原理圖

5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)及控制電路

本系統(tǒng)中選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)57BYG250－56(2 A，0.9 N·m)，其額定電壓24 V，額定電流2 A，額定步距角1.8°［4］。采用L297，L298 的組合電路作為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。用L297 來提供時(shí)序信號(hào)，節(jié)省了單片機(jī)IO 端口。L298 的管腳1 和15 與用于檢測電流的電阻連接來控制負(fù)載;L298 的OUTl，OUT2 和OUT3，OUT4 之間分別接2 個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。圖7 中，斬波器電路的參考電壓與通過L297 的管腳13、14 與R14，R15 所反饋的電位相比較，由比較結(jié)果確定是否需要進(jìn)行斬波處理。電路中的光電耦合芯片TLP521－4 將單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)隔離，使它們之間只有信號(hào)的傳遞，而沒有電流的直接聯(lián)系，這樣可以避免電機(jī)中出現(xiàn)的大電流影響單片機(jī)的工作。單片機(jī)與TLP521－4 相連用于控制電機(jī)工作的幾個(gè)管腳的功能:P1.0 控制L297 的使能端口(管腳10)，P1.1 控制L297 的斬波器控制端口(管腳11)，P1.2 控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)端口(管腳17)，P1.3控制步進(jìn)電機(jī)時(shí)鐘輸入端口(管腳18)，P1.4 控制步進(jìn)電機(jī)的全角或半角選擇端口(管腳19)，P1.5控制步進(jìn)電機(jī)的復(fù)位輸入端口(管腳20)。其原理圖如圖7［1］所示。

圖7 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

6 智能窗工作過程分析

本系統(tǒng)硬件部分代替了大多數(shù)軟件功能，所以軟件的編寫相對(duì)簡單。系統(tǒng)中的控制任務(wù)最終靠軟件來實(shí)現(xiàn)，軟件的設(shè)計(jì)將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的控制性能。本設(shè)計(jì)將使用模塊化結(jié)構(gòu)，最后把各模塊整合起來實(shí)現(xiàn)控制要求。系統(tǒng)由三個(gè)大的模塊組成，分別為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式模塊、功能子程序模塊、中斷服務(wù)程序模塊，其中步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行方式模塊包含有電機(jī)正轉(zhuǎn)運(yùn)行方式和電機(jī)反轉(zhuǎn)運(yùn)行方式;功能子程序模塊包含A/D 轉(zhuǎn)換控制子程序，判斷窗戶位置子程序，判斷光照強(qiáng)度子程序，判斷相對(duì)濕度子程序;中斷服務(wù)程序包含T0的1 s 定時(shí)中斷程序和T1計(jì)數(shù)中斷程序。軟件模塊結(jié)構(gòu)如圖8 所示。

圖8 軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)主程序流程如圖9 所示。首先系統(tǒng)初始化，設(shè)置各中斷方式并開啟，設(shè)置中斷方式、開中斷等，然后設(shè)置定時(shí)/計(jì)數(shù)器工作方式，啟動(dòng)T0、T1，由T0產(chǎn)生1 s 定時(shí)中斷，其產(chǎn)生的1 s 定時(shí)時(shí)間作為T1計(jì)數(shù)器的閘門時(shí)間，T1對(duì)圖3 中TLC555 芯片輸出的頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，其在1 s 時(shí)間內(nèi)的計(jì)數(shù)值就是諧振方波的頻率，由此頻率來判斷當(dāng)前空氣的相對(duì)濕度值。之后重復(fù)循環(huán)，系統(tǒng)每隔1 s 不斷讀取方波的諧振頻率，不斷地判斷天氣條件來控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式。

圖9 主程序流程圖

7 讀取A/D 程序設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器將光敏電阻分得的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電壓信號(hào)，然后傳送給單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行判斷。其流程圖如圖10 所示。

先對(duì)A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)，即光照強(qiáng)度進(jìn)行判斷，若A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)不小于某值，文中取為127，則認(rèn)為此時(shí)光照強(qiáng)度較弱，需要電機(jī)反轉(zhuǎn)來關(guān)閉窗戶。若A/D 轉(zhuǎn)換值小于127，則認(rèn)為此時(shí)光照強(qiáng)度較強(qiáng)(光敏傳感器是負(fù)數(shù)值特性的器件)，在此基礎(chǔ)上再對(duì)相對(duì)濕度進(jìn)行判斷，如果此時(shí)濕度轉(zhuǎn)換電路的輸出頻率在某個(gè)范圍內(nèi)，本文取30% ～70%，相對(duì)應(yīng)的輸出頻率為6 468 ～6 976 Hz，則認(rèn)為此時(shí)濕度是合適的，需要電機(jī)正轉(zhuǎn)來打開窗戶;如果此時(shí)濕度轉(zhuǎn)換電路的輸出頻率不在上述頻率范圍內(nèi)，則認(rèn)為濕度不合適，需要電機(jī)反轉(zhuǎn)來關(guān)閉窗戶。其流程圖如圖10 所示。

圖10 天氣條件判斷流程圖

8 結(jié) 語

本智能窗控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)完整，實(shí)用性強(qiáng)，集智能化和人性化為一體，是智能家居的重要組成部分，在今后的家居設(shè)計(jì)中具有良好的發(fā)展前景。

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