基于STC89C51單片機(jī)的智能窗戶啟閉器

吳雪松+潘崇煜+牛軼峰

摘??要：為了保證良好的居家環(huán)境，實(shí)現(xiàn)普通窗戶的智能控制，設(shè)計(jì)了基于STC89C51的智能窗戶啟閉器。該啟閉器通過感知窗戶內(nèi)、外側(cè)的移動(dòng)目標(biāo)來控制窗戶啟閉，有效防止小孩爬出窗戶以及小偷翻窗入室;同時(shí)，啟閉器通過感知室內(nèi)、外溫度，濕度和空氣質(zhì)量適時(shí)開、關(guān)窗，具備環(huán)境自適應(yīng)功能。該啟閉器在現(xiàn)有窗戶基礎(chǔ)上安裝即可使用，拆卸方便、價(jià)格低廉，具有良好的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞：STC89C51單片機(jī);窗戶啟閉器;環(huán)境檢測(cè);智能控制

中圖分類號(hào)：TP273+.5????????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.021

1??設(shè)計(jì)背景及意義

近年來，隨著高科技和信息技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器走進(jìn)了智能住宅，住宅智能化已然成為人類住宅一場(chǎng)新的革命?，F(xiàn)代社會(huì)家庭正在以家庭智能化帶來的多元信息和安全、舒適、便捷的生活環(huán)境作為新的目標(biāo)和追求。然而，由于目前廣大家庭的窗戶在智能控制方面的不足，小孩在室內(nèi)玩耍時(shí)爬上窗臺(tái)釀成慘劇的情況時(shí)有發(fā)生，小偷通過開著的窗戶入室盜竊案件屢見不鮮，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大損失。同時(shí)，愈演愈烈的霧霾天氣造成的空氣污染、有毒氣體對(duì)人的生命安全造成威脅、室外高溫或者下雨天時(shí)開著窗戶導(dǎo)致室內(nèi)環(huán)境變差，這些都對(duì)保持良好的居家環(huán)境產(chǎn)生了不利影響。

目前，平移式窗戶被廣泛使用，而市場(chǎng)現(xiàn)有的智能產(chǎn)品多是包括窗戶本身以及控制系統(tǒng)在內(nèi)的完整系統(tǒng)，需要重新更換窗戶，在實(shí)際應(yīng)用中存在較多不便。因此，在現(xiàn)有窗戶的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、拆卸方便、多功能的平移式窗戶啟閉器是解決這些現(xiàn)實(shí)問題的有效途徑。

2??硬件設(shè)備

整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)基于51單片機(jī)開發(fā)板，配以多種精心設(shè)計(jì)的傳感器和電機(jī)，成本低、功能全。

系統(tǒng)中的STC89C52RC芯片采用的是8051核在系統(tǒng)可編程芯片，最高工作時(shí)鐘頻率為80?MHz，片內(nèi)含8?KBytes可反復(fù)擦寫1?000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)和80C51引腳結(jié)構(gòu)。芯片內(nèi)集成了通用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）特性，配合PC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，省去了購(gòu)買通用編程器這一步，而且速度較快、功耗低。

防盜和防小孩爬窗功能中的光電傳感器采用集發(fā)射和接收于一體的E18-D80NK-N傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，可有效避免可見光干擾透鏡的使用，能夠檢測(cè)80?cm內(nèi)的情況，價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便。

對(duì)于空氣質(zhì)量的檢測(cè)，結(jié)合當(dāng)今大家比較關(guān)注的有毒氣體污染和包括PM2.5在內(nèi)的粉塵污染，采用有害氣體和粉塵、PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)器相結(jié)合的傳感器。

MQ-2/MQ-2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在一氧化碳、甲烷等有害氣體時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大，傳感器可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào);PM2.5空氣質(zhì)量檢測(cè)器可以探測(cè)1?μm以上的粉塵粒子，使系統(tǒng)根據(jù)不同需要作出反應(yīng)。

對(duì)于濕度和溫度的檢測(cè)，則分別采用模擬輸出濕度傳感器模塊和DS18B20?數(shù)字溫度傳感器。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由12?V25GA370直流減速電機(jī)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，力矩大、噪聲小、質(zhì)量輕、功耗小，配以L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，能夠滿足帶動(dòng)窗戶的需求。

報(bào)警采用5?V有源單片機(jī)用蜂鳴器，功耗小、成本低。

整個(gè)硬件在能夠較好地實(shí)現(xiàn)功能的前提下，其成本可以控制在100元以下，具有很高的實(shí)用性。

3??智能設(shè)計(jì)

智能窗戶啟閉器要實(shí)現(xiàn)防盜、防小孩爬窗、防空氣污染、防室外高溫、防雨等基本功能，主要包括傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行器系統(tǒng)等子系統(tǒng);同時(shí)，啟閉器要實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)有平移式窗戶基礎(chǔ)上可拆卸的機(jī)械設(shè)計(jì)，成本較低。圖1所示為該啟閉器各模塊及其結(jié)構(gòu)原理圖。

圖1??智能窗戶啟閉器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

圖2??啟閉器工作流程圖

當(dāng)室外有小偷靠近或室內(nèi)小孩爬窗時(shí)，窗戶內(nèi)、外安置的紅外傳感器分別將信號(hào)傳輸至單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)與之相連的電機(jī)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)關(guān)窗，同時(shí)，蜂鳴器響起，LED燈閃亮，提醒人們檢查、處理;當(dāng)室外下雨、高溫、空氣質(zhì)量較差、有害氣體泄漏時(shí)，與之對(duì)應(yīng)的濕度傳感器、溫度傳感器、PM2.5煙霧傳感器、有害氣體傳感器會(huì)及時(shí)將信號(hào)傳輸給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開、關(guān)窗。一段時(shí)間后，如果各傳感器均沒有檢測(cè)到相應(yīng)問題，單片機(jī)控制窗戶重新開啟，以通風(fēng)換氣，改善室內(nèi)環(huán)境。圖2所示為智能窗戶啟閉器的工作流程圖。

該窗戶啟閉器采用了紅外、煙霧可燃?xì)怏w、溫度和濕度傳感器等多傳感器檢測(cè)，集防盜、防小孩爬窗、室外防濕、防高溫、防空氣污染等環(huán)境自適應(yīng)功能于一體，人性化程度高，可

以為用戶提供一個(gè)良好的室內(nèi)環(huán)境。

4??結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足方便在現(xiàn)有平移式窗戶上直接安裝使用的要求，智能窗戶啟閉器采用如下機(jī)械結(jié)構(gòu)：控制系統(tǒng)主體部分集成安裝在一塊系統(tǒng)板上，方便拆卸，將馬達(dá)電機(jī)連接的主動(dòng)輪固定在窗戶上邊框，兩個(gè)輕質(zhì)的定滑輪分別固定在下邊框兩底角處，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間通過質(zhì)量輕、韌度強(qiáng)的PE線連接，在需要控制移動(dòng)的平移式窗戶下端固連一定滑輪，連接在該P(yáng)E線上，馬達(dá)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)該扇窗戶左右移動(dòng)，達(dá)到開、關(guān)窗的目的。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)。

5??總結(jié)和展望

作為智能住宅的代表，國(guó)家在《2000年小康型城鄉(xiāng)住宅科技產(chǎn)業(yè)工程項(xiàng)目實(shí)施方案》中，將建設(shè)智能化小康示范小區(qū)列入國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展方向。智能窗戶作為智能家居中不可或缺的一環(huán)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2009年，我國(guó)窗戶消費(fèi)需求突破500億元，并且已安裝窗戶大多是普通推拉式窗戶。

本文針對(duì)普通推拉式窗戶設(shè)計(jì)了一種基于51單片機(jī)STC89C51的智能窗戶啟閉器，通過傳感器感知外界環(huán)境，進(jìn)而控制窗戶啟閉，實(shí)現(xiàn)智能化家居。結(jié)果表明，該啟閉器能夠初步完成預(yù)定的設(shè)計(jì)功能，具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于在現(xiàn)有窗戶上安裝的特點(diǎn)，可幫助普通家庭輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有窗戶的智能控制，具有很好的市場(chǎng)前景和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：劉曉芳〕

STC89C51?based?Microcontroller?Smart?Windows?Open?and?Close?Control

Wu?Xuesong，?Pan?Chongyu，?Niu?Yifeng

Abstract：?In?order?to?ensure?a?good?home?environment，?intelligent?control?of?ordinary?windows，?a?design?based?on?STC89C51?smart?windows?open?and?close?control.?The?perception?inside?through?the?windows?open?and?close，?moving?target?outside?the?windows?open?and?close?to?control，?prevent?children?climbing?out?of?windows，?and?the?thief?Fanchuang?burglary;?at?the?same?time，?opening?and?closing?through?the?perception?of?indoor?and?outdoor?temperature，?humidity?and?air?quality，?timely?open，?closing?a?window，?with?the?environment?adaptive?function.?The?hoist?is?mounted?on?the?basis?of?the?existing?windows?to?use，?easy?to?disassemble，?low?price，?with?good?market?prospects.

Key?words：?STC89C51?microcontroller;?the?windows?open?and?close?control;?environmental?monitoring;?intelligent?control