基于單片機(jī)的智能窗戶

林臻 邢婷婷

摘 要：隨著智能家居迅速發(fā)展，各種智能設(shè)備呈百花齊放之態(tài)，人們對住宅要求也不斷提高，因此對住宅的安全性、智能性提出了更高的要求。傳統(tǒng)窗戶已經(jīng)不能很好地滿足人們對居住安全性的要求，為此本文提出一個基于單片機(jī)的智能窗戶。

關(guān)鍵詞：智能窗戶；單片機(jī)；溫度檢測；濕度檢測

0 引言

伴隨著生活質(zhì)量的不斷提高，人們開始進(jìn)一步追求智能化的產(chǎn)物，在這個大環(huán)境下促成了智能家居技術(shù)的誕生和發(fā)展，而智能窗戶也就由此誕生了。所謂的智能窗戶就是不同于傳統(tǒng)的窗戶，通過系統(tǒng)的控制它能夠?qū)崟r地保護(hù)人們生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。智能窗戶的控制系統(tǒng)集現(xiàn)代機(jī)、電、通訊于一體，以及對傳感器技術(shù)（Sensor technology）、現(xiàn)代通訊技術(shù)（Modern communication technology）、計(jì)算機(jī)技術(shù)（Computer technology）和自動控制技術(shù)（Automatic control technology）的綜合運(yùn)用。智能窗戶可以對眾多信息進(jìn)行采集，分析，傳輸以及控制，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時天氣環(huán)境的變化進(jìn)行相應(yīng)動作，是智能居家的理想選擇。

1 需求分析

智能家居的迅速發(fā)展使得我們的生活日新月異，越來越多的智能產(chǎn)品進(jìn)入我們的生活，通過對附近一些地區(qū)的調(diào)查得知，在發(fā)生威脅到人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全的時候，傳統(tǒng)的窗戶已經(jīng)不能夠完全滿足人們的相關(guān)需求[2]。智能窗戶能及時動作并通知相關(guān)人員，減少或避免險情的發(fā)生。

2 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)是一個智能窗戶，將單片機(jī)作為控制核心，并與各種傳感器相結(jié)合。該功能實(shí)現(xiàn)了當(dāng)外面下雨或吹大風(fēng)時，窗口可以自動關(guān)閉，當(dāng)檢測到可燃?xì)怏w時，窗口自動打開并發(fā)出警報(bào)聲[3]。當(dāng)傳感器檢測到窗外有物體靠近時，窗口自動關(guān)閉并發(fā)出警報(bào)以防止被盜。

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用基于STC89C52單片機(jī)的多功能智能窗口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的主要模塊包括：電機(jī)驅(qū)動模塊、快速溫濕度檢測模式、液晶顯示模塊、時鐘設(shè)計(jì)模塊、紅外檢測模塊、煙氣檢測模塊、GSM通信模塊和按鈕電路模塊[4]。智能窗戶系統(tǒng)將煙霧、氣體檢測模塊的優(yōu)先級確定為最高級。當(dāng)檢測到煙氣濃度超過所設(shè)最高值時，窗口自動打開，排氣扇將被激活，以確保人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。另外還增加了溫濕度傳感器，室內(nèi)實(shí)時檢測溫度，當(dāng)室內(nèi)的溫度過高時，單片機(jī)芯片控制窗戶和排氣扇打開，進(jìn)而達(dá)到降溫的目的。室外實(shí)時檢測濕度，當(dāng)室外下雨導(dǎo)致濕度過高時，單片機(jī)芯片控制窗戶以及排氣扇關(guān)閉。由于室內(nèi)和室外條件不同，濕度的檢測模塊的優(yōu)先級高于溫度的檢測模塊。

2.1.1 技術(shù)路線

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 電機(jī)驅(qū)動模塊

電源輸入端的電壓是否穩(wěn)定與相關(guān)元件的可靠性直接相關(guān)。本項(xiàng)目電源部分采用三端固定穩(wěn)壓器，實(shí)現(xiàn)±5V和±12V的三路直流穩(wěn)壓電源。其中STC89C52和LCD12864等電子元件所需電壓為+5V； 而集成運(yùn)放LM358所需電壓為±12V。直流電動機(jī)使用電動機(jī)電壓作為控制變量，使用位置或速度作為指令變量，采用連續(xù)移動的控制方式。直流電動機(jī)需要間接安裝的反饋控制系統(tǒng)來控制電動機(jī)的位置，適用于位置要求不高的場合。

2.2.2 溫濕度檢測模塊

該模塊使用DHT11數(shù)字溫度和濕度傳感器，這是一個溫度和濕度復(fù)合傳感器，帶有校準(zhǔn)的數(shù)字信號輸出。DHT11作為數(shù)字溫濕度傳感器，具有響應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高等諸多亮點(diǎn)。確保高可靠性和出色的長期穩(wěn)定性。

2.2.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊選擇LCD1602。LCD顯示模塊的顯示內(nèi)容為16*2，這意味著LCD模塊可以顯示2行，每行16個字符或數(shù)字。同時，當(dāng)前市場上大多數(shù)產(chǎn)品使用1602字符液晶模塊，因此它是一款廣泛且簡單，適用度高的的LCD顯示模塊。

2.2.4 時鐘設(shè)計(jì)模塊

該模塊通過單片機(jī)STC89C52控制串行實(shí)時時鐘芯片DS1302，實(shí)現(xiàn)定時功能。DS1302自身帶有備用電池 ，確保在電路斷電后保存時間和數(shù)據(jù)信息，這一點(diǎn)是計(jì)時功能所不能缺少的。

2.2.5 紅外檢測模塊

紅外探測模塊使用熱電紅外（PIR）傳感器，其通過人體發(fā)射的紅外線探測并輸出相應(yīng)的電信號。傳感器可以通過不接觸物體檢測紅外能量的變化，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號輸出。

2.2.6 煙霧、氣體檢測模塊

煙霧和氣體檢測模塊使用QM-N5半導(dǎo)體傳感

器[5]。QM-N5半導(dǎo)體傳感器具有靈敏度高、導(dǎo)電率變化大、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。其恢復(fù)時間短，抗干擾能力強(qiáng)，輸出信號大，使用壽命長，運(yùn)行穩(wěn)定。通過檢測到的氣體改變電阻值來實(shí)時檢測氣體。該傳感器適用于天然氣、燃?xì)?、氫氣、烷烴氣、汽油、煤油、乙炔、氨等，非常適合用于家中監(jiān)測各類可燃或有害氣體。

2.2.7 GSM通訊模塊

GSM模塊將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功率放大器等器件集成在一塊電路板上。模塊具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，GSM無線電處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口。該模塊可以以串口通信的方式與單片機(jī)進(jìn)行連接，當(dāng)檢測出險情時單片機(jī)通過該模塊以達(dá)到將用戶家中險情及時通知用戶的目的。

2.2.8 按鍵電路模塊

該模塊主要用于根據(jù)溫度和濕度條件以及設(shè)定時間設(shè)置開關(guān)窗口的時間以及是否打開窗口。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括主程序和子程序。主程序擁有眾多狀態(tài)選擇語句，其中在一次探測系統(tǒng)復(fù)位之后的環(huán)境數(shù)據(jù)是最主要的，檢測的內(nèi)容有煙霧、氣體的濃度，溫度、濕度等因素。傳感器將煙霧、氣體濃度，溫度、濕度等數(shù)據(jù)回傳時，單片機(jī)通過對應(yīng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生響應(yīng)并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。子程序控制電機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)智能窗口的切換。

2.3.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)打開后，系統(tǒng)初始化，主循環(huán)程序開始執(zhí)行。在主循環(huán)程序中，系統(tǒng)連續(xù)檢測或判斷某些終端121或標(biāo)志位，然后根據(jù)設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行控制。在執(zhí)行主循環(huán)程序期間，當(dāng)發(fā)生中斷時，程序轉(zhuǎn)移到中斷子程序，并且在執(zhí)行中斷處理之后，程序返回到主循環(huán)程序；當(dāng)被檢測數(shù)值達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的上下限值時，程序會轉(zhuǎn)入其對應(yīng)的子程序并開始執(zhí)行，執(zhí)行完畢后跳轉(zhuǎn)到原主程序位置繼續(xù)執(zhí)行。

2.3.2 子程序設(shè)計(jì)

煙霧、氣體檢測子程序，在檢測到煙霧、氣體的濃度超過了預(yù)警值時，報(bào)警器啟動，輸出通道的相應(yīng)的警示燈亮起，并且系統(tǒng)控制排氣扇打開。為了防止錯誤操作，子程序在檢測期間取煙氣濃度的平均數(shù)據(jù)，并適當(dāng)延遲報(bào)警。

溫濕度檢測模塊將溫度、濕度、校驗(yàn)位設(shè)為全局變量。主機(jī)拉低18ms，總線由上拉電阻拉高主機(jī)延時20 us，主機(jī)設(shè)為輸入，判斷從機(jī)響應(yīng)信號。接著判斷從機(jī)是否有低電平響應(yīng)信號，如不響應(yīng)則跳出，響應(yīng)則向下運(yùn)行。

顯示子程序設(shè)置LCD為16*2顯示，8位數(shù)據(jù)接口，數(shù)據(jù)指針設(shè)置為第一行第一位。第一行為一個16字符固定顯示，用于顯示實(shí)時溫濕度，第二行為16字符滾動顯示，用于顯示險情相關(guān)信息。顯示模塊采用的是1602指針右移的基礎(chǔ)命令而不是整屏右移命令。

3 結(jié)論

由于電路的集成以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，一些傳統(tǒng)的東西正在慢慢地被智能化的東西所取代。單片機(jī)作為智能家居的核心部件，由于其高性價比而得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，從而加速了智能家居的發(fā)展。本設(shè)計(jì)主要介紹了基于單片機(jī)的智能窗戶設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)從硬件部分和軟件部分實(shí)現(xiàn)了對煙霧、氣體濃度、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)的檢測，并通過對采集數(shù)據(jù)的分析使系統(tǒng)做出相應(yīng)的處理動作。但是由于客觀條件和時間的限制，本課題的研究還存在很多不足，很多方面需要進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)：

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