基于單片機(jī)的智能窗遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王一平 李夢(mèng)達(dá) 李遷 黃天虎

摘要：在智能化愈發(fā)“流行”的時(shí)代，人們趨向于各種智能化家居，現(xiàn)結(jié)合單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)與遠(yuǎn)程控制技術(shù)，本文設(shè)計(jì)一種新型智能窗遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，提出了硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該控制系統(tǒng)采用低功耗的單片機(jī)AT89S52作為主體控制中心，輔以多種傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外環(huán)境并發(fā)送信號(hào)，由單片機(jī)AT89S52處理信號(hào)并根據(jù)信號(hào)結(jié)果通過控制步進(jìn)電機(jī)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的智能控制。

Abstract： In the era of more and more "popular" intellectualization， people tend to all kinds of intellectualized households. This paper designs a new type of intelligent window remote control system， which combines single-chip technology， sensor technology and remote control technology， and puts forward the design scheme of hardware and software system. The control system uses AT89S52， a low-power single-chip computer， as the main control center， assisted by a variety of sensors to monitor the indoor and outdoor environment in real time and send signals. The signal is processed by AT89S52， and the intelligent control of windows is realized by controlling stepper motors according to the results of signals.

關(guān)鍵詞：單片機(jī);控制系統(tǒng);智能窗;遠(yuǎn)程控制

Key words： single chip microcomputer;control system;intelligent window;remote control

中圖分類號(hào)：TP271+.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）18-0131-03

0? 引言

隨著當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人民的生活水平和質(zhì)量普遍提高，因而人們對(duì)于高品質(zhì)的生活質(zhì)量以及智能化的家居控制系統(tǒng)也愈發(fā)關(guān)注，從而“智能”這個(gè)概念，也愈發(fā)深入人心。與此同時(shí)，隨著科學(xué)技術(shù)、生產(chǎn)條件、生活水平的改善和提高，建筑結(jié)構(gòu)的封閉化室內(nèi)辦公人員的增加，室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究吸引了越來越多人的關(guān)注。當(dāng)今社會(huì)隨著人口數(shù)量的增加和人群密集程度增高，工業(yè)化的迅速發(fā)展，環(huán)境惡化程度進(jìn)一步加深，空氣質(zhì)量日漸下降，空氣污染及呼吸道問題已經(jīng)成為國民疾病的主要?dú)⑹种?，保證良好的通風(fēng)透氣是保持呼吸健康的必要保證。室內(nèi)一旦突發(fā)的煤氣天然氣等有毒氣體泄漏事件就急需及時(shí)開窗通風(fēng)透氣，避免發(fā)生更大的事故。社會(huì)的發(fā)展同時(shí)不可避免地提高了人們工作時(shí)間的占比，因此而經(jīng)常會(huì)無法顧及到家中的情況。早晨出門上班時(shí)開窗給房子通風(fēng)透氣，但是在梅雨季節(jié)經(jīng)常下雨，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)被雨打濕的情況但是房主在外工作無法及時(shí)關(guān)窗，造成非常大的困擾。而此項(xiàng)目就是致力于解決此類問題，從而提高我們的健康生活質(zhì)量水平。

通過窗戶系統(tǒng)化、智能化以及空氣質(zhì)量檢測(cè)所得出的具體數(shù)據(jù)，比較室內(nèi)外的空氣質(zhì)量，以及結(jié)合使用者的生活習(xí)慣，對(duì)窗戶進(jìn)行自動(dòng)化管理，同時(shí)也能通過遠(yuǎn)程控制，完成效果最佳的室內(nèi)通風(fēng)換氣的過程，減少對(duì)生活在封閉空間人們的健康造成的威脅，為我們營造更加健康舒適的環(huán)境，同時(shí)也給繁忙的都市人，帶來更多的方便。

1? 總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

該智能窗控制系統(tǒng)是采用低功耗的AT89S52單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心運(yùn)算器件，通過接受數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部系統(tǒng)處理，再轉(zhuǎn)入主控電路模塊，存儲(chǔ)和發(fā)出控制信號(hào)，來控制可編程控制模塊，而儲(chǔ)存信號(hào)的同時(shí)反饋給PC機(jī)，然后在液晶顯示板顯示數(shù)據(jù)或者空氣污染度曲線，當(dāng)污染度達(dá)到限定要求，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行窗戶的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到生活所要求的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)點(diǎn)。并且能夠通過無線模塊實(shí)時(shí)對(duì)家中的空氣質(zhì)量進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及控制。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]

單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89C52芯片、晶振電路和復(fù)位電路組成如圖2所示。

本系統(tǒng)采用的時(shí)鐘方式為AT89C52芯片內(nèi)部時(shí)鐘方式，內(nèi)部時(shí)鐘方式具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開始正常工作。

2.2 雨滴傳感器模塊

雨滴傳感器模塊使用寬電壓LM393比較器[3]，有兩種輸出形式：數(shù)字開關(guān)量輸出（0和1）和模擬量A0電壓輸出。接上5V電源，電源指示燈亮，當(dāng)下雨時(shí)D0輸出為低電平，開關(guān)指示燈亮;當(dāng)無雨時(shí)D0輸出為高電平，開關(guān)指示燈滅。A0模擬輸出連接單片機(jī)AD口檢測(cè)雨量大小，經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)窗戶的開合。

2.3 光電開關(guān)傳感器模塊

光電傳感器模塊所采用的光電開關(guān)為漫反射型，當(dāng)光電開關(guān)的光源發(fā)射光束時(shí)，接受的部分產(chǎn)生漫反射，發(fā)射器和接收器各自在窗戶的兩端構(gòu)成單個(gè)的標(biāo)準(zhǔn)部件，當(dāng)接收器反射足夠的光返回到接收器時(shí)，開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化。窗戶軌道上有異物，漫反射型光電傳感器輸出低電平，經(jīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后控制電機(jī)停轉(zhuǎn)從而保護(hù)電機(jī);軌道無異物，漫反射型光電傳感器輸出高電平，單片機(jī)控制電機(jī)正常運(yùn)行。

2.4 室內(nèi)有毒氣體檢測(cè)模塊

從而通過控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來控制窗戶開合。

2.5 光學(xué)灰塵傳感器模塊

光學(xué)灰塵模塊傳感器模塊采用的是PM2.5傳感器GP2Y1014AU，光學(xué)灰塵傳感器是常見的空氣凈化系統(tǒng)的重要部分，其高效性在檢測(cè)類似于PM2.5等微小顆粒是非常明顯的。在光學(xué)灰塵傳感器裝置中，對(duì)角放置一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)光電晶體管，可以檢測(cè)到空氣中微小顆粒的反射光。該傳感器具有低消耗的特點(diǎn)，可以搭載7VDC的傳感器。其輸出的是一個(gè)模擬電壓正比于所測(cè)得的微小顆粒的濃度，PM2.5濃度越高電壓越高，當(dāng)PM2.5的值高于24小時(shí)平均濃度小于75微克/立方米，單片機(jī)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶。

2.6 遠(yuǎn)程控制模塊

遠(yuǎn)程控制模塊使用LK-802C聯(lián)控單路遠(yuǎn)程WIFI開關(guān)，該開關(guān)支持自鎖、電動(dòng)以及遙控的功能。通過手機(jī)APP可以遠(yuǎn)程控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止功能。本模塊優(yōu)勢(shì)：采用WiFi作為控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)控制的自由性;可通過手機(jī)APP自由切換開關(guān)模式：自鎖點(diǎn)動(dòng)互鎖;控制電路和驅(qū)動(dòng)電路高度隔離，最大限度減少了交流高壓對(duì)控制電路的干擾，提高控制精度。

2.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

此步進(jìn)電機(jī)[4]驅(qū)動(dòng)器有6個(gè)輸入端，可方便地接成共陽或共陰的輸入形式，輸入脈沖的電平是5V，若是12V電平脈沖則要串一個(gè)1K的電阻，若是24V電平脈沖則串一個(gè)2.4K電阻;CLK有脈沖信號(hào)是電機(jī)運(yùn)行，無脈沖信號(hào)時(shí)自動(dòng)進(jìn)入所設(shè)定的半流狀態(tài)，鎖定電機(jī);CW低電平或懸空時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，高電平時(shí)反轉(zhuǎn);EN低電平或懸空時(shí)為工作狀態(tài)，高電平時(shí)為脫機(jī)狀態(tài)。

2.8 顯示器模塊

選用LCD2004顯示屏作為顯示模塊，滿足了智能窗可視化要求。LCD2004具有三大優(yōu)勢(shì)：體積小安裝方便;低功耗帶來的是更低的能源消耗;顯示內(nèi)容豐富可滿足智能窗數(shù)據(jù)顯示要求。LCD2004采用標(biāo)準(zhǔn)的20腳接口，顯示內(nèi)容為20字符*4行，字符點(diǎn)陣：5*8點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電壓為5V并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光。

LCD2004具體連接線路圖如圖4所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用Keil作為編譯軟件，Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用C語言編寫方法，相較于匯編，C語言在功能、可讀性、結(jié)構(gòu)性、維護(hù)性上更具有優(yōu)勢(shì)。軟件編寫的整體思路是將系統(tǒng)按功能模塊化劃分為六個(gè)部分，分別是檢測(cè)值發(fā)送模塊、上位機(jī)模塊、上位機(jī)接口模塊、手持機(jī)（數(shù)據(jù)）模塊、手持機(jī)（質(zhì)量）模塊、執(zhí)行控制模塊。然后根據(jù)六個(gè)不同的模塊要實(shí)現(xiàn)的功能寫各個(gè)子程序。圖5為系統(tǒng)流程圖。

4? 結(jié)語

該系統(tǒng)選用的單片機(jī)為52增強(qiáng)型，相比之于51型功能更為強(qiáng)大，ROM和RAM的存儲(chǔ)空間更為大，同時(shí)具有較高的性價(jià)比以及較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠更加準(zhǔn)確的完成對(duì)室內(nèi)空氣數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)處理工作。同時(shí)基于單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，硬件與軟件能夠結(jié)合在一起，達(dá)到了簡化電路的效果，同時(shí)也節(jié)約了成本。同時(shí)該系統(tǒng)還有很強(qiáng)的延展性，它使得相互獨(dú)立的家居更加智能化，人性化。

參考文獻(xiàn)：

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[4]周云聰.基于AT89C51 單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2019，01.