基于ATmega328單片機(jī)的智慧窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

沈明秀 孫艷萍

摘 要：本文設(shè)計(jì)一種基于ATmega328單片機(jī)控制的智慧窗系統(tǒng)，提出了硬件與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)通過(guò)各監(jiān)測(cè)傳感器模塊對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，經(jīng)由單片機(jī)將信號(hào)分析和處理，來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的智能控制，也可用手機(jī)APP進(jìn)行手動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī) ATmega328 傳感器 智慧窗系統(tǒng)

引言

2012年頒布的《智能制造裝備產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》將智能制造裝備明確定義為“具有感知、決策、執(zhí)行功能的各類制造裝備的統(tǒng)稱”。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，當(dāng)今世界建筑也正朝著智慧化方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢(shì)也正是人類社會(huì)的文明程度在一定歷史時(shí)期的體現(xiàn)。智慧家居系列產(chǎn)品正慢慢進(jìn)入人們的生活，智能窗簾逐漸走入人們的視野。然而，目前傳統(tǒng)的窗簾多為手動(dòng)式，而自動(dòng)窗簾大多只能實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的檢測(cè)。隨著科技的進(jìn)步，嵌入式技術(shù)已成功應(yīng)用在社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中，使用嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)專用功能的控制系統(tǒng)已成為現(xiàn)實(shí)。

本設(shè)計(jì)提出了一種基于ATmega328單片機(jī)的智慧窗系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用各種傳感器對(duì)周圍環(huán)境的濕度、溫度、可燃?xì)怏w、窗外是否有人等因素進(jìn)行信號(hào)采集并傳人單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，發(fā)出動(dòng)作指令，控制步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行開、關(guān)窗動(dòng)作，通過(guò)開關(guān)窗戶等調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)，從而保證舒適的家居環(huán)境。

1 智慧窗系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智慧窗系統(tǒng)由電子系統(tǒng)、軟件部分（相應(yīng)程序）以及機(jī)械部分組成。電子系統(tǒng)包括傳感器、單片機(jī)、揚(yáng)聲器、顯示屏、電機(jī)以及其他輔助電路組成；軟件部分主要通過(guò)Linkboy圖形化編程軟件與Arduino庫(kù)編程軟件相結(jié)合進(jìn)行編程；機(jī)械部分可根據(jù)實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行相關(guān)的具體設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)充分融合了單片機(jī)、多傳感器技術(shù)，綜合運(yùn)用軟件編程技術(shù)，電路設(shè)計(jì)技術(shù)，智能控制技術(shù)等，利用掃描的方式，對(duì)可燃?xì)怏w、雨雪天氣、室內(nèi)溫度、室外濕度等元素進(jìn)行分別檢測(cè)，檢測(cè)完成后將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)各個(gè)元素所傳遞的信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)窗戶開關(guān)的如下控制功能。

（1）當(dāng)濕度檢測(cè)器檢測(cè)到下雨時(shí)，可立即自動(dòng)判斷風(fēng)雨大小來(lái)進(jìn)行自動(dòng)開關(guān)窗戶，防止雨水進(jìn)入室內(nèi)損壞室內(nèi)物品和家具。

（2）當(dāng)氣體傳感器檢測(cè)到室內(nèi)有可燃?xì)怏w或煙霧超過(guò)設(shè)定濃度時(shí)，語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行報(bào)警來(lái)提醒主人危險(xiǎn)存在并打開窗戶，系統(tǒng)自動(dòng)打開排氣風(fēng)扇。

（3）當(dāng)紅外檢測(cè)器檢測(cè)到有人駐留窗外時(shí)，窗口將立即關(guān)閉并打開報(bào)警裝置發(fā)出高分貝聲音報(bào)警。

（4）當(dāng)室內(nèi)溫濕度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，可以打開窗戶通風(fēng)換氣，保持室內(nèi)空氣新鮮。

（5） 電源應(yīng)急功能，家里停電或發(fā)生意外斷電時(shí)自動(dòng)窗戶可正常工作8～12小時(shí)。

該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖。

2 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 最小化硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小化系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器、處理器構(gòu)成。由于本次設(shè)計(jì)直接用arduinonano（處理器采用ATmega328）開發(fā)板，所以已經(jīng)自帶最小化硬件系統(tǒng)arduinonano開發(fā)板如圖2、圖3所示。

2.2 氣體傳感器

氣體傳感器選用MQ-2和MQ-7，可以探測(cè)到各種可燃?xì)怏w，液化石油氣（丙烷）和一氧化碳?xì)怏w。該傳感器所使用的氣敏材料是清潔空氣中空氣的低導(dǎo)電性。當(dāng)檢測(cè)氣體存在于傳感器的環(huán)境中，傳感器的導(dǎo)電性隨著空氣中有害氣體濃度的增加而增加。一個(gè)簡(jiǎn)單的電路可以用來(lái)將傳導(dǎo)性的變化轉(zhuǎn)換成與氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。氣體傳感器由四個(gè)引腳分別為VCC接電源正極，GND接電源負(fù)極，AO模擬輸出口，DO數(shù)字輸出口。由于控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)室內(nèi)氣體濃度，所以氣體傳感器輸出給系統(tǒng)的應(yīng)該是模擬信號(hào)，模擬信號(hào)需要處理器通過(guò)AD轉(zhuǎn)化后再得到數(shù)字信號(hào)，所以AO口必須接到處理器AD轉(zhuǎn)化口。通過(guò)Altium Designer 16軟件繪制得到如圖4所示的氣體傳感器電路原理圖。

2.3 溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫度和濕度傳感器是一種復(fù)合傳感器，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出溫度和濕度，專用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫度和濕度傳感器技術(shù)，確保產(chǎn)品具有很高的可靠性和良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個(gè)電阻傳感元件和一個(gè)NTC溫度測(cè)量元件，它與高性能的8位單片機(jī)相連，該產(chǎn)品具有高質(zhì)量、快速響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高的特點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極其精確的濕度校準(zhǔn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)是以程序的形式存在的。在OTP存儲(chǔ)器中，在傳感器內(nèi)部檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中調(diào)用了校準(zhǔn)系數(shù)。單線串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)單和快速。超小尺寸和低功耗使其成為應(yīng)用的最佳選擇。產(chǎn)品為4針單排銷，方便連接。

根據(jù)DHT11溫濕度傳感器的主要特性通過(guò)Altium Designer 16軟件設(shè)計(jì)得到如圖5所示的溫濕度傳感器電路原理圖，其中DHT11溫濕度傳感器的DATA引腳接處理器輸入輸出引腳。

2.4 紅外遙控傳感器

紅外遙控是一種比較廉價(jià)的近距離遙控方式。它由發(fā)射模塊和接收模塊兩部分組成，編碼格式有脈沖寬度調(diào)制和脈沖相位調(diào)制兩大類。本節(jié)設(shè)計(jì)不考慮發(fā)射模塊而只研究接收端的解碼，本例以比較容易的脈沖寬度調(diào)制來(lái)介紹解碼原理。

發(fā)射端數(shù)據(jù)的編碼：當(dāng)我們按下遙控器后，遙控器發(fā)出一幀數(shù)據(jù)。這一幀數(shù)據(jù)由前導(dǎo)碼、用戶碼高8位、用戶碼低8位、數(shù)據(jù)碼、數(shù)據(jù)反碼組成。其中前導(dǎo)碼為9ms高電平接著4.5ms低電平，標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始；用戶碼（共16位）為紅外接收器識(shí)別遙控器的身份的標(biāo)志，不同的遙控器一般用戶碼不同，以防止不同電器設(shè)備之間遙控碼的干擾；數(shù)據(jù)碼為紅外接收器識(shí)別遙控器上不同的按鍵的標(biāo)志，對(duì)同一遙控器來(lái)說(shuō)，按不同的鍵所發(fā)出的二進(jìn)制編碼具有相同的用戶碼，不同的數(shù)據(jù)碼。

通過(guò)Altium Designer 16設(shè)計(jì)出如圖6所示的紅外遙控接收頭電路原理圖，其中紅外遙控接收頭的INT0引腳必須接到處理器D1或D1引腳。

2.5 語(yǔ)音播報(bào)傳感器

SYN6288中文語(yǔ)音合成芯片是北京宇銀世界科技有限公司于2010年初推出的高端語(yǔ)音合成芯片。通過(guò)異步串行端口（UART）通信方法，接收合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音（或TTS語(yǔ)音）。語(yǔ)音播報(bào)電路原理圖如圖7所示。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件部分主要通過(guò)Linkboy圖形化編程軟件與Arduino庫(kù)編程軟件相結(jié)合進(jìn)行編程。開機(jī)后，系統(tǒng)初始化，監(jiān)聽端口，傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)，判斷是否達(dá)到開窗要求，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，利用單片機(jī)對(duì)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較和判斷，來(lái)控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)作，從而智能控制窗戶的開關(guān)狀態(tài)，程序流程如圖8所示。

4 應(yīng)用實(shí)施

智慧窗系統(tǒng)較常應(yīng)用于一般的民用智能窗設(shè)計(jì)工程中，其能夠在一般的家庭常見窗戶基礎(chǔ)上予以升級(jí)改造，且改造結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡(jiǎn)便，性能穩(wěn)定、成木低廉，較適合于一般的家庭用戶。同時(shí)在這一基礎(chǔ)之上，還可依據(jù)客戶的實(shí)際需求，做一些個(gè)性化的功能設(shè)計(jì)。以下是基于本文做的實(shí)際應(yīng)用。安裝示意圖和集成電路圖如圖9、圖10所示。

5 結(jié)語(yǔ)

智能化是人們生活發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)的智慧窗系統(tǒng)是以ATmega328單片機(jī)為核心，結(jié)合紅外傳感器、溫濕度傳感器、可燃性氣體和煙霧傳感器、蜂鳴器、液晶顯示器和步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)而成，集聲、光、機(jī)、電等技術(shù)于一體，自動(dòng)化程度高，具有自動(dòng)防雨、防盜、防可燃?xì)怏w等功能，且成本較低、可靠性高、操作方便，具有較高的經(jīng)濟(jì)與應(yīng)用價(jià)值。

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◇責(zé)任編輯 趙麗斌◇