一種基于STC12C5A60S2的智能窗戶系統(tǒng)設(shè)計

李小敏 張翠玲 趙艷麗 劉凱

摘 要：為了給居民帶來安全、舒適、智能的居家環(huán)境，利用新型單片機和多種傳感器，設(shè)計一種智能窗戶系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2為控制芯片，采用溫濕度傳感器、雨滴檢測傳感器、光照傳感器、紅外傳感器等實時監(jiān)測室內(nèi)外環(huán)境情況，通過LCD實時顯示溫濕度值與光照強度值，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機，單片機發(fā)送控制指令，進而驅(qū)動步進電機模塊或蜂鳴器報警，以實現(xiàn)窗簾的自動開啟或關(guān)閉功能。調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，能滿足智能家居的基本需求。

關(guān)鍵詞：智能窗戶;紅外傳感器;蜂鳴器報警;數(shù)據(jù)監(jiān)測;系統(tǒng)設(shè)計;智能家居

中圖分類號：TP368.1文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）05-00-03

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展以及住房水平的不斷提高，智能家居已經(jīng)成為一個熱門話題。現(xiàn)代人對室內(nèi)窗戶的需求越來越注重智能、安全以及舒適。因為窗戶就如室內(nèi)的眼睛一般，是室內(nèi)與室外交互的重要通道。傳統(tǒng)的窗戶控制多半通過單純的人工推拉式或平移式來控制窗戶的開和關(guān)，且不能根據(jù)雨、光或溫濕度自動開合來適應(yīng)外部環(huán)境的變化，也不能根據(jù)室內(nèi)環(huán)境引起的火警自動打開窗戶，更不能根據(jù)夜間有不明物來自動報警。如果讓窗戶智能化，能夠根據(jù)外界環(huán)境實現(xiàn)自動開關(guān)，使得人們的生活質(zhì)量得到提高。

多功能智能窗戶控制系統(tǒng)集單片機、多傳感器以及報警電路等技術(shù)實現(xiàn)新型智能窗戶的設(shè)計，當(dāng)窗戶打開時，能夠根據(jù)居住生活所處的雨情、光線、火情、防盜等外界情況的變化做出自動控制窗戶的開合狀態(tài)[1-3]。遇到下雨時，自動關(guān)窗避免雨水濺入室內(nèi);檢測到光線不足時（默認晚上），自動關(guān)窗;檢測到室內(nèi)溫度過高，自動開窗，預(yù)防火災(zāi)發(fā)生;夜間檢測到有障礙物時，能夠自動報警。該智能窗戶具有智能化、人性化、時尚化等特點，給住戶提供一個舒適度高、便捷性好、安全性強的居住環(huán)境，提高人們的住宅生活質(zhì)量以及保障人們的生命財產(chǎn)安全[4]。

1 系統(tǒng)總體概述

智能窗戶控制系統(tǒng)以單片機為微控制器，外圍檢測電路是由雨滴檢測傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器等構(gòu)成的外部信息采集系統(tǒng)。此外，ULN2003步進電機構(gòu)成同步機械傳動系統(tǒng)[5]。通過外圍檢測電路將信息傳輸?shù)轿⒖刂破?，進而實現(xiàn)對窗戶的開關(guān)。系統(tǒng)利用液晶屏 LCD1602顯示光照強度值和溫濕度值，利用按鍵設(shè)定光照強度值和溫濕度值等參數(shù)值。智能窗戶控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

圖2為智能窗戶控制系統(tǒng)的電路原理圖。該系統(tǒng)由微控制模塊、感應(yīng)模塊、機械傳動模塊、顯示模塊以及報警模塊等組成。雨滴檢測傳感器、光照傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器構(gòu)成感應(yīng)模塊，用于檢測外部環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿⒖刂破鲉纹瑱C內(nèi)部，進而控制步進電機的自動轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)窗戶的開啟或關(guān)閉。

2.1 單片機系統(tǒng)模塊

智能窗戶控制系統(tǒng)以單片機STC12C5A60S2為主控芯片，是一種高效的具有較強的兼容性且廉價的微控制器[6-7]。該智能窗戶的控制系統(tǒng)由晶振電路、復(fù)位電路、電源構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，使得單片機可以實現(xiàn)操控和存儲。其中，晶振電路為單片機提供穩(wěn)定高效的時鐘脈沖信號，復(fù)位電路對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)清除，單片機一旦通電，則可以讓單片機復(fù)位，進而實現(xiàn)對智能窗戶的整體控制。

2.2 雨滴檢測模塊

雨滴檢測模塊采用YL-83 壓電式雨滴傳感器，用于檢測天氣的變化情況。將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，與微控制器實現(xiàn)信息之間的交互[8-9]。當(dāng)智能窗戶處于工作模式時，電源指示燈被點亮，通過電源指示燈的點亮情況判斷是否為雨天。若感應(yīng)板上沒有雨滴，DO引腳輸出高電平，開關(guān)指示燈熄滅;反之，開關(guān)指示燈點亮。雨滴傳感器選用超大面積的FR-04雙面材質(zhì)來監(jiān)測沖擊的雨滴數(shù)，使得監(jiān)測準(zhǔn)確度高，另外增設(shè)藍色按鈕可大大提高器件的靈敏度。為防止雨滴對加速器件的腐蝕，給FR-04表面均勻鍍鎳來減緩雨滴沖擊造成的氧化，從而延長器件的壽命。

2.3 光照檢測模塊

光照檢測模塊采用光照傳感器BH1750，即一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器[9-11]。內(nèi)置的PD感光模塊主要用來感應(yīng)光強，且PD感應(yīng)光強的范圍與人體肉眼探測的光強大致相同。通過I2C數(shù)據(jù)傳輸模擬信號協(xié)議，BH1750可以靈敏地檢測可見光的光源強度，直接采集光強，且以數(shù)據(jù)的形式呈現(xiàn)。通過外圍電路將電平傳輸?shù)絾纹瑱C進行處理以實現(xiàn)對智能窗戶的開啟。

2.4 溫濕度采集模塊

智能窗戶的溫濕度采集模塊采用奧松溫濕度傳感器DHT11來完成。溫濕度傳感器是集數(shù)字采集和溫濕度感應(yīng)識別于一體的傳感器，先將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字信號，然后傳送到控制中心單片機內(nèi)部[12-13]。若接收到的溫度或濕度高于設(shè)置的閾值時，則向單片機發(fā)送信號，單片機接收到信號后向步進電機發(fā)送開啟窗戶的指令;反之，單片機則發(fā)送關(guān)閉窗戶的指令以驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。溫濕度傳感器共有3個引腳，分別是VCC，DATA和GND。VCC引腳與負載電源正極連接，DATA引腳與微控制系統(tǒng)I/O口P3.7連接，GND接地。溫濕度傳感器與微控制系統(tǒng)通過單總線通信協(xié)議進行數(shù)字信號通信，微控制系統(tǒng)單片機遵循相應(yīng)的通信協(xié)議從溫濕度傳感器中接收數(shù)字信號。

2.5 紅外感知模塊

智能窗戶選用紅外傳感器E18-D80NK開關(guān)型器件來感知窗戶附近是否有物體通過，一旦檢測到有人想打開窗戶，并位于紅外傳感器的感應(yīng)區(qū)域內(nèi)，此時E18-D80NK就會立即發(fā)送信號給單片機，單片機處理后就會鎖定窗戶，同時蜂鳴器發(fā)出報警信號。因此，E18-D80NK在一定程度上發(fā)揮了安全報警的作用。

2.6 步進電機驅(qū)動模塊

智能窗戶控制系統(tǒng)選用ULN2003步進電機驅(qū)動控制步進電機正轉(zhuǎn)180°來模擬窗戶打開，反轉(zhuǎn)180°來模擬窗戶關(guān)閉。ULN2003有7對硅NPN達林頓，這7對達林頓與單片機連接控制I/O口，因此每一對達林頓與一個2.7 kΩ的基極電阻相連后才能與單片機相連。ULN2003芯片相當(dāng)于一個反相器，當(dāng)模塊從單片機中接收到低電平時，該芯片才輸出功率驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動;而當(dāng)模塊接收到高電平時不輸出功率，電機不轉(zhuǎn)動。因此，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 軟件設(shè)計

智能窗戶的軟件設(shè)計部分是基于Keil軟件，采用C語言進行編程，以單片機STC12C5A60S2為控制中心。通過各類傳感器檢測數(shù)據(jù)，被檢測的信息傳輸?shù)轿⒖刂破鲉纹瑱C中，進而控制步進電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)窗戶的自動開啟或關(guān)閉功能。整個系統(tǒng)的流程如圖3所示。首先系統(tǒng)進行初始化，然后處理器掃描參數(shù)設(shè)置按鍵是否按下，有按下就對光強、溫濕度參數(shù)進行設(shè)置，且掃描切換按鍵是否按下，當(dāng)按鍵切換第一次按下模擬窗戶打開，從雨滴傳感器檢測到雨滴自動關(guān)閉窗戶，光照傳感器檢測到光強并顯示，當(dāng)光照強數(shù)小于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)控制步進電機反轉(zhuǎn)180°，模擬窗戶關(guān)閉。當(dāng)按鍵第二次按下模擬窗戶關(guān)閉。從溫濕度傳感器采集溫濕度值，當(dāng)溫度值大于設(shè)定的溫度閾值時，系統(tǒng)模擬火警控制步進電機正轉(zhuǎn)180°，模擬開窗。從紅外傳感器中檢測是否有物體通過窗戶，如果檢測到有物體，系統(tǒng)立即啟動蜂鳴器來報警，提醒用戶，具有一定的防盜功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試

智能窗戶系統(tǒng)整體設(shè)計完畢后，進行功能測試。接通電源后，便可以對室外的溫度、濕度、光照強度、紅外檢測等進行測試，即結(jié)合各類傳感器及時采集室內(nèi)外的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并通過LCD1602液晶顯示器顯示。依照設(shè)定的指標(biāo)信息自動根據(jù)檢測的信息實現(xiàn)窗戶的自動開啟或關(guān)閉的功能，起到智能安全控制作用。

5 結(jié) 語

基于單片機的智能窗戶將單片機控制技術(shù)和傳感器識別技術(shù)有機地結(jié)合起來，通過溫濕度傳感器、雨滴檢測傳感器、光照傳感器以及紅外傳感器等對外部環(huán)境的變化生成相應(yīng)的高低電平信號，通過控制系統(tǒng)對步進電機操控，以實現(xiàn)窗戶的開啟狀態(tài)。測試結(jié)果表明，該智能窗戶控制系統(tǒng)具有安全、便捷、實用的特性，在智能家居領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。

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