基于單片機(jī)的智能窗設(shè)計(jì)

王莉 唐鴻儒

摘 ?要： 追求生活的舒適度促使智能家居的出現(xiàn)，簡(jiǎn)單、方便的智能窗具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值，因此，文中設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的智能窗系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，采用LCD顯示器作為顯示屏幕，使用按鍵設(shè)置溫濕度與光照及PM2.5的上下限值，同時(shí)系統(tǒng)能夠通過WiFi模塊把采集到的溫濕度以及光照強(qiáng)度值和PM2.5值發(fā)送到計(jì)算機(jī)，在LabVIEW上位機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示出來。調(diào)試和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該智能窗能夠根據(jù)環(huán)境參數(shù)變化自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)開關(guān)窗戶，效果良好。

關(guān)鍵詞： 智能窗; 單片機(jī); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 遠(yuǎn)程通信; 實(shí)時(shí)顯示; 調(diào)試程序

中圖分類號(hào)： TN915?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0130?03

Abstract： The pursuit of the life comfort promotes the emergence of smart home， for which the simple and convenient intelligent window has important research significance and practical value. An intelligent window system based on SCM is designed. In this system， the SCM is used as the control core， the LCD display is applied as the display screen， and the key is used to set the upper and lower limits of temperature?humidity， illumination intensity and PM2.5. Meanwhile， the system can send the collected temperature?humidity， illumination intensity and PM2.5 values to the computer through the WiFi module， and display them on the upper computer interface of LabVIEW in real time. The debugging and experiment results show that the intelligent window can automatically drive the motor to open or close the window according to the change of environment parameters， and has a good effect.

Keywords： intelligent window; SCM; system design; remote communication; real?time display; debugging program

0 ?引 ?言

科技改變?nèi)祟惖纳?，現(xiàn)代社會(huì)的高速發(fā)展促使人們追求更加舒適便捷的生活，因此誕生了各式各樣的與生活相關(guān)智能化家居。20世紀(jì)80年代末，美國出現(xiàn)了一種對(duì)住宅中各種通信、家電、安保設(shè)備等通過總線技術(shù)進(jìn)行監(jiān)視、控制與管理的商用系統(tǒng)，這個(gè)商用系統(tǒng)就是智能家居最早的原型。隨后由于環(huán)保、節(jié)能等日益受到重視，能源的合理利用，節(jié)能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研制，早期應(yīng)用于采光系統(tǒng)的智能窗被提出來，隨著科技不斷發(fā)展，適應(yīng)于各方面的智能窗被廣泛設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，例如日本的三菱、德國的HOPPE、韓國的LG等均有著成熟的自動(dòng)化窗體產(chǎn)業(yè)[1?2]。市場(chǎng)上多數(shù)的智能窗基于外界環(huán)境的好壞，即是否晴天、光照是否充足等，未曾考慮空氣質(zhì)量，近幾年我國對(duì)PM2.5極其關(guān)注，因此通過檢測(cè)室外PM2.5的高低來決定是否開關(guān)窗戶是新的考慮因素。本文研究的智能窗主要通過檢測(cè)室外的光照強(qiáng)度、濕度以及PM2.5值來判斷是否開關(guān)窗戶，同時(shí)該系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉氖彝鉁貪穸?、光照?qiáng)度、PM2.5值等數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，采用LabVIEW進(jìn)行顯示監(jiān)控。

1 ?系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。下位機(jī)采用單片機(jī)STC12C5A60S2作為控制芯片[3?11]，系統(tǒng)通過DHT11采集溫濕度，通過光敏電阻采集光照強(qiáng)度，通過粉塵傳感器采集PM2.5濃度。采集的光照強(qiáng)度與PM2.5濃度通過單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，接著通過對(duì)電壓值與其對(duì)應(yīng)的數(shù)值的擬合曲線計(jì)算得到具體的數(shù)值，然后在LCD1602上顯示并且通過串口發(fā)送將采集到的數(shù)值上傳到上位機(jī)[12]。通過上位機(jī)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視室外的環(huán)境參數(shù)。設(shè)計(jì)三個(gè)按鈕能夠設(shè)置濕度、光照強(qiáng)度值及PM2.5的上下限，例如當(dāng)光照高于設(shè)置的閾值時(shí)，1號(hào)電機(jī)正轉(zhuǎn)開啟窗戶，當(dāng)光照低于設(shè)置的閾值時(shí)1號(hào)電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文硬件方面主要由如下4個(gè)部分組成：

1） 數(shù)據(jù)采集與顯示部分由傳感器和顯示器組成，包括DHT11、光敏電阻傳感器、紅外傳感器、粉塵傳感器及LCD1602等;

2） 數(shù)據(jù)發(fā)送與上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示部分由WiFi模塊及上位機(jī)構(gòu)成;

3） 執(zhí)行動(dòng)作部分由步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等組成;

4） 電源模塊包含一個(gè)插口用來接入5 V電源以及一個(gè)LM1117模塊，將5 V電壓降為3.3 V。

使用Altium Designer 軟件畫出電路圖如圖2所示，包括：溫濕度采集電路、粉塵濃度采集電路、光照采集電路、按鍵電路、電源部分、LCD顯示電路、系統(tǒng)復(fù)位電路、5 V/3.3 V電路、報(bào)警電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等部分。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制部分的軟件由7部分組成，包括：主程序、溫濕度采集、光照強(qiáng)度采集、紅外檢測(cè)、顯示、A/D轉(zhuǎn)換以及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)等。所有的功能函數(shù)都寫成子程序，在主程序中調(diào)用相應(yīng)的子程序?qū)崿F(xiàn)具體功能。系統(tǒng)主程序流程框圖如圖3所示。

子程序的設(shè)計(jì)過程基本相似，一般先畫出程序框圖，根據(jù)功能按照框圖搭建程序框架，接著往框架里填內(nèi)容，最后調(diào)試修改程序。例如，按鍵模塊程序流程框圖如圖4所示，共有三個(gè)按鍵：第一個(gè)按鍵第一次按下就進(jìn)入設(shè)置閾值界面，按下第二次則跳到濕度下限位置，按下第三次就跳到光照上限位置，以此類推，最后一次按下就返回至正常顯示界面;第二個(gè)按鍵用來加數(shù);第三個(gè)按鍵用來減數(shù)。

4 ?調(diào)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 ?調(diào)試過程

先在開發(fā)板上測(cè)試各個(gè)模塊是否能正確使用，然后設(shè)計(jì)各部分電路連接。焊接電路板時(shí)用電壓表測(cè)電路板焊接是否存在虛焊、斷點(diǎn)等問題。調(diào)試程序問題時(shí)可以用排除法排除各個(gè)可能出現(xiàn)問題的地方。

4.2 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果

制作完成的下位機(jī)硬件實(shí)物如圖5所示。下位機(jī)負(fù)責(zé)溫濕度、PM2.5、光照強(qiáng)度的采集、顯示，以及設(shè)置以上參量的閾值和過限報(bào)警。

上位機(jī)通過虛擬儀器編程語言LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過WiFi模塊接收下位機(jī)發(fā)送過來的溫濕度、PM2.5和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并形成溫濕度等參量的實(shí)時(shí)變化曲線[12]，其前面板如圖6所示。

5 ?結(jié) ?語

科技服務(wù)人類，而家居是人們生活、休息的場(chǎng)所，可以說是重中之重。在未來的生活中，智能家居會(huì)逐漸替代傳統(tǒng)的生活家居，在這種情況下方便靈活、功能眾多的智能窗就有著廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)范圍。未來的智能窗市場(chǎng)將由質(zhì)量與創(chuàng)新決定，只有具備開拓性思維，對(duì)智能窗的功能和性能進(jìn)行創(chuàng)新和嘗試，并在傳統(tǒng)門窗中加入人工智能的科技性，才能夠吸引廣大消費(fèi)者人群，才能夠主導(dǎo)市場(chǎng)，在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)有利地位。

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