單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中的智能窗戶(hù)設(shè)計(jì)

崔承毅，陳 景，高慶華，劉小雨，王開(kāi)宇

（1. 大連理工大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 大連 116023；2. 大連理工大學(xué) 電信學(xué)部，遼寧 大連 116023）

在“大眾創(chuàng)新，萬(wàn)眾創(chuàng)業(yè)”的大背景下，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要更好地服務(wù)于學(xué)生，就需要緊密聯(lián)系當(dāng)前的應(yīng)用熱點(diǎn)，不斷將工程實(shí)踐項(xiàng)目引入到實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識(shí)[1-3]。

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，智能家居系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了人們的日常生活[4-6]。智能窗戶(hù)是智能家居的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，通過(guò)傳感器檢測(cè)，智能窗戶(hù)可以有效地感知“下雨”、PM2.5 濃度、溫度等環(huán)境參數(shù)的變化，并根據(jù)環(huán)境的變化自動(dòng)關(guān)閉或打開(kāi)窗戶(hù)，在保持室內(nèi)空氣清新的同時(shí)，有效地杜絕雨水、霧霾等造成的侵害[7-8]。為了緊密聯(lián)系工程實(shí)際，提高教學(xué)質(zhì)量，將智能窗戶(hù)綜合設(shè)計(jì)實(shí)踐項(xiàng)目引入到單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)生活中的具體應(yīng)用案例，學(xué)以致用，在提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣的同時(shí)，發(fā)揮學(xué)生主動(dòng)性，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能窗戶(hù)控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，單片機(jī)可以選擇 IAP15W4K58S4 或 STM32；傳感器包括雨滴檢測(cè)傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5 傳感器等；無(wú)線(xiàn)通信選擇藍(lán)牙；顯示模塊使用 LCD1602 或 LCD12864等；通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制推窗器的打開(kāi)和閉合。控制方式可通過(guò)手機(jī)App 無(wú)線(xiàn)控制和觸摸屏控制，也可以通過(guò)雨滴檢測(cè)等自動(dòng)關(guān)閉窗戶(hù)，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

2 智能窗戶(hù)功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

智能窗戶(hù)的打開(kāi)和關(guān)閉通過(guò)推窗器控制，其核心器件為電機(jī)，自帶過(guò)流保護(hù)裝置，在窗戶(hù)完全打開(kāi)或閉合時(shí)，自動(dòng)停止運(yùn)行，實(shí)物如圖2 所示。

圖2 推窗器控制的智能窗戶(hù)

推窗器的驅(qū)動(dòng)使用大功率H 橋驅(qū)動(dòng)模塊，其H 橋示意圖如圖 3 所示。單片機(jī)的控制引腳通過(guò)輸入端IN1、IN2、IN3、IN4 實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)、停止控制。當(dāng)IN1、IN4 為高電平，IN2、IN3 為低電平時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，推窗器打開(kāi)窗戶(hù)；當(dāng) IN1、IN4 為低電平，IN2、IN3 為高電平時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，推窗器關(guān)閉窗戶(hù)；IN1、IN2 或IN3、IN4 同時(shí)為高電平，其他輸入為低電平時(shí)，為停止?fàn)顟B(tài)；IN1、IN3 或IN2、IN4不能同時(shí)為高，否則將燒毀H 橋電路。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖

2.2 雨滴檢測(cè)傳感器

下雨時(shí)，智能窗戶(hù)的雨滴傳感器可以有效解決雨天忘記關(guān)窗的問(wèn)題，其原理圖如圖4 所示。

圖4 雨滴傳感器原理圖

傳感器的感知部分為互不導(dǎo)通的導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)，當(dāng)沒(méi)有雨時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)處于斷路狀態(tài)，三極管 Q1 無(wú)法導(dǎo)通，傳感器輸出為低電平；當(dāng)雨滴落在導(dǎo)線(xiàn)網(wǎng)上，導(dǎo)致電路短路，三級(jí)管Q1 導(dǎo)通，傳感器輸出為高電平。MCU通過(guò)檢測(cè)雨滴傳感器的電平來(lái)判斷下雨?duì)顟B(tài)，并根據(jù)電平變化，控制推窗器關(guān)閉或打開(kāi)窗戶(hù)。

2.3 PM2.5 檢測(cè)

近年來(lái)，霧霾的危害越來(lái)越受到人們的重視。智能窗戶(hù)具有PM2.5 檢測(cè)功能，可以在PM2.5 濃度過(guò)高時(shí)自動(dòng)將窗戶(hù)關(guān)閉，從而減小霧霾對(duì)人們健康造成的傷害。霧霾的檢測(cè)使用GP2Y1010AU0F，其是一種光學(xué)粉塵傳感器[9]，結(jié)構(gòu)框圖如圖 5 所示。傳感器內(nèi)部有紅外發(fā)射和接收管，根據(jù)灰塵的濃度不同，接收管會(huì)輸出不同值的模擬電壓，經(jīng)過(guò)放大后輸出，單片機(jī)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道接收數(shù)據(jù)，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與參考值進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而得到PM2.5 濃度數(shù)據(jù)。

圖5 PM2.5 模塊結(jié)構(gòu)框圖

2.4 溫濕度檢測(cè)

溫濕度檢測(cè)使用DHT11，其具有體積小、功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[10]。每個(gè) DHT11 傳感器都經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)在OTP 內(nèi)存中，在進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)時(shí)，調(diào)用校準(zhǔn)系數(shù)來(lái)獲得具體測(cè)量值。傳感器采用4 針單排引腳封裝，單線(xiàn)制串行接口，與單片機(jī)連接的典型電路如圖6 所示。MCU 發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，觸發(fā)一次信號(hào)采集，DHT11 從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，開(kāi)始信號(hào)結(jié)束后，DHT11 發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，送出40 bit 的數(shù)據(jù)，用戶(hù)可根據(jù)需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。

圖6 溫濕度檢測(cè)電路原理圖

2.5 藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信

無(wú)線(xiàn)通信方式選擇藍(lán)牙，通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)手機(jī)App 的無(wú)線(xiàn)控制功能。下位機(jī)的藍(lán)牙模塊采用主從一體的HC05 藍(lán)牙轉(zhuǎn)串口模塊，使用前需要設(shè)置名稱(chēng)、密碼、通信格式、主從模式等參數(shù)。當(dāng)模塊處于命令響應(yīng)工作模式時(shí)，用戶(hù)可向模塊發(fā)送 AT 指令進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置模塊時(shí)使用 USB 轉(zhuǎn)TTL 下載線(xiàn)與電腦相連，軟件使用串口調(diào)試助手，硬件連接和串口調(diào)試界面如圖7 所示。

圖7 藍(lán)牙設(shè)置的硬件連接和串口調(diào)試界面

2.6 顯示功能

顯示功能是電子系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)顯示模塊，用戶(hù)可實(shí)時(shí)得到系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)等信息。顯示功能選擇 LCD，型號(hào)可以選擇 LCD1602、LCD12864 或者觸摸屏等。LCD 具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，具有觸摸屏功能的 LCD 還可增加系統(tǒng)的控制方式。實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要設(shè)計(jì)LCD 電路，編程實(shí)現(xiàn)窗戶(hù)狀態(tài)信息、傳感器數(shù)值以及學(xué)生信息等內(nèi)容的顯示。選擇 LCD12864、觸摸屏的學(xué)生作品如圖 8所示。

圖8 LCD12864、觸摸屏智能窗戶(hù)作品

2.7 手機(jī) App 設(shè)計(jì)

手機(jī)App 可使用藍(lán)牙串口調(diào)試助手，連接藍(lán)牙時(shí)，首先搜索藍(lán)牙模塊，然后輸入密碼進(jìn)行連接，連接成功后，即可通過(guò)App 進(jìn)行控制命令的發(fā)送，缺點(diǎn)是只能通過(guò)發(fā)送命令來(lái)進(jìn)行窗戶(hù)的開(kāi)、關(guān)控制，交互性較差。自主編寫(xiě)手機(jī)App，可根據(jù)需求設(shè)計(jì)功能，查看窗戶(hù)周邊的溫度、濕度、PM2.5 濃度、是否有雨等環(huán)境參數(shù)，交互性較好。

手機(jī) App 開(kāi)發(fā)使用谷歌在線(xiàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái) App Inventor，設(shè)計(jì)界面如圖 9 所示。App Inventor 針對(duì)Android 編程環(huán)境，使用積木式的堆疊法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，編程簡(jiǎn)單，適合學(xué)生快速入手[11-12]。

圖9 App Inventor 開(kāi)發(fā)界面

藍(lán)牙功能通過(guò)App Inventor 中的“藍(lán)牙客戶(hù)端”模塊實(shí)現(xiàn)，其編程界面如圖10 所示。當(dāng)點(diǎn)擊“藍(lán)牙選擇”按鈕后，將“藍(lán)牙客戶(hù)端 1”掃描到的所有藍(lán)牙設(shè)備的地址及名稱(chēng)賦給“藍(lán)牙選擇”元素；如果“藍(lán)牙選擇”的“選中項(xiàng)”能與“藍(lán)牙客戶(hù)端 1”成功連接，顯示“連接成功”；點(diǎn)擊“斷開(kāi)藍(lán)牙”執(zhí)行斷開(kāi)連接操作。

圖10 藍(lán)牙App Inventor 設(shè)計(jì)界面

傳感器數(shù)據(jù)的讀取也通過(guò)“藍(lán)牙客戶(hù)端”實(shí)現(xiàn)。以溫度值讀取為例，當(dāng)點(diǎn)擊“溫度”按鈕時(shí)，“藍(lán)牙客戶(hù)端1”發(fā)送一個(gè)“a”給單片機(jī)，單片機(jī)接收到此信號(hào)后，將當(dāng)前溫度值通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給手機(jī)，并在“標(biāo)簽1”中顯示出來(lái)，設(shè)計(jì)界面如圖11 所示。

圖11 傳感器數(shù)據(jù)讀取

3 智能窗戶(hù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，為了滿(mǎn)足不同能力學(xué)生的個(gè)性化需求，采用層次化教學(xué)，基本功能要求可以通過(guò)手機(jī)App、觸摸屏等方式控制窗戶(hù)的打開(kāi)和閉合，具有LCD顯示功能及傳感器檢測(cè)功能，學(xué)生必須完成；功能拓展部分，學(xué)生可自行增加溫濕度檢測(cè)、語(yǔ)音控制、PM2.5 檢測(cè)、手機(jī)App 設(shè)計(jì)等功能。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用開(kāi)放的教學(xué)方式，允許學(xué)生在功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方式上自主選擇，自主拓展，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性。部分學(xué)生作品如圖12 所示，作品中單片機(jī)有的采用IAP15W4K58S4，也有的選擇STM32；控制方式采用手機(jī)App 無(wú)線(xiàn)控制、觸摸屏控制、語(yǔ)音控制等；傳感器有雨滴檢測(cè)、溫濕度檢測(cè)等；手機(jī)App 有使用藍(lán)牙串口調(diào)試助手，也有學(xué)生自主設(shè)計(jì)手機(jī)App。學(xué)生的作品實(shí)現(xiàn)方式各不相同，實(shí)現(xiàn)功能也多種多樣，動(dòng)手能力得到了很好的鍛煉，實(shí)驗(yàn)效果較好。

圖12 部分學(xué)生設(shè)計(jì)作品

4 結(jié)語(yǔ)

緊密結(jié)合工程實(shí)際，以智能家居為背景，本文設(shè)計(jì)了智能窗戶(hù)控制系統(tǒng)，并應(yīng)用于單片機(jī)綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目以單片機(jī)為核心，結(jié)合傳感器應(yīng)用、無(wú)線(xiàn)通信、電機(jī)控制、手機(jī)App 開(kāi)發(fā)等，項(xiàng)目多知識(shí)點(diǎn)結(jié)合，可拓展性強(qiáng)，為學(xué)生提供了很好的設(shè)計(jì)發(fā)揮空間，較好地鍛煉了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。在教學(xué)方式上，采用了開(kāi)放的教學(xué)方式，增強(qiáng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。并且，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與生活實(shí)際密切相關(guān)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)興趣較高，主動(dòng)性較強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)效果較好。實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目難度適中，易于在實(shí)踐教學(xué)中開(kāi)展。