基于C51單片機(jī)的智能窗戶設(shè)計(jì)

王勛　商國(guó)旭　王鈺之　王濟(jì)生　呂浩然　韓超

摘 要：本文設(shè)計(jì)的智能窗戶是采用C51單片機(jī)控制窗戶的開(kāi)關(guān)，通過(guò)溫濕度，煙霧，雨滴和火焰等傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境配合控制程序的執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)窗體的智能開(kāi)啟與閉合.為了能針對(duì)不同用戶的各種需求做出相應(yīng)的調(diào)整，本設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)全部為模塊化設(shè)計(jì).本設(shè)計(jì)運(yùn)用多種傳感器模塊相互配合，對(duì)不同的天氣狀況與突發(fā)情況做出相應(yīng)的調(diào)整，以此來(lái)提高該設(shè)計(jì)的可靠性及實(shí)用性.

關(guān)鍵詞：智能窗戶;C51單片機(jī);傳感器

中圖分類號(hào)：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2020）03-0064-03

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越成熟.近年來(lái)，隨著生活質(zhì)量越來(lái)越高，人們也在不斷的追求更加舒適、更加便捷的生活方式，因此智能家居成為了人們更好的選擇.通過(guò)窗戶與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，本設(shè)計(jì)提出以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一款智能窗戶.本設(shè)計(jì)通過(guò)硬件的模塊化設(shè)計(jì)使手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制和遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制可以脫離智能控制的限制單獨(dú)操作.本設(shè)計(jì)是通過(guò)檢測(cè)室內(nèi)外的環(huán)境與設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而達(dá)到控制窗戶智能開(kāi)關(guān)的效果.例如：當(dāng)室內(nèi)檢測(cè)出煙霧時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟窗戶;當(dāng)室外檢測(cè)出煙霧時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉窗戶;當(dāng)室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，煙霧與火焰?zhèn)鞲衅鲗⑼瑫r(shí)被觸發(fā)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送警報(bào)信息給綁定的手機(jī).

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的核心處理器為C51單片機(jī)，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.本設(shè)計(jì)由九個(gè)模塊組成，分別是機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊、主控制模塊（單片機(jī)核心處理器）、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、顯示模塊、窗戶位置檢測(cè)模塊、報(bào)警模塊、識(shí)別模塊和信息存儲(chǔ)模塊.環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊可以檢測(cè)出室外環(huán)境狀況及室內(nèi)的溫度與濕度等.煙霧傳感器分為室內(nèi)與室外兩組，通過(guò)檢測(cè)室內(nèi)外的是否有煙霧控制窗戶的開(kāi)啟與閉合.火焰?zhèn)鞲衅骺膳c煙霧傳感器綜合利用檢測(cè)出室內(nèi)是否產(chǎn)生火災(zāi)，當(dāng)有火災(zāi)隱患時(shí)，便與報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)通知綁定的用戶;位置檢測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)窗戶的開(kāi)合程度，并配合其它傳感器模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶體的操作等信息的監(jiān)控;顯示模塊可以顯示窗戶的位置信息及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 窗戶機(jī)械結(jié)構(gòu)

本窗戶有窗框、玻璃、操作電機(jī)、手動(dòng)操作把手、聯(lián)合控制傳動(dòng)系統(tǒng)組成.通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以及把手的操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)窗戶的自動(dòng)開(kāi)關(guān)，結(jié)構(gòu)如圖2所示.

2.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

Arduino雨滴傳感器模塊采用了FR-04雙面材料，使其擁有更大的利用面積.靈敏度可以調(diào)節(jié)，啟動(dòng)電壓可以調(diào)整，使其工作范圍更廣，共有兩種輸出模式：模擬量AO電壓輸出和DO TTL數(shù)字輸出，都可以與STC89C51單片機(jī)的AD口相連接用來(lái)檢測(cè)雨量的大小.光線傳感器（Light Sensor）功能主要是用來(lái)感應(yīng)外界環(huán)境的光線強(qiáng)弱，當(dāng)外界環(huán)境光線過(guò)強(qiáng)時(shí)，窗簾自動(dòng)拉上，當(dāng)外界環(huán)境光線不足時(shí)窗戶自動(dòng)拉開(kāi).溫濕度傳感器模塊采用了DHT11溫濕度傳感器，這是一款數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度傳感器.它具有良好的可靠性和穩(wěn)定性.粉塵傳感器模塊采用Sharp光學(xué)灰塵傳感器，用于檢測(cè)直徑大于0.8μm灰塵顆粒濃度，如香煙煙霧.其優(yōu)點(diǎn)為功耗低、靈敏度高，電壓大小隨灰塵濃度成線性關(guān)系，其內(nèi)部具有升壓電路，可以適應(yīng)范圍更寬的輸入電壓.

2.3 單片機(jī)及顯示模塊

單片機(jī)是本設(shè)計(jì)的核心部分，按鍵K1為手動(dòng)控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)，當(dāng)窗戶處于關(guān)閉的狀態(tài)（P3.5=0），按下K1就可以使窗戶處于打開(kāi)狀態(tài);按鍵K2為手動(dòng)控制電機(jī)的反轉(zhuǎn)，當(dāng)窗戶處于開(kāi)啟的狀態(tài)（P3.6=0），按下K2就可以使窗戶處于關(guān)閉狀態(tài).K3為停止按鍵，遇到突發(fā)情況可通過(guò)此按鍵切斷電源，使整個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)停止工作.本設(shè)計(jì)使用的是128*64點(diǎn)陣數(shù)的液晶顯示模塊，5V的驅(qū)動(dòng)電壓，成功上電后，可通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器控制屏幕顯示的亮度.

2.4 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)

報(bào)警模塊在火焰和煙霧傳感器同時(shí)觸發(fā)時(shí)，發(fā)出警報(bào)聲并向用戶發(fā)送設(shè)定好的報(bào)警信息和監(jiān)控識(shí)別模塊拍攝的圖片，當(dāng)室內(nèi)的煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧濃度數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)HNR-BJ壓電無(wú)源蜂鳴器發(fā)出警報(bào).

存儲(chǔ)模塊作為報(bào)警模塊和監(jiān)控識(shí)別模塊的輔助模塊，存儲(chǔ)圖像信息、報(bào)警信息與窗戶的狀態(tài)信息.

2.5 遙控模塊設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙控功能，就必須先選擇信號(hào)指令傳送的方式，因信號(hào)源與接收器相距較近，且無(wú)較多遮擋物而且信號(hào)量也不是很多，所以采用Wi-Fi便可實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的功能.在手機(jī)上制作相應(yīng)的app其主要功能有“開(kāi)”“關(guān)”“其他模式選擇”“日常顯示”，利用開(kāi)關(guān)電平的信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)Wi-Fi與單片機(jī)進(jìn)行信息交換，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作.

3 系統(tǒng)軟件編程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用Keli uVision5為編程軟件，以C語(yǔ)言為編程語(yǔ)言，以C51為控制核心，加以各類型的傳感器作為輔助，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以達(dá)成窗戶的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉.本系統(tǒng)有三種操作模式：自動(dòng)控制操作模式、遠(yuǎn)程控制操作模式、手動(dòng)控制操作模式.在使用過(guò)程中，以自動(dòng)控制操作模式為主，同時(shí)使用者可以通過(guò)手機(jī)將操作模式切換為遠(yuǎn)程控制操作模式，也可以在主控制器上切換為手動(dòng)控制操作模式.在三種操作模式中，以手動(dòng)控制操作模式優(yōu)先級(jí)最高，但是可以通過(guò)手機(jī)的模式權(quán)重重復(fù)確認(rèn)后修改.自動(dòng)控制操作模式的工作流程如圖3所示，遠(yuǎn)程控制操作模式的工作流程如圖4所示.

3.1 自動(dòng)控制部分

本設(shè)計(jì)在開(kāi)機(jī)后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入系統(tǒng)的初始化階段，在結(jié)束后進(jìn)入自動(dòng)控制操作模式.當(dāng)自動(dòng)控制操作模式啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)標(biāo)志位，確定窗體的所在位置，檢測(cè)到窗體為開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，通過(guò)接收外部傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定是否關(guān)閉或打開(kāi)窗體;當(dāng)C51單片機(jī)接收到室內(nèi)煙霧傳感器傳輸?shù)臒熿F濃度數(shù)值大于設(shè)定數(shù)值時(shí)，若窗體為關(guān)閉狀態(tài)，則控制步進(jìn)電機(jī)打開(kāi)窗體，當(dāng)C51單片機(jī)接收到室外煙霧傳感器傳輸?shù)臒熿F濃度數(shù)值大于設(shè)定數(shù)值時(shí)，若窗體為開(kāi)啟狀態(tài)，則控制步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉窗體，LED顯示屏?xí)斤@示情況;當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏交鹧嫘盘?hào)時(shí)且室內(nèi)煙霧傳感器檢測(cè)數(shù)值大于設(shè)定數(shù)值：窗體關(guān)閉并向用戶發(fā)出警報(bào)，之后用戶可通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制窗體;當(dāng)STCC51單片機(jī)接受到火焰?zhèn)鞲衅髋c煙霧傳感器檢測(cè)出數(shù)值大于設(shè)定數(shù)值時(shí)，圖像采集模塊啟動(dòng)，采集當(dāng)時(shí)室內(nèi)圖像，并發(fā)送給用戶;當(dāng)STCC51單片機(jī)接收到溫濕度傳感器的信號(hào)，即過(guò)冷、過(guò)熱或過(guò)于潮濕時(shí)，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)窗體位置，并根據(jù)當(dāng)時(shí)情況選擇關(guān)閉或打開(kāi)窗體，LED顯示屏?xí)斤@示當(dāng)時(shí)情況并向用戶發(fā)送提醒;當(dāng)STCC51單片機(jī)接收到雨滴傳感器檢測(cè)出下雨信號(hào)之后，系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)窗體位置，若窗體為開(kāi)啟狀態(tài)，則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉窗體、LED顯示屏?xí)斤@示當(dāng)時(shí)情況;當(dāng)STCC51單片機(jī)接受到粉塵傳感器檢測(cè)出PM2.5數(shù)值大于設(shè)定數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)窗體位置，若窗體為開(kāi)啟狀態(tài)，則自動(dòng)關(guān)閉窗體.

3.2 遙控工作控制部分

用戶進(jìn)入手機(jī)軟件后，檢測(cè)是否連接Wi-Fi或者其他無(wú)線信號(hào)，當(dāng)連接時(shí)，可進(jìn)入遠(yuǎn)程控制操作模式.用戶可使用手機(jī)軟件讓STCC51單片機(jī)掃描發(fā)送當(dāng)時(shí)的環(huán)境檢測(cè)情況和窗體開(kāi)合狀態(tài)，然后便可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制.當(dāng)窗體為開(kāi)啟或關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，無(wú)法再進(jìn)行打開(kāi)或閉合的操作，避免硬件或軟件因?yàn)椴缓侠聿僮鞫斐傻牟槐匾獡p失.

3.3 手動(dòng)控制部分

手動(dòng)控制操作系統(tǒng)為單獨(dú)的系統(tǒng)，其控制優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)控制操作系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)，當(dāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，若不影響系統(tǒng)工作，則可使用手動(dòng)控制系統(tǒng)，若影響系統(tǒng)工作，則可從主機(jī)處斷開(kāi)自動(dòng)控制操作系統(tǒng)與遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)，單獨(dú)使用手動(dòng)控制操作.

4 結(jié)語(yǔ)

以現(xiàn)有的窗體結(jié)構(gòu)為原型與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合改良的智能窗戶系統(tǒng)，具有簡(jiǎn)單的操作模式.通過(guò)多種傳感器的共同配合，將室內(nèi)的環(huán)境調(diào)整的更加適合居住的狀態(tài)，可以讓人們的生活變得更加舒適.本設(shè)計(jì)中的煙霧和火焰?zhèn)鞲衅鞯呐浜峡梢云鸬筋A(yù)防火災(zāi)的作用.粉塵傳感器可以監(jiān)測(cè)到室外的PM2.5濃度，并在濃度過(guò)高時(shí)提醒用戶.雨滴傳感器可以在下雨的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)關(guān)窗的功能.本設(shè)計(jì)完全采用了模塊化的設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)工作環(huán)境的不同更換其所需要的監(jiān)測(cè)模塊.比如在霧霾頻發(fā)的地區(qū)，可以增加對(duì)霧霾的監(jiān)測(cè).模塊化設(shè)計(jì)的使用更加的簡(jiǎn)單方便，可以根據(jù)客戶不同的要求更換不同的模塊，從而達(dá)到最理想的效果.

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