智能窗戶控制器的設計

南京科技職業(yè)學院 蔣偉琪 王繼偉 王 穎

本文設計一款窗戶控制器，可以根據(jù)外界光照強度、溫度濕度、下雨等情況，調整輸出電機的工作狀態(tài)，從而控制輸出電機相連的窗戶支架的伸縮，進而達到控制窗戶的開合。本系統(tǒng)以STC89C52芯片為核心，接受溫濕度傳感器DHT11和光敏二極管電阻的溫濕度信號和光線信號，輸出信號控制電機正反轉且據(jù)此控制窗戶支架的伸縮，無線遙控和接收模塊也可手動遙控的窗戶支架的伸縮。

隨著人們生活水平的提高，越來越多的家居往自動化智能化方向發(fā)展，但是家庭用的窗戶卻智能化程度較低，往往需要人手工開合窗戶，窗戶也不能隨天氣的變化而及時調整。為提高生活質量，本文設計一款智能窗戶控制器，可以隨外界溫度、濕度、天氣狀況自動調整窗戶的開與關。

1 工作原理分析

本文設計的智能窗戶控制器可安裝于安裝推窗的底座，窗戶的開合程度由智能窗戶控制器的輸出控制。智能窗戶控制器可以根據(jù)外界光照強度、溫度濕度、下雨等情況，調整輸出電機的工作狀態(tài)，從而控制輸出電機相連的窗戶支架的伸縮，即達到控制窗戶的開合程度。

智能窗戶控制器的原理框圖如圖1所示。其中，溫濕度和光強檢測模塊：分別通過溫濕度傳感器和光敏電阻接收溫濕度大小和光線強弱，將信號傳給單片機系統(tǒng)，用以驅動電機工作；限位開關：設于窗戶支架兩端，據(jù)此限定窗戶支架的伸出范圍；無線遙控和接收模塊：可以遠程控制電機的工作；單片機系統(tǒng)：其為智能窗戶控制器的核心，接收傳感器信號并作比較判斷，發(fā)出輸出信號控制電機工作；電機驅動模塊和電機：通過接收單片機信號驅動電機正反轉工作，電機正傳促使窗戶支架伸長，電機反轉促使窗戶支架縮回；數(shù)碼顯示模塊：通過接收單片機信號，顯示當前溫濕度；電源模塊：為電路提供電源。

圖1 智能窗戶控制器的原理框圖

2 硬件電路分析

本系統(tǒng)分為主電路和遙控電路，其電原理圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 智能窗戶控制器的電原理圖（主電路）

圖3 智能窗戶控制器的電原理圖（遙控電路）

溫濕度模塊采用DHT11傳感器，將當前的濕度信號通過DHT11的2號腳送入單片機的P2.0口。光強檢測模塊采用光敏電阻，即通過光照強度的變化改變光敏電阻的阻值，然后通過三極管將光敏電阻的變化轉化為三極管發(fā)射級的電平，且送給單片機的P1.0口。限位開關，采用觸點式按鍵，分別設置于窗戶支架的兩端，控制窗戶支架伸出和縮回的程度。當窗戶支架伸出或收縮到極限時，會碰觸上限或下限的限位開關，限位開關將信號傳遞給單片機的P3.4或P3.6口，電機停止轉動，從而起保護窗戶支架的作用。

無線遙控模塊采用編碼芯片PT2262和無線發(fā)射模塊FS1000A。PT2262芯片的D1、D2和D3分別連接手動自動的切換按鍵、手動開窗按鍵和手動關窗按鍵，PT2262芯片的Dout端口發(fā)出由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成的編碼信號。該編碼信號直接送給無線發(fā)射模塊FS1000A的DATA端，且調制在315MHz的載波信號上，通過天線（10cm長的導線）發(fā)射出去。當三個按鍵均沒有按下時，PT2262和FS1000A不得電，二者不工作，沒有信號發(fā)射。當有一個按鍵按下時，PT2262得電工作，輸出串行編碼信號；FS1000A得電工作，315MHz的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號。

無線接收模塊采用超再生接收模塊RH5A和解碼芯片SC2272。超再生接收模塊RH5A通過天線接收無線遙控模塊送來的信號，解調出編碼信號，且從DATA端口送到SC2272的Din端口。編碼信號經過SC2272解碼后，三個按鍵信號分別從D1、D2和D3口輸出經三極管放大后送單片機的P1.1、P1.2和P1.3。

單片機系統(tǒng)采用STC89C52芯片,通過P2.0口和P1.0口分別接收溫濕度模塊信號和光敏檢測模塊并作比較判斷，從而從P3.0或P3.5口輸出信號控制電機的正反轉工作；STC89C52芯片通過P1.1、P1.2和P1.3口檢測手動遙控板信號，若手動遙控板有信號，則按要求輸出信號控制電機的工作。 單片機P3.0或P3.5口的信號分別通過三極管放大后，分別接5V繼電器的線圈，繼電器的觸點均與電機相連。當P3.0有信號輸出，電機正傳，窗戶支架伸出；當P3.5有信號輸出，電機反傳，窗戶支架縮回。

3 軟件電路分析

智能窗戶控制器的軟件流程如圖4所示。當系統(tǒng)啟動時，默認為智能模式，系統(tǒng)自動檢測光線和濕度。當光線亮且濕度小時，窗戶支架伸出，即打開窗戶，當窗戶支架到達上限位開關時，窗戶支架停止動作；當光線暗或濕度大時，窗戶支架收回且到達下限位開關時，窗戶支架停止動作。當手動切換按鍵按下時，打開伸出按鍵，窗戶支架伸出，當觸碰上限位開關時停止伸出；按下收回按鍵時，窗戶支架收回，當觸碰下限位開關時停止收回。

圖4 系統(tǒng)流程圖

4 仿真和實驗

根據(jù)電路圖在protues中畫出電路接線圖，加載.hex文件后，切換成手動模式，點擊伸出電機正轉則窗戶支架伸出，點擊收回電機反轉則窗戶支架收回。

經過仿真圖的驗證以后，系統(tǒng)有兩種模式。當切換到手動模式的時候，可以通過按鍵控制電機的正反轉來控制窗戶支架的伸縮，達到開關窗的目的。當切換到自動模式的時候，系統(tǒng)可以根據(jù)當前的光照強度和溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)自動進行窗戶支架的伸縮，達到開關窗的要求。

智能窗戶控制器的實物如圖5所示。

圖5 智能窗戶控制器實物圖

經調試，本文所設計的智能窗戶控制器可實現(xiàn)功能如下：當電源打開時，默認為智能模式；當按下遙控板上的智能模式和手動模式，實現(xiàn)智能模式與手動模式的切換。

智能模式：

（1）光照傳感功能：自動識別光強度（白天或夜晚）；

（2）溫濕度傳感功能：DHT11溫濕度傳感器檢測空氣的濕度，數(shù)碼管顯示濕度值。

具體執(zhí)行：（1）當外界濕度小于80%時，電機工作將在白天伸出窗戶支架并在夜間收回窗戶支架，并觸碰相應的限位開關以停止旋轉；（2）當外部濕度達到80%或更高時，即使在白天窗戶支架也會自動收回，并觸碰相應的限位開關以停止旋轉。

手動模式：在智能模式下，按下手動模式按鍵，切換到手動模式。在手動模式下，可以通過按鍵進行窗戶支架的伸出和縮回操作。窗戶支架觸碰到限位開關電機會自動停止。

結語:通過仿真演示和實物調試，本文所設計一款智能窗戶控制器，可以根據(jù)外界光照強度、溫度濕度、下雨等情況，控制輸出電機的正反轉，從而控制輸出電機相連的窗戶支架的伸縮，進而實現(xiàn)窗戶的智能化控制。