基于單片機的智能窗戶系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

徐子鵬，朱浩聞，龔明珠，馮惠萍，周佳瀅

（東南大學(xué)成賢學(xué)院，江蘇 南京 210088）

0 引 言

現(xiàn)在社會發(fā)展迅速，不論是經(jīng)濟還是科技都不曾停止過前進，各種新奇的事物層出不窮。與社會同步提高的還有人們的生活水平和生活需求，因此各類方便快捷的智能家具也應(yīng)運而生。同樣的，現(xiàn)如今的人們面臨著生活節(jié)奏逐步變快的壓力，正是亟需方便快捷的智能化的商品來減輕生活中的負擔(dān)的時候。我們的設(shè)計思路也是由此而來。

以往的普通窗戶一切都需要消費者親自手動進行操作。用戶需要在離開家的時候進行手動關(guān)閉窗戶以防不法分子偷偷從窗戶進入；當(dāng)雨天來臨時，倘若用戶沒有及時關(guān)好窗戶，大雨很容易就會淋入房間；如果家里哪里有東西燃起來了而用戶沒注意，窗戶又是關(guān)閉著的，此時用戶的生命安全和財產(chǎn)安全都會收到威脅。所以人們亟需一些能夠代替人們判斷這些瑣事的智能家具來減輕生活的壓力和負擔(dān)，而智能窗戶就是這樣的一個選擇。擁有著防雨防盜防煙功能的智能窗戶可以極大地方便人們的日常生活。

1 設(shè)計方案

我們的設(shè)計選用了STC89C52RC 單片機來處理各個傳感器的信息。單片機進行數(shù)據(jù)信號的處理后將指令發(fā)給電機，由電機帶動窗戶進行開關(guān)窗戶。這個單片機是一個能量需求較低,同時擁有較高性能的51 內(nèi)核的CMOS 8 位單片機，而系統(tǒng)由時鐘模塊、紅外遙控模塊、雨滴傳感器、紅外防盜模塊、煙霧報警模塊、舵機構(gòu)成，設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 設(shè)計方案框圖

基于單片機的智能窗戶系統(tǒng)擁有手動和自動兩種操作模式。當(dāng)我們切換到手動模式下進行操作時，單片機不會進行自動的操作部分，只能進行手動遙控開關(guān)窗戶。切換到自動模式后，系統(tǒng)可以根據(jù)更細節(jié)的窗戶運行情況和各模塊的情況達成各種模塊的功能，讓單片機處理各個傳感器的信息。在開窗的狀態(tài)下，雨天時傳感器上有水時會輸出低電平，單片機接受信號后執(zhí)行關(guān)窗等操作；在關(guān)窗的狀態(tài)下，室內(nèi)彌漫的煙霧和可燃氣體會讓傳感器給我們的單片機發(fā)送信號，從而使窗戶打開并且開啟風(fēng)扇和蜂鳴器；紅外報警模塊會在紅外傳感檢測到人后給單片機發(fā)出信號，單片機處理信息并使警報響起，若是在開窗的情況下還會進行關(guān)窗。

2 硬件的設(shè)計方案

2.1 51 微處理器

我們整個智能窗戶系統(tǒng)是基于單片機STC89C52 上，這個單片機是由STC 公司生產(chǎn)的，它的優(yōu)點是作為一個功耗低，性能又高的八位單片機，價格低廉，而且使用起來非常的簡單，很適合新手學(xué)習(xí)的時候作為練手使用。并且單片機上編寫的程序可以抹除修改，能夠支持我們不斷的實驗來發(fā)現(xiàn)錯誤并不斷完善程序以達到目標功能，原理圖如圖2所示。

圖2 微處理器

2.2 時鐘模塊

時鐘模塊使用了DS1302 時鐘芯片，它是一種由美國DALLAS 公司出品的，一種功耗很低的時鐘芯片，在市場非常普遍、價格低廉、使用也很方便并且功能也十分齊全。我們使用它可以使智能窗戶系統(tǒng)來顯示當(dāng)前時間，并且可以實現(xiàn)通過定時來自動開啟或關(guān)閉窗戶。原理圖如圖3所示。

圖3 時鐘模塊

2.3 紅外遙控模塊

紅外遙控技術(shù)的優(yōu)點有功耗低，信號傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力強等。我們采用的紅外遙控模塊是通過紅外遙控器發(fā)出紅外信號然后由紅外接受頭接收，然后通過紅外的二極管和三極管將紅外光轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號傳輸給放大器，再將放大后的信號傳給51 微處理器收到信號后發(fā)出指令使小電機轉(zhuǎn)動，來實現(xiàn)遠距離通過遙控的方式實現(xiàn)開關(guān)窗。原理圖如圖4所示。

圖4 紅外遙控模塊

2.4 雨滴傳感模塊

我們的使用的是名叫YL-83 的一款雨滴傳感器，YL-83雨滴傳感器由電子板和收集水滴的感應(yīng)板組成，有一個LED燈泡在電子板上，當(dāng)電源被接通時LED 燈會點亮。當(dāng)感應(yīng)板上沒有水時，電阻較大，DO 口會向單片機輸出高電平，同時會讓LED 燈滅掉；水滴滴在感應(yīng)板上后，水滴導(dǎo)致電阻發(fā)生并聯(lián)，電阻變小，DO 口會向單片機輸出低電平，LED 燈亮。DO 口可以與微處理器直接相連，由單片機檢測高低電平來判斷外面是否下雨，來使小電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)智能自動開關(guān)窗。原理圖如圖5所示。

圖5 雨滴傳感模塊

2.5 紅外防盜模塊

我們的紅外防盜模塊使用的是HC-SR501 紅外傳感器，它憑借高可靠性，高性能，低功耗，價格便宜而廣受歡迎，應(yīng)用非常普遍。它是通過接收到人體發(fā)出的紅外線而引起的電荷失常來工作的，當(dāng)有人在紅外傳感器的檢測范圍時，紅外傳感器會將信號傳輸給51 單片機，來控制小電機旋轉(zhuǎn)關(guān)窗并使蜂鳴器報警。原理圖如圖6。

圖6 紅外防盜模塊

2.6 煙霧報警模塊

我們選用了名為MQ-2 的一種煙霧傳感器，這個傳感器可以檢測到對人體有害的氣體，煙霧等，具有比較高的靈敏度，較廣的偵測范圍，功耗低，價格低廉等優(yōu)點。當(dāng)煙霧傳感器檢測到有毒有害的煙霧和氣體時，內(nèi)置的二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料會發(fā)生變化，給51 微處理器發(fā)送模擬信號，微處理器使小電機轉(zhuǎn)動開窗，蜂鳴器進行報警并且打開室內(nèi)的排風(fēng)扇幫助通風(fēng)。原理圖如圖7所示。

圖7 煙霧報警模塊

3 軟件部分設(shè)計

C 語言是我們選擇的軟件編程工具，當(dāng)傳感器部分檢測到了對應(yīng)的信息變化就會發(fā)送對應(yīng)的信號給作為處理器的單片機。經(jīng)過了單片機中對應(yīng)程序的運行帶動電機或是風(fēng)扇和蜂鳴器。

程序設(shè)計流程如圖8所示。

圖8 智能窗戶系統(tǒng)工作流程圖

智能窗戶在工作時，程序進入啟動狀態(tài)。我們可以通過手動按紅外遙控器上面的窗戶的開關(guān)按鍵來遠距離開啟或關(guān)閉窗戶，不用人走到窗前手動關(guān)窗非常的方便。同時在智能窗戶系統(tǒng)上的各個模塊都會逐漸啟動，首先紅外傳感模塊的外接紅外傳感探頭會先預(yù)熱1～2 分鐘，然后紅外感應(yīng)探頭會對窗前進行掃描，在紅外傳感器沒有檢測到人體后，系統(tǒng)就會正常的開窗。當(dāng)在窗前一定的距離內(nèi)紅外檢測到有人靠近時，會將開啟的窗關(guān)閉，并且無論是否開著窗戶，都會觸發(fā)蜂鳴器報警的程序，提醒主人去查看，確認窗外沒有危險然后手動關(guān)閉蜂鳴器的警報。

當(dāng)處于窗戶開啟狀態(tài)時，雨滴檢測模塊才會啟動，如果窗戶是關(guān)閉的雨滴模塊會處于待機狀態(tài)。窗戶開啟時雨滴傳感器會檢測是否有雨滴。如果雨滴傳感器的外面的感應(yīng)版上有雨滴，傳感器就會向單片機輸出低電平，單片機會執(zhí)行關(guān)窗的程序，而檢測到雨水消失后會進行重新開窗的程序。單片機通過雨滴傳感器輸出的是高電平或者低電平來判斷執(zhí)行開窗或者關(guān)窗的程序，或者當(dāng)限位開關(guān)變動后會停止這種循環(huán)。

當(dāng)窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)時，煙霧傳感器會進行檢測。當(dāng)室內(nèi)有煙霧時，煙霧傳感器上的二氧化錫半導(dǎo)體材料的電阻就會發(fā)生變化，從而引起了表面導(dǎo)電率的變化，當(dāng)煙霧濃度越大時，導(dǎo)電率就越大使輸出的電阻越低，然后輸出越大的模擬信號，模擬信號通過芯片ADC0832 進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字信號傳輸給51 單片機，單片機就會運行開窗和開啟風(fēng)扇和開啟蜂鳴器的程序。

整個流程中我們的程序會先執(zhí)行液晶和時鐘芯片和液晶顯示內(nèi)容的初始化。然后會判斷時鐘芯片是否在運行，若沒有，則會初始化一個時間，并且獲取當(dāng)前時鐘芯片的時間，存在數(shù)組timebuff中。在時間控制的模式下，如果到了關(guān)窗戶的時間，程序會進行判斷if((TimeBuff[4]==CloseHour)&&(TimeBuff[5]==CloseMin)&&( TimeBuff[6]==0)),再根據(jù)窗戶當(dāng)前狀態(tài)的參數(shù)進行是否關(guān)窗的操作，定時開窗也是同樣的方法。

在濕度系統(tǒng)中，用濕度傳感器對降水量進行測量，并將控制器檢測到的信號進行轉(zhuǎn)換。然后通過從控制器發(fā)送來的信號設(shè)置的時間間隔，可以便捷地控制窗戶的電機。有兩個小指示燈，分別是通電指示燈和信號燈。通電指示燈在接通電源后常亮，信號燈在沒有檢測到雨滴時會熄滅；信號燈在檢測到雨滴時點亮。檢測水滴的電路板板和控制板是分開的，為的是可以便捷地將線引出到別的位置。編寫雨滴探測程序。感應(yīng)板上沒有水滴時，DO 輸出為高電平，數(shù)字輸出指示燈DO-LED 滅 ，打印 * 無雨*。滴上一滴水，DO 輸出為低電平，數(shù)字輸出指示燈DO-LED亮，打印 *濕度xx*。刷掉上面的水滴，又恢復(fù)到輸出高電平狀態(tài)。圖9是我們的濕度傳感器的實驗結(jié)果。

圖9 測試結(jié)果

4 結(jié) 論

在這個信息化的時代，生活水平的提升以及經(jīng)濟社會的發(fā)展帶來的也有生活節(jié)奏的加速。智能化時代，智能化管理，而忙碌的我們可能沒有多余的時間去更多的處理家務(wù)，這些智能化設(shè)備能夠很好的解決生活中需要操心的事情，減輕壓力，讓我們能夠更加安心的學(xué)習(xí)和工作。

這款能夠在不同條件下進行智能調(diào)整窗戶的開關(guān)狀態(tài)以及報警的窗戶?？梢灶A(yù)見的是，這種類型的窗戶將會逐漸進入人們的生活中。這個運用單片機的智能窗可以大大方便我們?nèi)粘Ｉ钪械母鞣N開關(guān)窗的需求，讓智能家居能被更多人了解和接受。