基于STC89C51單片機的智能窗戶啟閉器

吳雪松+潘崇煜+牛軼峰

摘??要：為了保證良好的居家環境，實現普通窗戶的智能控制，設計了基于STC89C51的智能窗戶啟閉器。該啟閉器通過感知窗戶內、外側的移動目標來控制窗戶啟閉，有效防止小孩爬出窗戶以及小偷翻窗入室;同時，啟閉器通過感知室內、外溫度，濕度和空氣質量適時開、關窗，具備環境自適應功能。該啟閉器在現有窗戶基礎上安裝即可使用，拆卸方便、價格低廉，具有良好的市場前景。

關鍵詞：STC89C51單片機;窗戶啟閉器;環境檢測;智能控制

中圖分類號：TP273+.5????????????文獻標識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.021

1??設計背景及意義

近年來，隨著高科技和信息技術的發展，智能機器走進了智能住宅，住宅智能化已然成為人類住宅一場新的革命。現代社會家庭正在以家庭智能化帶來的多元信息和安全、舒適、便捷的生活環境作為新的目標和追求。然而，由于目前廣大家庭的窗戶在智能控制方面的不足，小孩在室內玩耍時爬上窗臺釀成慘劇的情況時有發生，小偷通過開著的窗戶入室盜竊案件屢見不鮮，對人們的生命財產安全造成極大損失。同時，愈演愈烈的霧霾天氣造成的空氣污染、有毒氣體對人的生命安全造成威脅、室外高溫或者下雨天時開著窗戶導致室內環境變差，這些都對保持良好的居家環境產生了不利影響。

目前，平移式窗戶被廣泛使用，而市場現有的智能產品多是包括窗戶本身以及控制系統在內的完整系統，需要重新更換窗戶，在實際應用中存在較多不便。因此，在現有窗戶的基礎上，設計一種價格低廉、拆卸方便、多功能的平移式窗戶啟閉器是解決這些現實問題的有效途徑。

2??硬件設備

整個單片機系統基于51單片機開發板，配以多種精心設計的傳感器和電機，成本低、功能全。

系統中的STC89C52RC芯片采用的是8051核在系統可編程芯片，最高工作時鐘頻率為80?MHz，片內含8?KBytes可反復擦寫1?000次的Flash只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS-51指令系統和80C51引腳結構。芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP?Flash存儲單元，具有在系統可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，省去了購買通用編程器這一步，而且速度較快、功耗低。

防盜和防小孩爬窗功能中的光電傳感器采用集發射和接收于一體的E18-D80NK-N傳感器，發射光經過調制后發出，接收頭對反射光進行解調輸出，可有效避免可見光干擾透鏡的使用，能夠檢測80?cm內的情況，價格便宜、易于裝配、使用方便。

對于空氣質量的檢測，結合當今大家比較關注的有毒氣體污染和包括PM2.5在內的粉塵污染，采用有害氣體和粉塵、PM2.5空氣質量檢測器相結合的傳感器。

MQ-2/MQ-2S氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環境中存在一氧化碳、甲烷等有害氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，傳感器可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號;PM2.5空氣質量檢測器可以探測1?μm以上的粉塵粒子，使系統根據不同需要作出反應。

對于濕度和溫度的檢測，則分別采用模擬輸出濕度傳感器模塊和DS18B20?數字溫度傳感器。

執行機構主要由12?V25GA370直流減速電機馬達驅動，力矩大、噪聲小、質量輕、功耗小，配以L298N電機驅動板，能夠滿足帶動窗戶的需求。

報警采用5?V有源單片機用蜂鳴器，功耗小、成本低。

整個硬件在能夠較好地實現功能的前提下，其成本可以控制在100元以下，具有很高的實用性。

3??智能設計

智能窗戶啟閉器要實現防盜、防小孩爬窗、防空氣污染、防室外高溫、防雨等基本功能，主要包括傳感器系統、控制系統、執行器系統等子系統;同時，啟閉器要實現在現有平移式窗戶基礎上可拆卸的機械設計，成本較低。圖1所示為該啟閉器各模塊及其結構原理圖。

圖1??智能窗戶啟閉器系統結構原理圖

圖2??啟閉器工作流程圖

當室外有小偷靠近或室內小孩爬窗時，窗戶內、外安置的紅外傳感器分別將信號傳輸至單片機，驅動與之相連的電機反轉，實現關窗，同時，蜂鳴器響起，LED燈閃亮，提醒人們檢查、處理;當室外下雨、高溫、空氣質量較差、有害氣體泄漏時，與之對應的濕度傳感器、溫度傳感器、PM2.5煙霧傳感器、有害氣體傳感器會及時將信號傳輸給單片機，驅動電機開、關窗。一段時間后，如果各傳感器均沒有檢測到相應問題，單片機控制窗戶重新開啟，以通風換氣，改善室內環境。圖2所示為智能窗戶啟閉器的工作流程圖。

該窗戶啟閉器采用了紅外、煙霧可燃氣體、溫度和濕度傳感器等多傳感器檢測，集防盜、防小孩爬窗、室外防濕、防高溫、防空氣污染等環境自適應功能于一體，人性化程度高，可

以為用戶提供一個良好的室內環境。

4??結構設計

為滿足方便在現有平移式窗戶上直接安裝使用的要求，智能窗戶啟閉器采用如下機械結構：控制系統主體部分集成安裝在一塊系統板上，方便拆卸，將馬達電機連接的主動輪固定在窗戶上邊框，兩個輕質的定滑輪分別固定在下邊框兩底角處，主動輪與從動輪之間通過質量輕、韌度強的PE線連接，在需要控制移動的平移式窗戶下端固連一定滑輪，連接在該PE線上，馬達電機的正反轉會帶動該扇窗戶左右移動，達到開、關窗的目的。該結構設計簡單、成本低廉、實用性強。

5??總結和展望

作為智能住宅的代表，國家在《2000年小康型城鄉住宅科技產業工程項目實施方案》中，將建設智能化小康示范小區列入國家重點發展方向。智能窗戶作為智能家居中不可或缺的一環，具有廣闊的市場前景。統計數據表明，2009年，我國窗戶消費需求突破500億元，并且已安裝窗戶大多是普通推拉式窗戶。

本文針對普通推拉式窗戶設計了一種基于51單片機STC89C51的智能窗戶啟閉器，通過傳感器感知外界環境，進而控制窗戶啟閉，實現智能化家居。結果表明，該啟閉器能夠初步完成預定的設計功能，具有機械結構簡單、易于在現有窗戶上安裝的特點，可幫助普通家庭輕松實現對現有窗戶的智能控制，具有很好的市場前景和實用價值。

參考文獻

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〔編輯：劉曉芳〕

STC89C51?based?Microcontroller?Smart?Windows?Open?and?Close?Control

Wu?Xuesong，?Pan?Chongyu，?Niu?Yifeng

Abstract：?In?order?to?ensure?a?good?home?environment，?intelligent?control?of?ordinary?windows，?a?design?based?on?STC89C51?smart?windows?open?and?close?control.?The?perception?inside?through?the?windows?open?and?close，?moving?target?outside?the?windows?open?and?close?to?control，?prevent?children?climbing?out?of?windows，?and?the?thief?Fanchuang?burglary;?at?the?same?time，?opening?and?closing?through?the?perception?of?indoor?and?outdoor?temperature，?humidity?and?air?quality，?timely?open，?closing?a?window，?with?the?environment?adaptive?function.?The?hoist?is?mounted?on?the?basis?of?the?existing?windows?to?use，?easy?to?disassemble，?low?price，?with?good?market?prospects.

Key?words：?STC89C51?microcontroller;?the?windows?open?and?close?control;?environmental?monitoring;?intelligent?control