低成本高可靠智能窗控制器的設計

金珍珍 周佳敏

（臺州職業技術學院，浙江 臺州 318000）

1 引言

隨著人們生活水平的日益提高，人們在追求舒適溫馨的同時也追求房屋的智能化。人們對智能型家庭自動關窗系統的需求越來越大。在此大背景下，智能窗戶應運而生。現在市場上的智能窗控制器往往采用單片機控制，能實現較復雜的功能，但價格昂貴，可靠性和壽命受單片機控制電路影響，有待提高，而且很多功能在實際使用中用不到，造成很大的浪費，對于普通百姓來說，經濟上也不許可。因此，設計一種性能可靠、成本低廉、安裝方便的智能窗控制器很有必要。本設計研究一種在普通窗基礎上改進的智能窗控制器，該控制器通過光、風速和濕度感應，能遇到刮風、下雨時使窗戶自動閉合，白天會自動打開窗戶通風。該設計功能簡單、價格低廉、性能可靠，能滿足普通百姓對智能窗的需求。

2 智能窗結構和控制器原理

2.1 智能窗結構

圖1 窗戶結構圖

窗戶結構如圖1，1、左窗戶；2、右窗戶；3、電機；4、開窗限位；5、關窗限位；6、齒條；7、窗框。

當電機正轉時，電機拖動右窗戶沿著齒條向左移動，當右窗戶碰觸到開窗限位時，電機停止。當電機反轉時，電機3拖動窗戶2向右移動，當右窗戶碰觸關窗限位時，電機停止。

2.2 控制器原理

智能窗控制器要通過光、濕度和風力感應，對風、雨、光進行感應，并發出相應的電信號，然后通過邏輯電路的控制使窗戶自動關閉和打開。人們還可通過按鍵,直接控制窗戶的開/關等。在功能上，包括：

（1）自動開關窗：陽光明媚的早上光敏電阻感光通過邏輯控制電路自動打開窗戶，更新室內空氣；傍晚太陽落下時窗戶自動關閉；

（2）自動防風：當風速超過8m/s時，風速傳感器檢測信號，通過控制電路使窗戶自動關閉。即使主人不在家，照樣將其看管得無微不至，為人們營造一個干干凈凈的環境。

（3）自動防雨：平時上班或臨時加班不能及時關窗、出門在外也總有忘記關窗的時候，遇到下雨時，濕敏傳感器檢測到下雨信息，邏輯控制電路控制電動機動作，窗門自動關閉，使家用設備免于遭雨水侵襲，解除后顧之憂。

實現的電路原理框圖如圖2所示。檢測模塊主要是風、雨、光強的信號拾取，采用專用傳感器來實現。邏輯控制電路主要由數字電路來實現，而不采用單片機，一是硬件電路比軟件執行更加可靠，二是成本更加低廉，可以由簡單的門電路或可編程芯片來實現。電機驅動電路由單電源供電可實現電機正反轉的H橋電路來實現。手動開關是為了便于根據用戶的需要實現實時開關。

圖2 智能窗控制器的原理框圖

3 控制電路設計

3.1 檢測電路設計

（1）光強檢測

光檢測電路主要采用光敏電阻和雙電壓比較器LM324N構成。光敏電阻阻值隨入射光強變化而改變，入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大，電路如圖3。白天時，光敏電阻阻值減小，U1A的3腳電位增加，當它大于2腳的電位時，U1A輸出高電平。當晚上光線變暗，光敏電阻阻值增加，U1A的3腳電位減小，當高于2腳的電位時，U1A輸出低電平。通過圖3電路，可以實現有光時輸出高電平，無光時輸出低電平的光信號檢測。

圖3 光檢測電路

（2）濕度檢測模塊

使用HG38濕敏電阻，安裝檢測模塊原理同圖3，只需把光敏電阻改成濕敏電阻。

（3）風速檢測模塊

風傳感器的設計實現了自動防風的功能,它能實時檢測風速,將其轉換為電信號傳輸給邏輯控制電路。主要裝置有風輪、傳感器電路。其主要原理是在窗戶打開的情況下當室外起風時風帶動風輪轉動計數器記錄每分鐘風輪所轉過的圈數并將數據傳輸給控制電路，控制電路根據設置的風輪轉動圈數下限值決定是否需要啟動電機,以帶動窗戶轉動將其關閉,當風速有所減弱,帶動風輪每分鐘所轉圈數小于之前的下限值時,發出命令啟動電機再次帶動窗戶開啟的方向轉動。

利用小型風力發電馬達，將它發出的低電平通過非門使它輸出高電平，然后用LM353做一個比較電路，當電壓隨小型發電馬達的轉速上升而上升到達一定值時輸出，從而達到控制的效果。

3.2 主控制電路設計

圖4所示設計圖中，該設計主要通過光強、濕度、風速三個感應模塊（L/R/W）來感應外界的環境變化，當外界環境發生變化時，能靈敏地產生一定的電信號（數字信號），通過控制邏輯電路輸出K1、K2、K3、K4四路控制信號，電機驅動電路根據邏輯控制電路輸送的控制信號控制電機正轉、反轉或者停止，為了表示窗戶已關閉或已打開，在窗框上裝2個限位開關，當觸碰限位開關時，發出限位信號，電機停止。同時，為了能方便用戶的操作，在設計中增加了手動開、關按鈕，可以優先控制窗戶的開和關。為了能形象闡述控制器的控制功能及過程，采用真值表的形式加以描述。表1中用L、R、W分別表示光、雨、風信號，1表示有光、有雨、有風，0表示無光、無雨、無風；O表示手動開按鈕，C表示手動關按鈕，1表示按下，0表示未按；FC、FO分別表示已關上限位開關和已全開限位開關，1表示已到限位點，0表示未到限位點。K1、K2、K3、K4表示驅動電機的正轉、反轉和停止的4個數字邏輯信號。開窗電機正轉，用1001表示，關窗電機反轉，用0110表示，電機不動用0000表示。

圖4 智能窗控制電路設計圖

表1 智能窗控制器的功能表

根據表1的智能窗控制器的功能表，可得出K1、K2、K3、K4與輸入信號之間的邏輯關系，根據此邏輯關系得到主控制電路原理圖，見圖5。

3.3 電機驅動電路設計

由于電機需要正反轉來實現窗戶的開啟和閉合，電機驅動電路的設計中使用由4個場效應管組成的H橋電路，為了有效隔離弱電和強電部分的干擾，通過集成芯片IR2110來驅動場效應管的導通或截止來實現PWM調速。為了實現電機的過流保護，在設計時加入了R5來檢測電機電流，當R5電流過高時，R5電壓升高，運放的同相輸入端電位升高，導致運放輸出高電平，IR2110的SD端為1，4個場效應管截止，從而使得電機速度急速下降，見圖6。

4 結論

智能窗控制器主要針對普通百姓對智能窗的基本功能而設計，它可以在普通窗的基礎上進行改進，結構簡單，性能可靠，成本低廉，適用于一般家庭。在此基礎上，還可以根據客戶的需求，增加其它的功能（如防盜、溫度檢測）等，設計思路與上類同，不再一一闡述。

圖5 邏輯控制電路

圖6 電機控制電路

[1]王樹德.AT89C51單片機在智能窗控制系統中的應用[J].成都師專學報，2003：32-36.

[2]徐彬，劉緒，王宏亮，等.基于STC89C52單片機的智能窗控制系統[J].科技與企業，2013，(18)：123.

[3]李碩，賈子慶，張明瑋.基于多傳感器的智能窗系統設計[J].電子設計工程，2011，(4)：6-9.

[4]鞠永勝.基于單片機的防盜防雨智能窗設計[J].硅谷，2012，(5)：7，73.

[5]王學文，趙洛印，李夢達，等.基于單片機的智能窗控制系統的研究與實現[J].黑龍江科技信息，2014，(8)：109-111.

[6]張超，周克，何威，等.基于STC單片機多傳感器的智能窗設計[J].現代機械，2014，(1)：84-87.

[7]王杰，楊曄，蔡劍文.基于單片機的智能窗戶控制系統的設計[J].產業與科技論壇，2014，(12)：61-62.

[8]高素萍，李旭斌，鐘德永，等.智能窗控制系統的設計與實現[J].低壓電器，2009，(20)：8-11，47.