基于單片機的智能窗戶控制系統的設計與實現

秦嘉嶸　陳云龍

[摘要]家居智能化已成趨勢，針對傳統手動開關窗無法實現人們對便捷、智能化生活的現狀，通過單片機技術和傳感器技術相結合，設計一款基于濕敏傳感器、PM25傳感器和紅外傳感器的單片機智能數字控制開合的窗戶。該智能控制窗是一種機電一體化的智能窗戶控制系統，采用了智能控制技術、傳感技術、機械傳動技術等先進技術，主要功能是實現對房子內所有窗戶的自動控制，可自動打開或者關閉以實現對室內環境的調節和防盜報警功能。

[關鍵詞]多傳感器；單片機；環境控制；智能控制窗戶控制系統

[DOI]1013939/jcnkizgsc201533060

近年來，隨著物聯網技術的迅速發展，智能家居成為家庭信息化和社會信息化的重要組成部分。本人將介紹一款同時具備“雨天自動關窗”和“粉塵超標自動關窗”，以及“天黑自動閉窗”和“從窗暴力進入自動關窗”四項功能的智能型窗戶。功能簡單實用，成本低廉，具有廣闊的市場空間、可觀的市場價值和應用前景。

1系統總體設計

11總體設計思路

智能控制窗屬建筑領域的附件，它主要包括室外采集區，中央控制區和同步響應區。主要由三大部分組成，分別是單片機核心控制電路及簡單外圍電路，PM25傳感器、濕敏傳感器、紅外傳感器組成的信息采集系統，步進電機的驅動系統。該智能控制窗由安置在室外的濕敏傳感器和PM25傳感器收集室外空氣的溫度濕度以及粉塵含量等各項數據，傳送給單片機中央處理單元進行數據分析與處理，并向步進電機發送指令，進而步進電機帶動同步帶輪連接窗框，使窗戶發生位移，達到自動開合窗戶的目的。各種指令在液晶屏幕上顯示以便于識別。其基本系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1系統整體結構框圖

12室外數據采集檢測模塊設計室外數據采集檢測模塊主要由GP2Y1010AUOF PM25傳感器、E18-D80NK紅外傳感器和DS18B20溫度傳感器構成。這些傳感器應用廣泛、價格低廉，擁有卓越的穩定性和可靠性，可實現數據采集和數字信號輸出的功能。傳感器原理如圖2、圖3所示，傳感器中心有孔可以讓空氣自由流過，定向發射LED光，通過檢測經過空氣中灰塵折射過后的光線來判斷灰塵的含量。

圖2傳感器原理

圖3傳感器模數轉換

13中央控制模塊設計

該智能控制系統主控芯片采用SSTC公司生產的STC89，這是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統可編程Flash存儲器。

STC89C52使用經典的MCS-51內核，但做了很多的改進，使得芯片具有傳統51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。與傳統的51單片機相比較它具有較大的存儲器空間并且可以支持串口直接下載程序，免去了購買價格昂貴的專門編程器，開發成本很好控制。

該單片機應用系統還包括時鐘電路和復位電路，時鐘電路使得電路在唯一的時鐘信號下工作；復位電路使CPU和系統中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態下，無論是在控制系統剛接上電源還是斷電或者故障重啟都要復位。

14電機同步驅動響應模塊設計

采用42BYG250B兩相混合式步進電機作為機械部分的驅動設備，步距角18°；靜力矩048～075N·m；機身長48～60mm；引線數：4；電流：12～25A。步進電機是將電脈沖信號轉化為角位移或線位移的開環控制元件。其中的脈沖發生器用于產生頻率變化的脈沖信號。脈沖分配器將脈沖信號轉換成有一定邏輯關系的環形脈沖。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機控制變得非常的簡單[1]。

15系統主程序設計流程

本系統軟件以Keil為編程軟件，以C語言為編程語言。系統設計流程如圖4所示。

圖4程序設計流程

16系統功能測試

系統各模塊設計結束后進行系統功能測試，接通電源后顯示屏正常顯示室外溫度、濕度、PM25濃度。對自動識別室外環境指標開關窗做出測試。各項功能實現良好。與原有的手動開關窗方式相比，基于由室外檢測裝置、控制裝置、執行裝置、可使用戶的生活更加舒適便捷，通過數據顯示與PM25標準值比對的方法說明問題。既方便快捷，易于處理信息，又具有可視化的特點，生動形象。

2結論

本項目是一種機電一體化的智能窗戶控制系統，它采用了智能控制技術、傳感技術、機械傳動技術等先進技術，主要功能是實現對房子內所有窗戶的自動控制，可自動打開或者關閉以實現對室內環境的調節。我們所研制的智能窗控制系統是利用了一套簡單的傳送裝置以及一實用電路來實現其功能的。其機械結構簡單但很實用。因此其科學性是毋庸置疑的。機械結構單一，電路簡單，故成本低廉，且能根據需求增加檢測的指標，更改方便靈活。

參考文獻：

[1]毛靜基于單片機的智能窗的設計[J].電子設計工程，2014（12）.

[2]浦靈敏，季愛明基于STC89C52單片機智能窗戶控制系統的設計[J].中國科技信息，2010（10）.

[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（2）.