基于AT89S52單片機的智能窗戶的設計

倪青青 周源源

(蘇州大學應用技術學院，江蘇 蘇州215325)

0 引言

生活質量的提高促成了智能家居技術的誕生與發展，作為智能家居系統的子系統——智能窗戶應運而生，智能窗戶一般指安裝了先進的防盜、防劫、報警系統技術的窗戶，其控制系統由智能主控器、窗戶控制器、窗戶驅動器等組成，智能窗戶系統集現代聲、光、機、電、通訊為一體，綜合利用傳感器技術、計算機技術、現代通訊技術和自動控制技術等，實現了窗戶各種信息的采集、傳輸、處理和控制，可以實現自動防風防雨、防盜、自動監控燃氣、聲控、光控、防嬰兒墜樓、濕度控制等功能，是智能居家的理想選擇。

1 系統的硬件設計

1.1 硬件電路的概述

智能窗戶屬建筑領域的附件,該設計包括智能控制系統和窗戶開關裝置以及報警系統。該智能窗戶實現主要功能是當室內燃氣泄露等有毒物質超標時,能夠控制窗戶自動打開,讓空氣形成對流,當室外環境不允許開窗時(比如風雨和沙塵等天氣)由風光雨傳感器傳輸信號到主控系統,使其發出指令關閉窗戶。如果狀況仍未緩解,則啟動警報裝置。

整個系統由主控芯片、各種傳感器、報警器終端,以及機械傳動裝置組成,控制芯片和傳感器等直接固定在窗戶上,而報警終端則可固定在室內墻壁或容易引起主人警覺的地方。它的系統結構如圖1所示：

圖1 智能窗戶原理框圖

圖1中，電源是輸入220V的交流電通過變壓器以及整流濾波的調整得到直流電壓5V，供給后續電路使用；AT89S52單片機是這個設計的核心，他相當于人的心臟，用來接受與發射命令，且控制最后的動作；電機采用的是直流小電機，通過皮帶來帶動窗戶左右運動，利用光電開關來檢測窗戶到位從而讓電機停止；按鍵用來測試電機的動作是否正常，以及用來強制控制窗戶的正常開關；傳感器用于采集數據，比如風力傳感器，當檢測到有風，且風力級別在我設計的3級以上的時候，窗戶能自動關閉。

1.2 各類檢測模塊的設計

供電部分的好壞直接影響著電子設備的可靠性，本次供電部分的設計初步選定三端固定式穩壓器實現+5V和±12V這三路直流穩壓電源。其中AT89S52和LCD12864等電子元件所需電壓為+5V；而集成運放LM358所需電壓為±12V。

煙霧檢測模塊主要實現對空氣質量進行實時監測，并判斷空氣質量是否超標。在該電路中主要用氣敏傳感器實現“氣-電”轉換,后級電路由LM358運放來實現一個門限的控制，設置了一個基準。

聲音檢測模塊主要實現室外噪音影響你的工作或休息時，智能窗可根據你設定的室外噪音分貝自動關窗。此模塊主要由麥克風和音頻振蕩器組成，通過音頻振蕩電路和兩個施密特整形電路實現聲信號到電信號的轉換，最后整得到“0”，“1”的輸出信號給單片機。

震動檢測模塊電路是由震動傳感器以及LM358構成的一個簡單的電壓比較電路。

紅外防盜檢測模塊主要由基于紅外線技術的人體靠近傳感器組成，當有人進入開關感應范圍時,傳感器探測到人體紅外光譜的變化,光照檢測模塊是利用光敏電阻接收光后，阻值會發生變化的特性來實現的。

溫濕度控制模塊是由濕敏電阻和DS18B20溫度傳感器來實現溫濕度的實時監測和數據上傳。

兒童安全檢測模塊是為防止兒童墜樓事件發生而設計的保護電路，此電路是利用紅外對射管來實現的，在窗戶四周每隔20厘米裝一對對射管，因為每個階段孩子的身高是不一樣的，利用這點，通過對射管對射的個數來控制窗戶的打開或關閉。

風力檢測模塊是利用二極管1S2076A的溫度特性（1S2076A在溫度相同時，二極管正向電流越大，則其正向壓降越高；在正向電流相同時，溫度越低，則其正向壓降越高）檢測風的變化。系統提供對二極管加熱的熱源（兩個1K電阻），無風時，在熱源的作用下，二極管溫度較高；有風時，風將熱量散發出去，使二極管溫度降低，這樣會使二極管正向壓降升高，從而將風信號轉換為電信號，為系統所感知。

雨水檢測模塊主要是利用了測雨板上裸露的兩排指叉狀金屬導線間，干燥時，電阻很大，導電性能極差；在被雨滴打濕的時候，會有一定的導通電阻，可以傳遞一定的電信號，從使系統感知到下雨。

障礙檢測模塊是為了防止窗戶在動作時突然有手伸出，而夾到手的一個保護電路主要利用對射管來實現此功能。

蜂鳴器報警模塊主要是有煙霧報警和防盜報警的功能，當煙霧達到一定濃度時，不僅窗戶會打開，并且蜂鳴器報警；當有小偷的時候，防盜模塊動作之后，帶動蜂鳴器報警。報警音只有當險情解除后才會停止。

此外，還有一個到位停止閉鎖電路，使得窗戶在開關到位后窗戶能停下來，從而保護電機。

1.3 單片機與液晶顯示模塊

單片機是整個系統的控制核心，如圖2所示。S1開關其作用是手動控制智能窗戶的開與關，當單片機檢測到窗戶處于關的狀態（P1.5為1）時，按下按鈕可以使智能窗戶關閉；當單片機檢測到窗戶未處于關的狀態（P1.5為0）時，按下按鈕可以使智能窗戶打開。

S2為緊急停止按鈕，當遇到突發狀況時，可以及時切斷控制電機的動作。

LCD12864是一款128*64像素的點陣液晶模塊，該點陣的屏顯成本相對較低，適用于各類儀器，小型設備的顯示領域。在本智能窗戶的系統中主要顯示當前的年月日與時間，溫度傳感器所檢測到的溫度值，濕度值和四季情況。

圖2 主控模塊與液晶顯示模塊

2 系統的軟件設計

圖3 程序流程圖

智能窗戶的設計既要滿足設定的功能（完成如計算等）的程序，也要有對傳感器采集的環境數據進行分析的程序。其中，傳感器采集程序的主要作用是實時的響應來自外界環境的各種信息，按信息的類別，優先級進行處理。但是，在接收傳感器的采集的環境數據后，本身窗戶是不會動作的，為此我們必須設計一套控制窗戶動作的電機驅動程序，此程序是結合電機驅動模塊而編寫的。此外，作為本系統中唯一的顯示模塊液晶屏，我們還利用程序編寫使屏上顯示出時間，溫度，濕度和季節。

3 結論

隨著集成電路和計算機技術的迅速發展，傳統的家居逐步被智能家居所取代。智能家居的核心部件是單片機，因其極高的性價比得到廣泛的應用與發展，從而加快了智能家居的發展。而傳感器作為測控系統中對象信息的入口，越來越受到人們的關注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，其精密度將直接影響環境數據采集的精確度，其次是數據采集處理階段，應選取合適的運算放大電路對傳感器輸出的信號進行放大。最好是預先計算好應放大的倍數，以便選取。還有就是進行數據處理時，選取適當的數據轉換系數，使輸出滿足量程要求。

本次系統就是在上述基礎上設計而成的。因此，只有充分了解有關智能家居、單片機、傳感器以及各部分之間的關系才能完成整個設計。

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