電子開窗機控制器的設計

趙旭

摘 要：電子開窗機控制器主要通過檢測外界物理量的變化根據設置參數來控制開窗機開啟和關閉的電子裝置，這種裝置具有多種傳感器如溫濕度傳感器、風速傳感器、可燃性氣體傳感等，通過微控制器實時處理傳感器輸入信號控制或者用戶通過WIFI連接到互聯網遠程控制開窗機動作。

關鍵詞：電子；開窗機；控制器；設計

中圖分類號： TP27 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）11-144-2

0 引言

我國自動化水平發展較快，人們的生活質量也逐漸提高，人們對生活環境的舒適性要求越來越高，作為智能家居的一部分，開窗機逐漸進入到人們生活當中，開窗機是一種通過電動機帶動機械裝置控制窗戶打開和關閉的執行機構，目前應用在智能公寓、高位窗戶（靠人力難以觸及的高處）、有消防聯動或者通風需求的窗戶。但是在市面上，與開窗機配套的開窗控制器一般都是由性價比較低且功能較為單一的開關或者價格較高而功能較多的智能家居控制系統構成，缺少單獨功能較多的控制器。本文設計的電子開窗機控制器包含多種物理量傳感器，如溫濕度傳感器、風速傳感器、可燃性氣體傳感器、空氣質量傳感器，根據用戶設定參數來控制開窗機的工作。

1 電子開窗機控制器的設計要求

基于多種傳感器的電子開窗機控制器能夠根據外界或者室內的物理量變化控制開窗機選擇開啟或者關閉窗戶，開窗機開啟角度也不同。另外，不同的建筑、不同的安裝高度及氣候條件對開窗的要求也不一樣，另外除太陽能公寓外，都使用市電200V、50Hz交流電供電。根據以上的要求，需要設置一套人機交互裝置便于用戶參數設置。本設計中共有兩套控制方案，一是自動調節，各類參數出廠前設置好，對開窗機的控制按照默認值進行控制，如室內溫度保持在20℃以上、相對濕度保持在30%以上、空氣質量保持在良以上（空氣質量傳感器出廠標定），此時系統控制開窗機開窗，角度最大值，當檢測低于以上參數或風速超過5米/秒則關窗。但是如果檢測到可燃性氣體，則不論以上傳感器的參數是多少，立刻控制開窗機開窗。另一套方案是用戶控制，將開窗和關窗控制交給用戶控制，這種控制是用戶通過WIFI模塊連接到互聯網將指令發送到開窗機控制器中，由控制器內置的WIFI模塊接收到指令后完成開窗和關窗動作，但是擁有最高處理優先級的仍是可燃性氣體檢測，即不論何種控制方案，何種傳感器的參數達到了關窗閾值，一旦檢測到可燃性氣體，都會執行開窗動作。

根據以上的設計要求，可以看出，系統對不同傳感器檢測的信號的響應時間是不同的，優先級最高且響應速度最快的是可燃性氣體傳感器檢測的信號，其次是風速傳感器檢測的信號，最后是三個舒適性指標的溫濕度傳感器和空氣質量傳感器檢測的信號。響應的優先級也和上面一致。

2 電子開窗機控制器的硬件結構

根據設計要求，本設計中主要采用一種處理速度快、外部設備資源豐富的微控制器方案，意法半導體的Cortex-M3微控制器STM32F103RBT6。由于本設計中涉及到的傳感器信號由A/D轉換器處理并不需要那么極其精確，所以，STM32F103RBT6內部集成的12位A/D轉換器已足夠滿足設計要求。此外，電源設計需要從市電220V、50Hz取電，并且供開窗機的直流電動機使用，所以需要設計2種電源供電電路，一種是采用大功率開關電源將市電轉換成直流12V10A輸出，供開窗機的直流電機使用，另一種是由直流12V通過DC-DC轉換電路輸出直流5V1A供控制電路使用，控制電路中除可燃性氣體傳感器功耗較高外，其他模塊電路功耗較低。

傳感器采集電路是本設計的重點，首先溫濕度傳感器采用國產DHT11數字溫濕度傳感器，精度和可靠性和進口SHT11相差無幾，但是單價很低，對于整個產品的性價比和市場競爭力有所提升。空氣質量傳感器采用夏普公司的GP2Y1010AU0F，這種傳感器的檢測原理是根據光學原理檢測，傳感器中有一個紅外發光二極管和光敏管構成，兩種半導體布置成對角方式，檢測空氣中的灰塵反射光大小轉換成電流值，由于內部有高精度的基準，可以轉換成A/D轉換器能夠識別的電信號。風速傳感器采用傳統三杯式傳感器，雖然測量角度單一，測量精度不如超聲波風速傳感器高，但是滿足本設計的設計要求，更能降低本設計的總成本。可燃性氣體傳感器采用MQ-N5傳感器，同時也能檢測到煙霧濃度，通過高增益放大電路和濾波電路后，檢測靈敏度和精確度很高，滿足設計要求。

輸出控制單元采用固態繼電器單元，這是由于當檢測到環境可燃性氣體濃度升高時要立刻開窗，普通繼電器吸合和斷開過程中極容易產生電弧引發爆炸，所以需要設計防爆措施。固態繼電器是一種新型的電力電子器件，具有良好的防潮防霉防腐蝕性能，特別在防爆和防止臭氧污染的工作環境中性能良好，輸入功率較小，靈敏度較高，電磁兼容性較高。

在遠程控制方面，加入了WIFI模塊，通過通用異步收發傳輸器（UART）方式與STM32F103RBT6微控制器交換數據，WIFI模塊采用德州儀器（TI）公司低功耗CC3200方案，它支持二次開發，擁有高速的波特率，具有高性能低功耗的特點，通過電路設計，它擁有AP/STA/AP+STA共存工作模式，大大提高其接受效果，通過TI公司強有力的技術支持，這種WIFI模塊穩定性要強于聯發科MT7681和高通AR4004方案，特別是在支持二次開發方面更有優勢。

相對于市面上的功能單一的控制器，本設計的控制器還具備模塊化特點，即以上的傳感器單元都可以剪裁，根據用戶需求增加減少傳感器數量和種類，通過一定的控制方法設計響應速度和響應優先級。

3 電子開窗機控制器的軟件設計

由于檢測對象較多，被控對象都是由檢測信號處理后做出動作指令，所以軟件工作量較大，本設計中采用庫函數開發設計，軟件設計環節中減少了大量的寄存器設置工作，使得設計更加便捷和快速。由于近些年ST公司不停優化庫函數、微控制器的處理能力和性能不斷提高，相對于寄存器操作的編程方式，庫函數損失的效率可以忽略不計。

需要注意的是，啟動文件STM32F10x.s里面定義了堆棧大小以及各種中斷的名字及其入口函數，采用匯編語言編寫，但是本設計中采用的STM32F103RBT6的啟動文件中只定義了3個串口、4個定時器，而同類的STM32F103ZET6配備5個串口，更多的定時器，如果要移植，則需要修改啟動文件才能正常使用增加的內部資源。

另外，實時性和優先級是本設計中重要的軟件設計要求，由于檢測對象多，任務量大，所以本設計采用實時操作系統來完成這些任務的調度和控制。

實時操作系統（RTOS）是一種在微控制器中運行的系統內核，由集成開發環境和調試器組成，能夠及時響應外部事件或者數據產生，處理結果又能在規定的時間內完成并生成一系列控制規則來控制被控對象，合理調度任務使任務之間切換通信等。本設計中采用較為穩定和先進的μC/OS-II實時操作系統，它支持多優先級的搶占式多任務控制。

移植μC/OS-II實時操作系統至STM32F103系列控制需要經過創建μC/OS-II實時操作系統文件夾、復制核心文件、修改代碼等步驟，總體移植難度不大，需要注意修改代碼部分分別是修改中斷代碼：

Startup_stm32f10x_d.s中的 DCD OSPendSV

OSPendSV PROC ； EXPORT OSPendSV

及時間基準：

SysTick初始化函數：

#include “uCOS_include.h” INT32U cnts；

最后根據本設計的實際情況，修改任務切換時間：

Os_cfg.h中的#define OS_TICKS_PER_SEC 10

4 結論

電子開窗機控制器能夠很好的協調各個傳感器輸入的信號，并及時處理它們，隨著人們生活條件的提升，這種控制器將會普及，種類更加繁多。通過實際測試發現，控制器能夠準確可靠的工作，另外成本控制的很好，后期進入市場會有很強的市場競爭力。

參 考 文 獻

[1] 沙春芳.基于STC15F104E的開窗機控制器的設計[J].電子科技，2012，25（12）：73-75.

[2] 商聯紅.智能開窗機控制器的制作[J].電子制作，2008（12）：69-70.