微型智能關窗系統的設計研究

寇麗杰

摘要：如今智能家居已經走進人們生活，智能窗戶就是其中的一角，但大多數智能窗是一體化的，而已有的普通窗戶多為推拉式的，老居民房因此更換窗戶顯然不實際，因此本論文研究開發獨立的微型智能關窗系統，本系統以STC89C52RC作為“頭腦”兩個電機驅動和步進電機作為“雙手”，溫濕度傳感器和雨滴傳感器放大器作為“雙眼”來實現。“雙眼”將得到的信息反饋給“大腦”，“大腦”判斷并處理信息，再告知“雙手”需要做什么。液晶顯示屏就像一個告示牌，上面記錄著“雙手”處于什么狀態和當前的時間。

關鍵詞：單片機；智能家居；雨滴傳感器；溫濕度傳感器

中圖分類號：U463.02 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0105-02

1 前言

近年，我國在物聯網行業有非常可觀的發展趨勢，也正是這一現象讓智能家居如雨后春筍般快速成長，我國的智能家居正邁入一個更新的階段[1]，現市面上雖不乏智能窗戶，但大多是新型家居一體化的，這對于老居民區的房子應用就不實際了[2]。基于此研究現狀，本設計使用STC系列的51單片機作為控制系統設計了雨天智能關窗系統，可根據天氣自行決定窗戶的敞開或關閉，根據溫度自動開關窗，顯示當前時間[3]。讓老居民房以最小的花銷獲得最前衛的生活體驗。

2 系統方案

本系統以STC89C52RC作為核心，此款單片機可直接通過串口來燒寫程序，給智能關窗系統的設計提供了極大的方便。隨著材料科學的發展和固體物理效應的不斷發現，目前傳感器技術已形成了一個新型科學技術領域[4]。本智能關窗系統的設計采用雨滴傳感器和DHT11溫濕度傳感器。

在該設計里，系統的工作頻率從32.768KHZ晶振構成的晶振電路來獲得，系統的工作電壓要靠外接的電源來提供的。雨滴傳感器上阻值的變化和溫濕度傳感器采集到的當前環境的溫濕度，轉換成電壓值后再應經過比較器，經過A/D信號的轉換后，發送給STC89C52RC單片機處理再將處理后的信號發送給步進電機模塊通過驅動電機讓電機轉動，實現下雨天或者低溫天氣的自動開關窗。

（1）溫濕度傳感器：溫濕度傳感器向單片機發送實時溫濕度數據，單片機將該數據與設定的閾值比較，若實時數據高于閾值則開窗，若實時數據低于閾值則關窗，對應在顯示屏上顯示ON/OFF。

（2）雨滴傳感器模塊：雨滴傳感器向LM393輸入電平信號，經過與基準電平（電位器控制，起到控制雨滴床干起閾值的作用。）比較后輸出電平發送給單片機，單片機若接收到低電平，則向步進機發出信號，關閉窗戶（若窗戶是關閉狀態則保持窗戶關閉狀態），實現自動關窗功能。

3 系統硬件設計

本智能窗系統設計的工作頻率的是用32.768KHZ構成的晶振電路，作為指令執行的基礎，本智能關窗系統的晶振電路模塊與單片機的XTAL1和XTAL2引腳相連。

復位電路的功能就像設備恢復出廠設置，讓雨天自動關窗系統回到最初始的狀態，本系統使用的是10uf/25v電容和10K的電阻串聯組合成的復位電路。一般整個設計通電后按下復位電路。

本智能關窗系統設計中的液晶顯示模塊LCD-1602采用可以顯示兩行的，每一行都可以顯示十六個字符，由本設計的電源模塊產生的+5V電壓供電（該液晶顯示器承受的電壓區間為4.5V-5.5V），接口設計簡單，價格便宜，具有很高的性價比[5]。

在本設計中，LCD-1602作為唯一顯示屏主要顯示來自DS1302的時間、DHT11中的溫濕度、窗戶開關狀態和調整閾值時的顯示。本關窗系統設計將LCD-1602的VL管腳與電位器相連，可通過調節電位器來調節顯示屏的亮暗程度。

本系統使用的溫濕度傳感器型號是DHT11，其溫度感應范圍在零到五十攝氏度，主要適合南方的氣溫預測，工作穩定且耗能少。DHT11共有四個引腳，一個地線一個VDD一個數據線，還有一個空腳。VDD供電范圍在3v-5v。濕度數據采集的行為是變形的模擬軟件，可以在更大范圍內收集濕度數據[6]。

本系統的雨滴傳感器模塊由雨滴傳感器、LM393比較器和電位器構成。雨滴傳感器是獲取當前的雨滴量，并將雨滴傳感器的輸出單與LM393的輸入端相連，LM393基準電壓與電位器相連作為雨滴傳感器的閾值，兩信號經過比較器后結果輸入STC89C52RC單片機，單片機再由該輸入信號決定是否發送信號給驅動電路，驅動電路使用ULN2003作為驅動步進電機，步進機開啟/關閉窗戶[7]。

本系統系統設計的電機驅動電路由一個驅動芯片ULN2003和一個步進機構成。ULN2003的功能是保證步進機的正常工作。設計中，步進電機與窗戶連接，步進電機的轉動帶動窗戶的移動，達到開關窗的效果。步進電機模塊本應有兩個，本智能關窗設計中原理圖也有兩塊，但在實物中只有一個模塊，與單片機的P20～P23引腳連接（同理實現另外一邊的窗戶）。

按鍵控制電路共有五個按鈕：K1是手動開窗按鈕，生活中肯定會有手動開窗的需要，不可能完全依賴天氣來開窗。K3是手動關窗按鈕，同理，生活中也不可能完全依靠天氣來關窗戶，所以必須要有一個手動關窗按鈕。K5是限位按鈕，也就是即停按鈕，為了貼合生活，偶爾窗戶半掩也是可以的。K2是設定時間測按鈕，也有因為某種原因，系統斷電，需要手動先基準時間，所以K2是選擇設定時間功能的按鈕。K4是溫濕度閾值設定按鈕，通過該按鈕可以調節溫濕度閾值，滿足不同季節的對室內溫濕度的要求。K6和K7分別是加減按鈕，用于設定時間和調節閾值時加減數值。

時間基準電路由DS1302時鐘芯片為主體，和32.768KHZ的晶振一起。時間基準電路由獨立的電源。電源濾波電路的作用是硬件去抖動，減少電平波動。一個好的電源濾波技術是電路系統穩定可靠工作的前提。

4 系統軟件設計endprint

系統主要功能分兩塊：一是雨天自動關窗；而是溫濕度警報。接通電源，系統單片機I/O口、液晶顯示屏、雨滴傳感器和溫濕度傳感器初始化，液晶顯示屏顯示DS1302的基準時間和窗戶當前狀態，單片機開始接受兩個傳感器傳來的信號：（1）雨滴傳感器接收到雨滴信號與由電位器控制的閾值進行比較，如果雨滴信號比閾值高那么比較器就輸出低電位，并發送給單片機，單片機控制步進機關閉窗戶，并控制液晶顯示屏顯示OFF，表示窗戶是關閉狀態。（2）溫濕度傳感器接收到信號與設定的閾值進行比較，若溫度高于閾值則開窗，并在液晶顯示屏上顯示“ON”，表示窗戶是打開的狀態，反之關窗并在液晶顯示屏上顯示“OFF”，表示窗戶是關閉狀態。

溫濕度傳感器的信號由單片機的P0.6控制，主要代碼（偽代碼）：

（1）設置P06端口為 in；

（2）Get溫濕度傳感器的數值a（整數部分，小數部分）；

（3）a to單片機from P06；

（4）單片機比較a與設定的閾值b結果為c；

（5）If c為高電平；

（6）false 等待下次的比較結果；

（7）true 單片機設置開窗，液晶顯示DisplayList（13，0，"ON "）；

雨滴傳感器的信號由單片機的P0.7控制，主要代碼（偽代碼）：

（8）設置P07端口為 in；

（9）get雨滴傳感器的數值a；

（10）由電位器組成的基準電壓b與a比較；

（11）out比較結果c to單片機from P07；

（12）If c為高電平；

（13）True 等待下次的比較結果；

（14）False 單片機設置關窗，液晶顯示屏DisplayList（13，0，"OFF"）。

5 系統調試

在KeilC51中編寫程序并生成.hex文件，以VS-Y板作為中介，利用stc-isp（v6.85）下載工具，將在KeilC51上編譯生成的.hex文件下載到本智能關窗系統設計的STC89C52RC中。正轉為窗戶關閉，反轉為窗戶打開。調試結果：各指示燈亮，顯示屏亮，各模塊正常工作；顯示屏的亮暗程度隨電位器的調節而變化；閾值越高所加水滴越多電機才會正轉；在窗戶關閉的情況下按下K1，電機反轉；在窗戶打開的情況下按下K3，電機正轉；在電機轉動的情況下按下K5，電機停止；正常設置年月日時分秒；正常設置溫度值，并在不同情況下在顯示器上顯示不同的窗戶當前狀態，并且電機正確方向轉動。

6 結語

本系統以STC89C52RC作為控制系統，結合雨滴傳感器和溫濕度傳感器設計了微型智能關窗系統，很大程度促進物聯網智能家居的發展應用。其實現主要功能：（1）溫度監控：STC89C52RC單片機沒隔一段時間向DHT11發送信號，溫濕度傳感器每收到一次信號便將溫濕度數據傳送到單片機，單片機再與之前設定好的溫度閾值比較，若高于閾值則開窗，LCD顯示屏顯示ON，反之關窗，LCD顯示屏顯示OFF。（2）下雨監控：當天空開始飄雨達到雨滴傳感器閾值時，LM393向STC89C52RC單片機發出低電平信號，單片機再控制步進機關閉窗戶，避免由于突然下雨家人不在引起的房內進水。

參考文獻

[1]趙新民.智能儀器原理及設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1995.

[2]孟文卿，王志坤.對智能檢測雨水自動關窗裝置的研究[J].電子技術與軟件工程，2015，（05）：181.

[3]鄧學欣，檀潤華.智能窗的概念設計[J].河北工業大學學報，2001，（04）：25-29.

[4]王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2007.

[5]蔡康松，段杏林.基于單片機字符型液晶顯示模塊控制設計[J].黃山學院學報，2005，（03）：22-24.

[6]Jun Xia Zhang，Bing Wang； Ya Ning Song. Exploration of Humidity Data Acquisition System Based on Single Chip Microcomputer[J].Trans Tech.2013，2494-2497.

[7]Rong Xia Sun，Xiao Ning Sun； Shuo Nan Wang. The Design of the Solar Panels Automatic Tracking Controller[J].Trans Tech.2014，123-127.endprint