基于單片機的智能全開窗設計

王樹杰 羅劍英

（東莞理工學院 機械工程學院，東莞 523000）

現今，科技發展日新月異。以人工智能、微電子半導體技術、航天、生物、新能源等為代表的一大批現代高新技術蓬勃發展。科技的發展給人們帶來了巨大的便利，但窗戶在這個變革的時代中沒有發生根本性進步。如果有一種多功能的智能窗，用技術的手段進行設計，便能夠使傳統的智能窗實現遠程開關窗、火災主動開窗、雨天關窗等智能化功能。此外，該窗戶具有結構簡單、適用性強、功能完善等特點，十分符合現代智能家居的要求，具有廣闊的市場應用前景。

1 系統功能介紹

本多功能智能窗可實現七大功能。

1.1 監控危險情況

窗戶系統會24h監控室內各種氣體含量，當可燃氣體或某種特定的氣體濃度達到了預先設計的值時，窗戶將會自動打開，與室外進行通風。如果氣體濃度回歸到正常水平，窗戶則會自動關閉。

1.2 雨天關窗

當窗戶打開時，窗戶系統將會啟動對于天氣下雨情況的監控。一旦雨量達到一定的值而會影響室內時，窗戶將自動關閉。

1.3 遠程遙控

窗戶系統內置有藍牙通信模塊，只要通過遙控器，遠程便可以實現對于窗戶的控制。此外，還可對窗戶進行語音控制，只要說出特定語音語句，窗戶識別后便可實現開/關功能。

1.4 調節溫度

窗戶系統監控室內溫度情況，當溫度過高時，窗戶將自動打開，當溫度回歸到正常水平則關閉。

1.5 自動上鎖

窗戶內置有電磁鎖結構，實現自動上鎖功能。

1.6 機械式與電子式操作切換

為了防止停電窗戶無法工作的情況，只需按一個按鈕，窗戶便可切換為手動操作的模式。

1.7 窗戶具有防盜功能

開啟后，若有人從窗戶進入，窗戶便能監控到并立刻發出報警聲音。

2 系統機械設計

2.1 全開窗結構

本智能窗改變了過去傳統窗戶的開關方式，采用了“全開窗”結構，使得空間得到最大化利用。經計算，本結構打開率高達94.5%（常規推拉窗打開空間最高只有45%）。窗戶外框架采用了鋁合金結構，其分格的靈活性比較大，可以將其做出多種立面效果，人們可以把此類窗戶改裝運用到多種場合。窗戶整體機械框架如圖1所示。

圖1 窗戶整體機械框架

2.2 內部機械驅動

多功能智能家居全開窗裝有各類高靈敏度傳感器，如煙霧傳感器、雨滴傳感器等，在此基礎上便可實現感知外部環境的變化，然后通過電路，使得電機開始工作。電機工作后，帶動窗戶內部機械結構相互運行，從而實現了雨天自動關窗、陽光充足時自動開窗等一系列功能。利用大扭矩電動機輪組帶動同步帶，同步帶上安裝一個固定夾，固定夾子與底下的窗戶底座相連接，即可實現窗戶的左右平移滑動。與此同時，利用窗運動的慣性和電磁鐵通斷電實現自動上鎖。

而在窗戶的開關運行過程中，會遇到“死點”的問題。當窗戶關閉后，兩窗扇處在同一直線，這時就出現了機構的死點問題。如果在該情況下給電機通電，無論多大扭矩都無法使窗戶打開，最后只會令電機燒壞。針對此類情況，人們在兩扇窗中間加上了兩根彈簧進行“儲能”，以確保窗戶在關閉之后仍保持有一定的動力。當窗戶一打開，就能夠使得其不在同一直線上，形成一個較小的角度，從而順利開關窗戶。

3 系統電路設計

3.1 總體設計

系統基于STC89C52單片機進行控制，作為系統控制器，其具有功耗低、體積小、存儲容量大、硬件功能容易實現的特點[1]。系統整體電路如圖2所示。

圖2 整體電路

3.2 電機驅動模塊設計

智能窗是通過步進電機與STC89C52芯片、運算放大器、邏輯門芯片和各種敏感電阻和遙控器組成各種外部環境變化感應控制電路，實現步進電機的智能開和關，從而簡單地實現窗的自動化。

圖3 驅動整體電路

3.3 溫濕度檢測模塊設計

本智能窗以單片機為核心，采用溫濕度傳感器DHT11設計一個對環境溫度、濕度的檢測系統。DHT11是一款已經校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字信號模塊采集技術和先進的溫度傳感技術，具有極高的可靠性和卓越的長期穩定性，廣泛應用于實驗室、工業、環保、衛生防疫、倉儲運輸、溫室等領域[2]。

溫度測量范圍：0～50℃；濕度測量范圍：20%～90%RH。DHT11有一根數據線、一根電源線、一根地線，還有一根（NC）懸空。直接將電源線與單片機的電源VCC相連，地線與單片機的GND相連。數據線DATA與單片機的P1.0口相連，外加一個5kΩ的上拉電阻。所需要的溫濕度數據便是由DATA引腳通過P1.0送入單片機，在單片機內做出相應的處理之后得到相應的溫濕度數據，如圖4所示。

采用該傳感器后，室內溫度過高時，智能窗戶自動開啟，以調節室內溫度。讓室內環境舒服自在。

3.4 雨滴傳感模塊設計

雨滴傳感器過去常被運用到汽車中，以控制雨刮的速度。雨滴傳感器用于檢測是否下雨或者雨滴量的大小[3]。

雨滴傳感器可在程序設計的規定工作條件下進行工作。筆者創新性地把CCD攝像頭雨滴傳感器運用到此智能窗中，使得系統能夠檢測到下雨天氣，以達到下雨天關窗的功能。傳感器安裝于窗戶三角突出的位置，在剛下雨時就能接受到雨滴。當傳感器接收到雨滴后，發出信號接通控制器，通過控制器使執行機構動作而關好門窗，其原理如圖5所示。

圖4 溫度檢測模塊電路

圖5 雨滴傳感模塊電路

3.5 煙霧傳感模塊設計

窗上裝有煤煙傳感器，當檢測到室內一定濃度煤氣對人體造成危險時，警報聲響起，同時向電路傳輸信號，實現自動開窗。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉化成電壓或者電流信號，通過A/D轉換電路將模擬量轉換成數字量后送到單片機，進而由單片機完成數據處理、濃度處理及報警控制等工作[4]。此感應器靈敏度高，當測試到有氣體濃度異常時，窗戶將關閉，待煙霧回歸到正常范圍才會重新開啟。

4 系統軟件設計

該智能窗控制系統的控制單元選用了STC89C52單片機，這是ATMEL公司的一款低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8kΩ系統可編程Flash存儲器[5]。系統以Keil作為編程軟件，以C語言為編程語言。

通過各個傳感器對外界和室內環境條件進行檢測，由單片機判斷采取相應的開關窗動作。接通電源后，各個傳感器各自初始化，開始檢測環境的各種參數，當數值達到所設定值后，便開始動作。程序中設置了手動開關窗是最高優先級，所有窗戶的自動操作都可被手動主動停止，這充分體現了人性化設計，人的意愿是最優先考慮的。第二優先級為防燃氣泄漏，當檢測到燃氣泄露時，電機正轉開窗并語音報警及時通風換氣。其后根據更傳感器的重要性，依次進行優先級排序。

5 結語

本智能窗結構設計巧妙，集合了溫度、濕度、煙霧等多種傳感器。機、電高度融合，可靠性高、穩定性強。其集成后的智能化程度十分高，人性化理念強。而其制造、安裝簡易，可適用范圍廣，其適合引進到高檔住宅、酒店、學校等場景，具有十分廣闊的應用前景。