基于單片機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計

王佳宇，秦 磊，錢 網(wǎng)，吳定會

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無錫 214000）

0 引 言

隨著科技的進(jìn)步，智能化家具不斷發(fā)展。現(xiàn)代社會人們工作繁忙、早出晚歸，常常忘記關(guān)窗。當(dāng)遇到惡劣天氣或小偷潛入時，可能會造成不必要的財產(chǎn)損失。所以傳統(tǒng)的手動開關(guān)窗已無法滿足人們對于更高生活品質(zhì)的要求。因此需要開發(fā)一種能夠收集外界情況，且能在雨天、刮風(fēng)天自動關(guān)窗，同時實(shí)現(xiàn)防盜功能的智能窗戶[1]。

STC89C52單片機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉在控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]以STC89C52為控制器，利用A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，pH傳感器和溫度補(bǔ)償模塊設(shè)計了一種能夠準(zhǔn)確測量溶液pH值的pH值測量儀。文獻(xiàn)[3]以STC89C52為控制器，采用達(dá)林頓陣列、繼電器隊列和LED燈組設(shè)計了一套智能交通燈控制系統(tǒng)，可受上位機(jī)控制。文獻(xiàn)[4]以STC89C52為控制器，采用溫度傳感器和無線遙控模塊設(shè)計了一種智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)，在溫度高時可自動換擋。文獻(xiàn)[5]以STC89C52為控制器，采用藍(lán)牙串口模塊、紅外熱釋模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計了一種智能全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可無線設(shè)定洗衣模式和洗衣時間，出現(xiàn)突發(fā)情況可及時報警。文獻(xiàn)[6]以STC89C52為控制器，采用紅外避障模塊、超聲波測距模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計了一套自動泊車智能小車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動規(guī)避障礙物并將車停入車庫。文獻(xiàn)[7]以STC89C52為控制器，利用多種傳感器設(shè)計了一套家庭智能安防系統(tǒng)，在火災(zāi)和煤氣泄漏時系統(tǒng)可自動報警，可實(shí)現(xiàn)防盜功能。

本文以STC89C52單片機(jī)為控制器來設(shè)計智能窗戶控制系統(tǒng)，由光電傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器等模塊檢測天氣情況，經(jīng)處理后傳入單片機(jī)，單片機(jī)對信號進(jìn)行運(yùn)算處理，再將輸出信號送入電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊或蜂鳴器模塊。同時，用戶還可通過紅外遙控器手動控制窗戶開關(guān)，使生活更加方便、舒適[8]。

1 總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)基于STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，由光電傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、碰撞傳感器模塊、紅外傳感器模塊、紅外遙控模塊、蜂鳴器報警模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊等組成。其原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

溫濕度傳感器模塊檢測窗戶周邊的溫濕度，通過A/D采樣傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)、顯示器，經(jīng)單片機(jī)處理后，當(dāng)溫度高于30℃時控制電機(jī)正向轉(zhuǎn)動以打開窗戶，低于10℃時控制電機(jī)反向轉(zhuǎn)動以關(guān)閉窗戶。光電傳感器模塊檢測窗戶行進(jìn)路線中是否存在障礙物，經(jīng)單片機(jī)處理后，若有障礙物則控制電機(jī)停止運(yùn)行，反之則控制電機(jī)持續(xù)運(yùn)行。雨滴傳感器模塊檢測是否下雨，經(jīng)單片機(jī)處理后，下雨時控制電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶，反之控制電機(jī)正轉(zhuǎn)打開窗戶。風(fēng)速傳感器模塊檢測窗外風(fēng)速，并通過A/D采樣傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，經(jīng)單片機(jī)處理后，當(dāng)風(fēng)速高于13.9 m/s時控制電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶，低于13.9 m/s時控制電機(jī)正轉(zhuǎn)打開窗戶。人體紅外檢測模塊檢測窗外是否有人，經(jīng)單片機(jī)處理后，若有人則控制電機(jī)反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶，同時蜂鳴器發(fā)出警報，反之則控制電機(jī)保持原有狀態(tài)。紅外接收模塊采集紅外遙控信號，并將其輸出到單片機(jī)上，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)打開窗戶或反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶。碰撞傳感器模塊檢測窗戶是否完全關(guān)閉或打開，經(jīng)單片機(jī)處理后，若窗戶完全關(guān)閉或打開則控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，反之則控制電機(jī)保持原有狀態(tài)。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用的STC89C52芯片為STC公司設(shè)計生產(chǎn)的一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，并具有8 kB系統(tǒng)可編程FLASH存儲器，擁有8位CPU和系統(tǒng)可編程FLASH，使得系統(tǒng)更加靈活、有效[9]。

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器模塊采用DHT22數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器用于檢測室外溫濕度，并將信號傳送到單片機(jī)，同時在顯示屏上顯示。該傳感器具有可靠的數(shù)字模塊采集技術(shù)，能夠?qū)崟r采集溫濕度信息并反饋至單片機(jī)，其傳輸?shù)?0位數(shù)字信號前16位為濕度數(shù)據(jù)，隨后16位為溫度數(shù)據(jù)，最后8位為校驗(yàn)和，可測溫度量程為－40～80℃，濕度量程為0～100%RH。

2.3 人體紅外檢測模塊

紅外檢測模塊采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊，該模塊功能強(qiáng)大，可用于防盜，既可采用全自動感應(yīng)，當(dāng)有人進(jìn)入感應(yīng)范圍時輸出高電平，又可采用光敏控制，在白天強(qiáng)光時不感應(yīng)，當(dāng)感應(yīng)到室外有人時將高電平信號傳送到單片機(jī)，單片機(jī)控制蜂鳴器發(fā)出警報，房屋主人即可知道有人在窗外。考慮到夏天溫度較高，設(shè)有一個溫度補(bǔ)償RT，當(dāng)溫度升高至30～32℃時，即可作出一定程度的溫度補(bǔ)償，提高其精確度。

2.4 光電傳感器模塊

光電傳感器基于對射式光電傳感原理，由投光器和受光器組成。該傳感器用于檢測是否有異物阻擋在窗戶的行進(jìn)軌道上，若有則輸出低電平，單片機(jī)控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，避免損傷人或物品；而正常情況下則輸出高電平，不影響電機(jī)轉(zhuǎn)動。

2.5 碰撞傳感器模塊

碰撞開關(guān)用于檢測窗戶是否已經(jīng)完全關(guān)閉或開啟。當(dāng)窗戶關(guān)閉不完全即碰撞開關(guān)未閉合時，該模塊3腳OUT口輸出高電平，指示燈熄滅；而當(dāng)碰撞開關(guān)閉合即窗戶完全關(guān)閉時則輸出低電平，指示燈點(diǎn)亮。利用該模塊可以很好地保護(hù)電機(jī)，避免電機(jī)空轉(zhuǎn)。

2.6 風(fēng)速傳感器模塊

風(fēng)速傳感器采用三杯式風(fēng)速計，在風(fēng)力的作用下帶動三個杯體旋轉(zhuǎn)，只需將電壓采樣端直接與單片機(jī)A/D口相接，另一端接地即可。其不同的輸出電壓對應(yīng)不同的風(fēng)速，轉(zhuǎn)速越大，電壓越高。

2.7 電機(jī)驅(qū)動模塊

本設(shè)計采用電機(jī)驅(qū)動芯片L298N來驅(qū)動24 V直流電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖如圖2所示。該驅(qū)動板可驅(qū)動2路直流電機(jī)，ENA，ENB為使能端，在高電平時有效，通過設(shè)置INT1，INT2確定電機(jī)轉(zhuǎn)動方向，再對其使能端輸出PWM脈沖即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。通過改變INT3，INT4，ENB的電平來確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和狀態(tài)，其中VCC為5 V。

圖2 電機(jī)驅(qū)動模塊電路圖

2.8 雨滴傳感器模塊

雨滴傳感器使用寬電壓LM393比較器，可輸出數(shù)字信號和模擬信號。當(dāng)有雨時D0輸出低電平，指示燈亮；無雨時D0輸出高電平，指示燈滅。而模擬量則可用于檢測滴落在傳感器表面的雨量大小。將上述信號傳送至單片機(jī)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，繼而實(shí)現(xiàn)窗戶的開啟或關(guān)閉。

2.9 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊分為紅外接收器和遙控器，其接收器接收頭為1838紅外接收頭，具有抗光功能，電磁干擾能力強(qiáng)，且內(nèi)置紅外線專用IC。該紅外接收模塊為3線制，VCC為外接5 V電壓，GND為外接地，D0為數(shù)字輸出端口，單片機(jī)通過讀取該輸出端口的二進(jìn)制數(shù)值來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動或停止。遙控器采用NEC編碼格式，遙控距離可達(dá)8 m，采用2.5 V干電池供電。遙控器中各按鍵都有固定編碼，按下后幾十毫秒內(nèi)紅外接收器會接收到一串二進(jìn)制編碼，將其送入單片機(jī)后由單片機(jī)判斷并執(zhí)行相應(yīng)操作。

2.10 顯示器模塊

顯示器采用LCD1602液晶屏顯示溫濕度。該液晶屏可以顯示32個字符，完全滿足溫濕度顯示要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)以Keil作為單片機(jī)編程軟件，C語言作為編程語言。其系統(tǒng)流程如圖3所示。通過各傳感器對周圍環(huán)境的檢測，將信息送入單片機(jī)內(nèi)，由單片機(jī)判斷并執(zhí)行相應(yīng)操作。單片機(jī)主程序main調(diào)用各子程序，其余所有傳感器的信息判斷、電機(jī)模塊驅(qū)動、LCD1602溫濕度顯示、蜂鳴器報警等均寫入子模塊中，方便移植和閱讀[10,11]。

圖3 系統(tǒng)流程圖

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)及各類傳感器，LCD1602，蜂鳴器等器件，將光、風(fēng)、溫、電等技術(shù)結(jié)合為一體，具有較高的可靠性、安全性和極強(qiáng)的實(shí)用性。整體的設(shè)計創(chuàng)新點(diǎn)在于添加了防異物功能，也能較好地避免夾傷用戶。本系統(tǒng)通過一些方便實(shí)用的傳感器實(shí)現(xiàn)了對外部環(huán)境的監(jiān)測，將外界信息顯示在顯示屏上，并由單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動模塊、人體紅外檢測模塊等，最終實(shí)現(xiàn)了智能開關(guān)窗戶的目的，具有較高的實(shí)用價值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 浦靈敏，季愛明.基于STC89C52單片機(jī)智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國科技信息，2011（10）：150-151.

[2] 林關(guān)成.基于STC89C52單片機(jī)的pH值測量儀設(shè)計[J].計算機(jī)與數(shù)字工程，2017，45（9）：1874-1877.

[3] 郭強(qiáng)，劉志峰，張愛平，等.基于STC89C52單片機(jī)的智能交通燈控系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電一體化，2008，14（11）：85-88.

[4] 韓興國，蘇慶勇，王為慶.基于STC89C52單片機(jī)的智能風(fēng)扇控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 裝備制造技術(shù)，2013（3）：52-54.

[5] 張哲，李智，管四海.基于STC89C52的智能全自動洗衣機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017，36（7）：102-105.

[6] 喻偉闖，劉世焯，錢楷，等.基于STC89C52單片機(jī)的自動泊車智能小車的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].湖北民族學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，35（2）：195-197.

[7] 孔育琴.基于STC89C52的家庭智能安防系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2017，36（10）：135-139.

[8] 王杰，楊曄，蔡劍文.基于單片機(jī)的智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2014（12）：61-62.

[9] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[10] 羅懌.基于單片機(jī)控制的智能窗設(shè)計[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2015， 28（1）：100-102.

[11] 毛靜.基于STC89C52單片機(jī)的智能窗設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2014， 22（24）：20-22.