居室眼睛—多功能家居窗戶控制設計

涂穎，鄭云祥，李剛

（湖北文理學院 物理與電子工程學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

在現代家居生活中，人們在不斷地追求更安全、舒適、方便、人性化的家居環境。而窗戶作為其中必不可少的一部分，不應該被忽略到，它不僅可以起到基本的裝飾、采光、通風等作用。也可以多種功能集結成一體的智能窗戶。如成為防盜防非法入室的重要途徑，普通的防盜網加固在窗戶外可以防盜但在發生火災等緊急情況下則大大降低了逃生的可能性，使用紅外感應安防則完善了這一缺陷；又如在主人沒有意識到室內煤氣等有害氣體含量過多的情況下，給窗戶加上煙霧檢測傳感器實現自動開窗透氣，為我們的美好生活保駕護航；再如，增加溫濕度傳感器以及雨滴檢測傳感器，通過信號的采集、分析和處理，實現下雨時自動關窗以免雨水濺入室內，天氣悶熱溫度過高自動開窗等等智能化的操作。因此更好地實現窗戶的智能控制和安全防護以提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性顯得尤為重要。

1 系統總體設計

圖1 系統整體架構圖

本設計以STC89C52單片機為核心CPU，集成多種傳感器實現監測控制，同時步進電機起到傳動目的，實現精準控制窗戶和窗簾的開關。系統整體架構圖如圖1所示。AD0832將采集到的數據轉換成數字信號送給單片機顯示，形成一套監測系統，實時顯示溫濕度值、煙霧值、亮度值、系統時間，當數值超過設定值進行相應操作，同時可外部手動或紅外遙控開關窗。

2 硬件模塊設計

2.1 AD0832

單片機控制系統中通常要用到AD轉換，根據輸出格式，常用的AD轉換方式可分為并行AD和串行AD。并行方式一般在轉換后可直接接收，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，但需要軟件處理才能得到所需要的數據。在進行單片機和ADC0832的連接時，DI和DO并不是同時使用，所以可共用單片機的一條I/O線，再加上一條時鐘線和一條片選線就可以實現單片機和ADC0832的連接。

AD0832是8位逐次逼近模數轉換器，可支持兩個單端輸入通道和一個差分輸入通道。當片選CS為高電平時芯片不工作，要進行A/D轉換則先將CS使能端置于低電平并且保持直到轉換完全結束。芯片工作時，由CPU向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖。若要表示啟始信號則在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平。若要選擇通道功能則在第2、3個脈沖下沉之前DI端應輸入2位數據。在完成輸入啟動位、通道選擇之后，就可以開始讀出數據，轉換得到的數據會被送出二次，一次高位在前傳送，一次低位在前傳送，連續送出。我們可以在程序讀取二個數據后加上檢驗來看看數據是否被正確讀取。

2.2 光照檢測

使用的探測元件是GL5528光敏電阻傳感器，用于光線亮度檢測。在周圍光強達不到閾值時，D0口輸出高電平;光強超過閾值時，D0口輸出低電平。D0輸出端直接與單片機相連，單片機根據它反映的電平高低來判斷周圍環境光線亮度的變化，然后由程序發出命令從而控制電機實現相應的動作。依據此原理可以用來判斷天色，當天黑時，信號端輸出高電平，單片機檢測此IO口的變化自動控制窗戶的開啟與關閉。

圖2 MQ—2原理圖

2.3 氣體傳感器

MQ—2型傳感器廣泛應用于室內的氣體泄漏檢測，對天然氣、液化石油氣等煙霧的靈敏度很高，具有良好的抗干擾性，可以精準的排除掉刺激性強但卻不是可燃煙霧的干擾信息。其特性相當又于一個滑動變阻器，氣體濃度越高電導率就越大，電阻是電導率的倒數，所以其阻值是減小的。值得注意的是，由于輸出的是模擬電壓，所以必須要經過AD轉換才能與單片機相接。其模擬輸出電壓的計算方法如下：U=VCC×10/(RS+10K),RS為敏感體表面電阻，RS=（VC/VRL—1）×RL,VC為回路電壓，VRL為傳感器4、6腳輸出的電壓，RL是負載電阻。圖2給出了它的原理圖。

2.4 步進電機電路

本電路由兩組ULN2003模塊和24YBJ組成。ULN2003是一個7路反向器電路，即輸入端為高電平則輸出端為低電平，它也可以作為一些器件使用，如這里作為步進電機的驅動電路。

2.5 紅外遙控模塊設計

紅外遙控一般分發射和接收兩個部分，發射部分的主要元件為顏色透明的紅外發光二極管，接收部分的是黑色紅外接收管。紅外線遙控器的原理簡單易懂，通過發射管把信號換成不可見的紅外線發出去，然后被遙控物體里的接收頭接收，最后將紅外線然后轉成信號，有了信號就能控制物體了。紅外遙控的特點是不影響周邊環境、不干擾其它電器設備、使用方便。

2.6 傳感器的放置

（1）溫濕度傳感是放在窗戶外面的，這樣在下雨天時才能及時準確檢測到溫濕度變化，進行關窗動作；

（2）紅外防盜探測頭是放在窗戶里面，當有小偷想通過窗戶進來偷竊，可以及時發現，進行報警，并自動關窗；

（3）換風系統是裝在窗戶最上面的，窗戶上面要留一個適合風機大的可穿過位置。風機里面內置過濾網，并且可以卸裝的。

圖3 程序流程圖

3 軟件模塊設計

接通電源后，初始化單片機并開始工作。傳感器同時采集信息進行檢測判斷，在開窗的狀態下，紅外檢測探頭如果檢測到有物體靠近，此時窗戶自動關閉，并且蜂鳴器進行報警。當煙霧傳感器探測到室內有可燃氣體或濃霧超標時，單片機立刻發出開窗指令，窗戶打開至兩個開窗限位器接觸時，停止電機轉動，在此期間蜂鳴器進行報警，換風系統啟動。當有紅外遙控信號時，及時進行開關窗處理。手動按鍵用來設定上下限參數和校對時間實現定時開關窗，以及復位消除報警。濕溫度傳感器檢測到室外濕度超過限位時，單片機控制步進電機關窗，當窗戶與窗框完全接觸時，兩個關窗限位片導通，步進電機停止轉動。進入夜晚時，在光敏電阻發出的信號后，關閉窗戶。

即通過各路傳感不斷循環檢測室內信號，與我們預先設置的閾值相比較,配合檢測電路檢測到的當前窗狀態,從而作出相應動作判斷。

4 實體構思圖

圖4 實體圖

窗戶的左右為滑輪，中間為步進電機安裝點，右窗戶的右上角裝有換風系統，左右兩邊為各種傳感器的安裝點，兩者均與電機相連從而傳輸檢測信號并行動。

5 結束語

現在的窗戶大部分都是通過人為手動去關閉和打開的，但是當人不在家時，一旦發生意外時便不能快速有效的去關閉或打開窗戶，為家庭帶來很大的隱患，因此這款多功能窗戶控制系統，完全可以滿足大部分人的需求，當各個意外時，系統都會給予自動處理的，所以無論是從經濟價值角度分析，還是從治安的角度考慮，都有廣泛的發展前景。