基于單片機的智能窗戶設計

王怡博

（鄭州市第一中學，河南鄭州，450000）

0 緒論

隨著改革開放以來幾十年的發展，科技有了長遠的進步，人們的觀念發生了翻天覆地的變化。并且不僅在工業的生產方式方面，甚至是在人的日常生活方面都有了質的飛躍。并且人們對于生活質量也有了非常高的要求，對于之前的溫飽問題已經徹底不存在了。現在的人們更多的關心的是健康的生活方式以及高效省心的生活節奏。尤其在家居方面，人們更是有了新的要求，甚至要求家居要變得智能化，節省人力。目前已經有人提出了智能家居的概念，只是還沒有完全的開展開來，但是相信這一天的到來并不會太遙遠。雖然全面的智能家居還沒有完全普及，但是一些智能的家用電器已經慢慢的進入到了很多的家庭當中。例如掃地機器人等等，這在很大程度上減少了人的工作量，因此，這也非常受年輕人的歡迎。另一方面，人們對于日常的采光也非常的關注，這也關系到人的健康，現在的很多人家都會在居室內種植花草，花草對于光照的要求也非常的高。對于特定的時間段，光照強度可能會非常的強，導致人的不適，影響到植物的正常生長，因此在一定時間段內調節光照是非常關鍵的。人為的調控窗簾效率并不高，并且也不及時。目前已經有智能窗簾的相關研究，但是這種設計一般都是通過窗簾的拉開與閉合來調節室內的光照強度的，這需要對窗簾進行相應的設計，并不太方便。因此需要一種新的光照強度室內調節裝置來解決這項問題，本設計就是在這樣的背景之下產生的。該款設計要解決以下幾個問題：

（1）室內光照強度的測量問題；

（2）室內光照輕度的調節問題。

1 總體設計

該款設計要能夠自動的檢測光照強度，并且能夠自動的改變室內的光照強度，為人以及室內的花草提供最好的光照條件。該設計所有的操作都為系統自行完成，并不需要人為的干涉，實現了完全的自動化。對于自動化的實現，目前使用的比較多的是基于單片機系統和PLC系統控制的方法。PLC由于其自身的體積、成本以及功耗等方面的限制，并不適合于本設計。所以單片機成為了本設計的首選。而對于光照強度的檢測，本設計采用的是光照強度傳感器。對于光照強度的調節，本設計摒棄了設置相應窗簾的方法，而是采用智能電控玻璃來調節透光度，進而改變光照強度。而另一方面，單片機提供的電信號不足以驅動電控玻璃，因此需要繼電器來作為橋梁，完成單片機對電控玻璃的控制。本設計的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

本設計中單片機的型號為stc89c51，光照傳感器模塊采用的型號為gy–30，則本設計采系統原理圖如圖2所示。

2 硬件設計

單片機：單片機目前問世僅僅四十余年，但是自其問世之日起，就促進了工業控制方面的巨大發展，目前單片機已經在航空航天、軍事、儀器儀表等方面發揮了極其關鍵的作用。單片機本身在成本、功耗、體積等方面都非常具有優勢，因而得到了很多的設計者的青睞。本設計采用STC89C51型單片機，該款單片機運算速度更快，功能更加可靠，并且具有可編程的能力，非常適合于初學者。

圖2 系統原理圖

光照傳感器：光照傳感器是檢測光照信息的器件，在農業林業種植生產方面應用非常廣泛。具體的原理是將光照信息轉換為電信息進行測量。本設計利用的元器件是gy–30模塊，其內部設置BH1750fvi芯片。其最大可以測量65535勒克斯的光照強度，并且精確度高，對于光源的依賴性小，抗干擾能力強，對于日常要求已經完全滿足。其設置有IIC通信接口，采用的通信方式為IIC通信方式。本設計的單片機不具有IIC通信接口，因此利用普通I/O口模擬的方法。該種通信方式只需要一根數據總線以及一根時鐘總線就能夠完成模塊與單片機之間的信息相互傳輸，非常的方便。

繼電器：由于單片機的輸出功率非常小，驅動不了電控玻璃，因此需要繼電器作為中間的橋梁。本設計采用的是電磁繼電器，利用的原理是通電后，電磁鐵產生磁力，帶動銜鐵吸合，完成所控制電路的通斷。該繼電器模塊采用低電平吸合的方式，直接由單片機控制，只需要單片機輸入一個低電平，就能夠控制繼電器吸合。

電控玻璃：電控玻璃產生自上個世紀八十年代末，生產之初，由于成本原因，電控玻璃推廣發展緩慢。但是隨著近些年來中國各方面實力的崛起，電控玻璃成本下降了很多，在中國也得到了一定的發展，開始步入家庭裝修應用領域。其工作原理是在調光玻璃關閉電源時，電控調光玻璃里面的液晶分子會呈現不規則的散布狀態，此時電控玻璃呈現透光而不透明的外觀狀態；當給調光玻璃通電后，里面的液晶分子呈現整齊排列，光線可以自由穿透，此時調光玻璃瞬間呈現透明狀態。相信該種玻璃在不久的將來必然能夠的到來規模的推廣。

3 軟件設計

本設計要實現的是根據環境光照強度自動的調節室內的光照強度，首先要解決的是光照強度的檢測問題。本設計采用的光照傳感器的芯片為BH1750，其能夠很好的完成該項工作。其與單片機的通信方式為IIC總線通信，本設計利用的單片機是STC89C51，并不具有專門的IIC總線通信接口，因此需要用普通的I/O口模擬IIC總線通信。具體的做法是利用兩個普通的I/O口連接光照傳感器的時鐘總線以及數據總線，并通過程序模擬的方法實現接收器與發送器之間的信息傳遞。信息傳遞之后，通過單片機內部的運算，就可以判斷出環境光照強度。當環境光照強度大于該設計中的預設值時，單片機發送命令給繼電器，繼電器吸合，電控玻璃所在電路形成斷路，電控玻璃的透光度降低，以此完成對于室內的光照強度的調節。系統的流程圖如圖3所示。

圖3 系統流程圖

4 總結

通過最簡單的器件，并且成本也非常的低廉，完成了該項智能窗戶的設計工作，并且本設計還融入了自動控制原理、電子電路、程序設計以及信息通訊方面的知識，能夠根據光照強度的大小來自動的改變室內光照強度，能夠很好的完成預期的工作。該設計的思想是自動控制原理思想很好的體現，并且，該設計所用到的設計理念不僅僅局限于家居，還可以應用到農業種植方面，甚至對于一些養殖業意義也非常巨大。本設計的設計很是成功，雖然距離工業化大批量的生產還有一段時間，但是相信其必然能夠發揮很積極的意義。