基于單片機的智能窗設計

王莉 唐鴻儒

摘 ?要： 追求生活的舒適度促使智能家居的出現，簡單、方便的智能窗具有重要的研究意義和實用價值，因此，文中設計一種基于單片機的智能窗系統。該系統以單片機為控制核心，采用LCD顯示器作為顯示屏幕，使用按鍵設置溫濕度與光照及PM2.5的上下限值，同時系統能夠通過WiFi模塊把采集到的溫濕度以及光照強度值和PM2.5值發送到計算機，在LabVIEW上位機界面上實時顯示出來。調試和實驗結果表明，該智能窗能夠根據環境參數變化自動驅動電機轉動開關窗戶，效果良好。

關鍵詞： 智能窗; 單片機; 系統設計; 遠程通信; 實時顯示; 調試程序

中圖分類號： TN915?34; TP391.4 ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）12?0130?03

Abstract： The pursuit of the life comfort promotes the emergence of smart home， for which the simple and convenient intelligent window has important research significance and practical value. An intelligent window system based on SCM is designed. In this system， the SCM is used as the control core， the LCD display is applied as the display screen， and the key is used to set the upper and lower limits of temperature?humidity， illumination intensity and PM2.5. Meanwhile， the system can send the collected temperature?humidity， illumination intensity and PM2.5 values to the computer through the WiFi module， and display them on the upper computer interface of LabVIEW in real time. The debugging and experiment results show that the intelligent window can automatically drive the motor to open or close the window according to the change of environment parameters， and has a good effect.

Keywords： intelligent window; SCM; system design; remote communication; real?time display; debugging program

0 ?引 ?言

科技改變人類的生活，現代社會的高速發展促使人們追求更加舒適便捷的生活，因此誕生了各式各樣的與生活相關智能化家居。20世紀80年代末，美國出現了一種對住宅中各種通信、家電、安保設備等通過總線技術進行監視、控制與管理的商用系統，這個商用系統就是智能家居最早的原型。隨后由于環保、節能等日益受到重視，能源的合理利用，節能產品的設計和研制，早期應用于采光系統的智能窗被提出來，隨著科技不斷發展，適應于各方面的智能窗被廣泛設計和生產，例如日本的三菱、德國的HOPPE、韓國的LG等均有著成熟的自動化窗體產業[1?2]。市場上多數的智能窗基于外界環境的好壞，即是否晴天、光照是否充足等，未曾考慮空氣質量，近幾年我國對PM2.5極其關注，因此通過檢測室外PM2.5的高低來決定是否開關窗戶是新的考慮因素。本文研究的智能窗主要通過檢測室外的光照強度、濕度以及PM2.5值來判斷是否開關窗戶，同時該系統能夠將采集的室外溫濕度、光照強度、PM2.5值等數據上傳到上位機，采用LabVIEW進行顯示監控。

1 ?系統總體方案

系統總體框圖如圖1所示。下位機采用單片機STC12C5A60S2作為控制芯片[3?11]，系統通過DHT11采集溫濕度，通過光敏電阻采集光照強度，通過粉塵傳感器采集PM2.5濃度。采集的光照強度與PM2.5濃度通過單片機內部A/D轉換得到數字量，接著通過對電壓值與其對應的數值的擬合曲線計算得到具體的數值，然后在LCD1602上顯示并且通過串口發送將采集到的數值上傳到上位機[12]。通過上位機能夠實時監視室外的環境參數。設計三個按鈕能夠設置濕度、光照強度值及PM2.5的上下限，例如當光照高于設置的閾值時，1號電機正轉開啟窗戶，當光照低于設置的閾值時1號電機反轉關閉窗戶。

2 ?系統硬件設計

本文硬件方面主要由如下4個部分組成：

1） 數據采集與顯示部分由傳感器和顯示器組成，包括DHT11、光敏電阻傳感器、紅外傳感器、粉塵傳感器及LCD1602等;

2） 數據發送與上位機數據顯示部分由WiFi模塊及上位機構成;

3） 執行動作部分由步進電機、電機驅動模塊等組成;

4） 電源模塊包含一個插口用來接入5 V電源以及一個LM1117模塊，將5 V電壓降為3.3 V。

使用Altium Designer 軟件畫出電路圖如圖2所示，包括：溫濕度采集電路、粉塵濃度采集電路、光照采集電路、按鍵電路、電源部分、LCD顯示電路、系統復位電路、5 V/3.3 V電路、報警電路、電機驅動電路等部分。

3 ?系統軟件設計

單片機控制部分的軟件由7部分組成，包括：主程序、溫濕度采集、光照強度采集、紅外檢測、顯示、A/D轉換以及電機轉動等。所有的功能函數都寫成子程序，在主程序中調用相應的子程序實現具體功能。系統主程序流程框圖如圖3所示。

子程序的設計過程基本相似，一般先畫出程序框圖，根據功能按照框圖搭建程序框架，接著往框架里填內容，最后調試修改程序。例如，按鍵模塊程序流程框圖如圖4所示，共有三個按鍵：第一個按鍵第一次按下就進入設置閾值界面，按下第二次則跳到濕度下限位置，按下第三次就跳到光照上限位置，以此類推，最后一次按下就返回至正常顯示界面;第二個按鍵用來加數;第三個按鍵用來減數。

4 ?調試及實驗結果

4.1 ?調試過程

先在開發板上測試各個模塊是否能正確使用，然后設計各部分電路連接。焊接電路板時用電壓表測電路板焊接是否存在虛焊、斷點等問題。調試程序問題時可以用排除法排除各個可能出現問題的地方。

4.2 ?實驗結果

制作完成的下位機硬件實物如圖5所示。下位機負責溫濕度、PM2.5、光照強度的采集、顯示，以及設置以上參量的閾值和過限報警。

上位機通過虛擬儀器編程語言LabVIEW進行設計，通過WiFi模塊接收下位機發送過來的溫濕度、PM2.5和光照強度數據，并形成溫濕度等參量的實時變化曲線[12]，其前面板如圖6所示。

5 ?結 ?語

科技服務人類，而家居是人們生活、休息的場所，可以說是重中之重。在未來的生活中，智能家居會逐漸替代傳統的生活家居，在這種情況下方便靈活、功能眾多的智能窗就有著廣闊的應用前景和市場范圍。未來的智能窗市場將由質量與創新決定，只有具備開拓性思維，對智能窗的功能和性能進行創新和嘗試，并在傳統門窗中加入人工智能的科技性，才能夠吸引廣大消費者人群，才能夠主導市場，在競爭中占據有利地位。

參考文獻

[1] 鄧學欣，檀潤華.智能窗的概念設計[J].河北工業大學學報，2001（4）：25?29.

[2] 李碩，賈子慶，張明瑋.基于多傳感器的智能窗系統設計[J].電子設計工程，2011（4）：6?9.

[3] 田安紅，付承彪.溫度傳感器的智能監控系統設計[J].實驗室研究與探索，2018，37（3）：79?82.

[4] 張超，周克，何威，等.基于STC單片機多傳感器的智能窗設計[J].現代機械，2014（1）：84?87.

[5] 王子陽.基于GSM模塊的平開式智能窗的研究[D].天津：河北工業大學，2014.

[6] 王林艷，李曉娓.基于AT89S52單片機的智能窗簾的設計[J].電腦知識與技術，2015，11（5）：258?259.

[7] 姜紹君，譚雪，萬金貴.智能霧霾窗的設計[J].電子測試，2018（13）：26?27.

[8] 高崔承毅，王開宇，王曉亮，等.單片機綜合實驗中的智能窗簾設計[J].實驗室科學，2018，21（3）：3?6.

[9] 何國淵，廖志飛，楊太任.基于IAP15F2K61S2 單片機的多傳感器新型智能窗控制系統[J].機床與液壓，2015，43（8）：148?151.

[10] 李敏，孫學龍，李均，等.基于ZigBee技術的多傳感器智能窗設計[J].實驗科學與技術，2018，16（10）：22?25.

[11] 彭倩，李紅巖.單片機和LabVIEW的多數據無線監測系統設計[J].實驗室研究與探索，2017，35（6）：127?130.

[12] 周細鳳，謝波，張平華.基于LabVIEW的智能溫濕度檢測系統[J].湖南工程學院學報，2018，28（1）：6?9.