單片機綜合設計實驗中的智能窗戶設計

崔承毅，陳 景，高慶華，劉小雨，王開宇

（1. 大連理工大學 電工電子實驗中心，遼寧 大連 116023；2. 大連理工大學 電信學部，遼寧 大連 116023）

在“大眾創新，萬眾創業”的大背景下，實驗教學要更好地服務于學生，就需要緊密聯系當前的應用熱點，不斷將工程實踐項目引入到實踐教學當中，培養學生的工程實踐能力和創新意識[1-3]。

隨著科技的發展和人們生活水平的提高，智能家居系統已經進入了人們的日常生活[4-6]。智能窗戶是智能家居的重點研究領域，通過傳感器檢測，智能窗戶可以有效地感知“下雨”、PM2.5 濃度、溫度等環境參數的變化，并根據環境的變化自動關閉或打開窗戶，在保持室內空氣清新的同時，有效地杜絕雨水、霧霾等造成的侵害[7-8]。為了緊密聯系工程實際，提高教學質量，將智能窗戶綜合設計實踐項目引入到單片機綜合設計實驗教學中，讓學生在實驗中設計生活中的具體應用案例，學以致用，在提高學生實驗興趣的同時，發揮學生主動性，鍛煉學生的動手實踐能力。

1 系統總體設計

智能窗戶控制系統以單片機為核心，單片機可以選擇 IAP15W4K58S4 或 STM32；傳感器包括雨滴檢測傳感器、溫濕度傳感器、PM2.5 傳感器等；無線通信選擇藍牙；顯示模塊使用 LCD1602 或 LCD12864等；通過電機驅動模塊控制推窗器的打開和閉合。控制方式可通過手機App 無線控制和觸摸屏控制，也可以通過雨滴檢測等自動關閉窗戶，系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統功能框圖

2 智能窗戶功能設計實現

2.1 電機驅動設計

智能窗戶的打開和關閉通過推窗器控制，其核心器件為電機，自帶過流保護裝置，在窗戶完全打開或閉合時，自動停止運行，實物如圖2 所示。

圖2 推窗器控制的智能窗戶

推窗器的驅動使用大功率H 橋驅動模塊，其H 橋示意圖如圖 3 所示。單片機的控制引腳通過輸入端IN1、IN2、IN3、IN4 實現對電機的正轉、反轉、啟動、停止控制。當IN1、IN4 為高電平，IN2、IN3 為低電平時，電機正轉，推窗器打開窗戶；當 IN1、IN4 為低電平，IN2、IN3 為高電平時，電機反轉，推窗器關閉窗戶；IN1、IN2 或IN3、IN4 同時為高電平，其他輸入為低電平時，為停止狀態；IN1、IN3 或IN2、IN4不能同時為高，否則將燒毀H 橋電路。

圖3 電機驅動原理框圖

2.2 雨滴檢測傳感器

下雨時，智能窗戶的雨滴傳感器可以有效解決雨天忘記關窗的問題，其原理圖如圖4 所示。

圖4 雨滴傳感器原理圖

傳感器的感知部分為互不導通的導線網，當沒有雨時，導線網處于斷路狀態，三極管 Q1 無法導通，傳感器輸出為低電平；當雨滴落在導線網上，導致電路短路，三級管Q1 導通，傳感器輸出為高電平。MCU通過檢測雨滴傳感器的電平來判斷下雨狀態，并根據電平變化，控制推窗器關閉或打開窗戶。

2.3 PM2.5 檢測

近年來，霧霾的危害越來越受到人們的重視。智能窗戶具有PM2.5 檢測功能，可以在PM2.5 濃度過高時自動將窗戶關閉，從而減小霧霾對人們健康造成的傷害。霧霾的檢測使用GP2Y1010AU0F，其是一種光學粉塵傳感器[9]，結構框圖如圖 5 所示。傳感器內部有紅外發射和接收管，根據灰塵的濃度不同，接收管會輸出不同值的模擬電壓，經過放大后輸出，單片機通過模數轉換通道接收數據，經轉換后的數據與參考值進行比對，進而得到PM2.5 濃度數據。

圖5 PM2.5 模塊結構框圖

2.4 溫濕度檢測

溫濕度檢測使用DHT11，其具有體積小、功耗低、傳輸距離遠等特點[10]。每個 DHT11 傳感器都經過校準，校準系數存儲在OTP 內存中，在進行信號檢測時，調用校準系數來獲得具體測量值。傳感器采用4 針單排引腳封裝，單線制串行接口，與單片機連接的典型電路如圖6 所示。MCU 發送開始信號，觸發一次信號采集，DHT11 從低功耗模式轉換到高速模式，開始信號結束后，DHT11 發送響應信號，送出40 bit 的數據，用戶可根據需要對數據進行讀取。

圖6 溫濕度檢測電路原理圖

2.5 藍牙無線通信

無線通信方式選擇藍牙，通過手機藍牙實現手機App 的無線控制功能。下位機的藍牙模塊采用主從一體的HC05 藍牙轉串口模塊，使用前需要設置名稱、密碼、通信格式、主從模式等參數。當模塊處于命令響應工作模式時，用戶可向模塊發送 AT 指令進行參數設置，設置模塊時使用 USB 轉TTL 下載線與電腦相連，軟件使用串口調試助手，硬件連接和串口調試界面如圖7 所示。

圖7 藍牙設置的硬件連接和串口調試界面

2.6 顯示功能

顯示功能是電子系統的重要組成部分，通過顯示模塊，用戶可實時得到系統運行狀態和參數等信息。顯示功能選擇 LCD，型號可以選擇 LCD1602、LCD12864 或者觸摸屏等。LCD 具有功耗低、顯示內容豐富等特點，具有觸摸屏功能的 LCD 還可增加系統的控制方式。實驗中，學生需要設計LCD 電路，編程實現窗戶狀態信息、傳感器數值以及學生信息等內容的顯示。選擇 LCD12864、觸摸屏的學生作品如圖 8所示。

圖8 LCD12864、觸摸屏智能窗戶作品

2.7 手機 App 設計

手機App 可使用藍牙串口調試助手，連接藍牙時，首先搜索藍牙模塊，然后輸入密碼進行連接，連接成功后，即可通過App 進行控制命令的發送，缺點是只能通過發送命令來進行窗戶的開、關控制，交互性較差。自主編寫手機App，可根據需求設計功能，查看窗戶周邊的溫度、濕度、PM2.5 濃度、是否有雨等環境參數，交互性較好。

手機 App 開發使用谷歌在線開發平臺 App Inventor，設計界面如圖 9 所示。App Inventor 針對Android 編程環境，使用積木式的堆疊法進行程序設計，編程簡單，適合學生快速入手[11-12]。

圖9 App Inventor 開發界面

藍牙功能通過App Inventor 中的“藍牙客戶端”模塊實現，其編程界面如圖10 所示。當點擊“藍牙選擇”按鈕后，將“藍牙客戶端 1”掃描到的所有藍牙設備的地址及名稱賦給“藍牙選擇”元素；如果“藍牙選擇”的“選中項”能與“藍牙客戶端 1”成功連接，顯示“連接成功”；點擊“斷開藍牙”執行斷開連接操作。

圖10 藍牙App Inventor 設計界面

傳感器數據的讀取也通過“藍牙客戶端”實現。以溫度值讀取為例，當點擊“溫度”按鈕時，“藍牙客戶端1”發送一個“a”給單片機，單片機接收到此信號后，將當前溫度值通過藍牙發送給手機，并在“標簽1”中顯示出來，設計界面如圖11 所示。

圖11 傳感器數據讀取

3 智能窗戶在實驗教學中的應用

實驗教學中，為了滿足不同能力學生的個性化需求，采用層次化教學，基本功能要求可以通過手機App、觸摸屏等方式控制窗戶的打開和閉合，具有LCD顯示功能及傳感器檢測功能，學生必須完成；功能拓展部分，學生可自行增加溫濕度檢測、語音控制、PM2.5 檢測、手機App 設計等功能。實驗教學中，采用開放的教學方式，允許學生在功能設計及實現方式上自主選擇，自主拓展，充分調動學生的主動性和積極性。部分學生作品如圖12 所示，作品中單片機有的采用IAP15W4K58S4，也有的選擇STM32；控制方式采用手機App 無線控制、觸摸屏控制、語音控制等；傳感器有雨滴檢測、溫濕度檢測等；手機App 有使用藍牙串口調試助手，也有學生自主設計手機App。學生的作品實現方式各不相同，實現功能也多種多樣，動手能力得到了很好的鍛煉，實驗效果較好。

圖12 部分學生設計作品

4 結語

緊密結合工程實際，以智能家居為背景，本文設計了智能窗戶控制系統，并應用于單片機綜合設計實驗。實驗項目以單片機為核心，結合傳感器應用、無線通信、電機控制、手機App 開發等，項目多知識點結合，可拓展性強，為學生提供了很好的設計發揮空間，較好地鍛煉了學生的工程實踐能力。在教學方式上，采用了開放的教學方式，增強了學生的創新意識。并且，實驗項目與生活實際密切相關，學生實驗興趣較高，主動性較強，實驗效果較好。實驗項目難度適中，易于在實踐教學中開展。