倪青青 周源源

(蘇州大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州215325)

0 引言

生活質(zhì)量的提高促成了智能家居技術(shù)的誕生與發(fā)展，作為智能家居系統(tǒng)的子系統(tǒng)——智能窗戶(hù)應(yīng)運(yùn)而生，智能窗戶(hù)一般指安裝了先進(jìn)的防盜、防劫、報(bào)警系統(tǒng)技術(shù)的窗戶(hù)，其控制系統(tǒng)由智能主控器、窗戶(hù)控制器、窗戶(hù)驅(qū)動(dòng)器等組成，智能窗戶(hù)系統(tǒng)集現(xiàn)代聲、光、機(jī)、電、通訊為一體，綜合利用傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代通訊技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了窗戶(hù)各種信息的采集、傳輸、處理和控制，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)防風(fēng)防雨、防盜、自動(dòng)監(jiān)控燃?xì)狻⒙暱?、光控、防嬰兒墜樓、濕度控制等功能，是智能居家的理想選擇。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件電路的概述

智能窗戶(hù)屬建筑領(lǐng)域的附件,該設(shè)計(jì)包括智能控制系統(tǒng)和窗戶(hù)開(kāi)關(guān)裝置以及報(bào)警系統(tǒng)。該智能窗戶(hù)實(shí)現(xiàn)主要功能是當(dāng)室內(nèi)燃?xì)庑孤兜扔卸疚镔|(zhì)超標(biāo)時(shí),能夠控制窗戶(hù)自動(dòng)打開(kāi),讓空氣形成對(duì)流,當(dāng)室外環(huán)境不允許開(kāi)窗時(shí)(比如風(fēng)雨和沙塵等天氣)由風(fēng)光雨傳感器傳輸信號(hào)到主控系統(tǒng),使其發(fā)出指令關(guān)閉窗戶(hù)。如果狀況仍未緩解,則啟動(dòng)警報(bào)裝置。

整個(gè)系統(tǒng)由主控芯片、各種傳感器、報(bào)警器終端,以及機(jī)械傳動(dòng)裝置組成,控制芯片和傳感器等直接固定在窗戶(hù)上,而報(bào)警終端則可固定在室內(nèi)墻壁或容易引起主人警覺(jué)的地方。它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 智能窗戶(hù)原理框圖

圖1中，電源是輸入220V的交流電通過(guò)變壓器以及整流濾波的調(diào)整得到直流電壓5V，供給后續(xù)電路使用；AT89S52單片機(jī)是這個(gè)設(shè)計(jì)的核心，他相當(dāng)于人的心臟，用來(lái)接受與發(fā)射命令，且控制最后的動(dòng)作；電機(jī)采用的是直流小電機(jī)，通過(guò)皮帶來(lái)帶動(dòng)窗戶(hù)左右運(yùn)動(dòng)，利用光電開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)窗戶(hù)到位從而讓電機(jī)停止；按鍵用來(lái)測(cè)試電機(jī)的動(dòng)作是否正常，以及用來(lái)強(qiáng)制控制窗戶(hù)的正常開(kāi)關(guān)；傳感器用于采集數(shù)據(jù)，比如風(fēng)力傳感器，當(dāng)檢測(cè)到有風(fēng)，且風(fēng)力級(jí)別在我設(shè)計(jì)的3級(jí)以上的時(shí)候，窗戶(hù)能自動(dòng)關(guān)閉。

1.2 各類(lèi)檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

供電部分的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，本次供電部分的設(shè)計(jì)初步選定三端固定式穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)+5V和±12V這三路直流穩(wěn)壓電源。其中AT89S52和LCD12864等電子元件所需電壓為+5V；而集成運(yùn)放LM358所需電壓為±12V。

煙霧檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并判斷空氣質(zhì)量是否超標(biāo)。在該電路中主要用氣敏傳感器實(shí)現(xiàn)“氣-電”轉(zhuǎn)換,后級(jí)電路由LM358運(yùn)放來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)門(mén)限的控制，設(shè)置了一個(gè)基準(zhǔn)。

聲音檢測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)室外噪音影響你的工作或休息時(shí)，智能窗可根據(jù)你設(shè)定的室外噪音分貝自動(dòng)關(guān)窗。此模塊主要由麥克風(fēng)和音頻振蕩器組成，通過(guò)音頻振蕩電路和兩個(gè)施密特整形電路實(shí)現(xiàn)聲信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后整得到“0”，“1”的輸出信號(hào)給單片機(jī)。

震動(dòng)檢測(cè)模塊電路是由震動(dòng)傳感器以及LM358構(gòu)成的一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓比較電路。

紅外防盜檢測(cè)模塊主要由基于紅外線(xiàn)技術(shù)的人體靠近傳感器組成，當(dāng)有人進(jìn)入開(kāi)關(guān)感應(yīng)范圍時(shí),傳感器探測(cè)到人體紅外光譜的變化,光照檢測(cè)模塊是利用光敏電阻接收光后，阻值會(huì)發(fā)生變化的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

溫濕度控制模塊是由濕敏電阻和DS18B20溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)上傳。

兒童安全檢測(cè)模塊是為防止兒童墜樓事件發(fā)生而設(shè)計(jì)的保護(hù)電路，此電路是利用紅外對(duì)射管來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在窗戶(hù)四周每隔20厘米裝一對(duì)對(duì)射管，因?yàn)槊總€(gè)階段孩子的身高是不一樣的，利用這點(diǎn)，通過(guò)對(duì)射管對(duì)射的個(gè)數(shù)來(lái)控制窗戶(hù)的打開(kāi)或關(guān)閉。

風(fēng)力檢測(cè)模塊是利用二極管1S2076A的溫度特性（1S2076A在溫度相同時(shí)，二極管正向電流越大，則其正向壓降越高；在正向電流相同時(shí)，溫度越低，則其正向壓降越高）檢測(cè)風(fēng)的變化。系統(tǒng)提供對(duì)二極管加熱的熱源（兩個(gè)1K電阻），無(wú)風(fēng)時(shí)，在熱源的作用下，二極管溫度較高；有風(fēng)時(shí)，風(fēng)將熱量散發(fā)出去，使二極管溫度降低，這樣會(huì)使二極管正向壓降升高，從而將風(fēng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，為系統(tǒng)所感知。

雨水檢測(cè)模塊主要是利用了測(cè)雨板上裸露的兩排指叉狀金屬導(dǎo)線(xiàn)間，干燥時(shí)，電阻很大，導(dǎo)電性能極差；在被雨滴打濕的時(shí)候，會(huì)有一定的導(dǎo)通電阻，可以傳遞一定的電信號(hào)，從使系統(tǒng)感知到下雨。

障礙檢測(cè)模塊是為了防止窗戶(hù)在動(dòng)作時(shí)突然有手伸出，而夾到手的一個(gè)保護(hù)電路主要利用對(duì)射管來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。

蜂鳴器報(bào)警模塊主要是有煙霧報(bào)警和防盜報(bào)警的功能，當(dāng)煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，不僅窗戶(hù)會(huì)打開(kāi)，并且蜂鳴器報(bào)警；當(dāng)有小偷的時(shí)候，防盜模塊動(dòng)作之后，帶動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。報(bào)警音只有當(dāng)險(xiǎn)情解除后才會(huì)停止。

此外，還有一個(gè)到位停止閉鎖電路，使得窗戶(hù)在開(kāi)關(guān)到位后窗戶(hù)能停下來(lái)，從而保護(hù)電機(jī)。

1.3 單片機(jī)與液晶顯示模塊

單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，如圖2所示。S1開(kāi)關(guān)其作用是手動(dòng)控制智能窗戶(hù)的開(kāi)與關(guān)，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到窗戶(hù)處于關(guān)的狀態(tài)（P1.5為1）時(shí)，按下按鈕可以使智能窗戶(hù)關(guān)閉；當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到窗戶(hù)未處于關(guān)的狀態(tài)（P1.5為0）時(shí)，按下按鈕可以使智能窗戶(hù)打開(kāi)。

S2為緊急停止按鈕，當(dāng)遇到突發(fā)狀況時(shí)，可以及時(shí)切斷控制電機(jī)的動(dòng)作。

LCD12864是一款128*64像素的點(diǎn)陣液晶模塊，該點(diǎn)陣的屏顯成本相對(duì)較低，適用于各類(lèi)儀器，小型設(shè)備的顯示領(lǐng)域。在本智能窗戶(hù)的系統(tǒng)中主要顯示當(dāng)前的年月日與時(shí)間，溫度傳感器所檢測(cè)到的溫度值，濕度值和四季情況。

圖2 主控模塊與液晶顯示模塊

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖3 程序流程圖

智能窗戶(hù)的設(shè)計(jì)既要滿(mǎn)足設(shè)定的功能（完成如計(jì)算等）的程序，也要有對(duì)傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的程序。其中，傳感器采集程序的主要作用是實(shí)時(shí)的響應(yīng)來(lái)自外界環(huán)境的各種信息，按信息的類(lèi)別，優(yōu)先級(jí)進(jìn)行處理。但是，在接收傳感器的采集的環(huán)境數(shù)據(jù)后，本身窗戶(hù)是不會(huì)動(dòng)作的，為此我們必須設(shè)計(jì)一套控制窗戶(hù)動(dòng)作的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，此程序是結(jié)合電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊而編寫(xiě)的。此外，作為本系統(tǒng)中唯一的顯示模塊液晶屏，我們還利用程序編寫(xiě)使屏上顯示出時(shí)間，溫度，濕度和季節(jié)。

3 結(jié)論

隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的家居逐步被智能家居所取代。智能家居的核心部件是單片機(jī)，因其極高的性?xún)r(jià)比得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，從而加快了智能家居的發(fā)展。而傳感器作為測(cè)控系統(tǒng)中對(duì)象信息的入口，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。傳感器好比人體“五官”的工程模擬物，其精密度將直接影響環(huán)境數(shù)據(jù)采集的精確度，其次是數(shù)據(jù)采集處理階段，應(yīng)選取合適的運(yùn)算放大電路對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大。最好是預(yù)先計(jì)算好應(yīng)放大的倍數(shù)，以便選取。還有就是進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，選取適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，使輸出滿(mǎn)足量程要求。

本次系統(tǒng)就是在上述基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)而成的。因此，只有充分了解有關(guān)智能家居、單片機(jī)、傳感器以及各部分之間的關(guān)系才能完成整個(gè)設(shè)計(jì)。

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