李小蘭

（廈門興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361021）

智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李小蘭

（廈門興才職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361021）

文章闡述了基于STC單片機(jī)控制的自動(dòng)窗戶控制系統(tǒng)的研究，通過將各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到STC12C5A60S2單片機(jī)為核心的控制板，在單片機(jī)中對(duì)各種數(shù)據(jù)分別進(jìn)行分析判斷，并將相關(guān)環(huán)境信息顯示于面板上，進(jìn)而根據(jù)用戶設(shè)定模式或輸入的指令，來控制無刷電機(jī)來實(shí)現(xiàn)窗戶的開合。

智能窗戶；單片機(jī)；傳感器

1 常用控制方式

目前市面上有以下3種控制方式能夠滿足自動(dòng)門窗的控制系統(tǒng)要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制、可編程序控制器控制。

1.1 繼電器控制系統(tǒng)

繼電器接觸式控制系統(tǒng)主要由繼電器，接觸器、按鈕等硬件組成，控制方式是斷續(xù)的，這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易。但由于采用固定接線方式，如果系統(tǒng)龐大，則安裝接線比較麻煩，工作量大且控制柜的體積所占的空間也很大。這應(yīng)用在現(xiàn)代的智能空間不太現(xiàn)實(shí)，也不美觀。而且控制過程中觸動(dòng)容易損壞，維護(hù)費(fèi)用高。

1.2 可編程序控制器控制系統(tǒng)

可編程控制器（PLC）是在繼電器控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，專為現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。具有強(qiáng)大的邏輯和過程控制功能，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試方便，程序語言易于理解和掌握，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)。基于上述特點(diǎn)，使得PLC的應(yīng)用范圍極為廣泛。但PLC價(jià)格較昂貴，核心控制器體積也比單片機(jī)大，作為家居產(chǎn)品在價(jià)格上不夠經(jīng)濟(jì)，在裝飾上不夠美觀。

1.3 單片機(jī)控制系統(tǒng)

單片機(jī)由于體積小、成本低、可靠性強(qiáng)、應(yīng)用靈活方便而廣泛用于各種智能儀表，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動(dòng)檢測(cè)監(jiān)視系統(tǒng)中。

本次設(shè)計(jì)選用價(jià)格相對(duì)較低廉，體積較小的嵌入式且內(nèi)部資源豐富的STC12C5A60S2單片機(jī)為主控制器。

2 STC12C5A60S2單片機(jī)介紹

STC12C5A60S2是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。

STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250 KHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型IO口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不須作為A/D使用的口可繼續(xù)作為IO口使用。該單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC。主次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB）開始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

以STC12C5A60S2作為主控制器是不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)量信號(hào)的邏輯控制，采集環(huán)境傳感器的模擬信號(hào)，并能通過串口與其他智能設(shè)備之間進(jìn)行通信。因此，將選用該芯片應(yīng)用于窗戶自動(dòng)控制系統(tǒng)，完全能滿足控制要求，且具有運(yùn)行可靠、成本低、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 控制系統(tǒng)組成

該單片機(jī)控制器主要作用于窗戶的自動(dòng)控制，由以下幾部分組成：電源、主控制器、顯示屏、風(fēng)雨光傳感器、對(duì)射式紅外感應(yīng)頭、溫濕度傳感器、無刷電機(jī)等。該控制可由用戶通過操控面板及遙控控制窗戶的拉開和關(guān)閉；也可根據(jù)用戶預(yù)先設(shè)定的環(huán)境參數(shù)及工作模式自動(dòng)實(shí)現(xiàn)窗戶開合控制。具體電器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 門窗控制器系統(tǒng)框圖

3.2 具體電路設(shè)計(jì)

為了能夠更好地測(cè)出和采集溫度參數(shù)，本系統(tǒng)選用了集成溫度傳感器AD590，這款傳感器的測(cè)量范圍為-55℃～+150℃，其溫度檢測(cè)范圍完全滿足家居需求。

本系統(tǒng)選用了2個(gè)溫濕度傳感器、2個(gè)光照強(qiáng)度傳感器、2個(gè)限位開關(guān)、1個(gè)風(fēng)雨傳感器、1個(gè)紅外傳感器、1個(gè)風(fēng)速傳感器。其中室內(nèi)外各安裝1個(gè)溫濕度傳感器、1個(gè)光照強(qiáng)度傳感器、風(fēng)雨傳感器和2個(gè)限位開關(guān)分別安裝在窗戶機(jī)構(gòu)上，其他傳感器則安裝在室內(nèi)相關(guān)的地方。溫濕度傳感器：本系統(tǒng)采用的是數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，濕度測(cè)量范圍為20%～90%，溫度測(cè)量范圍為0℃～50℃。光照強(qiáng)度傳感器：采用NH207照度傳感器，輸出為0～2V電壓信號(hào)或4～20 mA電流信號(hào)，量程可在0～2klx，0～20klx與0～200 klx之間自動(dòng)切換。風(fēng)雨傳感器：技術(shù)參數(shù)為，電源電壓DC24 V，風(fēng)感3 s響應(yīng)，雨感25 s響應(yīng)。防風(fēng)傳感器和防雨傳感器只在刮風(fēng)的風(fēng)速或下雨的雨量達(dá)到面板所設(shè)定的風(fēng)速或雨量時(shí)才會(huì)發(fā)出感應(yīng)信號(hào)給單片機(jī)的CPU，單片機(jī)接收到信號(hào)后就會(huì)發(fā)出控制信號(hào)。限位開關(guān)：選用非接觸式限位開關(guān)，本系統(tǒng)選用光電傳感器ST178來檢測(cè)窗門機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置。紅外傳感器：在本系統(tǒng)中紅外傳感器主要起著防盜示警的作用，采用對(duì)射紅外線探測(cè)器。只要有人碰到紅外線，傳感器就會(huì)產(chǎn)生突變電信號(hào)，而這個(gè)信號(hào)將使報(bào)警器發(fā)出警報(bào)。

3.3 窗戶及系統(tǒng)架構(gòu)造設(shè)計(jì)

開關(guān)是現(xiàn)代化社會(huì)家居環(huán)境不可缺少的電氣元件之一。隨著我國(guó)開關(guān)電源技術(shù)不斷地提升，微動(dòng)開關(guān)為開關(guān)行業(yè)帶來了本質(zhì)的改變。它具有微小的接點(diǎn)間隔和快動(dòng)機(jī)構(gòu)，用規(guī)定的行程和規(guī)定的力進(jìn)行動(dòng)作。其工作原理是：把外機(jī)械力通過傳動(dòng)元件（按銷、按鈕、杠桿、滾輪等）將力度作用于動(dòng)作簧片上，當(dāng)動(dòng)作簧片位移到臨界點(diǎn)，產(chǎn)生瞬時(shí)動(dòng)作，使得簧片可以觸動(dòng)到觸點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)斷開和快速接通。微動(dòng)開關(guān)種類品種眾多，按體積分有普通型、小型、超小型，按分?jǐn)嘈问椒钟须p聯(lián)型、單聯(lián)型、多聯(lián)型等。本系統(tǒng)選用SZM-V型按鈕型微動(dòng)開關(guān)，其額定電壓:125～250 V，額定電流10 A，機(jī)械壽命: 10萬次。窗戶框架構(gòu)造設(shè)計(jì)包括微動(dòng)開關(guān)連接電路設(shè)計(jì)和窗架的制作與設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中的微動(dòng)開關(guān)安裝在窗戶滑桿上，當(dāng)窗戶移動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，開關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送到電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)一檢測(cè)到信號(hào)，電機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，窗戶也就停到了指定的。窗戶框架構(gòu)造如圖2所示。

圖2 窗戶框架構(gòu)造圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)控制流程

電氣硬件系統(tǒng)組成以后，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制，接下來就是如何編寫單片機(jī)的控制程序。由于匯編語言晦澀難懂，不利于后期的維護(hù)，因此本次程序采用通俗易懂的C語言來編制。在控制程序中，首先需要對(duì)室外的光照強(qiáng)度、風(fēng)力、潮濕度進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完后通過傳感器將此信號(hào)傳送至單片機(jī)，用來控制窗戶的打開還是關(guān)閉。實(shí)現(xiàn)窗及窗簾任意位置啟?？刂?。同時(shí)此程序可通過按鈕完成窗戶的手動(dòng)控制，也可通過遙控器實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的遠(yuǎn)程控制。其次程序還要檢測(cè)每個(gè)行程開關(guān)的信號(hào)，通過對(duì)這些輸入信號(hào)的處理，給出相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)顯示和信息處理。程序流程圖如圖3所示。子程序和主程序之間必須協(xié)調(diào)一致、判斷準(zhǔn)確，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)窗戶的整體控制。

圖3 單片機(jī)程序流程圖

4.2 程序

5 結(jié)語

本系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)過程當(dāng)中, 結(jié)合了傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、開關(guān)電源技術(shù)等，并使用C語言編程，完成該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其最主要特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、成本低廉、體積較小。

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Research on the design of intelligent window control system

Li Xiaolan
（Xiamen Xingcai Polytechnic, Xiamen 361021, China）

This paper expounds the research of automatic window control system based on STC microcontroller control, sent the data collected by the various sensors to control panel taking STC12C5A60S2 single chip microcomputer as the core, analyzes and judges various data in the single-chip microcomputer respectively, and the related environmental information is displayed on the panel, then according to the instruction set or input by user to control the brushless motor to realize the opening and closing of the window.

intelligent windows; single chip microcomputer; sensor

2014年福建省教育廳中青年教師科研基金立項(xiàng)；項(xiàng)目名稱：現(xiàn)代智能樓宇自動(dòng)門窗控制技術(shù)的研究；項(xiàng)目編號(hào)：JA14453。

李小蘭（1980— ），女，福建漳州，碩士，講師 ；研究方向：電子信息。