寇麗杰

摘要：如今智能家居已經(jīng)走進(jìn)人們生活，智能窗戶就是其中的一角，但大多數(shù)智能窗是一體化的，而已有的普通窗戶多為推拉式的，老居民房因此更換窗戶顯然不實(shí)際，因此本論文研究開發(fā)獨(dú)立的微型智能關(guān)窗系統(tǒng)，本系統(tǒng)以STC89C52RC作為“頭腦”兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)作為“雙手”，溫濕度傳感器和雨滴傳感器放大器作為“雙眼”來實(shí)現(xiàn)?！半p眼”將得到的信息反饋給“大腦”，“大腦”判斷并處理信息，再告知“雙手”需要做什么。液晶顯示屏就像一個(gè)告示牌，上面記錄著“雙手”處于什么狀態(tài)和當(dāng)前的時(shí)間。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能家居；雨滴傳感器；溫濕度傳感器

中圖分類號(hào)：U463.02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）05-0105-02

1 前言

近年，我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)有非?？捎^的發(fā)展趨勢(shì)，也正是這一現(xiàn)象讓智能家居如雨后春筍般快速成長(zhǎng)，我國(guó)的智能家居正邁入一個(gè)更新的階段[1]，現(xiàn)市面上雖不乏智能窗戶，但大多是新型家居一體化的，這對(duì)于老居民區(qū)的房子應(yīng)用就不實(shí)際了[2]。基于此研究現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)使用STC系列的51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雨天智能關(guān)窗系統(tǒng)，可根據(jù)天氣自行決定窗戶的敞開或關(guān)閉，根據(jù)溫度自動(dòng)開關(guān)窗，顯示當(dāng)前時(shí)間[3]。讓老居民房以最小的花銷獲得最前衛(wèi)的生活體驗(yàn)。

2 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)以STC89C52RC作為核心，此款單片機(jī)可直接通過串口來燒寫程序，給智能關(guān)窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了極大的方便。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和固體物理效應(yīng)的不斷發(fā)現(xiàn)，目前傳感器技術(shù)已形成了一個(gè)新型科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[4]。本智能關(guān)窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用雨滴傳感器和DHT11溫濕度傳感器。

在該設(shè)計(jì)里，系統(tǒng)的工作頻率從32.768KHZ晶振構(gòu)成的晶振電路來獲得，系統(tǒng)的工作電壓要靠外接的電源來提供的。雨滴傳感器上阻值的變化和溫濕度傳感器采集到的當(dāng)前環(huán)境的溫濕度，轉(zhuǎn)換成電壓值后再應(yīng)經(jīng)過比較器，經(jīng)過A/D信號(hào)的轉(zhuǎn)換后，發(fā)送給STC89C52RC單片機(jī)處理再將處理后的信號(hào)發(fā)送給步進(jìn)電機(jī)模塊通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)讓電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)下雨天或者低溫天氣的自動(dòng)開關(guān)窗。

（1）溫濕度傳感器：溫濕度傳感器向單片機(jī)發(fā)送實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)，單片機(jī)將該數(shù)據(jù)與設(shè)定的閾值比較，若實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)高于閾值則開窗，若實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)低于閾值則關(guān)窗，對(duì)應(yīng)在顯示屏上顯示ON/OFF。

（2）雨滴傳感器模塊：雨滴傳感器向LM393輸入電平信號(hào)，經(jīng)過與基準(zhǔn)電平（電位器控制，起到控制雨滴床干起閾值的作用。）比較后輸出電平發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)若接收到低電平，則向步進(jìn)機(jī)發(fā)出信號(hào)，關(guān)閉窗戶（若窗戶是關(guān)閉狀態(tài)則保持窗戶關(guān)閉狀態(tài)），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)關(guān)窗功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本智能窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作頻率的是用32.768KHZ構(gòu)成的晶振電路，作為指令執(zhí)行的基礎(chǔ)，本智能關(guān)窗系統(tǒng)的晶振電路模塊與單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳相連。

復(fù)位電路的功能就像設(shè)備恢復(fù)出廠設(shè)置，讓雨天自動(dòng)關(guān)窗系統(tǒng)回到最初始的狀態(tài)，本系統(tǒng)使用的是10uf/25v電容和10K的電阻串聯(lián)組合成的復(fù)位電路。一般整個(gè)設(shè)計(jì)通電后按下復(fù)位電路。

本智能關(guān)窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的液晶顯示模塊LCD-1602采用可以顯示兩行的，每一行都可以顯示十六個(gè)字符，由本設(shè)計(jì)的電源模塊產(chǎn)生的+5V電壓供電（該液晶顯示器承受的電壓區(qū)間為4.5V-5.5V），接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，具有很高的性價(jià)比[5]。

在本設(shè)計(jì)中，LCD-1602作為唯一顯示屏主要顯示來自DS1302的時(shí)間、DHT11中的溫濕度、窗戶開關(guān)狀態(tài)和調(diào)整閾值時(shí)的顯示。本關(guān)窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)將LCD-1602的VL管腳與電位器相連，可通過調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)顯示屏的亮暗程度。

本系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器型號(hào)是DHT11，其溫度感應(yīng)范圍在零到五十?dāng)z氏度，主要適合南方的氣溫預(yù)測(cè)，工作穩(wěn)定且耗能少。DHT11共有四個(gè)引腳，一個(gè)地線一個(gè)VDD一個(gè)數(shù)據(jù)線，還有一個(gè)空腳。VDD供電范圍在3v-5v。濕度數(shù)據(jù)采集的行為是變形的模擬軟件，可以在更大范圍內(nèi)收集濕度數(shù)據(jù)[6]。

本系統(tǒng)的雨滴傳感器模塊由雨滴傳感器、LM393比較器和電位器構(gòu)成。雨滴傳感器是獲取當(dāng)前的雨滴量，并將雨滴傳感器的輸出單與LM393的輸入端相連，LM393基準(zhǔn)電壓與電位器相連作為雨滴傳感器的閾值，兩信號(hào)經(jīng)過比較器后結(jié)果輸入STC89C52RC單片機(jī)，單片機(jī)再由該輸入信號(hào)決定是否發(fā)送信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路使用ULN2003作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)機(jī)開啟/關(guān)閉窗戶[7]。

本系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003和一個(gè)步進(jìn)機(jī)構(gòu)成。ULN2003的功能是保證步進(jìn)機(jī)的正常工作。設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)與窗戶連接，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)窗戶的移動(dòng)，達(dá)到開關(guān)窗的效果。步進(jìn)電機(jī)模塊本應(yīng)有兩個(gè)，本智能關(guān)窗設(shè)計(jì)中原理圖也有兩塊，但在實(shí)物中只有一個(gè)模塊，與單片機(jī)的P20～P23引腳連接（同理實(shí)現(xiàn)另外一邊的窗戶）。

按鍵控制電路共有五個(gè)按鈕：K1是手動(dòng)開窗按鈕，生活中肯定會(huì)有手動(dòng)開窗的需要，不可能完全依賴天氣來開窗。K3是手動(dòng)關(guān)窗按鈕，同理，生活中也不可能完全依靠天氣來關(guān)窗戶，所以必須要有一個(gè)手動(dòng)關(guān)窗按鈕。K5是限位按鈕，也就是即停按鈕，為了貼合生活，偶爾窗戶半掩也是可以的。K2是設(shè)定時(shí)間測(cè)按鈕，也有因?yàn)槟撤N原因，系統(tǒng)斷電，需要手動(dòng)先基準(zhǔn)時(shí)間，所以K2是選擇設(shè)定時(shí)間功能的按鈕。K4是溫濕度閾值設(shè)定按鈕，通過該按鈕可以調(diào)節(jié)溫濕度閾值，滿足不同季節(jié)的對(duì)室內(nèi)溫濕度的要求。K6和K7分別是加減按鈕，用于設(shè)定時(shí)間和調(diào)節(jié)閾值時(shí)加減數(shù)值。

時(shí)間基準(zhǔn)電路由DS1302時(shí)鐘芯片為主體，和32.768KHZ的晶振一起。時(shí)間基準(zhǔn)電路由獨(dú)立的電源。電源濾波電路的作用是硬件去抖動(dòng)，減少電平波動(dòng)。一個(gè)好的電源濾波技術(shù)是電路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的前提。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)endprint

系統(tǒng)主要功能分兩塊：一是雨天自動(dòng)關(guān)窗；而是溫濕度警報(bào)。接通電源，系統(tǒng)單片機(jī)I/O口、液晶顯示屏、雨滴傳感器和溫濕度傳感器初始化，液晶顯示屏顯示DS1302的基準(zhǔn)時(shí)間和窗戶當(dāng)前狀態(tài)，單片機(jī)開始接受兩個(gè)傳感器傳來的信號(hào)：（1）雨滴傳感器接收到雨滴信號(hào)與由電位器控制的閾值進(jìn)行比較，如果雨滴信號(hào)比閾值高那么比較器就輸出低電位，并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)控制步進(jìn)機(jī)關(guān)閉窗戶，并控制液晶顯示屏顯示OFF，表示窗戶是關(guān)閉狀態(tài)。（2）溫濕度傳感器接收到信號(hào)與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若溫度高于閾值則開窗，并在液晶顯示屏上顯示“ON”，表示窗戶是打開的狀態(tài)，反之關(guān)窗并在液晶顯示屏上顯示“OFF”，表示窗戶是關(guān)閉狀態(tài)。

溫濕度傳感器的信號(hào)由單片機(jī)的P0.6控制，主要代碼（偽代碼）：

（1）設(shè)置P06端口為 in；

（2）Get溫濕度傳感器的數(shù)值a（整數(shù)部分，小數(shù)部分）；

（3）a to單片機(jī)from P06；

（4）單片機(jī)比較a與設(shè)定的閾值b結(jié)果為c；

（5）If c為高電平；

（6）false 等待下次的比較結(jié)果；

（7）true 單片機(jī)設(shè)置開窗，液晶顯示DisplayList（13，0，"ON "）；

雨滴傳感器的信號(hào)由單片機(jī)的P0.7控制，主要代碼（偽代碼）：

（8）設(shè)置P07端口為 in；

（9）get雨滴傳感器的數(shù)值a；

（10）由電位器組成的基準(zhǔn)電壓b與a比較；

（11）out比較結(jié)果c to單片機(jī)from P07；

（12）If c為高電平；

（13）True 等待下次的比較結(jié)果；

（14）False 單片機(jī)設(shè)置關(guān)窗，液晶顯示屏DisplayList（13，0，"OFF"）。

5 系統(tǒng)調(diào)試

在KeilC51中編寫程序并生成.hex文件，以VS-Y板作為中介，利用stc-isp（v6.85）下載工具，將在KeilC51上編譯生成的.hex文件下載到本智能關(guān)窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的STC89C52RC中。正轉(zhuǎn)為窗戶關(guān)閉，反轉(zhuǎn)為窗戶打開。調(diào)試結(jié)果：各指示燈亮，顯示屏亮，各模塊正常工作；顯示屏的亮暗程度隨電位器的調(diào)節(jié)而變化；閾值越高所加水滴越多電機(jī)才會(huì)正轉(zhuǎn)；在窗戶關(guān)閉的情況下按下K1，電機(jī)反轉(zhuǎn)；在窗戶打開的情況下按下K3，電機(jī)正轉(zhuǎn)；在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下按下K5，電機(jī)停止；正常設(shè)置年月日時(shí)分秒；正常設(shè)置溫度值，并在不同情況下在顯示器上顯示不同的窗戶當(dāng)前狀態(tài)，并且電機(jī)正確方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

6 結(jié)語

本系統(tǒng)以STC89C52RC作為控制系統(tǒng)，結(jié)合雨滴傳感器和溫濕度傳感器設(shè)計(jì)了微型智能關(guān)窗系統(tǒng)，很大程度促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)智能家居的發(fā)展應(yīng)用。其實(shí)現(xiàn)主要功能：（1）溫度監(jiān)控：STC89C52RC單片機(jī)沒隔一段時(shí)間向DHT11發(fā)送信號(hào)，溫濕度傳感器每收到一次信號(hào)便將溫濕度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，單片機(jī)再與之前設(shè)定好的溫度閾值比較，若高于閾值則開窗，LCD顯示屏顯示ON，反之關(guān)窗，LCD顯示屏顯示OFF。（2）下雨監(jiān)控：當(dāng)天空開始飄雨達(dá)到雨滴傳感器閾值時(shí)，LM393向STC89C52RC單片機(jī)發(fā)出低電平信號(hào)，單片機(jī)再控制步進(jìn)機(jī)關(guān)閉窗戶，避免由于突然下雨家人不在引起的房?jī)?nèi)進(jìn)水。

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