王春燕++方蘭蘭++程華偉

摘 要根據(jù)人們的需求，設(shè)計了一款具可為住戶提供安全、方便、舒適的環(huán)境的智能窗戶，該裝置可不間斷檢測室外的天氣情況，通過識別室外的天氣情況，控制窗戶開合，可以防止雨水對室內(nèi)物品的損害；當(dāng)有人入侵時，窗戶可自動發(fā)出警報，防止失竊及小孩爬窗；還可以檢測空氣質(zhì)量，可根據(jù)空氣質(zhì)量是否危害健康自動關(guān)窗；讓用戶得到盡可能的舒適的體驗。該裝置功能的實現(xiàn)是以89C52芯片為主控，加之各類傳感器采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過單片機處理來實現(xiàn)的。

【關(guān)鍵詞】實時控制 自動控制 雨滴傳感器 紅外傳感器 空氣質(zhì)量傳感器 單片機

1 前言

1.1 選題的背景

如今，我國經(jīng)濟快速發(fā)展?使得人們物質(zhì)生活水平不斷提高，人們對住宅的要求越來越高，表現(xiàn)在不僅希望擁有舒適、溫馨的住所，而且對其安全性、智能性等發(fā)面也提出了更高的要求。正是因為如此，國內(nèi)智能家居如智能手機一般逐漸得到大眾的認可和熱捧?市場需求量呈幾何數(shù)級增長。進入2014年?面對智能家居市場的巨大需求和發(fā)展?jié)摿?各大互聯(lián)網(wǎng)公司和家電巨頭為取得一席之地紛紛發(fā)力?陸續(xù)加入到智能家居“蛋糕”的爭奪戰(zhàn)中來?一時間國內(nèi)智能家居市場硝煙四起?火爆異常?熱度絲毫不減“高光時刻”的房地產(chǎn)。然而這種快速的發(fā)展、激增的需求帶來許多產(chǎn)業(yè)發(fā)展的問題。

由于這種種因素，人們迫切需要一種智能的家庭自動關(guān)窗系統(tǒng)：

（1）能可靠的進行日常的開關(guān)工作，在下雨或空氣中粉塵多時實現(xiàn)自動關(guān)窗，以便出門在外的人能安心工作，不用忘關(guān)窗而擔(dān)心室內(nèi)物品等受損。

（2）實用性好，性價比高，而不是看著智能窗如同看著天上的月亮，可望而不可即，靠近大眾消費水平。

1.2 選題的意義

在我國經(jīng)濟的快速發(fā)展中，人民生活水平也隨之日益提高，人們對健康、舒適、方便的家居生活的追求也越來越高漲，因為在這個快節(jié)奏的現(xiàn)代化生活中，人們常常忙于工作而忘記開關(guān)窗，不利于室內(nèi)通風(fēng)換氣，也常常因為不清楚窗戶是否關(guān)閉，如遇下雨便擔(dān)心不已?，F(xiàn)在的智能窗戶，雖然品種各色各樣，但主要應(yīng)用于高檔建筑和公共建筑中，而且價格不菲，普通大眾還無法體驗到智能窗戶帶來的舒適與便利。

基于以上原因，本課題提出一種智能的實用的價格適中的窗戶開關(guān)裝置，讓跟多的人體驗到智能窗戶帶來的舒適與便利。

2 智能窗戶的總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)主要由四大部分組成，分別是單片機核心控制模塊，外部環(huán)境監(jiān)測模塊，矩陣鍵盤控制模塊，電機傳動裝置模塊。其中，由外部環(huán)境監(jiān)測模塊中的各個傳感器檢測采集如雨水，霧霾，粉塵，是否有人入侵等所需信號，傳送到單片機進行判斷處理，對電機傳動裝置做出相應(yīng)開窗關(guān)窗操作。當(dāng)然，用戶可以通過按鍵自動控制窗戶的開關(guān)，任意位置的暫停。

系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖1所示。

2.2 各模塊功能

外部環(huán)境檢測模塊，實現(xiàn)對室外天氣狀況的檢測，如是否下雨、霧霾、是否有大量粉塵等顆粒物、小孩爬窗等，并將檢測數(shù)據(jù)送往主控模塊，進行數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)對動作。

電機傳動模塊，根據(jù)主控模塊命令，控制窗戶的開合。

獨立鍵盤控制模塊，實現(xiàn)遠程控制。用戶可以根據(jù)外界天氣狀況通過按鍵自動對窗戶進行打開和關(guān)閉。

主控模塊，由STC89C52作為主控芯片，對外部環(huán)境監(jiān)測模塊監(jiān)測到得數(shù)據(jù)進行處理，將數(shù)據(jù)處理結(jié)果送至各個端口，并作出相應(yīng)動作，如發(fā)送關(guān)窗命令至電動傳動模塊。

3 智能窗戶的性能及原理

3.1 具體性能指標

性能指標：下雨即可關(guān)窗；空氣PM2.5值大于100ug/m3時自動關(guān)窗；按下關(guān)窗鍵時，可關(guān)窗；開窗鍵時，開窗；暫停按鍵時，停止。

確定依據(jù)：下雨可能會使室內(nèi)受潮，因此下雨即可關(guān)窗；PM2.5小于50ug/m3時空氣良好，50-150ug/m3時為輕中度污染，大于150ug/m3為中重度污染，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量較好，可關(guān)窗。

3.2 各模塊原理及電路圖

3.2.1 系統(tǒng)供電部分

系統(tǒng)采用5V的開關(guān)電源進行全局供電。

3.2.2 系統(tǒng)主控模塊

系統(tǒng)主控模塊采用STC89C52芯片為主控芯片。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程FLASH存儲器。無論是資源還是速度，都能滿足系統(tǒng)的要求。

3.2.3 外部環(huán)境監(jiān)測模塊

（1）空氣質(zhì)量傳感器。空氣質(zhì)量傳感器采用的是MQ135氣體傳感器，氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在污染氣體時，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中污染氣體的濃度的增加而增加。使用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。

（2）雨滴傳感器。雨滴傳感器是由FR-04雙面材料制成的雨水感應(yīng)板，當(dāng)感應(yīng)板上有水滴，AO模擬輸出，通過89C52對IO端口檢測判斷是否為高電平，實現(xiàn)對窗戶開關(guān)控制。

（3）紅外傳感器。紅外傳感器即紅外信號檢測模塊，該模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號即一個低電平。

3.2.4 電機傳動裝置

電機傳動裝置主要采用的是電機絲桿組成，其中直流電機采用L298N芯片驅(qū)動， L298是一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A。該芯片可以驅(qū)動一臺四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。

直流減速電機額定電壓DC6V，空載電流60mA，空載轉(zhuǎn)速54r/d，適合電壓5-12V。

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作者簡介

王春燕，女，安徽省六安市人。大學(xué)本科學(xué)歷。安徽三聯(lián)學(xué)院電子電氣工程學(xué)院通信工程系學(xué)生。研究方向為嵌入式。

作者單位

安徽三聯(lián)學(xué)院 安徽省合肥市 230000