涂穎，鄭云祥，李剛

（湖北文理學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

在現(xiàn)代家居生活中，人們在不斷地追求更安全、舒適、方便、人性化的家居環(huán)境。而窗戶作為其中必不可少的一部分，不應(yīng)該被忽略到，它不僅可以起到基本的裝飾、采光、通風(fēng)等作用。也可以多種功能集結(jié)成一體的智能窗戶。如成為防盜防非法入室的重要途徑，普通的防盜網(wǎng)加固在窗戶外可以防盜但在發(fā)生火災(zāi)等緊急情況下則大大降低了逃生的可能性，使用紅外感應(yīng)安防則完善了這一缺陷；又如在主人沒有意識到室內(nèi)煤氣等有害氣體含量過多的情況下，給窗戶加上煙霧檢測傳感器實現(xiàn)自動開窗透氣，為我們的美好生活保駕護(hù)航；再如，增加溫濕度傳感器以及雨滴檢測傳感器，通過信號的采集、分析和處理，實現(xiàn)下雨時自動關(guān)窗以免雨水濺入室內(nèi)，天氣悶熱溫度過高自動開窗等等智能化的操作。因此更好地實現(xiàn)窗戶的智能控制和安全防護(hù)以提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

本設(shè)計以STC89C52單片機為核心CPU，集成多種傳感器實現(xiàn)監(jiān)測控制，同時步進(jìn)電機起到傳動目的，實現(xiàn)精準(zhǔn)控制窗戶和窗簾的開關(guān)。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖1所示。AD0832將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給單片機顯示，形成一套監(jiān)測系統(tǒng)，實時顯示溫濕度值、煙霧值、亮度值、系統(tǒng)時間，當(dāng)數(shù)值超過設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)操作，同時可外部手動或紅外遙控開關(guān)窗。

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 AD0832

單片機控制系統(tǒng)中通常要用到AD轉(zhuǎn)換，根據(jù)輸出格式，常用的AD轉(zhuǎn)換方式可分為并行AD和串行AD。并行方式一般在轉(zhuǎn)換后可直接接收，但芯片的引腳比較多；串行方式所用芯片引腳少，封裝小，但需要軟件處理才能得到所需要的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行單片機和ADC0832的連接時，DI和DO并不是同時使用，所以可共用單片機的一條I/O線，再加上一條時鐘線和一條片選線就可以實現(xiàn)單片機和ADC0832的連接。

AD0832是8位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可支持兩個單端輸入通道和一個差分輸入通道。當(dāng)片選CS為高電平時芯片不工作，要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換則先將CS使能端置于低電平并且保持直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。芯片工作時，由CPU向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖。若要表示啟始信號則在第1個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平。若要選擇通道功能則在第2、3個脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)。在完成輸入啟動位、通道選擇之后，就可以開始讀出數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)會被送出二次，一次高位在前傳送，一次低位在前傳送，連續(xù)送出。我們可以在程序讀取二個數(shù)據(jù)后加上檢驗來看看數(shù)據(jù)是否被正確讀取。

2.2 光照檢測

使用的探測元件是GL5528光敏電阻傳感器，用于光線亮度檢測。在周圍光強達(dá)不到閾值時，D0口輸出高電平;光強超過閾值時，D0口輸出低電平。D0輸出端直接與單片機相連，單片機根據(jù)它反映的電平高低來判斷周圍環(huán)境光線亮度的變化，然后由程序發(fā)出命令從而控制電機實現(xiàn)相應(yīng)的動作。依據(jù)此原理可以用來判斷天色，當(dāng)天黑時，信號端輸出高電平，單片機檢測此IO口的變化自動控制窗戶的開啟與關(guān)閉。

圖2 MQ—2原理圖

2.3 氣體傳感器

MQ—2型傳感器廣泛應(yīng)用于室內(nèi)的氣體泄漏檢測，對天然氣、液化石油氣等煙霧的靈敏度很高，具有良好的抗干擾性，可以精準(zhǔn)的排除掉刺激性強但卻不是可燃煙霧的干擾信息。其特性相當(dāng)又于一個滑動變阻器，氣體濃度越高電導(dǎo)率就越大，電阻是電導(dǎo)率的倒數(shù)，所以其阻值是減小的。值得注意的是，由于輸出的是模擬電壓，所以必須要經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換才能與單片機相接。其模擬輸出電壓的計算方法如下：U=VCC×10/(RS+10K),RS為敏感體表面電阻，RS=（VC/VRL—1）×RL,VC為回路電壓，VRL為傳感器4、6腳輸出的電壓，RL是負(fù)載電阻。圖2給出了它的原理圖。

2.4 步進(jìn)電機電路

本電路由兩組ULN2003模塊和24YBJ組成。ULN2003是一個7路反向器電路，即輸入端為高電平則輸出端為低電平，它也可以作為一些器件使用，如這里作為步進(jìn)電機的驅(qū)動電路。

2.5 紅外遙控模塊設(shè)計

紅外遙控一般分發(fā)射和接收兩個部分，發(fā)射部分的主要元件為顏色透明的紅外發(fā)光二極管，接收部分的是黑色紅外接收管。紅外線遙控器的原理簡單易懂，通過發(fā)射管把信號換成不可見的紅外線發(fā)出去，然后被遙控物體里的接收頭接收，最后將紅外線然后轉(zhuǎn)成信號，有了信號就能控制物體了。紅外遙控的特點是不影響周邊環(huán)境、不干擾其它電器設(shè)備、使用方便。

2.6 傳感器的放置

（1）溫濕度傳感是放在窗戶外面的，這樣在下雨天時才能及時準(zhǔn)確檢測到溫濕度變化，進(jìn)行關(guān)窗動作；

（2）紅外防盜探測頭是放在窗戶里面，當(dāng)有小偷想通過窗戶進(jìn)來偷竊，可以及時發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行報警，并自動關(guān)窗；

（3）換風(fēng)系統(tǒng)是裝在窗戶最上面的，窗戶上面要留一個適合風(fēng)機大的可穿過位置。風(fēng)機里面內(nèi)置過濾網(wǎng)，并且可以卸裝的。

圖3 程序流程圖

3 軟件模塊設(shè)計

接通電源后，初始化單片機并開始工作。傳感器同時采集信息進(jìn)行檢測判斷，在開窗的狀態(tài)下，紅外檢測探頭如果檢測到有物體靠近，此時窗戶自動關(guān)閉，并且蜂鳴器進(jìn)行報警。當(dāng)煙霧傳感器探測到室內(nèi)有可燃?xì)怏w或濃霧超標(biāo)時，單片機立刻發(fā)出開窗指令，窗戶打開至兩個開窗限位器接觸時，停止電機轉(zhuǎn)動，在此期間蜂鳴器進(jìn)行報警，換風(fēng)系統(tǒng)啟動。當(dāng)有紅外遙控信號時，及時進(jìn)行開關(guān)窗處理。手動按鍵用來設(shè)定上下限參數(shù)和校對時間實現(xiàn)定時開關(guān)窗，以及復(fù)位消除報警。濕溫度傳感器檢測到室外濕度超過限位時，單片機控制步進(jìn)電機關(guān)窗，當(dāng)窗戶與窗框完全接觸時，兩個關(guān)窗限位片導(dǎo)通，步進(jìn)電機停止轉(zhuǎn)動。進(jìn)入夜晚時，在光敏電阻發(fā)出的信號后，關(guān)閉窗戶。

即通過各路傳感不斷循環(huán)檢測室內(nèi)信號，與我們預(yù)先設(shè)置的閾值相比較,配合檢測電路檢測到的當(dāng)前窗狀態(tài),從而作出相應(yīng)動作判斷。

4 實體構(gòu)思圖

圖4 實體圖

窗戶的左右為滑輪，中間為步進(jìn)電機安裝點，右窗戶的右上角裝有換風(fēng)系統(tǒng)，左右兩邊為各種傳感器的安裝點，兩者均與電機相連從而傳輸檢測信號并行動。

5 結(jié)束語

現(xiàn)在的窗戶大部分都是通過人為手動去關(guān)閉和打開的，但是當(dāng)人不在家時，一旦發(fā)生意外時便不能快速有效的去關(guān)閉或打開窗戶，為家庭帶來很大的隱患，因此這款多功能窗戶控制系統(tǒng)，完全可以滿足大部分人的需求，當(dāng)各個意外時，系統(tǒng)都會給予自動處理的，所以無論是從經(jīng)濟價值角度分析，還是從治安的角度考慮，都有廣泛的發(fā)展前景。