張建剛

摘要：智能窗開發(fā)設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制芯片，為滿足不同住戶控制要求，選取使用不同傳感器，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)環(huán)境濕度、室內(nèi)可燃?xì)鉂舛取⒐庹諒?qiáng)度。當(dāng)室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度超出正常值時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)開啟窗戶，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)提醒主人空氣異常;控制系統(tǒng)能夠檢測(cè)環(huán)境溫濕度，在檢測(cè)結(jié)果滿足設(shè)定值時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗戶;當(dāng)有人靠近房間會(huì)觸發(fā)傳感器動(dòng)作，窗戶會(huì)自動(dòng)關(guān)閉并發(fā)出警報(bào)。

Abstract： The smart window development design uses a single-chip microcomputer as the control chip. In order to meet the control requirements of different residents， different sensors are selected to realize the detection of environmental humidity， indoor gas concentration， and light intensity. When the indoor flammable gas concentration exceeds the normal value， the drive motor will open the window， and the buzzer will send an alarm to remind the owner of the abnormal air; the control system can detect the ambient temperature and humidity， and automatically close the window when the detection result meets the set value; Approaching the room will trigger a sensor action， and the window will automatically close with an alarm.

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);智能家居;傳感器;異常報(bào)警

Key words： single-chip microcomputer;smart home;sensor;abnormal alarm

中圖分類號(hào)：TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2020）01-0250-03

0 ?引言

現(xiàn)代居家生活中，窗戶不僅有裝飾室內(nèi)作用，同時(shí)也具備采光作用，另外還有空氣清新和流通作用。防盜采取安裝不銹鋼防護(hù)欄，能夠起到防盜作用，但是存在各種弊端，比如發(fā)生火災(zāi)等意外事件，防護(hù)欄將人困在室內(nèi)，讓人失去逃生機(jī)會(huì)，所以智能窗戶研發(fā)有重要意義。

1 ?智能窗控制系統(tǒng)介紹

本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)技術(shù)在單片機(jī)上集成多種傳感器設(shè)計(jì)出多功能智能窗戶系統(tǒng)。整個(gè)智能窗的設(shè)計(jì)是在對(duì)目前國(guó)內(nèi)外研制出的智能窗系統(tǒng)存在的不足，進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出更加完善的多功能智能窗系統(tǒng)，通過使用煙霧傳感器，紅外傳感器，光電開關(guān)，濕度傳感器，以及使用遠(yuǎn)程紅外遙控接收傳送設(shè)計(jì)出的智能化窗戶，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)傳感器選型

1.1.1 溫濕度傳感器選擇

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有自動(dòng)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、智能數(shù)字采集功能，與單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步交互，數(shù)據(jù)同步過程中，該傳感器將40位的二進(jìn)制數(shù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)模塊。這些數(shù)據(jù)通過程序進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化成溫濕度實(shí)際值，由顯示器顯示結(jié)果。其特點(diǎn)是響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高，體積小、功耗低和品質(zhì)優(yōu)良。

1.1.2 燃?xì)鉂舛葌鞲衅鬟x擇

設(shè)計(jì)采用氣敏式煙霧傳感器MQ-2，該傳感器常用于氣體泄漏檢測(cè)，對(duì)于液化氣、酒精、煙霧等能起到探測(cè)作用。

1.1.3 人體防盜檢測(cè)傳感器選擇

光電開關(guān)E18-D50NK是集發(fā)射器和接收器于一體的漫反射式光電開關(guān)，當(dāng)探頭前有物體經(jīng)過，經(jīng)過的物體將發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到自身接收器，通過反射光線作為光電開關(guān)動(dòng)作信號(hào)。

1.2 系統(tǒng)顯示器選型

LCD1602字符液晶顯示器屬于點(diǎn)陣型顯示模塊，高達(dá)160個(gè)字符可以隨時(shí)應(yīng)用。其特性：有多種指令提供;模塊中存在一鍵初始化功能;系統(tǒng)模塊中具有八個(gè)字符發(fā)生器;具有的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器DDRAM有80字節(jié);正常工作時(shí)工作電壓穩(wěn)定值在3.3V或5V。

1.3 A/D轉(zhuǎn)化芯

A/D轉(zhuǎn)換是通過電路技術(shù)把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)。當(dāng)A/D芯片的輸出端輸出低電平時(shí)，芯片開始工作，單片機(jī)向輸出端發(fā)送不同數(shù)量的脈沖信號(hào)，DI端有效，此時(shí)把DI端作為數(shù)據(jù)功能選擇的通道，時(shí)鐘脈沖信號(hào)下降前端口都是單片機(jī)發(fā)出高電平控制脈沖信號(hào)，在下降之前，發(fā)出的第二個(gè)時(shí)鐘信號(hào)下降前輸出端口輸入的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)通道的選擇。當(dāng)單片機(jī)向輸入端輸入的高電平的話，電機(jī)不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)ADC處于休眠狀態(tài)。

2 ?系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選型

步進(jìn)電機(jī)工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)出高低電平到驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片把單片機(jī)發(fā)出的高低電平轉(zhuǎn)化成為數(shù)量不同的脈沖信號(hào)來使得步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。脈沖信號(hào)傳輸是具有以下順序的在特定順序下發(fā)出的脈沖數(shù)量形成信號(hào)，這個(gè)特定順序下的脈沖是實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)的重要依據(jù)，設(shè)計(jì)中步進(jìn)電機(jī)的接口對(duì)應(yīng)單片機(jī)P1.0，P1.1，P1.2，P1.3口，采用ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)模塊。

3 ?硬件部分設(shè)計(jì)

為能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能要求選用支持單片機(jī)的芯片作為整體的核心控制模塊，還需要電源來提供動(dòng)力保障，晶振電路實(shí)現(xiàn)電路的連接，復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)電路的歸零。

3.1 復(fù)位電路

系統(tǒng)復(fù)位是通過在復(fù)位端連接一個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)中復(fù)位電路模塊是由內(nèi)外芯片內(nèi)部和芯片外部?jī)刹糠纸M成的，采用如圖2的復(fù)位電路，單片機(jī)接收到復(fù)位信號(hào)后，在之后的任務(wù)執(zhí)行中單片機(jī)中所有的數(shù)據(jù)都要從0000H單元中開始執(zhí)行操作，復(fù)位信號(hào)就是在單片機(jī)接受到復(fù)位信號(hào)后執(zhí)行初始化的操作方式。

3.2 時(shí)鐘電路

連接在單片機(jī)XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳之間的電容模塊和晶體振蕩器，能夠使得集成在單片機(jī)板子上的各個(gè)傳感器和元器件之間能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一有效實(shí)現(xiàn)的定時(shí)控制功能。這里把兩個(gè)引腳上連接的電容和晶體振蕩器合稱為自激振蕩器，其能夠更加穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。為了給單片機(jī)提供穩(wěn)定的振蕩信號(hào)和相對(duì)穩(wěn)定的頻率，在電容和晶體振蕩器連接在單片機(jī)XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳之間，增加一個(gè)高增益反相放大器。設(shè)計(jì)中選擇的振蕩電路，是外接兩個(gè)電容原件11.0592MHz無源晶振。采用電容為22pF，采用晶振頻率為12MHz，晶振選擇11.0592MHz，復(fù)位電路圖如圖3所示。

3.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片接口

為了實(shí)現(xiàn)需要使得電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的電流和電壓。選用控制方向信號(hào)和脈沖序列的的I/O口連接在單片機(jī)上面，用五線四相步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的芯片來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。通過單片機(jī)的端口安裝起來的步進(jìn)電機(jī)使用的芯片來自于ULN2003大功率達(dá)林頓陣列驅(qū)動(dòng)。能夠直接安裝在單片機(jī)上面實(shí)現(xiàn)直接運(yùn)行功能，電機(jī)連接如圖4所示。

3.4 A/D轉(zhuǎn)化芯片的接口

如圖5所示，要使得模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，選擇采用ADC0832芯片。

4 ?軟件部分設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中將零散的模塊集中在一塊板子上實(shí)現(xiàn)整體功能，在板子上集成了溫濕度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、步進(jìn)電機(jī)、芯片等模塊。把這些模塊集中在一起芯片中燒錄程序?qū)崿F(xiàn)總體控制，主程序控制個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)有序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)需要的功能。通過keil提供的集成開發(fā)環(huán)境uVision4，進(jìn)行仿真調(diào)試器。在軟件的編寫過程中，編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等各個(gè)階段都集中在uVision4中。先通過編譯器編寫程序、然后調(diào)用編譯器進(jìn)行編譯，連接之后即可直接運(yùn)行。軟件主程序如圖6。

5 ?結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)設(shè)計(jì)了利用溫濕度傳感器、光敏傳感器、燃?xì)鈧鞲衅魍ㄟ^將非電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)，運(yùn)用AD轉(zhuǎn)換器將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。單片機(jī)發(fā)出不同數(shù)量的脈沖信號(hào)將這些信號(hào)發(fā)送到電機(jī)上控制窗戶的自動(dòng)開關(guān)。讓窗戶實(shí)現(xiàn)智能化用戶有更舒適的生活體驗(yàn)，報(bào)警系統(tǒng)能夠在突發(fā)狀況下發(fā)出警報(bào)減少住戶不必要的損失，保障住戶的安全。

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