基于單片機STC15F104E的開窗機控制器設計

本文針對一般家庭對自動開窗機的實際需要，利用單片機STC15F104E設計了一種開窗機控制器。文中闡述了系統(tǒng)組成及各模塊的功能，并給出了具體的電路圖，討論了程序的設計方法。實際測試表明，電機開／關窗動作、堵轉(zhuǎn)檢測、行程檢測正常，運行可靠。

自動化窗體作為樓宇自動化的一個重要組成部分，逐漸受到重視，越來越多的自動窗體被應用到各種建筑中。大型樓宇中若干個開窗器構成一個智能網(wǎng)絡，驅(qū)動百葉、窗戶、消防門等設備，承擔起遮陽、開窗、通風、排煙、消防隔離等任務。而對于一般家庭用戶來講，窗戶數(shù)量有限，通常也無組網(wǎng)的必要，所需的是一種具有一定智能化、工作可靠且成本低廉的開窗機。針對此需求，利用單片機STC15F104E設計了一種智能開窗機控制器。

1 硬件電路設計
設計的智能開窗機控制器結(jié)構框圖如圖1所示。系統(tǒng)由開關電源模塊、電機驅(qū)動(TA8429H)模塊、控制模塊(STC15F104E)及開關狀態(tài)檢測、堵轉(zhuǎn)檢測、位置檢測等構成。

1．1 開關電源模塊
該模塊輸出24 V／2 A和5 V／0．5 A兩組直流電源，如圖2所示。該電路是基于TOP225的開關電源的典型應用電路，電路中S1是電源開關及開／關窗控制開關，打到“3”處定義為開窗操作，打到“1”處定義為關窗操作，打到中間位置電源斷開，觸點“3”與開關狀態(tài)檢測電路相連，以實現(xiàn)開關S1狀態(tài)檢測。

1．2 開關狀態(tài)檢測
開關狀態(tài)檢測電路如圖3所示。只有開關S1打到“3”，光耦TLP521才不斷輸出近似于方波的脈沖信號給單片機STC15F104E的P34腳，利用程序?qū)崿F(xiàn)開關S1狀態(tài)的檢測。

1．3 控制及電機驅(qū)動模塊
控制及電機驅(qū)動模塊主要由單片機STC15F104E及TA8429H構成，如圖4所示。圖中STC15F104E是宏晶公司生產(chǎn)的單片機，指令系統(tǒng)與MCS-51兼容，價格低廉、體積小，僅有8個引腳，其中有6個I／O腳，滿足系統(tǒng)控制要求。TA8429H是東芝公司推出的一款全橋驅(qū)動電路，適合直流有刷電機的控制，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、制動和停止控制，其工作電壓為+27 V，平均工作電流可達3 A，完全可以滿足24 V／40 W直流電機的驅(qū)動要求。設計中電機控制信號經(jīng)單片機(MCU)的P31、P32輸出，經(jīng)光耦PC817隔離后送到TA8428H的輸入端，實現(xiàn)電機運行狀態(tài)的控制；TA8429H的“GND”與+24 V電源的“地”之間串接一個1 Ω／3 W的電阻實現(xiàn)電機電流檢測，在關窗到位后，電機將堵轉(zhuǎn)，電機電流增大，因而電阻兩端電壓因而升高。調(diào)節(jié)電位器R18，使得Q1導通，光耦U9輸出低電平，從而實現(xiàn)電機堵轉(zhuǎn)檢測。通過調(diào)節(jié)R18可以設定電機堵轉(zhuǎn)電流，從而實現(xiàn)開窗機負荷輕重的設定。當開窗到位時，行程開關S2閉合，MCU的P30引腳變?yōu)榈碗娖?，MCU將控制電機停轉(zhuǎn)。電路中LED0為電機堵轉(zhuǎn)指示，以方便堵轉(zhuǎn)電流設定，P2為單片機的在線編程接口。

2 軟件設計
系統(tǒng)軟件的主要任務是檢測開關S1的狀態(tài)、檢測堵轉(zhuǎn)及行程開關、控制電機的運行。MCU的P34引腳上脈沖情況反映了開關S1狀態(tài)，檢測方法是：定時50 ms，在50 ms內(nèi)如果P34為高電平，變量就加1，最大加至200，50 ms后判斷該變量的值，如果大于某個值，就認為S1打到觸點“3”。實測證明這種檢測方法簡單、可靠。P30、P35兩腳上電平的情況分別反映了開窗到位及電機堵轉(zhuǎn)情況。系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

3 實驗測試

將控制器應用于采用SL-123F鏈輪式直流減速電機的開窗機中，實驗在測試架上進行，懸吊45 kg負載，電機電流為1．1 A，開窗速度約為10mm／s。實際測試表明，電機開／關窗動作、堵轉(zhuǎn)檢測、行程檢測正常、運行可靠。

4 結(jié)束語

智能開窗機作為樓宇自動化的配套設備將得到不斷的發(fā)展和完善，為人們提供安全、舒適、便利的生活環(huán)境。文中給出的基于單片機的智能開窗機控制器，成本低廉、工作可靠，滿足一般家庭的門窗控制需要。