基于單片機的智能窗戶控制系統(tǒng)的設計

引 言

隨著科技的進步，智能化家具不斷發(fā)展?，F(xiàn)代社會人們工作繁忙、早出晚歸，常常忘記關(guān)窗。當遇到惡劣天氣或小偷潛入時，可能會造成不必要的財產(chǎn)損失。所以傳統(tǒng)的手動開關(guān)窗已無法滿足人們對于更高生活品質(zhì)的要求。因此需要開發(fā)一種能夠收集外界情況，且能在雨天、刮風天自動關(guān)窗，同時實現(xiàn)防盜功能的智能窗戶 [1]。

STC89C52 單片機以其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉在控制領域得到廣泛應用。文獻 [2] 以 STC89C52 為控制器， 利用A/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)，pH 傳感器和溫度補償模塊設計了一種能夠準確測量溶液 pH 值的 pH 值測量儀。文獻 [3] 以 STC89C52 為控制器，采用達林頓陣列、繼電器隊列和LED 燈組設計了一套智能交通燈控制系統(tǒng)，可受上位機控制。文獻 [4] 以STC89C52 為控制器，采用溫度傳感器和無線遙控模塊設計了一種智能風扇控制系統(tǒng)，在溫度高時可自動換擋。文獻 [5] 以STC89C52 為控制器，采用藍牙串口模塊、紅外熱釋模塊和電機驅(qū)動模塊設計了一種智能全自動洗衣機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可無線設定洗衣模式和洗衣時間，出現(xiàn)突發(fā)情況可及時報警。文獻 [6] 以STC89C52 為控制器，采用紅外避障模塊、超聲波測距模塊和電機驅(qū)動模塊設計了一套自動泊車智能小車控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動規(guī)避障礙物并將車停入車庫。文獻 [7] 以STC89C52 為控制器，利用多種傳感器設計了一套家庭智能安防系統(tǒng)，在火災和煤氣泄漏時系統(tǒng)可自動報警，可實現(xiàn)防盜功能。

本文以 STC89C52 單片機為控制器來設計智能窗戶控制系統(tǒng)，由光電傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器等模塊檢測天氣情況，經(jīng)處理后傳入單片機，單片機對信號進行運算處理，再將輸出信號送入電機驅(qū)動模塊、顯示模塊或蜂鳴器模塊。同時，用戶還可通過紅外遙控器手動控制窗戶開關(guān)，使生活更加方便、舒適 [8]。

1 總體設計方案

本系統(tǒng)基于STC89C52 單片機系統(tǒng)設計，由光電傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、碰撞傳感器模塊、紅外傳感器模塊、紅外遙控模塊、蜂鳴器報警模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊等組成。其原理框圖如圖 1 所示。

溫濕度傳感器模塊檢測窗戶周邊的溫濕度，通過A/D 采樣傳輸?shù)絾纹瑱C、顯示器，經(jīng)單片機處理后，當溫度高于30℃時控制電機正向轉(zhuǎn)動以打開窗戶，低于10℃時控制電機反向轉(zhuǎn)動以關(guān)閉窗戶。光電傳感器模塊檢測窗戶行進路線中是否存在障礙物，經(jīng)單片機處理后，若有障礙物則控制電機停止運行，反之則控制電機持續(xù)運行。雨滴傳感器模塊檢測是否下雨， 經(jīng)單片機處理后，下雨時控制電機反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶，反之控制電機正轉(zhuǎn)打開窗戶。風速傳感器模塊檢測窗外風速，并通過 A/D 采樣傳輸?shù)絾纹瑱C中，經(jīng)單片機處理后，當風速高于13.9m/s 時控制電機反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶，低于13.9m/s時控制電機正轉(zhuǎn)打開窗戶。人體紅外檢測模塊檢測窗外是否有人，經(jīng)單片機處理后， 若有人則控制電機反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶，同時蜂鳴器發(fā)出警報，反之則控制電機保持原有狀態(tài)。紅外接收模塊采集紅外遙控信號， 并將其輸出到單片機上，控制電機正轉(zhuǎn)打開窗戶或反轉(zhuǎn)關(guān)閉窗戶。碰撞傳感器模塊檢測窗戶是否完全關(guān)閉或打開，經(jīng)單片機處理后，若窗戶完全關(guān)閉或打開則控制電機停止轉(zhuǎn)動，反之則控制電機保持原有狀態(tài)。

2 硬件設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用的 STC89C52 芯片為 STC 公司設計生產(chǎn)的 一種低功耗、高性能的 CMOS 8 位微控制器，并具有 8 kB 系統(tǒng)可編程 FLASH 存儲器，擁有 8 位 CPU 和系統(tǒng)可編程 FLASH，使得系統(tǒng)更加靈活、有效 [9]。

2.2 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器模塊采用DHT22 數(shù)字溫濕度傳感器，該傳感器用于檢測室外溫濕度，并將信號傳送到單片機，同時在顯示屏上顯示。該傳感器具有可靠的數(shù)字模塊采集技術(shù)， 能夠?qū)崟r采集溫濕度信息并反饋至單片機，其傳輸?shù)?40位數(shù)字信號前 16位為濕度數(shù)據(jù)，隨后 16位為溫度數(shù)據(jù)，最后8位為校驗和，可測溫度量程為－ 40～80℃，濕度量程為0 ～100%RH。

2.3 人體紅外檢測模塊

紅外檢測模塊采用HC-SR501 人體紅外感應模塊，該模塊功能強大，可用于防盜，既可采用全自動感應，當有人進入感應范圍時輸出高電平，又可采用光敏控制，在白天強光時不感應，當感應到室外有人時將高電平信號傳送到單片機，單片機控制蜂鳴器發(fā)出警報，房屋主人即可知道有人在窗外?？紤]到夏天溫度較高，設有一個溫度補償 RT，當溫度升高至30 ～32℃時，即可作出一定程度的溫度補償，提高其精確度。

2.4 光電傳感器模塊

光電傳感器基于對射式光電傳感原理，由投光器和受光器組成。該傳感器用于檢測是否有異物阻擋在窗戶的行進軌道上，若有則輸出低電平，單片機控制電機停止轉(zhuǎn)動，避免損傷人或物品；而正常情況下則輸出高電平，不影響電機轉(zhuǎn)動。

2.5 碰撞傳感器模塊

碰撞開關(guān)用于檢測窗戶是否已經(jīng)完全關(guān)閉或開啟。當窗戶關(guān)閉不完全即碰撞開關(guān)未閉合時，該模塊 3 腳 OUT 口輸出高電平，指示燈熄滅；而當碰撞開關(guān)閉合即窗戶完全關(guān)閉時則輸出低電平，指示燈點亮。利用該模塊可以很好地保護電機， 避免電機空轉(zhuǎn)。

2.6 風速傳感器模塊

風速傳感器采用三杯式風速計，在風力的作用下帶動三個杯體旋轉(zhuǎn)，只需將電壓采樣端直接與單片機 A/D 口相接， 另一端接地即可。其不同的輸出電壓對應不同的風速，轉(zhuǎn)速越大，電壓越高。

2.7 電機驅(qū)動模塊

本設計采用電機驅(qū)動芯片L298N 來驅(qū)動 24 V 直流電機，電機驅(qū)動模塊電路圖如圖 2 所示。該驅(qū)動板可驅(qū)動 2 路直流 電機，ENA，ENB 為使能端，在高電平時有效，通過設置 INT1，INT2 確定電機轉(zhuǎn)動方向，再對其使能端輸出 PWM 脈 沖即可實現(xiàn)調(diào)速。通過改變 INT3，INT4，ENB 的電平來確 定電機的轉(zhuǎn)動方向和狀態(tài)，其中 VCC 為 5 V。

2.8 雨滴傳感器模塊

雨滴傳感器使用寬電壓 LM393 比較器，可輸出數(shù)字信號和模擬信號。當有雨時 D0 輸出低電平，指示燈亮 ；無雨時D0 輸出高電平，指示燈滅。而模擬量則可用于檢測滴落在傳感器表面的雨量大小。將上述信號傳送至單片機，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后控制電機正反轉(zhuǎn)，繼而實現(xiàn)窗戶的開啟或關(guān)閉。

2.9 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊分為紅外接收器和遙控器，其接收器接收頭為 1838 紅外接收頭，具有抗光功能，電磁干擾能力強，且內(nèi)置紅外線專用IC。該紅外接收模塊為 3 線制，VCC 為外接5 V電壓，GND 為外接地，D0 為數(shù)字輸出端口，單片機通過讀取該輸出端口的二進制數(shù)值來控制電機轉(zhuǎn)動或停止。遙控器采用NEC編碼格式，遙控距離可達8 m，采用2.5 V干電池供電。遙控器中各按鍵都有固定編碼，按下后幾十毫秒內(nèi)紅外接收器會接收到一串二進制編碼，將其送入單片機后由單片機判斷并執(zhí)行相應操作。

2.10 顯示器模塊

顯示器采用LCD1602 液晶屏顯示溫濕度。該液晶屏可以顯示 32 個字符，完全滿足溫濕度顯示要求。

3 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)以 Keil 作為單片機編程軟件，C 語言作為編程語言。其系統(tǒng)流程如圖3 所示。通過各傳感器對周圍環(huán)境的檢測， 將信息送入單片機內(nèi)，由單片機判斷并執(zhí)行相應操作。單片機主程序main 調(diào)用各子程序，其余所有傳感器的信息判斷、電機模塊驅(qū)動、LCD1602 溫濕度顯示、蜂鳴器報警等均寫入子模塊中，方便移植和閱讀 [10,11]。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)采用STC89C52 單片機及各類傳感器，LCD1602，蜂鳴器等器件，將光、風、溫、電等技術(shù)結(jié)合為一體，具有較高的可靠性、安全性和極強的實用性。整體的設計創(chuàng)新點在于添加了防異物功能，也能較好地避免夾傷用戶。本系統(tǒng)通過一些方便實用的傳感器實現(xiàn)了對外部環(huán)境的監(jiān)測，將外界信息顯示在顯示屏上，并由單片機控制電機驅(qū)動模塊、人體紅外檢測模塊等，最終實現(xiàn)了智能開關(guān)窗戶的目的，具有較高的實用價值和廣闊的應用前景。