基于單片機的自動控制窗戶系統設計

常淑英

天津電子信息職業技術學院

窗戶是室內環境調節的重要途徑，對于室內環境質量具有直接的影響，如果完全依據人工根據室內外環境的變化情況對窗戶的開閉進行控制，容易導致一些意外情況的發生，本文主要結合相關的單片機技術，設計一種基于環境檢測的自動控制窗戶系統，單片機選用AT89C52，對其硬件設計與軟件設計予以簡單分析研究。

隨著社會市場經濟的發展，人民的生活水平不斷提升，智能家居的概念從提出之后，受到了越來越多的關注，其能夠為人們帶來安全、舒適、便利的生活環境，智能窗控系統的應用，對于室內環境條件的改善具有積極的作用，本次研究中的基于單片機的窗戶控制系統，其主要工作原理表現為：AT89C52 單片機在接收到傳感器所采集到的風雨、煙霧等數據之后，對其實施分許處理，然后將相關的處理結果通過脈沖信號的形式作用于電機之上，通過控制電機的正反轉，來對窗戶的開度予以有效的控制，從而起到改善室內環境的作用。本文主要基于環境檢測的自動控制窗戶系統的研究進行簡單分析。

基于環境檢測的自動控制窗戶系統的總體設計

在實際的設計中，該系統主要由機械部分、軟件部分、硬件部分等組成，其軟件部分主要應用C 語言來進行編程；硬件部分的設計主要由輔助電路、電機、揚聲器、單片機、傳感器等組成；機械部分的設計則需要依據實際的需求來開展設計，該系統的設計初衷是機電一體化，系統中應用了智能控制技術、電路設計技術、軟件編程技術、傳感器技術等，要求其能夠實現這樣的幾點控制指標：（1）如果室內的煙霧、可燃性氣體等超標，要求窗戶能夠自動打開，并要自動啟動排氣扇排氣，這在所有操作中占有最高的優先級，與此同時，報警器要自動報警，提醒主人注意，防止出現火災與煤氣中毒等事故；（2）在刮風下雨等惡劣天氣條件中，一旦傳感器檢測到相關的風雨信號，會將其所收集的信號傳遞給計算機，計算機會發出相關的電機運轉指令，保證窗戶的關閉及自動報警，防止有雨水進入到室內，滴室內環境造成損害，并要每隔一段時間實施一次檢測，以便于能夠在風雨停止時及時將窗戶打開；（3）該系統同樣具有防盜作用，當有人停留于窗外時，窗戶會由于紅外線探測器的發射與接收通絡的阻斷予以關閉，并且能夠自動報警，非常好的防盜功能；（4）設計機械運動開、關窗功能及手動按鍵功能，以便于其設計更加的人性化。系統的功能框架圖如圖1 所示。

基于環境檢測的自動控制窗戶系統的硬件設計

煙霧及可燃性氣體檢測電路

MQ-2 是本次研究中應用于煙霧機可燃性氣體檢測中的傳感器，其具有較大的阻值，高達10 千歐姆，其工作原理表現為：傳感器中進入煙霧之后，會導致傳感器自身組織的快速下降，則會直接導致傳感器兩端電壓值的下降，會導致其相關信號的變化，在單片機的P0.3 口獲取相應的數據之后，通過信號的處理分析，能夠得到相應的指令，其中傳感器MQ-2 是一種氣敏原件，其主要是由二氧化鋅敏感層、氧化鋁陶瓷管，對加熱器及電極所構成的敏感元件固定于不銹鋼或者是塑料制成的腔體中實施測量，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件，封裝完成的氣敏元件一共有六只針狀管腳，其中有兩個是用于提供加熱電流，四個應用于信號取出。該傳感器的主要技術指標及特性表現為：恢復時間：Trec 小于30s，響應時間：Tres 小于10s，加熱功率P 大約為750mW、加熱電壓VH：5.0±0.2V；取樣電阻RL：1～20K，MQ-2 型傳感器具有長期的穩定性及良好的重復性，其具有長時間工作性能好、響應時間短、初始穩定、并且具有較好的抗干擾能力，能夠將刺激性的非可燃煙霧信息的干擾予以排除，并且其電路設計中的電壓氛圍比較寬，加熱電壓值為5±0.2 伏特。

圖1 系統功能框架圖

圖2

紅外防盜檢測電路

紅外防盜檢測電路中應用成品主動式紅外探測器，探測器主要由處理電路、接收頭、發射頭等組成，正常情況下，發射頭會發出紅外線，接收到接受到紅外線之后，單片機所接收到的脈沖是高電平，主要三極管發生了作用，對開關進行了導通，此時如果將光束遮擋，那么三極管就會截止，此時單片機會檢測出低電平，將信號傳遞給單片機。

風監測電路

風監測電路是該系統設計的內容之一，實現了自動化防風功能，并且可以自動檢測風速，然后經過轉化，將檢測結果轉化為電信號，電信號經過傳輸至微處理器MCU中，其主要組成部分有：傳感器電路、風輪等，其主要工作原理為：窗戶處于打開狀態時，一旦室外起風，風會帶動風輪的轉動，計數器會就愛那個每分鐘風輪的轉動圈數予以記錄，并會將所記錄的數據傳輸到MCU 中，根據風輪轉動的下限值及所編程序的設置，決定是否啟動電機，如果啟動電機，可以帶動窗戶轉動，如果窗戶外的風速降低的時候，那么風輪每分鐘轉動的圈數就會小于下限值，此時MCU 發出相關指令，電機啟動，朝著窗戶開啟的方向轉動。其工作原理如圖2。

雨檢測電路的設計

室外空氣雨滴的檢測室背刺研究中系統的重要組成部分，如果有雨滴落于傳感器上，容易導致其出現短路，這灰直接造成線路中出現短路，直接導致檢測電平發生較大的變化，進一步會引起相應動作，如果導線上的水滴全部都蒸發掉時，線路短路狀態就會恢復正常，此時MCU 就會發出指令，啟動電機，帶動窗戶做出開啟動作。

語音報警電路的設計

在語音電路中，集成功率放大器作為輸出端低電壓，驅動電路則采用典型應用電路作為揚聲器，將10mF 的旁路電容接入LM386 的1 腳與8 腳間，此時可以大幅度提高電路放大倍數，最高可達200 倍，USD4004 語音芯片的工作電壓是3v，可以應用變壓電路將5v 的電壓轉化為3v的電壓。該芯片的單片錄放時間為8min 到16min，具有較好的音質，在一些便攜式電子產品及移動電話中具有廣泛的應用，該芯片中應用CMOS 技術，其中含有高密度多電平閃爍存儲、自動靜噪裝置、音頻放大器、平滑濾波器、防混淆濾波器、振蕩器等，其所有的操作必須經由微控制器來進行控制，相關的操作命令可以通過串行通信接口送入，芯片可以應用多電平直接模擬量存儲技術，每個采樣點的數據直接儲存于片內FLASH 存儲器中，所以其能夠將效果聲、音調、音樂、語音等予以自然、真實的展現，能夠有效的防止常規固體錄音電路在量化、壓縮中產生的噪聲和金屬聲，其采樣的頻率不是固定的，可以劃分為多個頻率進行，頻率越低，錄放的時間也就越長，但是音質相應的會下降，FLASH 存儲卡用于存儲片內信息，其優勢在于在斷電的時候，可長期儲存，對其各個引腳予以簡單說明，主要表現為：（1）片選CS：低電平時選中的芯片；（2）VSSA、VSSD 表示地線；（3）AMCAP 為自動噪音控制端，其連接至主控板的RF 信號輸入端；（4）SCLK 為時鐘輸入端，其主要應用于MISO 與MOSI 數據的輸入；（5）IN+、IN-信號同相與反相的輸入端；（6）OUT 表示音頻的輸入端，可以驅動5 千歐的負載；（7）VCCD、VCCA 供電電源3V。

電機驅動控制電路

將PWM 調速方法應用于電機的調速工作中，其原理主要是開關管在一個周期中的導通時間是t，周期表示為T，那么就將電機兩端的平均電壓值表示為：，其中α 表示的是占空比，Vcc表示的是電源電壓，本次研究中應用的是雙路的PWM 所產生的占空比，主要是由單刀雙擲開關來完成，應用55定時器產生可調的占空比。

基于環境檢測的自動控制窗戶系統的軟件設計

系統在開機之后首先進行初始化，對各個端口進行監聽，傳感器開展環境數據的采集，并將其傳送至單片機中，對其是否達到開窗條件予以判斷，然后依據判斷結果事實相應的操作，系統正常運轉的過程中，應用單片機將所采集到的環境數據進行比較與判斷，并對執行機構的相關操作予以控制，以便于對窗戶的開關狀態實施有效的控制。

結束語

本次研究中設計的基于環境檢測的自動控制窗戶系統，能夠實現室內外各種環境參數的采集，并通過單片機系統及機械控制系統，實現室內環境因素的調節，具有較高的應用價值。