基于步進電動機的智能窗戶控制系統設計

宰文姣，汪華章

(1.四川師范大學，成都610101;2.西南民族大學，成都610041)

0 引 言

智能窗是帶有一定判斷能力的窗戶，目前市場上出現的智能窗大多是智能型的窗簾和向外推出式的智能窗戶。智能窗簾有一不足之處:當住戶外出但忘記關窗，如果遇到下雨，雨水很可能會飄進住戶家中，造成不必要的損失。外推式的智能窗也有一些不足:窗戶只能向外開啟一定的角度，不能完全打開，通風效果欠佳。

本文設計的推拉式智能窗與上述兩種智能窗相比較，既能保證在下雨時雨水不會飄入室內，能保證良好的通風效果。因此推拉式智能窗戶具有不錯的市場前景。

智能窗主要由4 個部分組成:數據監測與采集系統、數據的轉換與分析處理系統、執行機構及電源模塊。

數據檢測與采集部分主要是由傳感器網絡組成;數據的轉換與分析處理系統主要由模數轉換電路與單片機最小系統構成;執行機構則由電機及其驅動電路組成。電源模塊則是由變壓器、整流模塊及穩壓模塊組成。傳感器網絡包括1 個濕度傳感器HS1101、1 個 光 敏 電 阻GL5539、2 個 行程 開 關LJ12A3－4－Z/BX。

整體方案如圖1 所示。

圖1 整體方案圖

1 窗戶位置檢測電路

LJ12A3－4－Z/BX 屬于渦流式接近開關(電感式接近開關)，是一種NPN 常開型、探測距離為4 mm 的接近開關。

由于電感式接近開關是利用導電物體在接近這個能產生電磁場接近開關時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用到接近開關，使開關內部電路參數發生變化，由此識別出有無導電物體移近，進而控制開關的通或斷。因此LJ12A3－4－Z/BX 可以用于判斷窗戶是否已經到達窗框位置。

當窗戶到達窗框位置時，接近開關就會探測到在窗框處其正對位置上的金屬片，此時LJ12A3－4－Z/BX 電感式接近開關就會由其2 腳輸出一個高電平。窗戶位置測量電路如圖2 所示。

圖2 窗戶位置測量電路

2 空氣濕度檢測電路

HS1101 在電路組成中相當于一個電容器件，當檢測到空氣中相對濕度增大時，其電容值也隨之增大［3］。HS1101 與TLC555 芯片構成多諧振蕩電路，諧振方波的頻率隨空氣中相對濕度的增大而減小，本文選用典型數據的相對濕度做實驗，測得相應的電路振蕩頻率，具體數據如表1 所示。

圖3 濕度測量電路

表1 濕度與輸出頻率關系表

電路的充電時間t1、放電時間t2計算公式:

輸出諧振波形的頻率f 和占空比D 的計算公式如下:

通常取R23+R29?R25+R28，從而使D≈50%，輸出接近于方波。例如，取R25+R28=570 kΩ，R23+R29=50 kΩ。

空氣濕度的測量精度與濕度傳感器和外圍電路精密相關。濕度傳感器保證了傳感器探頭的精度。外圍電路中對R1要求比較高，最好選擇精密電阻，精度為1%，并且最大溫漂不超過10－4。例如，要想相對濕度為55%，輸出頻率為6 600 Hz，電路的相關參數如表2 所示。

3 光強檢測電路

GL5539 是一種可見光光敏電阻器，亮電阻為50 ～100 kΩ，暗電阻為5 MΩ，工作環境溫度在－30℃～+70℃之間，電阻值上升響應時間20 ms，電阻值下降響應時間30 ms。溫度特性曲線如圖4 所示。

圖4 溫度特性曲線

在檢測光照條件時，采用半橋接線方式，測量電路如圖5 所示。由于光敏電阻是負電阻特性器件，受到的光強越大，其阻值越小，在串聯電路中所分得的電壓越小;反之，光強越小，光敏電阻上所分得的電壓越大。ADC0809 將光敏電阻上分得的模擬電壓信號轉換為數字信號，傳送給單片機，由單片機判斷此時的光照強度。

圖5 光照情況測量電路

4 數據轉換及分析處理電路

在本文中，因為輸入信號只有1 路，因此將ADC0809 地址控制線ADD C 接地，此時選通了IN0，IN2，IN4，IN6 四路輸入端，本系統中只用了IN0，多出的3 路輸入端即作為預留端口。由于ADC0809 是逐次逼近型的模數轉換器，因此需要有一個時鐘信號，但ADC0809 沒有內部時鐘，且引入的外部時鐘最大不能超過640 kHz，所以就以單片機(單片機所選用的晶振為12 MHz)的ALE 信號經74HC74 雙D 觸發器二分頻后得到的500 kHz 的方波信號作為ADC0809 的時鐘信號。ADC0809 具體接線方法如圖6 所示［5］。

圖6 ADC0809 數據轉換原理圖

5 步進電動機驅動及控制電路

本系統中選用的步進電動機57BYG250－56(2 A，0.9 N·m)，其額定電壓24 V，額定電流2 A，額定步距角1.8°［4］。采用L297，L298 的組合電路作為步進電動機的驅動。用L297 來提供時序信號，節省了單片機IO 端口。L298 的管腳1 和15 與用于檢測電流的電阻連接來控制負載;L298 的OUTl，OUT2 和OUT3，OUT4 之間分別接2 個步進電動機。圖7 中，斬波器電路的參考電壓與通過L297 的管腳13、14 與R14，R15 所反饋的電位相比較，由比較結果確定是否需要進行斬波處理。電路中的光電耦合芯片TLP521－4 將單片機與步進電機隔離，使它們之間只有信號的傳遞，而沒有電流的直接聯系，這樣可以避免電機中出現的大電流影響單片機的工作。單片機與TLP521－4 相連用于控制電機工作的幾個管腳的功能:P1.0 控制L297 的使能端口(管腳10)，P1.1 控制L297 的斬波器控制端口(管腳11)，P1.2 控制步進電機的正反轉端口(管腳17)，P1.3控制步進電機時鐘輸入端口(管腳18)，P1.4 控制步進電機的全角或半角選擇端口(管腳19)，P1.5控制步進電機的復位輸入端口(管腳20)。其原理圖如圖7［1］所示。

圖7 步進電動機驅動原理圖

6 智能窗工作過程分析

本系統硬件部分代替了大多數軟件功能，所以軟件的編寫相對簡單。系統中的控制任務最終靠軟件來實現，軟件的設計將直接影響到整個系統的控制性能。本設計將使用模塊化結構，最后把各模塊整合起來實現控制要求。系統由三個大的模塊組成，分別為步進電機運行方式模塊、功能子程序模塊、中斷服務程序模塊，其中步進電機運行方式模塊包含有電機正轉運行方式和電機反轉運行方式;功能子程序模塊包含A/D 轉換控制子程序，判斷窗戶位置子程序，判斷光照強度子程序，判斷相對濕度子程序;中斷服務程序包含T0的1 s 定時中斷程序和T1計數中斷程序。軟件模塊結構如圖8 所示。

圖8 軟件模塊結構圖

系統主程序流程如圖9 所示。首先系統初始化，設置各中斷方式并開啟，設置中斷方式、開中斷等，然后設置定時/計數器工作方式，啟動T0、T1，由T0產生1 s 定時中斷，其產生的1 s 定時時間作為T1計數器的閘門時間，T1對圖3 中TLC555 芯片輸出的頻率進行計數，其在1 s 時間內的計數值就是諧振方波的頻率，由此頻率來判斷當前空氣的相對濕度值。之后重復循環，系統每隔1 s 不斷讀取方波的諧振頻率，不斷地判斷天氣條件來控制步進電動機的運行方式。

圖9 主程序流程圖

7 讀取A/D 程序設計

在本系統中，ADC0809 模數轉換器將光敏電阻分得的模擬電壓信號轉換為數字電壓信號，然后傳送給單片機，由單片機對光照強度進行判斷。其流程圖如圖10 所示。

先對A/D 轉換后的數字信號，即光照強度進行判斷，若A/D 轉換后的數字信號不小于某值，文中取為127，則認為此時光照強度較弱，需要電機反轉來關閉窗戶。若A/D 轉換值小于127，則認為此時光照強度較強(光敏傳感器是負數值特性的器件)，在此基礎上再對相對濕度進行判斷，如果此時濕度轉換電路的輸出頻率在某個范圍內，本文取30% ～70%，相對應的輸出頻率為6 468 ～6 976 Hz，則認為此時濕度是合適的，需要電機正轉來打開窗戶;如果此時濕度轉換電路的輸出頻率不在上述頻率范圍內，則認為濕度不合適，需要電機反轉來關閉窗戶。其流程圖如圖10 所示。

圖10 天氣條件判斷流程圖

8 結 語

本智能窗控制系統，結構完整，實用性強，集智能化和人性化為一體，是智能家居的重要組成部分，在今后的家居設計中具有良好的發展前景。

［1］ 宰文姣.步進電機驅動控制系統的設計與實現［J］.煤礦機械，2013，34(4):157－158.

［2］ 范磊磊.L297 +L298 芯片在步進電動機中的應用［J］. 微特電機，2012，40(10):58－61.

［3］ 彭建英.基于單片機的溫濕度控制監控系統的設計［J］. 機械工程與自動化，2013(4):146－147.

［4］ 王小明.電動機的單片機控制［M］.2 版. 北京:北京航空航天大學出版社，2007.

［5］ 辜承林，陳喬夫，熊用前.FPGA 技術在數據采集系統中的應用［J］.自動化信息，2013(1):22－24.