智能窗戶控制系統的設計研究

路鵬偉，韓　濤，張　雄, 王繼虎

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

智能窗戶控制系統的設計研究

路鵬偉，韓濤，張雄, 王繼虎

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

文章設計了一款智能窗戶控制系統，該系統以單片機為核心，以空氣水分、環境溫度為控制條件，完成對窗戶的自動控制。雨水傳感器、溫度傳感器分別對空氣水分、環境溫度的數據進行收集，經過單片機進行數據處理分析后，調整電動機轉動的角度及幅度來控制窗戶的關閉。該系統的傳感器位于窗戶外側，方便及時地進行數據的收集。當濕度達到一定程度時，窗戶會在電動機的控制下自動關閉，防止雨水進入室內。

WSN；單片機；傳感器

1　系統設計背景

現在的社會使人們的生活節奏變得比較快，在生活中人們經常發生一些疏忽，忘記關閉窗戶的事情常有發生，有時遇到惡劣天氣，雨水會通過窗戶進入家庭帶來不必要的損失。因而需要這樣的一扇窗戶：可以收集天氣的信息，雨天時自動關閉，晴天時自動打開，進行自我調節的同時還可以完成防盜的功能。本文設計的窗戶系統與普通的窗戶有很大的區別，其智能化更加符合現代人的生活方式，通過傳感器可以完成窗戶的自動化，解放用戶的雙手，為家庭提供便利。

2　系統總體設計

2.1設計任務及內容

（1）自動防雨：在人們外出時無法關閉窗戶，若遇到大風或者大雨等惡劣天氣用戶無法進行及時地關閉，而智能窗戶控制系統便在這種情況下發揮自己的作用，分析出天氣情況，及時關閉窗戶，避免損失。

（2）收集室外天氣：能夠通過傳感器來對外部的環境進行檢測，雨水等天氣會通過雨水傳感器進行收集，傳遞給單片機進行處理分析達到關閉窗戶的作用，天氣晴朗時也可根據室內外的濕度適時開關窗。

2.2設計方案

該系統的主要控制中心位于單片機，由雨水傳感器和溫度傳感器進行數據的收集，并將該數據傳輸給單片機，單片機會對數據進行分析確定是否需要關閉窗戶，通過控制電動機實現控制系統的功能。

圖1　系統框圖

3　機械結構設計

該系統通過將動力裝置電動機嵌入窗戶中，通過有角度地轉動，控制窗戶的打開與關閉，將電動機置于窗戶的內側，在不影響美觀的情況下盡可能地置于窗戶的底部，起到調節作用，外部的傳感器連接單片機進行數據的傳送，單片機會將數據傳輸給液晶顯示器顯示，方便用戶查看。

圖2　窗戶模型

在電動機這塊，我們選擇步進電動機57BYG250-56，其額定電壓24 V，額定電流2 A，額定步距角1.8°。采用L297，L298的組合電路作為步進電動機的驅動。采用L297來提供時序信號，節省了單片機IO接口。L298的管腳1和15與用于檢測電流的電阻連接起來控制負載；L298的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間分別接兩個步進電動機，圖3中，斬波器的電路參考電壓與通過L297的管腳13，14與R14，R15所反饋的電壓相比較，由比較結果確定是否進行斬波處理。電路中的光電耦合芯片將單片機與電動機隔離出來，使他們之間只有信號聯系，沒有電流連接，這樣可以避免電動機中的大電流影響單片機工作，具體的連接方式如圖3所示。

4　傳感器結構設計

本系統需要雨水傳感器和溫度傳感器對窗戶外部的環境進行實時檢測收集，我們采用DHT11數字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有很高的可靠性與穩定性。DHT11傳感器包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件，并與1個高性能8位單片機相連接。單線制串行接口，使系統連接可以更簡潔。功耗極低，信號傳輸距離可達20 m以上。作為一種新型的單總線數字溫濕度傳感器，DHT11具有體積小、功耗低、響應速度快、抗干擾能力強、控制簡單、性價比高等優點。其基本指標如下：溫濕度復合傳感器；全量程標定校準，單線數字輸出；濕度測量范圍為20%～90% RH；溫度測量范圍為0～50 ℃；濕度測量精度為±5.0% RH；溫度測量精度為±1.0 ℃；響應時間＜5 s；低功耗；超長的信號傳輸距離；出色的長期穩定性；超小體積。DHT11采用4針單排引腳封裝，電路連接方便。DATA是用于微處理器與DHT11之間的通信和同步的串行雙向接口，采用單總線數據格式。每次通信都是以高位先出的順序傳輸40位數據，用時約為4 ms。數據格式為：8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據+8位校驗和數據，每個數據分小數部分和整數部分，當前小數部分用于以后擴展，現讀出為零。數據傳送正確時，校驗和數據等于“8位濕度整數數據+8位濕度小數數據+8位溫度整數數據+8位溫度小數數據”所得結果的末8位。

溫度傳感器采用非接觸式，它的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可用來測量運動物體、小目標和熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可用于測量溫度場的溫度分布。我們采用最最常用的非接觸式測溫儀表，它是基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。只有對黑體（吸收全部輻射并不反射光的物體）所測溫度才是真實溫度。如欲測定物體的真實溫度，則必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取決于溫度和波長，而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關，因此很難精確測量。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即介質溫度）進行修正而得到介質的真實溫度。可以有效地檢測窗戶內外的環境溫度，達到比較高的準確率。

圖3　控制電路圖

5　單片機模塊結構設計

該模塊主要是數據的收集分析模塊，一方面需要對傳感器收集的數據進行分析，判斷是否符合關窗的標準，一方面需要控制機械結構，控制其調整合理的角度以及轉速的方向和大小，因此對單片機的要求比較高，我們選用8751，8751片內有4k的EPROM，我們可以將自己編寫的程序寫入單片機的EPROM中進行現場實驗與應用，EPROM的改寫同樣需要用紫外線燈照射一定時間擦除后再燒寫。由于該類型的單片機應用的早，影響很大，已成為事實上的工業標準，使用起來比較方便，兼容性好，另外后來很多芯片廠商以各種方式與Intel公司合作，也推出了同類型的單片機，如同一種單片機的多個版本一樣，雖都在不斷地改變制造工藝，但內核卻一樣，也就是說這類單片機指令系統完全兼容，絕大多數管腳也兼容；在使用上基本可以直接互換。人們統稱這些與8051內核相同的單片機為“51系列單片機”，學了其中一種，便會所有的51系列。在該系統中8751一方面在大學的學習中涉及比較多，我們可以很快地掌握，一方面兼并性比較強適合傳感器和操作系統的控制。

6　讀取A/D程序設計

在本系統中，轉換器將溫度傳感器和濕度傳感器收集到的模擬電壓信號改變成數字電壓信號，然后傳送給單片機，由單片機對溫度和濕度進行判斷，實現程序設計的功能。

7　結語

本智能窗的控制系統，實用性比較強，對數據的收集分析比較快速，是智能家居不可或缺的一部分，在防雨關窗方面有很大的優勢。

[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（4）：157-158.

[2]孫曉云.接口與通信技術原理與應用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]王煜東.傳感器應用電路300例[M].北京：中國電力出版社，2008.

Research on the design of control system of intelligent window

Lu Pengwei, Han Tao, Zhang Xiong, Wang Jihu
（Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China）

In this paper, a smart window control system is designed, which takes the MCU as the core, the air moisture and the environment temperature are taken as the control conditions to complete the automatic control of the window. The rain sensor and temperature sensor respectively collect data of moisture in the air and ambient temperature, and after the data processing analysis by the micro controller, then the motor rotation angle and amplitude are adjusted to close the window. The sensor of this system is located outside the window, which is convenient to collect data timely. When the humidity reaches a certain degree, the window will be closed automatically under the control of the motor to prevent rain from entering the house.

WSN; MCU; sensor

路鵬偉（1995— ），男，安徽阜陽。