智能窗戶控制系統(tǒng)的設計研究

李小蘭

（廈門興才職業(yè)技術學院，福建 廈門 361021）

智能窗戶控制系統(tǒng)的設計研究

李小蘭

（廈門興才職業(yè)技術學院，福建 廈門 361021）

文章闡述了基于STC單片機控制的自動窗戶控制系統(tǒng)的研究，通過將各種傳感器采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到STC12C5A60S2單片機為核心的控制板，在單片機中對各種數(shù)據(jù)分別進行分析判斷，并將相關環(huán)境信息顯示于面板上，進而根據(jù)用戶設定模式或輸入的指令，來控制無刷電機來實現(xiàn)窗戶的開合。

智能窗戶；單片機；傳感器

1 常用控制方式

目前市面上有以下3種控制方式能夠滿足自動門窗的控制系統(tǒng)要求：繼電器控制系統(tǒng)、單片機控制、可編程序控制器控制。

1.1 繼電器控制系統(tǒng)

繼電器接觸式控制系統(tǒng)主要由繼電器，接觸器、按鈕等硬件組成，控制方式是斷續(xù)的，這種系統(tǒng)結構簡單，維護容易。但由于采用固定接線方式，如果系統(tǒng)龐大，則安裝接線比較麻煩，工作量大且控制柜的體積所占的空間也很大。這應用在現(xiàn)代的智能空間不太現(xiàn)實，也不美觀。而且控制過程中觸動容易損壞，維護費用高。

1.2 可編程序控制器控制系統(tǒng)

可編程控制器（PLC）是在繼電器控制技術和計算機控制技術的基礎上開發(fā)出來的，專為現(xiàn)代工業(yè)環(huán)境而設計。具有強大的邏輯和過程控制功能，控制系統(tǒng)設計、安裝、調(diào)試方便，程序語言易于理解和掌握，可靠性高、抗干擾能力強。基于上述特點，使得PLC的應用范圍極為廣泛。但PLC價格較昂貴，核心控制器體積也比單片機大，作為家居產(chǎn)品在價格上不夠經(jīng)濟，在裝飾上不夠美觀。

1.3 單片機控制系統(tǒng)

單片機由于體積小、成本低、可靠性強、應用靈活方便而廣泛用于各種智能儀表，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和自動檢測監(jiān)視系統(tǒng)中。

本次設計選用價格相對較低廉，體積較小的嵌入式且內(nèi)部資源豐富的STC12C5A60S2單片機為主控制器。

2 STC12C5A60S2單片機介紹

STC12C5A60S2是STC公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。

STC12C5A60AD/S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達到250 KHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測、電池電壓檢測、按鍵掃描、頻譜檢測等。上電復位后P1口為弱上拉型IO口，用戶可以通過軟件設置將8路中的任何一路設置為A/D轉(zhuǎn)換，不須作為A/D使用的口可繼續(xù)作為IO口使用。該單片機的ADC是逐次比較型ADC。主次比較型ADC由一個比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB）開始，順序地對每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對應值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點。

3 系統(tǒng)硬件設計

以STC12C5A60S2作為主控制器是不僅能實現(xiàn)對開關量信號的邏輯控制，采集環(huán)境傳感器的模擬信號，并能通過串口與其他智能設備之間進行通信。因此，將選用該芯片應用于窗戶自動控制系統(tǒng)，完全能滿足控制要求，且具有運行可靠、成本低、運算速度快等優(yōu)點。

3.1 控制系統(tǒng)組成

該單片機控制器主要作用于窗戶的自動控制，由以下幾部分組成：電源、主控制器、顯示屏、風雨光傳感器、對射式紅外感應頭、溫濕度傳感器、無刷電機等。該控制可由用戶通過操控面板及遙控控制窗戶的拉開和關閉；也可根據(jù)用戶預先設定的環(huán)境參數(shù)及工作模式自動實現(xiàn)窗戶開合控制。具體電器控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 門窗控制器系統(tǒng)框圖

3.2 具體電路設計

為了能夠更好地測出和采集溫度參數(shù)，本系統(tǒng)選用了集成溫度傳感器AD590，這款傳感器的測量范圍為-55℃～+150℃，其溫度檢測范圍完全滿足家居需求。

本系統(tǒng)選用了2個溫濕度傳感器、2個光照強度傳感器、2個限位開關、1個風雨傳感器、1個紅外傳感器、1個風速傳感器。其中室內(nèi)外各安裝1個溫濕度傳感器、1個光照強度傳感器、風雨傳感器和2個限位開關分別安裝在窗戶機構上，其他傳感器則安裝在室內(nèi)相關的地方。溫濕度傳感器：本系統(tǒng)采用的是數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，濕度測量范圍為20%～90%，溫度測量范圍為0℃～50℃。光照強度傳感器：采用NH207照度傳感器，輸出為0～2V電壓信號或4～20 mA電流信號，量程可在0～2klx，0～20klx與0～200 klx之間自動切換。風雨傳感器：技術參數(shù)為，電源電壓DC24 V，風感3 s響應，雨感25 s響應。防風傳感器和防雨傳感器只在刮風的風速或下雨的雨量達到面板所設定的風速或雨量時才會發(fā)出感應信號給單片機的CPU，單片機接收到信號后就會發(fā)出控制信號。限位開關：選用非接觸式限位開關，本系統(tǒng)選用光電傳感器ST178來檢測窗門機構的運動位置。紅外傳感器：在本系統(tǒng)中紅外傳感器主要起著防盜示警的作用，采用對射紅外線探測器。只要有人碰到紅外線，傳感器就會產(chǎn)生突變電信號，而這個信號將使報警器發(fā)出警報。

3.3 窗戶及系統(tǒng)架構造設計

開關是現(xiàn)代化社會家居環(huán)境不可缺少的電氣元件之一。隨著我國開關電源技術不斷地提升，微動開關為開關行業(yè)帶來了本質(zhì)的改變。它具有微小的接點間隔和快動機構，用規(guī)定的行程和規(guī)定的力進行動作。其工作原理是：把外機械力通過傳動元件（按銷、按鈕、杠桿、滾輪等）將力度作用于動作簧片上，當動作簧片位移到臨界點，產(chǎn)生瞬時動作，使得簧片可以觸動到觸點，從而實現(xiàn)斷開和快速接通。微動開關種類品種眾多，按體積分有普通型、小型、超小型，按分斷形式分有雙聯(lián)型、單聯(lián)型、多聯(lián)型等。本系統(tǒng)選用SZM-V型按鈕型微動開關，其額定電壓:125～250 V，額定電流10 A，機械壽命: 10萬次。窗戶框架構造設計包括微動開關連接電路設計和窗架的制作與設計。本設計中的微動開關安裝在窗戶滑桿上，當窗戶移動到預定位置時，觸動微動開關，開關信號轉(zhuǎn)換為電信號傳送到電機，電機驅(qū)動一檢測到信號，電機就停止轉(zhuǎn)動，窗戶也就停到了指定的。窗戶框架構造如圖2所示。

圖2 窗戶框架構造圖

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 系統(tǒng)控制流程

電氣硬件系統(tǒng)組成以后，為了實現(xiàn)最優(yōu)控制，接下來就是如何編寫單片機的控制程序。由于匯編語言晦澀難懂，不利于后期的維護，因此本次程序采用通俗易懂的C語言來編制。在控制程序中，首先需要對室外的光照強度、風力、潮濕度進行檢測，檢測完后通過傳感器將此信號傳送至單片機，用來控制窗戶的打開還是關閉。實現(xiàn)窗及窗簾任意位置啟停控制。同時此程序可通過按鈕完成窗戶的手動控制，也可通過遙控器實現(xiàn)對窗戶的遠程控制。其次程序還要檢測每個行程開關的信號，通過對這些輸入信號的處理，給出相應的運行狀態(tài)顯示和信息處理。程序流程圖如圖3所示。子程序和主程序之間必須協(xié)調(diào)一致、判斷準確，才能實現(xiàn)對自動窗戶的整體控制。

圖3 單片機程序流程圖

4.2 程序

5 結語

本系統(tǒng)在開發(fā)設計過程當中, 結合了傳感器技術、單片機技術、電機控制技術、開關電源技術等，并使用C語言編程，完成該系統(tǒng)的設計。其最主要特點是電路結構簡單、工作穩(wěn)定、成本低廉、體積較小。

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Research on the design of intelligent window control system

Li Xiaolan
（Xiamen Xingcai Polytechnic, Xiamen 361021, China）

This paper expounds the research of automatic window control system based on STC microcontroller control, sent the data collected by the various sensors to control panel taking STC12C5A60S2 single chip microcomputer as the core, analyzes and judges various data in the single-chip microcomputer respectively, and the related environmental information is displayed on the panel, then according to the instruction set or input by user to control the brushless motor to realize the opening and closing of the window.

intelligent windows; single chip microcomputer; sensor

2014年福建省教育廳中青年教師科研基金立項；項目名稱：現(xiàn)代智能樓宇自動門窗控制技術的研究；項目編號：JA14453。

李小蘭（1980— ），女，福建漳州，碩士，講師 ；研究方向：電子信息。