基于單片機(jī)的多功能窗的智能控制系統(tǒng)

肖瑞，葉文泉，劉敏

（惠州學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東惠州，516007）

基于單片機(jī)的多功能窗的智能控制系統(tǒng)

肖瑞，葉文泉，劉敏

（惠州學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，廣東惠州，516007）

本文將單片機(jī)、多種傳感器和步進(jìn)電機(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種多功能窗的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用不同的傳感檢測(cè)電路，不斷循環(huán)檢測(cè)室內(nèi)溫度、室外溫濕度、人體紅外以及可燃?xì)怏w或煙霧等信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)接收的不同信號(hào)發(fā)出相應(yīng)的控制指令來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的自動(dòng)開(kāi)、關(guān)以及聲、光報(bào)警等多種功能。另外，此系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)到的信息，還能進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗的切換，非常人性化。

智能控制；單片機(jī)；傳感器；聲光報(bào)警

0 引言

門(mén)窗對(duì)房屋的重要性是生活在現(xiàn)代都市的人們?cè)缫岩庾R(shí)到的問(wèn)題。隨著人們生活節(jié)奏的加快，忘記關(guān)窗的事情時(shí)有發(fā)生，一旦遇到下雨天，雨水飄進(jìn)房?jī)?nèi)，會(huì)給人們帶來(lái)不必要的損失，甚至還會(huì)給盜賊創(chuàng)造機(jī)會(huì)或者使孩童丟失了生命；有時(shí)由于業(yè)主的疏忽，忘記打開(kāi)窗戶，一旦房?jī)?nèi)燃?xì)庑孤┏^(guò)一定程度會(huì)引發(fā)爆炸，這些都或多或少影響人們的生活質(zhì)量，因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一款多功能窗的智能控制系統(tǒng)，不僅具有手動(dòng)和自動(dòng)切換開(kāi)、關(guān)窗的功能，還能實(shí)現(xiàn)天黑或者雨天自動(dòng)關(guān)窗，天熱或者室內(nèi)空氣不好時(shí)自動(dòng)開(kāi)窗，室內(nèi)可燃?xì)怏w超標(biāo)、有盜賊闖入或者孩童在窗邊玩耍時(shí)自動(dòng)關(guān)窗并報(bào)警。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)主要由STC89C52 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路、窗驅(qū)動(dòng)電路、蜂鳴器報(bào)警電路、LCD顯示電路等組成，如圖1所示，利用各個(gè)數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路采集光度、溫度、濕度、煙霧和有無(wú)盜情等信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，根據(jù)這些信號(hào)單片機(jī)判斷是否需要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)、關(guān)窗和產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)等。另外，此智能控制系統(tǒng)還能將溫度和濕度實(shí)時(shí)顯示在LCD顯示屏上。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)

STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)包括震蕩電路、復(fù)位電路、單片機(jī)和電源，如圖2所示。震蕩電路使用12MHz的晶振和兩個(gè)30PF的諧振電容構(gòu)成，為單片機(jī)提供系統(tǒng)時(shí)鐘；復(fù)位電路不僅可上電復(fù)位，也可手動(dòng)復(fù)位；剛打開(kāi)電源時(shí)，電容C5相當(dāng)于短路，單片機(jī)RST腳短時(shí)間內(nèi)處于高電平，此時(shí)單片機(jī)復(fù)位；當(dāng)SW鍵按下時(shí)，RST腳為高電平，也可使單片機(jī)正常復(fù)位。

圖1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

2.2 數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路

人體紅外感應(yīng)電路采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)器，如圖3所示。當(dāng)陌生人企圖開(kāi)窗進(jìn)入室內(nèi)盜竊或者孩童在沒(méi)人看管的情況下打開(kāi)窗時(shí)，一旦接近傳感器的感應(yīng)區(qū)域，則傳感器的開(kāi)關(guān)就會(huì)迅速發(fā)出指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)人體的位置和行程，并發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，驅(qū)動(dòng)聲光報(bào)警電路報(bào)警，從而避免造成財(cái)產(chǎn)損失和保護(hù)孩童的安全。溫度傳感電路采用DS1820數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍在-55○C～75○C，如圖4所示。濕度傳感電路采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，電路不用考慮A/ D轉(zhuǎn)換，只需設(shè)計(jì)指定P2.3與數(shù)字溫濕度傳感器相連，如圖5所示。可燃性氣體和煙霧檢測(cè)采用旁熱式煙霧傳感器MQ-2，在無(wú)煙霧時(shí)，傳感器的阻值較高(10K左右)，一旦有煙霧進(jìn)入傳感器，其阻值急劇下降，則A、B兩端電壓下降，經(jīng)單片機(jī)處理后發(fā)出控制信號(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，窗戶打開(kāi)，排出有毒氣體，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，其電路如圖6所示。光敏傳感電路由光敏電阻與驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成，如圖7所示，當(dāng)外界光照較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻R18阻值較小，則A點(diǎn)電平較低；當(dāng)外界光照較弱時(shí)，光敏電阻R18阻值較大，則A點(diǎn)電平較高，將此電平送到單片機(jī)，由程序控制是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)關(guān)窗。

圖2 單片機(jī)最小控制系統(tǒng)

圖3 人體紅外感應(yīng)電路

圖4 溫度傳感電路

圖5 濕度傳感電路

圖6 聲光報(bào)警電路

2.3 蜂鳴器報(bào)警電路

蜂鳴器報(bào)警電路如圖8所示，蜂鳴器的工作電流通常比較大，電路上的TTL電平驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，所以電路中用一個(gè)三極管來(lái)增加通過(guò)蜂鳴器的電流。蜂鳴器的正極接5V電源，另一端接三極管的集電極，三極管的基級(jí)由單片機(jī)的P1.0管腳控制，當(dāng)此管腳為低時(shí)，用軟件設(shè)置輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音；反之，當(dāng)此管腳為高時(shí)，輸出低電平，三極管截止，蜂鳴器不發(fā)出聲音。另外，蜂鳴器的聲音大小及音調(diào)高低可通過(guò)調(diào)整P1.0管腳的置高時(shí)間及輸出的波形進(jìn)行控制。

圖7 可燃性氣體和煙霧檢測(cè)電路

圖8 光敏傳感電路

2.4 LCD顯示電路

液晶顯示電路采用LCD1602，可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，采用單+5V電源供電，此電路主要用來(lái)顯示當(dāng)前溫度和濕度，如圖9所示。

圖9 LCD顯示電路圖

2.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用PM35L-048-YTB四相步進(jìn)電機(jī)，由于單片機(jī)接口信號(hào)不夠大，需要通過(guò)ULN2003放大再連接到相應(yīng)的電機(jī)接口，如圖10所示。

圖10 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分包括主程序、人控模式程序和自控模式程序，分別如圖11，12和13所示。主程序僅完成系統(tǒng)的初始化和開(kāi)始的顯示部分，然后就進(jìn)入待機(jī)模式。整個(gè)程序使用模塊化的設(shè)計(jì)方法，便于分塊調(diào)試和管理，縮短了調(diào)試周期，增加了程序的可移植和可剪裁性。

圖11 系統(tǒng)主程序流程圖

圖12 人控模式程序流程圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多功能窗的智能控制系統(tǒng)是以單片機(jī)STC89C52為核心，結(jié)合HC-SR501人體熱釋紅外傳感器、DS1820數(shù)字溫度傳感器、DHT11溫濕度檢測(cè)器、MQ-2可燃性氣體和煙霧傳感器、光敏傳感器、蜂鳴器、LCD1602液晶顯示器和PM35L-048-YTB四相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)而成，在一定程度上集聲、光、機(jī)、電等技術(shù)于一體，自動(dòng)化程度高，具有自動(dòng)防雨、防盜或小孩爬窗、防可燃?xì)怏w等功能。另外，還能實(shí)時(shí)顯示溫度和濕度值，能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)控制開(kāi)、關(guān)窗的功能，在一定程度上給予人們更加舒適干凈的生活環(huán)境。

圖13 自控模式程序流程圖

[1]吳雪松，潘崇煜，牛鐵峰.基于STC89C51單片機(jī)的智能窗戶啟閉器[J].科技與創(chuàng)新，2015，1:21-22.

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Intelligent Control System of Multi-Function Window Based on MCU

Xiao Rui,Ye Wenquan,Liu Min
(Huizhou University Electronic Information and Electrical Engineering College, Huizhou Guangdong,516007)

The intelligent control system of a multi-function window is designed with the combination of microcomputer, various sensors and stepping motor in this paper. Several different sensing detection circuits sending information to the microcomputer are used to cyclically test some information of indoor temperature, outdoor temperature and humidity, human body infrared and combustible gas or smoke and so on. The microcomputer controls the running of step motor according to difference control instructions of receiving signals ,and then, realize the functions of automatic opening and closing the window and sound and light alarm. In addition, the intelligent control system not only can real-time display detected information, but also can realize the function of manual and automatic switching window switch ,which is very human.

Intelligent control; Microcomputer; Sensor; Sound-Light Alarm