智能窗戶

王春燕++方蘭蘭++程華偉

摘 要根據人們的需求，設計了一款具可為住戶提供安全、方便、舒適的環境的智能窗戶，該裝置可不間斷檢測室外的天氣情況，通過識別室外的天氣情況，控制窗戶開合，可以防止雨水對室內物品的損害；當有人入侵時，窗戶可自動發出警報，防止失竊及小孩爬窗；還可以檢測空氣質量，可根據空氣質量是否危害健康自動關窗；讓用戶得到盡可能的舒適的體驗。該裝置功能的實現是以89C52芯片為主控，加之各類傳感器采集數據，經過單片機處理來實現的。

【關鍵詞】實時控制 自動控制 雨滴傳感器 紅外傳感器 空氣質量傳感器 單片機

1 前言

1.1 選題的背景

如今，我國經濟快速發展?使得人們物質生活水平不斷提高，人們對住宅的要求越來越高，表現在不僅希望擁有舒適、溫馨的住所，而且對其安全性、智能性等發面也提出了更高的要求。正是因為如此，國內智能家居如智能手機一般逐漸得到大眾的認可和熱捧?市場需求量呈幾何數級增長。進入2014年?面對智能家居市場的巨大需求和發展潛力?各大互聯網公司和家電巨頭為取得一席之地紛紛發力?陸續加入到智能家居“蛋糕”的爭奪戰中來?一時間國內智能家居市場硝煙四起?火爆異常?熱度絲毫不減“高光時刻”的房地產。然而這種快速的發展、激增的需求帶來許多產業發展的問題。

由于這種種因素，人們迫切需要一種智能的家庭自動關窗系統：

（1）能可靠的進行日常的開關工作，在下雨或空氣中粉塵多時實現自動關窗，以便出門在外的人能安心工作，不用忘關窗而擔心室內物品等受損。

（2）實用性好，性價比高，而不是看著智能窗如同看著天上的月亮，可望而不可即，靠近大眾消費水平。

1.2 選題的意義

在我國經濟的快速發展中，人民生活水平也隨之日益提高，人們對健康、舒適、方便的家居生活的追求也越來越高漲，因為在這個快節奏的現代化生活中，人們常常忙于工作而忘記開關窗，不利于室內通風換氣，也常常因為不清楚窗戶是否關閉，如遇下雨便擔心不已。現在的智能窗戶，雖然品種各色各樣，但主要應用于高檔建筑和公共建筑中，而且價格不菲，普通大眾還無法體驗到智能窗戶帶來的舒適與便利。

基于以上原因，本課題提出一種智能的實用的價格適中的窗戶開關裝置，讓跟多的人體驗到智能窗戶帶來的舒適與便利。

2 智能窗戶的總體設計

2.1 系統框圖

本系統主要由四大部分組成，分別是單片機核心控制模塊，外部環境監測模塊，矩陣鍵盤控制模塊，電機傳動裝置模塊。其中，由外部環境監測模塊中的各個傳感器檢測采集如雨水，霧霾，粉塵，是否有人入侵等所需信號，傳送到單片機進行判斷處理，對電機傳動裝置做出相應開窗關窗操作。當然，用戶可以通過按鍵自動控制窗戶的開關，任意位置的暫停。

系統架構示意圖如圖1所示。

2.2 各模塊功能

外部環境檢測模塊，實現對室外天氣狀況的檢測，如是否下雨、霧霾、是否有大量粉塵等顆粒物、小孩爬窗等，并將檢測數據送往主控模塊，進行數據的處理和應對動作。

電機傳動模塊，根據主控模塊命令，控制窗戶的開合。

獨立鍵盤控制模塊，實現遠程控制。用戶可以根據外界天氣狀況通過按鍵自動對窗戶進行打開和關閉。

主控模塊，由STC89C52作為主控芯片，對外部環境監測模塊監測到得數據進行處理，將數據處理結果送至各個端口，并作出相應動作，如發送關窗命令至電動傳動模塊。

3 智能窗戶的性能及原理

3.1 具體性能指標

性能指標：下雨即可關窗；空氣PM2.5值大于100ug/m3時自動關窗；按下關窗鍵時，可關窗；開窗鍵時，開窗；暫停按鍵時，停止。

確定依據：下雨可能會使室內受潮，因此下雨即可關窗；PM2.5小于50ug/m3時空氣良好，50-150ug/m3時為輕中度污染，大于150ug/m3為中重度污染，以保證室內空氣質量較好，可關窗。

3.2 各模塊原理及電路圖

3.2.1 系統供電部分

系統采用5V的開關電源進行全局供電。

3.2.2 系統主控模塊

系統主控模塊采用STC89C52芯片為主控芯片。STC89C52是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節系統可編程FLASH存儲器。無論是資源還是速度，都能滿足系統的要求。

3.2.3 外部環境監測模塊

（1）空氣質量傳感器。空氣質量傳感器采用的是MQ135氣體傳感器，氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫。當傳感器所處環境中存在污染氣體時，傳感器的電導率隨空氣中污染氣體的濃度的增加而增加。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

（2）雨滴傳感器。雨滴傳感器是由FR-04雙面材料制成的雨水感應板，當感應板上有水滴，AO模擬輸出，通過89C52對IO端口檢測判斷是否為高電平，實現對窗戶開關控制。

（3）紅外傳感器。紅外傳感器即紅外信號檢測模塊，該模塊對環境光線適應能力強，其具有一對紅外線發射與接收管，發射管發射出一定頻率的紅外線，當檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經過比較器電路處理之后，指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數字信號即一個低電平。

3.2.4 電機傳動裝置

電機傳動裝置主要采用的是電機絲桿組成，其中直流電機采用L298N芯片驅動， L298是一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續工作電流為2A。該芯片可以驅動一臺四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。

直流減速電機額定電壓DC6V，空載電流60mA，空載轉速54r/d，適合電壓5-12V。

參考文獻

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作者簡介

王春燕，女，安徽省六安市人。大學本科學歷。安徽三聯學院電子電氣工程學院通信工程系學生。研究方向為嵌入式。

作者單位

安徽三聯學院 安徽省合肥市 230000