金屬加工車間智能感應式自動控制窗戶的設計

石 蕊，安虎平，劉 輝

（蘭州城市學院，甘肅 蘭州 730070）

1 研究背景及意義

在科技與經濟飛速發展的現代生活中，人們對生活、工作環境有了更高的要求。智能感應式窗戶，可根據室外的環境變化對窗戶開合，也可根據室內空氣指數的變化對窗戶開合；也可實現定時功能，根據車間使用者工作作息時間進行靈活設置；既能解決每日開關窗的不便，又可根據天氣等突發情況適時關窗；可應用于機械加工車間，為制造加工業提供更加安全、舒適環保的加工環境，提升加工者的工作環境，因此該產品具有廣闊市場應用前景[1]。

2 系統設計方案

本控制系統中，安裝有時鐘芯片，可設置一定的檢測時間段，且在窗戶體上安裝有四種類型的傳感器，當每一個傳感器的檢測到周圍環境異常時，都會使窗戶自動打開或者關閉[2]。

異味傳感器對室外空氣環境進行檢測，給一個參考量，當異味傳感器檢測到的值比正常值大時，繼電器吸合，窗戶會自動關閉；雨滴傳感器檢測到室外下雨時，繼電器吸合，窗戶自動關閉；風速儀實時檢測室外風速，當風速高于一定值時，窗戶自動關閉；PM2.5傳感器檢測到室外的PM2.5濃度高于限值時，繼電器吸合，窗戶自動關閉；倘若在下雨天，窗戶處于關閉狀態，煙霧氣敏傳感器檢測到室內有高濃度對人體有害氣體時，窗戶會自動打開通風，時刻保持室內的環境安全舒適。

3 系統硬件設計

本系統主要包括核心設備和外圍設備兩部分，以單片機為主控部分，結合DS1302時鐘芯片，外圍部分由繼電器電路、異味感應模塊、風速檢測模塊、PM2.5監測模塊、雨滴感應模塊、煙霧氣敏感應模塊等組成。系統框圖如圖1所示。

圖1 自控窗戶系統框圖

3.1 時鐘模塊

本系統時鐘電路可以用來設置檢測時間段。可在時鐘控制系統中來設置年、月、日，也可以在電路中加入時、分、秒以及星期的設置本電路中選取DS1302芯片，該芯片采用SP1三線接口與單片機進行同步通信，常用于長時無人置守的測控系統，以記錄測控數據所出現的時間，實現了在一定時間段內進行自動檢測異味、空氣質量、風力值等參數，進而達到自動控制窗戶的目的。

3.2 異味感應模塊

本模塊采用KQM2800TA空氣質量檢測傳感器，此高性能空氣質量傳感器模塊，能自動實現零點矯正與環境矯正。采用UART接口/IIC接口/分級接口，PWM分級，單總線等多種形式，能實現0.0～30.0PPM的污染環境數據輸出，以及4級分級，10級分級污染程度輸出[3]。本系統采用UART輸出，使接收數據較為方便，然后對采集的數據進行傅里葉變換，根據變換后的波動頻譜分量和幅值分量進行多種分離算法，分離出濕度、溫度、氣壓以及傳感器漂移產生的環境誤差與系統誤差，來實現自動校正環境變化與零點漂移矯正的目的。當室外環境值空氣質量較低時，則單片機控制繼電器吸合，關閉窗戶，防止室外有害氣體入內，保證機加工車間內環境舒適，減少不良環境對車間內工人的傷害。

3.3 雨滴感應模塊

室外雨滴感應裝置采用雨滴傳感器，用于檢測是否下雨及雨量大小，廣泛用于汽車自動刮水系統、智能燈光系統和智能天窗系統中。本系統使用雨滴傳感器，將雨滴傳感器檢測出的雨量變成電信號，根據電信號的大小，自動設定步進電機的工作時間間隔，控制步進電機的正轉和反轉，控制窗戶的自動關閉；也可利用單片機將檢測出的信號進行變換，根據變換后的信號自動按雨量設定刮水器間歇時間，以便隨時控制刮水器電動機。

在機加工車間內，可安裝兩種窗戶，廣泛引入自然光的天窗和普通墻壁式窗戶，當檢測到下雨時，會自動關閉普通式窗戶和天窗；天窗上亦可根據雨量大小適時啟動自動刮水功能。此功能可大大增強加工車間的安全性，防止下雨忘關窗所帶來的不必要的損失。

3.4 PM 2.5感應模塊

該傳感器中PM2.5檢測單元使用ZPH01-PM2.5型傳感器，采用離子計數原理，可靈敏檢測直徑1μm以上灰塵顆粒物。用來感應空氣中的塵埃粒子，傳感器有良好的一致性和良好的靈敏度，具有PWM信號輸出，可配置成UART接口[4]。當傳感器測到的空氣中PM2.5的濃度大于正常值時，則窗戶會自動關閉，保證車間內空氣質量。

3.5 風速感應模塊

風速感應模塊利用三葉式風速儀來測量窗外的風速，風速儀安裝于窗戶體上，當窗外的風速超過設定值時，處于打開狀態的窗戶將會自動關閉，保證了車間內部的空氣質量，防止風速過大時對窗體的損壞，時刻保持車間內舒適宜人[5]。

3.6 氣敏感應模塊

本系統采用MQ-2煙霧氣敏傳感器，屬于二氧化錫半導體氣敏材料，屬于表面離子式N型半導體。本模塊安裝于窗戶室內部分，主要應用于車間內的有害氣體泄漏監測，適宜于液化氣、苯、烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測[6]。倘若在下雨天，窗戶處于自動關閉狀態，MQ-2氣敏傳感器檢測到車間內有有害氣體時，窗戶也會自動打開通風，始終保持車間內環境安全舒適。

3.7 繼電器驅動電路

繼電器被廣泛用于自動控制系統中，以其具有的多種延時功能，在自動控制系統中發揮著時間控制和指示的作用。本系統中使用繼電器是通過五個PNP型的三極管分別來控制的，當連接單片機的接口是高電平時，控制繼電器的三極管截止，繼電器從而斷開，窗戶無動作；如果連接單片機的接口接收到的是低電平，則三極管導通，從而使繼電器吸合，可實施窗戶的關閉或打開動作。

4 系統的軟件設計

系統主程序啟動后，先開啟定時功能，可設置一定的時間段，對窗戶進行該時間段的中斷控制程序，也可直接進入各檢測模塊部分，通過各檢測處理部分子程序，來判斷當前窗戶的開合關閉需求，做出相應的開關動作。圖2為主程序控制的流程圖。

圖2 主程序流程圖

5 設計結論

本系統實現功能如下：①室外傳感器檢測部分：通過雨滴傳感器、風速傳感器、異味傳感器和PM2.5傳感器協調工作，同時檢測室外的情況，通過檢測到的值與設定值進行對比，來控制窗戶的開合；②室內傳感器檢測部分：通過MQ-2煙霧氣敏傳感器來檢測室內的情況，此傳感器的優先級設置為最高，當室內有有害氣體泄漏時，當檢測室外有下雨、刮風或者空氣質量差等情況時，窗戶接收到的指令仍為開窗；③時鐘電路部分：通過DS1302對時、分、秒，年、月、日以及星期設置，可實現定時檢測及定時開關窗的設置，可在天氣晴朗、室內外環境適宜情況下，設置為下午七點后會自動關窗，早晨九點時自動開窗。

本系統功能多樣，可靠性強，安全便利，可廣泛應用于多種環境的窗戶使用中，具有很好的應用前景。

[1]孟文卿,王志坤．對智能檢測雨水自動關窗裝置的研究[J]，電子技術與軟件工程，2015(5)：181-181．

[2]楊爽．iWindow自感應低碳智能窗[J]，物聯網技術，2015，5(12)：4-5．

[3]朱穎．基于單片機的室內粉塵與異味檢測系統設計[J]，自動化與信息工程，2015,36（1)：37-40．

[4]傅裕．基于物聯網的PM2．5傳感系統的設計與實現[D]，北京郵電大學，2014．

[5]范寒柏．超聲風速儀的電路研究與開發[J]，儀表技術與傳感器，2012(12)：23-25．

[6]張群強．基于MQ-2型傳感器火災報警系統的設計[J]，價值工程，2015(13)：96-98．