基于單片機的智能窗戶

林臻 邢婷婷

摘 要：隨著智能家居迅速發展，各種智能設備呈百花齊放之態，人們對住宅要求也不斷提高，因此對住宅的安全性、智能性提出了更高的要求。傳統窗戶已經不能很好地滿足人們對居住安全性的要求，為此本文提出一個基于單片機的智能窗戶。

關鍵詞：智能窗戶；單片機；溫度檢測；濕度檢測

0 引言

伴隨著生活質量的不斷提高，人們開始進一步追求智能化的產物，在這個大環境下促成了智能家居技術的誕生和發展，而智能窗戶也就由此誕生了。所謂的智能窗戶就是不同于傳統的窗戶，通過系統的控制它能夠實時地保護人們生命財產安全[1]。智能窗戶的控制系統集現代機、電、通訊于一體，以及對傳感器技術（Sensor technology）、現代通訊技術（Modern communication technology）、計算機技術（Computer technology）和自動控制技術（Automatic control technology）的綜合運用。智能窗戶可以對眾多信息進行采集，分析，傳輸以及控制，可實現根據實時天氣環境的變化進行相應動作，是智能居家的理想選擇。

1 需求分析

智能家居的迅速發展使得我們的生活日新月異，越來越多的智能產品進入我們的生活，通過對附近一些地區的調查得知，在發生威脅到人民群眾生命財產安全的時候，傳統的窗戶已經不能夠完全滿足人們的相關需求[2]。智能窗戶能及時動作并通知相關人員，減少或避免險情的發生。

2 功能設計與實現

本項目的設計是一個智能窗戶，將單片機作為控制核心，并與各種傳感器相結合。該功能實現了當外面下雨或吹大風時，窗口可以自動關閉，當檢測到可燃氣體時，窗口自動打開并發出警報聲[3]。當傳感器檢測到窗外有物體靠近時，窗口自動關閉并發出警報以防止被盜。

2.1 系統設計

該項目采用基于STC89C52單片機的多功能智能窗口設計。系統的主要模塊包括：電機驅動模塊、快速溫濕度檢測模式、液晶顯示模塊、時鐘設計模塊、紅外檢測模塊、煙氣檢測模塊、GSM通信模塊和按鈕電路模塊[4]。智能窗戶系統將煙霧、氣體檢測模塊的優先級確定為最高級。當檢測到煙氣濃度超過所設最高值時，窗口自動打開，排氣扇將被激活，以確保人們的生命財產安全。另外還增加了溫濕度傳感器，室內實時檢測溫度，當室內的溫度過高時，單片機芯片控制窗戶和排氣扇打開，進而達到降溫的目的。室外實時檢測濕度，當室外下雨導致濕度過高時，單片機芯片控制窗戶以及排氣扇關閉。由于室內和室外條件不同，濕度的檢測模塊的優先級高于溫度的檢測模塊。

2.1.1 技術路線

2.2 硬件設計

2.2.1 電機驅動模塊

電源輸入端的電壓是否穩定與相關元件的可靠性直接相關。本項目電源部分采用三端固定穩壓器，實現±5V和±12V的三路直流穩壓電源。其中STC89C52和LCD12864等電子元件所需電壓為+5V； 而集成運放LM358所需電壓為±12V。直流電動機使用電動機電壓作為控制變量，使用位置或速度作為指令變量，采用連續移動的控制方式。直流電動機需要間接安裝的反饋控制系統來控制電動機的位置，適用于位置要求不高的場合。

2.2.2 溫濕度檢測模塊

該模塊使用DHT11數字溫度和濕度傳感器，這是一個溫度和濕度復合傳感器，帶有校準的數字信號輸出。DHT11作為數字溫濕度傳感器，具有響應速度快，抗干擾能力強，性價比高等諸多亮點。確保高可靠性和出色的長期穩定性。

2.2.3 液晶顯示模塊

液晶顯示模塊選擇LCD1602。LCD顯示模塊的顯示內容為16*2，這意味著LCD模塊可以顯示2行，每行16個字符或數字。同時，當前市場上大多數產品使用1602字符液晶模塊，因此它是一款廣泛且簡單，適用度高的的LCD顯示模塊。

2.2.4 時鐘設計模塊

該模塊通過單片機STC89C52控制串行實時時鐘芯片DS1302，實現定時功能。DS1302自身帶有備用電池 ，確保在電路斷電后保存時間和數據信息，這一點是計時功能所不能缺少的。

2.2.5 紅外檢測模塊

紅外探測模塊使用熱電紅外（PIR）傳感器，其通過人體發射的紅外線探測并輸出相應的電信號。傳感器可以通過不接觸物體檢測紅外能量的變化，然后轉換成相應的電信號輸出。

2.2.6 煙霧、氣體檢測模塊

煙霧和氣體檢測模塊使用QM-N5半導體傳感

器[5]。QM-N5半導體傳感器具有靈敏度高、導電率變化大、響應速度快的優點。其恢復時間短，抗干擾能力強，輸出信號大，使用壽命長，運行穩定。通過檢測到的氣體改變電阻值來實時檢測氣體。該傳感器適用于天然氣、燃氣、氫氣、烷烴氣、汽油、煤油、乙炔、氨等，非常適合用于家中監測各類可燃或有害氣體。

2.2.7 GSM通訊模塊

GSM模塊將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功率放大器等器件集成在一塊電路板上。模塊具有獨立的操作系統，GSM無線電處理、基帶處理并提供標準接口。該模塊可以以串口通信的方式與單片機進行連接，當檢測出險情時單片機通過該模塊以達到將用戶家中險情及時通知用戶的目的。

2.2.8 按鍵電路模塊

該模塊主要用于根據溫度和濕度條件以及設定時間設置開關窗口的時間以及是否打開窗口。

2.3 軟件設計

軟件設計包括主程序和子程序。主程序擁有眾多狀態選擇語句，其中在一次探測系統復位之后的環境數據是最主要的，檢測的內容有煙霧、氣體的濃度，溫度、濕度等因素。傳感器將煙霧、氣體濃度，溫度、濕度等數據回傳時，單片機通過對應數據產生響應并控制電機的轉動。子程序控制電機的正向和反向旋轉，實現智能窗口的切換。

2.3.1 主程序設計

系統打開后，系統初始化，主循環程序開始執行。在主循環程序中，系統連續檢測或判斷某些終端121或標志位，然后根據設定的規則進行控制。在執行主循環程序期間，當發生中斷時，程序轉移到中斷子程序，并且在執行中斷處理之后，程序返回到主循環程序；當被檢測數值達到系統設定的上下限值時，程序會轉入其對應的子程序并開始執行，執行完畢后跳轉到原主程序位置繼續執行。

2.3.2 子程序設計

煙霧、氣體檢測子程序，在檢測到煙霧、氣體的濃度超過了預警值時，報警器啟動，輸出通道的相應的警示燈亮起，并且系統控制排氣扇打開。為了防止錯誤操作，子程序在檢測期間取煙氣濃度的平均數據，并適當延遲報警。

溫濕度檢測模塊將溫度、濕度、校驗位設為全局變量。主機拉低18ms，總線由上拉電阻拉高主機延時20 us，主機設為輸入，判斷從機響應信號。接著判斷從機是否有低電平響應信號，如不響應則跳出，響應則向下運行。

顯示子程序設置LCD為16*2顯示，8位數據接口，數據指針設置為第一行第一位。第一行為一個16字符固定顯示，用于顯示實時溫濕度，第二行為16字符滾動顯示，用于顯示險情相關信息。顯示模塊采用的是1602指針右移的基礎命令而不是整屏右移命令。

3 結論

由于電路的集成以及計算機技術的高速發展，一些傳統的東西正在慢慢地被智能化的東西所取代。單片機作為智能家居的核心部件，由于其高性價比而得到了廣泛的應用和發展，從而加速了智能家居的發展。本設計主要介紹了基于單片機的智能窗戶設計，設計從硬件部分和軟件部分實現了對煙霧、氣體濃度、溫度和濕度等環境參數的檢測，并通過對采集數據的分析使系統做出相應的處理動作。但是由于客觀條件和時間的限制，本課題的研究還存在很多不足，很多方面需要進一步提高。

參考文獻：

[1]倪青青，周源源.基于AT89S52單片機的智能窗戶的設計[J].科技世界，2015，（18）.

[2]張昌露，杜君花，燕偉.室內氣體環境監控系統設計[J].高師理科學刊，2018：（05）.

[3]辛海亮.基于物聯網的智能窗戶系統設計[D].山東：山東科技大學，2014.

[4]王娟.基于單片機智能窗戶控制系統[J].信息系統工程，2016，（01）.

[5]曾思通.基于STC89C52的智能家居系統設計[J].電子質量，2015，（12）.