淺談基于單片機的溫濕度控制窗戶的設計

王鈺之 呂浩然 王濟生 韓超

赤峰學院物理與智能制造工程學院 內蒙古 赤峰 024000

緒論

智能窗戶最先應用在智能家居中，在商用建筑中智能窗戶也有一定的應用，其具備自動開關、根據溫濕度調整窗戶開關等功能。隨著IOT行業的發展，尤其是電子信息技術的發展，如今智能窗戶已經出現在大眾的日常生活中。在商務樓盤、超市、家庭住宅等場所中，經常可見其身影。根據用戶需求不同，智能窗戶在智能開關功能和紅外人體感應功能的基礎上可以添加各種其他功能，比如模式選擇功能、防夾手功能、煙霧報警功能等。

1 系統硬件設計

（1）控制芯片。本設計使用的STC89C52RC芯片是一款CMOS8位微控制器，是STC89C51的增強型芯片，具有低功耗、高性能的特點，而且成本低廉。

（2）溫濕度傳感器。本設計的溫濕度傳感器模塊采用的是DHT11數字溫濕度傳感器，溫濕度傳感器在本設計重點作用是檢測室內溫濕度，并將監測數據傳送到CPU，由CPU發送給顯示器，然后在屏幕上顯示。這款傳感器的數據采集能力十分可靠，通過傳輸40位數字信號發送信息，采集的濕度數據是40位數字信號的前16位，采集的溫度數據是隨后的16位，最后的8位為校驗和。該傳感器的溫度量程為-39～79℃，是度量成為0～100%RH。

（3）紅外人體檢測模塊。本設計選用的紅外人體感應模塊為HC-SR501，該傳感器是基于紅外線技術的自動控制模塊，是目前常用的一種人體檢測模塊。在各種自動感應電器中均有廣泛應用，例如樓梯走廊的自動感應燈。

（4）顯示器模塊。顯示電路主要外設裝置是LCD1602液晶顯示屏，可以將CPU傳輸的數據顯示在顯示器上。顯示屏的主要功能實現是在PCB板上完成，構件相對簡單，實現功能齊全。電路實現功能直觀安全可靠，不需要經常刷新，操作簡單，畫面清晰度高。因其畫面清晰，質量輕，個體小巧等特點而被廣泛使用。只需要簡單的設置就能使用，通過滑動變阻器調節電壓可以控制顯示亮度。

（5）步進電機功能實現。在本系統中，步進電機所要實現的功能主要為步進電機轉動方向的控制。在硬件方面本設計將按鍵作為了輸入，其中控制方向的是單片機P0.0和P0.1兩個口，所以要進行方向控制必須要查詢這兩個口的狀態，當這兩個口被檢測到按下時，會做出相應的動作，P0.0為控制電機順時針轉動，P0.1位控制電機逆時針轉動[1]。

2 系統軟件設計

本設計使用的編程軟件為Keil4，使用的編程語言為C語言。由各傳感器對周圍的環境進行檢測，然后將檢測到的數據信息發送給單片機，由單片機判斷是否達到執行開關窗戶的標準。單片機主函數調用各子程序，其余的傳感器數據采集模塊、驅動模塊、LCD顯示模塊的功能程序均寫入子模塊中，方便調用和閱讀。

主控程序的工作方式為重復循環，可以不斷檢測實時收集的環境數據。在每次收集完數據后進行一次判定，然后重新收集數據，循環工作。

（1）智能窗戶原理。智能窗戶主要由STC89C52RC芯片、DHT11溫濕度檢測模塊、驅動模塊、LCD顯示模塊與按鍵等部分組成，將多個溫濕度檢測模塊布置到室內，覆蓋所有位置。在系統運行前，首先要對智能窗戶的自動開啟和關閉的時間進行一個初始值的設定，然后設定自動開關窗溫度的最大值和最小值，由系統儲存。根據檢測到的溫度值和設定的溫度最大值和最小值進行比較，如果測量溫度超過最大值，窗戶自動開啟，如果測量值低于最小值，窗戶自動關閉。在到達自動開啟和關閉的時間時，如果智能窗戶檢測到的溫濕度在最大值與最小值之間，則運行程序將窗戶開啟或關閉。

（2）系統工作流程。在系統開機初始化完成后，開啟顯示器與鍵盤，進入設置界面，根據用戶需求設置預定開關窗時間、溫濕度，由于需要適應不同季節，還設置了多個預定時間，所有信息都會顯示在屏幕上，用戶可根據自己的觀察及時調整窗戶設定。然后使用按鍵對窗戶進行手動控制，確認按鍵功能完好，按鍵可供用戶在任何情況下進行窗戶的控制。預定值全部設置完成后，按下自動控制按鍵就可以進入自動運行了。

（3）程序控制結構。智能窗戶須要適應不同季節不同地區的溫濕度，而且有的地區溫濕度變化快，所以對系統的可靠性要求非常高。本設計通過比較預設數據與收集數據進行窗戶的自動控制。

（4）數據采集功能。首先，DHT11進行溫濕度檢測，溫度值與設定的最大值和最小值進行比較，如果測得的溫濕度高于最大值或低于最小值， 那么設定的標志位將置位， 這個標志位會隨著每次溫濕度測量被更新。只要此標志位置位，那么將會產生報警信號，讓所有的 DHT11進行溫濕度檢測。此時，允許多個DHT11進行溫度檢測，收集到的數據轉換完之后傳輸到單片機中。

（5）紅外人體感應模塊。紅外人體感應模塊會布置到距離窗戶較近的位置，分為上下兩個，分別采集數據，然后將數據傳輸到單片機，當在一定時間內只觸發了下側的模塊時，系統會判定有小孩在附近，會自動將窗戶關閉。紅外人體感應模塊為選擇性功能，可以用戶選擇是否開啟。

3 結束語

本系統采用 STC89C52RC單片機、DHT11溫濕度傳感器、步進電機和獨立按鍵等。本設計將嵌入式技術與傳感器技術結合起來，具非常好的環境適應性、實用性，且因為結構為模塊化的設計，所以可靠性很強。本設計通過溫濕度傳感器與紅外傳感器實現了對內外部環境的監測與防止小孩靠近的功能。通過將收集到的數據顯示在LCD屏幕上，讓用戶可以直接根據情況自由調整。并由STC89C52RC單片機控制步進電機、溫濕度檢測模塊與人體紅外檢測模塊等，將智能開關窗戶實現了，具有較高的實用價值。