多功能家居智能窗設(shè)計

張建剛

摘要：智能窗開發(fā)設(shè)計以單片機為控制芯片，為滿足不同住戶控制要求，選取使用不同傳感器，實現(xiàn)檢測環(huán)境濕度、室內(nèi)可燃氣濃度、光照強度。當(dāng)室內(nèi)可燃氣體濃度超出正常值時，驅(qū)動電機將會開啟窗戶，同時蜂鳴器發(fā)出警報提醒主人空氣異常;控制系統(tǒng)能夠檢測環(huán)境溫濕度，在檢測結(jié)果滿足設(shè)定值時自動關(guān)閉窗戶;當(dāng)有人靠近房間會觸發(fā)傳感器動作，窗戶會自動關(guān)閉并發(fā)出警報。

Abstract： The smart window development design uses a single-chip microcomputer as the control chip. In order to meet the control requirements of different residents， different sensors are selected to realize the detection of environmental humidity， indoor gas concentration， and light intensity. When the indoor flammable gas concentration exceeds the normal value， the drive motor will open the window， and the buzzer will send an alarm to remind the owner of the abnormal air; the control system can detect the ambient temperature and humidity， and automatically close the window when the detection result meets the set value; Approaching the room will trigger a sensor action， and the window will automatically close with an alarm.

關(guān)鍵詞：單片機;智能家居;傳感器;異常報警

Key words： single-chip microcomputer;smart home;sensor;abnormal alarm

中圖分類號：TP212.9 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0250-03

0 ?引言

現(xiàn)代居家生活中，窗戶不僅有裝飾室內(nèi)作用，同時也具備采光作用，另外還有空氣清新和流通作用。防盜采取安裝不銹鋼防護欄，能夠起到防盜作用，但是存在各種弊端，比如發(fā)生火災(zāi)等意外事件，防護欄將人困在室內(nèi)，讓人失去逃生機會，所以智能窗戶研發(fā)有重要意義。

1 ?智能窗控制系統(tǒng)介紹

本設(shè)計利用單片機技術(shù)在單片機上集成多種傳感器設(shè)計出多功能智能窗戶系統(tǒng)。整個智能窗的設(shè)計是在對目前國內(nèi)外研制出的智能窗系統(tǒng)存在的不足，進行分析的基礎(chǔ)上設(shè)計出更加完善的多功能智能窗系統(tǒng)，通過使用煙霧傳感器，紅外傳感器，光電開關(guān)，濕度傳感器，以及使用遠程紅外遙控接收傳送設(shè)計出的智能化窗戶，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.1 系統(tǒng)傳感器選型

1.1.1 溫濕度傳感器選擇

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器具有自動校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、智能數(shù)字采集功能，與單片機可實現(xiàn)數(shù)據(jù)時時數(shù)據(jù)同步交互，數(shù)據(jù)同步過程中，該傳感器將40位的二進制數(shù)傳輸?shù)絾纹瑱C模塊。這些數(shù)據(jù)通過程序進行處理，轉(zhuǎn)化成溫濕度實際值，由顯示器顯示結(jié)果。其特點是響應(yīng)快，抗干擾能力強，性價比高，體積小、功耗低和品質(zhì)優(yōu)良。

1.1.2 燃氣濃度傳感器選擇

設(shè)計采用氣敏式煙霧傳感器MQ-2，該傳感器常用于氣體泄漏檢測，對于液化氣、酒精、煙霧等能起到探測作用。

1.1.3 人體防盜檢測傳感器選擇

光電開關(guān)E18-D50NK是集發(fā)射器和接收器于一體的漫反射式光電開關(guān)，當(dāng)探頭前有物體經(jīng)過，經(jīng)過的物體將發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到自身接收器，通過反射光線作為光電開關(guān)動作信號。

1.2 系統(tǒng)顯示器選型

LCD1602字符液晶顯示器屬于點陣型顯示模塊，高達160個字符可以隨時應(yīng)用。其特性：有多種指令提供;模塊中存在一鍵初始化功能;系統(tǒng)模塊中具有八個字符發(fā)生器;具有的數(shù)據(jù)存儲器DDRAM有80字節(jié);正常工作時工作電壓穩(wěn)定值在3.3V或5V。

1.3 A/D轉(zhuǎn)化芯

A/D轉(zhuǎn)換是通過電路技術(shù)把模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。當(dāng)A/D芯片的輸出端輸出低電平時，芯片開始工作，單片機向輸出端發(fā)送不同數(shù)量的脈沖信號，DI端有效，此時把DI端作為數(shù)據(jù)功能選擇的通道，時鐘脈沖信號下降前端口都是單片機發(fā)出高電平控制脈沖信號，在下降之前，發(fā)出的第二個時鐘信號下降前輸出端口輸入的數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)通道的選擇。當(dāng)單片機向輸入端輸入的高電平的話，電機不發(fā)生轉(zhuǎn)動ADC處于休眠狀態(tài)。

2 ?系統(tǒng)驅(qū)動電機選型

步進電機工作原理：單片機發(fā)出高低電平到驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片把單片機發(fā)出的高低電平轉(zhuǎn)化成為數(shù)量不同的脈沖信號來使得步進電機運轉(zhuǎn)。脈沖信號傳輸是具有以下順序的在特定順序下發(fā)出的脈沖數(shù)量形成信號，這個特定順序下的脈沖是實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)動的重要依據(jù)，設(shè)計中步進電機的接口對應(yīng)單片機P1.0，P1.1，P1.2，P1.3口，采用ULN2003芯片驅(qū)動模塊。

3 ?硬件部分設(shè)計

為能夠?qū)崿F(xiàn)所需功能要求選用支持單片機的芯片作為整體的核心控制模塊，還需要電源來提供動力保障，晶振電路實現(xiàn)電路的連接，復(fù)位電路實現(xiàn)電路的歸零。

3.1 復(fù)位電路

系統(tǒng)復(fù)位是通過在復(fù)位端連接一個電阻實現(xiàn)的，設(shè)計中復(fù)位電路模塊是由內(nèi)外芯片內(nèi)部和芯片外部兩部分組成的，采用如圖2的復(fù)位電路，單片機接收到復(fù)位信號后，在之后的任務(wù)執(zhí)行中單片機中所有的數(shù)據(jù)都要從0000H單元中開始執(zhí)行操作，復(fù)位信號就是在單片機接受到復(fù)位信號后執(zhí)行初始化的操作方式。

3.2 時鐘電路

連接在單片機XTAL1和XTAL2兩個引腳之間的電容模塊和晶體振蕩器，能夠使得集成在單片機板子上的各個傳感器和元器件之間能夠協(xié)調(diào)統(tǒng)一有效實現(xiàn)的定時控制功能。這里把兩個引腳上連接的電容和晶體振蕩器合稱為自激振蕩器，其能夠更加穩(wěn)定的實現(xiàn)定時功能。為了給單片機提供穩(wěn)定的振蕩信號和相對穩(wěn)定的頻率，在電容和晶體振蕩器連接在單片機XTAL1和XTAL2兩個引腳之間，增加一個高增益反相放大器。設(shè)計中選擇的振蕩電路，是外接兩個電容原件11.0592MHz無源晶振。采用電容為22pF，采用晶振頻率為12MHz，晶振選擇11.0592MHz，復(fù)位電路圖如圖3所示。

3.3 步進電機驅(qū)動芯片接口

為了實現(xiàn)需要使得電機能夠正常運轉(zhuǎn)所需要的電流和電壓。選用控制方向信號和脈沖序列的的I/O口連接在單片機上面，用五線四相步進電機帶動的芯片來實現(xiàn)驅(qū)動。通過單片機的端口安裝起來的步進電機使用的芯片來自于ULN2003大功率達林頓陣列驅(qū)動。能夠直接安裝在單片機上面實現(xiàn)直接運行功能，電機連接如圖4所示。

3.4 A/D轉(zhuǎn)化芯片的接口

如圖5所示，要使得模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，選擇采用ADC0832芯片。

4 ?軟件部分設(shè)計

設(shè)計中將零散的模塊集中在一塊板子上實現(xiàn)整體功能，在板子上集成了溫濕度傳感器、紅外傳感器、煙霧傳感器、步進電機、芯片等模塊。把這些模塊集中在一起芯片中燒錄程序?qū)崿F(xiàn)總體控制，主程序控制個模塊之間的協(xié)調(diào)有序的運行，實現(xiàn)需要的功能。通過keil提供的集成開發(fā)環(huán)境uVision4，進行仿真調(diào)試器。在軟件的編寫過程中，編輯、編譯、匯編、連接、調(diào)試等各個階段都集中在uVision4中。先通過編譯器編寫程序、然后調(diào)用編譯器進行編譯，連接之后即可直接運行。軟件主程序如圖6。

5 ?結(jié)束語

整個設(shè)計了利用溫濕度傳感器、光敏傳感器、燃氣傳感器通過將非電子信號轉(zhuǎn)換成電子信號，運用AD轉(zhuǎn)換器將這些模擬信號轉(zhuǎn)換為電子信號。單片機發(fā)出不同數(shù)量的脈沖信號將這些信號發(fā)送到電機上控制窗戶的自動開關(guān)。讓窗戶實現(xiàn)智能化用戶有更舒適的生活體驗，報警系統(tǒng)能夠在突發(fā)狀況下發(fā)出警報減少住戶不必要的損失，保障住戶的安全。

參考文獻：

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