防雨窗智能控制裝置的設計與研究

摘要：伴隨著科技不斷的發展，人們的生活水平不斷提高，基礎的生活設備不能滿足人們追求更好生活的需要，人們對更好的品質生活的追求，促使智能化家居的誕生。近些年來，隨著智能化的概念慢慢普及，智能家居頻頻的在我們生活中出現，且深受人們喜愛。窗戶是我們為了擋風遮雨，采光通風的產物，但是普通的窗戶并不能滿足人們對高品質生活的需要，上班族們大部分時間都在外上班，家里常常空無一人，如果開著窗戶離開的話，萬一遇到強風降雨天氣這都會將家里弄得一團糟，對我們的財產造成不必要的損失，導致居民們不能安心外出工作。因此本設計就是為了滿足此類需求而誕生的，以STC單片機為控制器的智能關窗系統，下雨時，根據檢測出其參數變化，判斷是否下雨，然后實現關窗功能。

關鍵詞：單片機;雨滴傳感器;自動關窗

一、引言

目前人們的生活節奏越來越快，早出晚歸的工作非常普遍。由于白天上班期間不在家中，無法發現突然發生的降雨沿著打開的窗戶進入房間，造成家中裝飾的浸水損失。隨著科學技術的發展，以家居生活管理集成和日常事務管理系統為主要特點的智能家居逐漸步入人們的生活。近年來，許多專家學者對智能家居進行了大量研究，分別研究了智能門禁、Wi Fi 遠程控制、激光溫度傳感器、情境感知服務在智能家居系統中的應用，Hu 等、Sfar 等、Nauta、Swetha 等通過分析室內運動跟蹤傳感器、馬爾科夫邏輯網絡機器學習方法、社交機器人、衛生服務的主動監測與智能家居的結合，探索了智能家居的未來可能發展方向。但智能家居系統中關于自動關窗裝置的研究相對較少。既有關窗裝置主要通過傳感器檢測溫濕度、雨滴等周圍環境，利用控制核心處理器驅動預置關窗程序，實現窗體的自動閉合;自動關窗的觸發時機取決于傳感器和控制核心的設置閾值，當降雨量大于閾值時窗戶關閉，小于閾值時窗戶打開，雨水識別不夠人性化，當遇到陣雨時容易造成窗戶頻繁打開、關閉。同時，既有相關設備關窗過程采用電機直接驅動，關窗過程采用勻速控制，沖擊強、噪音較大，智能化和控制化可靠性上也需要進一步改善。本研究基于AT89C51單片機的特點，設計自動模式下無須用戶人為干預的雨天智能關窗裝置，通過傳感器接收下雨的信號，在降雨的情況下能夠自動關閉窗戶，給我們的日常生活帶來極大的便利。

二、防雨窗智能控制裝置構架思路

雨天關窗裝置采用外接電源供電，以傳感器接收外界天氣信號的變化，當傳感器檢測發現外界降雨發生的時候，芯片收到相關指令信號，通過發送信號帶動電機旋轉，實現窗戶的開關

三、防雨窗智能控制裝置結構原理

雨天智能關窗裝置的控制核心主要有雨天傳感器和控制芯片電路2個重要的組成部分。當雨天傳感器與5 V電源接通，電源燈亮起后，傳感器進入工作狀態，此時，雨天傳感器的感應板上會檢測是否存在存積水滴。若未見水滴，開關指示燈由亮轉滅，DO輸出高電平狀態;當外界的水滴落在感應板上時，開關指示燈由滅轉亮，DO輸出由高電平變為低電平;當外界水滴停止滴落，同時擦拭除去感應板上剩余的水滴（雨過天晴），DO 再次由低電平恢復為初始高電平狀態。裝置的核心控制電路在接收到傳感器的信號后可以驅動電機作用，系統響應非常迅速快捷。利用與單片機AD口相連的 AO 模擬輸出信號，還可以間接反映出落在雨天傳感器感應板上水滴的疏密程度和水滴大小（雨量大小）。

控制芯片電路用于控制電機的速度。如圖1所示，當控制電路發送來“關窗”的信號后，外部控制電路可對串聯諧振式電源進行多功能控制，從而實現絕緣柵雙極型晶體管脈寬調制、正弦波脈寬調制信號生成以及過流保護功能。通過在引腳 15 上串聯電阻R1，可以把引腳11/14的信號合并輸出，最大占空比也由此得到大幅度的提升。限流電阻R2/R3分別連接在 Q1/Q2 的基極和引腳 14/15 之間，能夠有效地避免流經 Q1/Q2 的正向基極電流超越控制器所允許最大電流的上限。加速電容C1/C2能夠加快 Q1、Q2 的導通速度。外接由恒流源充電的軟啟動電容，實現了快速啟動、及時關窗的功能。

雨天智能關窗裝置還包括為其他模塊供電的供電模塊。在驅動機構與供電模塊之間串接設置開關模塊，開關模塊采用繼電器實現并與單片機的輸出端相連接，用于控制驅動機構的供電。在窗戶處于關閉狀態或檢測到天氣轉晴后，關閉驅動機構的供電，減少驅動機構里芯片等電子元器件的能耗。晴天的檢測采用光強度傳感器來實現，其光強度觸發條件可根據用戶需求進行自定義。光強度傳感器與雨水傳感器集成在一起，采集信號并發送至單片機中。

四、防雨窗智能控制裝置模型樣機制作

雨天智能關窗裝置主要由開關窗機構、驅動機構，控制模塊3部分構成，控制模塊選用AT89C51單片機，單片機通過驅動機構控制開關窗模塊實現開關窗。采用雨水傳感器YL-83進行外界天氣降雨情況檢測，雨水傳感器設置在窗戶外側的合適位置，用豎桿等支架安裝后進行固定，其靈敏度高、準確性強，可將檢測到的數據及時發送至單片機中。單片機根據接收到的雨水信號實施快速響應，控制驅動機構完成關窗動作。驅動電機和電機驅動模塊共同構成了驅動機構，其中電機驅動模塊的輸入/輸出端與控制模塊的輸出端/驅動電機分別相連。目前既有的驅動電路控制電機大多采用簡單供電方式。為使電機做到快速轉動控制，該雨天智能關窗裝置采用專業的SG3525 驅動芯片進行電機驅動，通過控制芯片的PWM 脈沖調制信號可以更加穩定勻速地控制電機轉速。控制模塊與喇叭、通信模塊連接，用于在開窗關窗時給出提醒信號和實現手機遠程遙控功能。為了實現通訊功能的多項覆蓋，可根據用戶需要內置 Wi Fi 模塊、5G/4G/3G/2G 通信模塊，用于將開窗關窗的動作信號發送至手機中，方便用戶及時監控。

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作者簡介：馬薪顯，碩士，遼寧建筑職業學院機電工程學院講師。