基于單片機的智能窗戶系統設計與實現

徐子鵬，朱浩聞，龔明珠，馮惠萍，周佳瀅

（東南大學成賢學院，江蘇 南京 210088）

0 引 言

現在社會發展迅速，不論是經濟還是科技都不曾停止過前進，各種新奇的事物層出不窮。與社會同步提高的還有人們的生活水平和生活需求，因此各類方便快捷的智能家具也應運而生。同樣的，現如今的人們面臨著生活節奏逐步變快的壓力，正是亟需方便快捷的智能化的商品來減輕生活中的負擔的時候。我們的設計思路也是由此而來。

以往的普通窗戶一切都需要消費者親自手動進行操作。用戶需要在離開家的時候進行手動關閉窗戶以防不法分子偷偷從窗戶進入；當雨天來臨時，倘若用戶沒有及時關好窗戶，大雨很容易就會淋入房間；如果家里哪里有東西燃起來了而用戶沒注意，窗戶又是關閉著的，此時用戶的生命安全和財產安全都會收到威脅。所以人們亟需一些能夠代替人們判斷這些瑣事的智能家具來減輕生活的壓力和負擔，而智能窗戶就是這樣的一個選擇。擁有著防雨防盜防煙功能的智能窗戶可以極大地方便人們的日常生活。

1 設計方案

我們的設計選用了STC89C52RC 單片機來處理各個傳感器的信息。單片機進行數據信號的處理后將指令發給電機，由電機帶動窗戶進行開關窗戶。這個單片機是一個能量需求較低,同時擁有較高性能的51 內核的CMOS 8 位單片機，而系統由時鐘模塊、紅外遙控模塊、雨滴傳感器、紅外防盜模塊、煙霧報警模塊、舵機構成，設計方案如圖1所示。

圖1 設計方案框圖

基于單片機的智能窗戶系統擁有手動和自動兩種操作模式。當我們切換到手動模式下進行操作時，單片機不會進行自動的操作部分，只能進行手動遙控開關窗戶。切換到自動模式后，系統可以根據更細節的窗戶運行情況和各模塊的情況達成各種模塊的功能，讓單片機處理各個傳感器的信息。在開窗的狀態下，雨天時傳感器上有水時會輸出低電平，單片機接受信號后執行關窗等操作；在關窗的狀態下，室內彌漫的煙霧和可燃氣體會讓傳感器給我們的單片機發送信號，從而使窗戶打開并且開啟風扇和蜂鳴器；紅外報警模塊會在紅外傳感檢測到人后給單片機發出信號，單片機處理信息并使警報響起，若是在開窗的情況下還會進行關窗。

2 硬件的設計方案

2.1 51 微處理器

我們整個智能窗戶系統是基于單片機STC89C52 上，這個單片機是由STC 公司生產的，它的優點是作為一個功耗低，性能又高的八位單片機，價格低廉，而且使用起來非常的簡單，很適合新手學習的時候作為練手使用。并且單片機上編寫的程序可以抹除修改，能夠支持我們不斷的實驗來發現錯誤并不斷完善程序以達到目標功能，原理圖如圖2所示。

圖2 微處理器

2.2 時鐘模塊

時鐘模塊使用了DS1302 時鐘芯片，它是一種由美國DALLAS 公司出品的，一種功耗很低的時鐘芯片，在市場非常普遍、價格低廉、使用也很方便并且功能也十分齊全。我們使用它可以使智能窗戶系統來顯示當前時間，并且可以實現通過定時來自動開啟或關閉窗戶。原理圖如圖3所示。

圖3 時鐘模塊

2.3 紅外遙控模塊

紅外遙控技術的優點有功耗低，信號傳輸穩定，抗干擾能力強等。我們采用的紅外遙控模塊是通過紅外遙控器發出紅外信號然后由紅外接受頭接收，然后通過紅外的二極管和三極管將紅外光轉化為相應的電信號傳輸給放大器，再將放大后的信號傳給51 微處理器收到信號后發出指令使小電機轉動，來實現遠距離通過遙控的方式實現開關窗。原理圖如圖4所示。

圖4 紅外遙控模塊

2.4 雨滴傳感模塊

我們的使用的是名叫YL-83 的一款雨滴傳感器，YL-83雨滴傳感器由電子板和收集水滴的感應板組成，有一個LED燈泡在電子板上，當電源被接通時LED 燈會點亮。當感應板上沒有水時，電阻較大，DO 口會向單片機輸出高電平，同時會讓LED 燈滅掉；水滴滴在感應板上后，水滴導致電阻發生并聯，電阻變小，DO 口會向單片機輸出低電平，LED 燈亮。DO 口可以與微處理器直接相連，由單片機檢測高低電平來判斷外面是否下雨，來使小電機轉動實現智能自動開關窗。原理圖如圖5所示。

圖5 雨滴傳感模塊

2.5 紅外防盜模塊

我們的紅外防盜模塊使用的是HC-SR501 紅外傳感器，它憑借高可靠性，高性能，低功耗，價格便宜而廣受歡迎，應用非常普遍。它是通過接收到人體發出的紅外線而引起的電荷失常來工作的，當有人在紅外傳感器的檢測范圍時，紅外傳感器會將信號傳輸給51 單片機，來控制小電機旋轉關窗并使蜂鳴器報警。原理圖如圖6。

圖6 紅外防盜模塊

2.6 煙霧報警模塊

我們選用了名為MQ-2 的一種煙霧傳感器，這個傳感器可以檢測到對人體有害的氣體，煙霧等，具有比較高的靈敏度，較廣的偵測范圍，功耗低，價格低廉等優點。當煙霧傳感器檢測到有毒有害的煙霧和氣體時，內置的二氧化錫半導體氣敏材料會發生變化，給51 微處理器發送模擬信號，微處理器使小電機轉動開窗，蜂鳴器進行報警并且打開室內的排風扇幫助通風。原理圖如圖7所示。

圖7 煙霧報警模塊

3 軟件部分設計

C 語言是我們選擇的軟件編程工具，當傳感器部分檢測到了對應的信息變化就會發送對應的信號給作為處理器的單片機。經過了單片機中對應程序的運行帶動電機或是風扇和蜂鳴器。

程序設計流程如圖8所示。

圖8 智能窗戶系統工作流程圖

智能窗戶在工作時，程序進入啟動狀態。我們可以通過手動按紅外遙控器上面的窗戶的開關按鍵來遠距離開啟或關閉窗戶，不用人走到窗前手動關窗非常的方便。同時在智能窗戶系統上的各個模塊都會逐漸啟動，首先紅外傳感模塊的外接紅外傳感探頭會先預熱1～2 分鐘，然后紅外感應探頭會對窗前進行掃描，在紅外傳感器沒有檢測到人體后，系統就會正常的開窗。當在窗前一定的距離內紅外檢測到有人靠近時，會將開啟的窗關閉，并且無論是否開著窗戶，都會觸發蜂鳴器報警的程序，提醒主人去查看，確認窗外沒有危險然后手動關閉蜂鳴器的警報。

當處于窗戶開啟狀態時，雨滴檢測模塊才會啟動，如果窗戶是關閉的雨滴模塊會處于待機狀態。窗戶開啟時雨滴傳感器會檢測是否有雨滴。如果雨滴傳感器的外面的感應版上有雨滴，傳感器就會向單片機輸出低電平，單片機會執行關窗的程序，而檢測到雨水消失后會進行重新開窗的程序。單片機通過雨滴傳感器輸出的是高電平或者低電平來判斷執行開窗或者關窗的程序，或者當限位開關變動后會停止這種循環。

當窗戶處于關閉狀態時，煙霧傳感器會進行檢測。當室內有煙霧時，煙霧傳感器上的二氧化錫半導體材料的電阻就會發生變化，從而引起了表面導電率的變化，當煙霧濃度越大時，導電率就越大使輸出的電阻越低，然后輸出越大的模擬信號，模擬信號通過芯片ADC0832 進行數模轉換，然后將數字信號傳輸給51 單片機，單片機就會運行開窗和開啟風扇和開啟蜂鳴器的程序。

整個流程中我們的程序會先執行液晶和時鐘芯片和液晶顯示內容的初始化。然后會判斷時鐘芯片是否在運行，若沒有，則會初始化一個時間，并且獲取當前時鐘芯片的時間，存在數組timebuff中。在時間控制的模式下，如果到了關窗戶的時間，程序會進行判斷if((TimeBuff[4]==CloseHour)&&(TimeBuff[5]==CloseMin)&&( TimeBuff[6]==0)),再根據窗戶當前狀態的參數進行是否關窗的操作，定時開窗也是同樣的方法。

在濕度系統中，用濕度傳感器對降水量進行測量，并將控制器檢測到的信號進行轉換。然后通過從控制器發送來的信號設置的時間間隔，可以便捷地控制窗戶的電機。有兩個小指示燈，分別是通電指示燈和信號燈。通電指示燈在接通電源后常亮，信號燈在沒有檢測到雨滴時會熄滅；信號燈在檢測到雨滴時點亮。檢測水滴的電路板板和控制板是分開的，為的是可以便捷地將線引出到別的位置。編寫雨滴探測程序。感應板上沒有水滴時，DO 輸出為高電平，數字輸出指示燈DO-LED 滅 ，打印 * 無雨*。滴上一滴水，DO 輸出為低電平，數字輸出指示燈DO-LED亮，打印 *濕度xx*。刷掉上面的水滴，又恢復到輸出高電平狀態。圖9是我們的濕度傳感器的實驗結果。

圖9 測試結果

4 結 論

在這個信息化的時代，生活水平的提升以及經濟社會的發展帶來的也有生活節奏的加速。智能化時代，智能化管理，而忙碌的我們可能沒有多余的時間去更多的處理家務，這些智能化設備能夠很好的解決生活中需要操心的事情，減輕壓力，讓我們能夠更加安心的學習和工作。

這款能夠在不同條件下進行智能調整窗戶的開關狀態以及報警的窗戶。可以預見的是，這種類型的窗戶將會逐漸進入人們的生活中。這個運用單片機的智能窗可以大大方便我們日常生活中的各種開關窗的需求，讓智能家居能被更多人了解和接受。