基于单片机控制的智能窗设计

罗 怿

（武汉轻工大学电气与电子工程学院 湖北 武汉 ４３００４０）

摘 要：人们开窗户传统上都是以手动为主，然而现代的生活节奏越来越快。人们要处理的事情也越来越多，常常忘了在适当的时候打开窗户，寻找出一种方便不费神开窗户的方式是一种较好的解决方案。该设计是以ＳＴＣ８９ｃ５２单片机为主导控制核心，然后通过温度传感器，烟雾传感器等由室内的适宜开窗的程度来控制窗户的开闭，同时也实现安全家居的理念。使得无论是上班族还是时常在家却又行动不便的老人或小孩得到安全的保障。

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关键词 ：ＳＴＣ８９Ｃ５２１ＲＣ单片机；温湿度传感器；烟雾传感器；红外传感器；步进电机

中图分类号：TP272 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６６５－２２７２．２０１5．01．０40

０ 引言

窗户是人类建筑中不可或缺的组成部分，一个家庭里有几扇称心如意的窗户会给这个家庭带来很大的温暖，人们通过窗户来感受阳光的沐浴，人类的文明离不开窗户的装饰。根据科学研究表明不畅通的通风状态会导致病菌的大量滋长和病毒的大量传播，这样对人体的健康会产生很大影响，因此一个良好的通风状态和良好的光照状态对一个家庭来说是无比重要的。而由于现在的社会是一个高速发展的信息化社会，人们生活的节奏越来越快，使得人们生活追求一种简单化、快速化的生活方式，因而在工作学习的时候往往忘了或懒于去开窗，而导致自己健康的缺失。针对以上的问题，我们设计一种基于单片机控制的智能化窗，一方面可以保证室内的通风，一方面也可起到防火防盗的作用。

１ 总体设计

智能窗户的总体设计图由主控模块、传感器模块、电机模块、报警模块、数据采样模块等组成（见图１）。主控模块由ＳＴＣ最小系统模块组成，该模块包括电源电路，时钟电路、 复位电路等。数据采集模块则是负责模拟量与数字量之间的转换，将外界模拟量的变化转化为数字量传到传感器之中，然后传感器则将信号传入到ＳＴＣ最小模块之中，再由最小系统模块发出信号传入到电机模块之中控制窗户的开闭。当室外下雨的时候，房内温度过低或过高时，外界的信息会传入温度传感器之中，再经由ＳＴＣ单片机控制窗户的开闭。当室内有过浓的烟雾时即发生火灾或者房间内吸烟的人过多，也会自动打开窗户保证室内的空气流通，而且当烟雾浓度过大时，还会发出报警信号。当窗户外有人试图通过窗户进入房间时， 窗户会立即关闭并发出报警信号（此功能适宜居住在高层的居民）。本次设计中的电机模块采用的是８５ＢＹＧＨｌ４５６，ＴＨＢ７１２８电机来控制窗户的开闭。

２ 系统硬件设计

２．１ 单片机最小系统设计

本文采用的最小系统的单片机是ＳＴＣ８９Ｃ５２单片机，ＳＴＣ８９Ｃ５２芯片是ＳＴＣ公司生产的一种低功耗、高性能的ＣＭＯＳ８位的微控制器。该芯片具有 ８Ｋ 在系统可编程Ｆｌａｓｈ存储器。ＳＴＣ８９Ｃ５２虽然使用的是ＭＣＳ－５１内核，但同时也做了许多的独特的改进使得芯片具有很多传统５１单片机没有的功能。在单芯片中，拥有十分灵巧的８ 位ＣＰＵ 和在系统下可编程的Ｆｌａｓｈ，使ＳＴＣ８９Ｃ５２可以为许多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有这样的标准功能： ８ｋ的Ｆｌａｓｈ，５１２ｂ 的ＲＡＭ，３２ 位的Ｉ／Ｏ 口线，看门狗定时器，内置４ＫＢ ＥＥＰＲＯＭ，ＭＡＸ８１０复位电路，３个１６ 位定时器／计数器，４个外部中断，一个７向量４级中断结构（兼容传统５１的５向量２级中断结构），全双工串行口。而且 ＳＴＣ８９Ｃ５２ 可以降到０Ｈｚ的静态的逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。当系统处于空闲模式之中时，ＣＰＵ将会停止工作，允许ＲＡＭ、定时器／计数器、串口、中断等继续工作。掉电保护方式下，ＲＡＭ内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率３５ＭＨｚ，６Ｔ／１２Ｔ可选。其端口输出的数字模块可控制电机的驱动模块，其最小系统如２图所示：

２．２ 传感器数据模块采集

２．２．１ 温湿度传感器

温度和湿度传感器的空气湿度进行检测，如空气湿度超过９０％，它显示了雨天外，窗口自动关闭，当温度高到一定程度，则系统可确定此时室内温度过高，自动打开窗户。这种设计采用了ＤＨＴ１１温湿度传感器如图３所示，用户主机控制器（ＭＣＵ）有一个启动信号被发送时，ＤＨＴ２１立刻从低功耗模式到高速模式切换，等待主机开始信号结束时，ＤＨＴ２１发送一个响应信号发送４０位的数据和触发信号的采集。 （注：温度和湿度的数据从主机读取ＤＨＴ２１上次的测量值，如果两个测量值之间的时间间隔较长，请在一排读两次，以得到的温度和湿度值的实时测量）

总线空闲高的主机通信（ＭＣＵ）总线５００ＵＳ延迟释放后，用户主机开始后２０－４０ｕｓ主机开始检测从（ＤＨＴ２１）响应信号。从低电平的响应信号几乎８０ｕｓ，然后从总线经过机器拉出后约８０ｕｓ代表即将进入的数据传输。高电平之后是数据位，各由一个１位的数据是低电平时隙和高电平组成。低电平时隙是一个差不多５０μs的低电平，它表示数据位的起始，然后由高电平数据位所表示的长度， 确定数据位的值长，更短的高电平的值表示０，共４０ｂｉｔ的数据，当最后一个位数据传输完成后，从机会再次拉升总线５０μs左右，然后释放总线，通过一个上拉电阻上拉。

２．２．２ 烟雾传感器

由于室内着火往往事发突然，因此一个灵敏的烟雾传感器对于智能窗来说是十分必要的，当室内烟雾达到一定浓度时，智能窗应可以立即开启，因此这里我们选用了ＭＱ＿２烟雾传感器，在烟雾浓度不高或者无烟雾的情况下烟雾传感器的阻值保持在一个很低的状态，一旦室内烟雾浓度过高，烟雾传感器立刻传出信号给ＳＴＣ单片机，然后打开窗户。

２．２．３ 红外传感器

这部分是ＬＨＩ７７８红外线传感器中，热电型红外线传感器主要形成了高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷，钽酸锂，硫酸钛，三乙二醇，或类似物，以检测的大小元素２＊１ｍｍｍ的探测元件。载入每个检测器中的检测器的一个或两个元件和两个串联的反接检测元件中，为了抑制干扰产生高温。由探测元件将探测的同时接收到的红外辐射转变成微小的电压信号，经由装在探头内的场效应管放大后向外输出。要提高检测器的检测灵敏度，提高了检测距离，一般在检测器可以设置一个菲涅耳透镜，它是由透明塑料制成，在每个透镜的底部，并分成几等份，以制备透镜的前面有一个特殊的光学系统，它是对应于放大器增益信号７０dB以上，这样的动作可以从１０~２０μs来测量范围人的行动。

２．２．4 电机驱动电路

由于步进电机具有结构简单，性能稳定、体积小、重量轻等优点， 所以其十分适合该电路。由于步进电机无法直接连接到直流电源或者工频交流上， 所以要用到专用的步进电机驱动器。它由脉冲控制电路， 功率驱动电路， 保护电路组成。这次我们采用的是ＴＢ６５６０ＡＨＱ型号步进电机驱动器，它具有电机振动小噪音低承受电机电压高，多细分，支持电机类型多、体积小巧、易于散热的优势。由单片机的Ｉ／Ｏ口提供时序电压进行控制，实现其功能。

３ 系统软件设计

这次设计采用的传感器输出信号均为ＴＴＬ信号，这样为控制程序的设计提供了很大的方便。而且除了步进电机控制。还可以人工控制，实现了家居窗户的人性化。设计流程图如图４所示。

４ 结语

智能窗的设计是基于方便、人性、可控制这几点基本原则来设计的。智能窗的设计是基于对普通窗户的改进，他的设计理念是方便快捷， 安全第一。 智能窗的设计不仅有效地提高了室内的安全等级， 而且使人们生活得更加方便快捷，适应现在新生活的节奏。 而且该智能窗成本不高具有很好的市场适应能力。

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参考文献

１ 杜宇芳．基于ｎＲＦ９０５和ＤＨＴ１１的无线温湿度采集器［Ｊ］ ．信息技，２０１２（８）

２ 门少杰， 王宝珠．基于ｎＲＦ９０５的温室环境无线测控系统研究［Ｊ］ ．电子质量，２０１０（８）

３ 宋锐．基于单片机无线智能防火报警器的设计［Ｊ］ ．中国电子商务，２０１２（８）

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５ 陈龙 ，张志达．基于ＡＶＲ多功能报警系统的温湿度模块的设计［Ｊ］．自动化技术与应用，２０１１（９）

６ 刘俊．智能热释电红外报警器［Ｊ］ ．科技致富向导，２０１２（５）

７ 张青春．基于ＳＴＣ８９Ｃ５２的高精度宽频带数显毫伏表的设计［Ｊ］．电子技术应用，２０１２ （７）

８ 郭天祥．新概念５１单片机Ｃ语言教程：入门、提高、开发、拓展［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００９

（责任编辑 吴 汉）