基于STC89C51单片机的智能窗户启闭器

吴雪松+潘崇煜+牛轶峰

摘  要：为了保证良好的居家环境，实现普通窗户的智能控制，设计了基于STC89C51的智能窗户启闭器。该启闭器通过感知窗户内、外侧的移动目标来控制窗户启闭，有效防止小孩爬出窗户以及小偷翻窗入室;同时，启闭器通过感知室内、外温度，湿度和空气质量适时开、关窗，具备环境自适应功能。该启闭器在现有窗户基础上安装即可使用，拆卸方便、价格低廉，具有良好的市场前景。

关键词：STC89C51单片机;窗户启闭器;环境检测;智能控制

中图分类号：TP273+.5            文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.021

1  设计背景及意义

近年来，随着高科技和信息技术的发展，智能机器走进了智能住宅，住宅智能化已然成为人类住宅一场新的革命。现代社会家庭正在以家庭智能化带来的多元信息和安全、舒适、便捷的生活环境作为新的目标和追求。然而，由于目前广大家庭的窗户在智能控制方面的不足，小孩在室内玩耍时爬上窗台酿成惨剧的情况时有发生，小偷通过开着的窗户入室盗窃案件屡见不鲜，对人们的生命财产安全造成极大损失。同时，愈演愈烈的雾霾天气造成的空气污染、有毒气体对人的生命安全造成威胁、室外高温或者下雨天时开着窗户导致室内环境变差，这些都对保持良好的居家环境产生了不利影响。

目前，平移式窗户被广泛使用，而市场现有的智能产品多是包括窗户本身以及控制系统在内的完整系统，需要重新更换窗户，在实际应用中存在较多不便。因此，在现有窗户的基础上，设计一种价格低廉、拆卸方便、多功能的平移式窗户启闭器是解决这些现实问题的有效途径。

2  硬件设备

整个单片机系统基于51单片机开发板，配以多种精心设计的传感器和电机，成本低、功能全。

系统中的STC89C52RC芯片采用的是8051核在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80 MHz，片内含8 KBytes可反复擦写1 000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统和80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器这一步，而且速度较快、功耗低。

防盗和防小孩爬窗功能中的光电传感器采用集发射和接收于一体的E18-D80NK-N传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，可有效避免可见光干扰透镜的使用，能够检测80 cm内的情况，价格便宜、易于装配、使用方便。

对于空气质量的检测，结合当今大家比较关注的有毒气体污染和包括PM2.5在内的粉尘污染，采用有害气体和粉尘、PM2.5空气质量检测器相结合的传感器。

MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在一氧化碳、甲烷等有害气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大，传感器可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号;PM2.5空气质量检测器可以探测1 μm以上的粉尘粒子，使系统根据不同需要作出反应。

对于湿度和温度的检测，则分别采用模拟输出湿度传感器模块和DS18B20 数字温度传感器。

执行机构主要由12 V25GA370直流减速电机马达驱动，力矩大、噪声小、质量轻、功耗小，配以L298N电机驱动板，能够满足带动窗户的需求。

报警采用5 V有源单片机用蜂鸣器，功耗小、成本低。

整个硬件在能够较好地实现功能的前提下，其成本可以控制在100元以下，具有很高的实用性。

3  智能设计

智能窗户启闭器要实现防盗、防小孩爬窗、防空气污染、防室外高温、防雨等基本功能，主要包括传感器系统、控制系统、执行器系统等子系统;同时，启闭器要实现在现有平移式窗户基础上可拆卸的机械设计，成本较低。图1所示为该启闭器各模块及其结构原理图。

图1  智能窗户启闭器系统结构原理图

图2  启闭器工作流程图

当室外有小偷靠近或室内小孩爬窗时，窗户内、外安置的红外传感器分别将信号传输至单片机，驱动与之相连的电机反转，实现关窗，同时，蜂鸣器响起，LED灯闪亮，提醒人们检查、处理;当室外下雨、高温、空气质量较差、有害气体泄漏时，与之对应的湿度传感器、温度传感器、PM2.5烟雾传感器、有害气体传感器会及时将信号传输给单片机，驱动电机开、关窗。一段时间后，如果各传感器均没有检测到相应问题，单片机控制窗户重新开启，以通风换气，改善室内环境。图2所示为智能窗户启闭器的工作流程图。

该窗户启闭器采用了红外、烟雾可燃气体、温度和湿度传感器等多传感器检测，集防盗、防小孩爬窗、室外防湿、防高温、防空气污染等环境自适应功能于一体，人性化程度高，可

以为用户提供一个良好的室内环境。

4  结构设计

为满足方便在现有平移式窗户上直接安装使用的要求，智能窗户启闭器采用如下机械结构：控制系统主体部分集成安装在一块系统板上，方便拆卸，将马达电机连接的主动轮固定在窗户上边框，两个轻质的定滑轮分别固定在下边框两底角处，主动轮与从动轮之间通过质量轻、韧度强的PE线连接，在需要控制移动的平移式窗户下端固连一定滑轮，连接在该PE线上，马达电机的正反转会带动该扇窗户左右移动，达到开、关窗的目的。该结构设计简单、成本低廉、实用性强。

5  总结和展望

作为智能住宅的代表，国家在《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。智能窗户作为智能家居中不可或缺的一环，具有广阔的市场前景。统计数据表明，2009年，我国窗户消费需求突破500亿元，并且已安装窗户大多是普通推拉式窗户。

本文针对普通推拉式窗户设计了一种基于51单片机STC89C51的智能窗户启闭器，通过传感器感知外界环境，进而控制窗户启闭，实现智能化家居。结果表明，该启闭器能够初步完成预定的设计功能，具有机械结构简单、易于在现有窗户上安装的特点，可帮助普通家庭轻松实现对现有窗户的智能控制，具有很好的市场前景和实用价值。

参考文献

[1]侯海涛.国内外智能家居发展现状[J].建材发展导向，2004（5）.

[2]罗伟.单片机应用[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[3]何刚，冯启明.一种智能平移式窗户启闭器的设计[J].机电技术，2011（6）.

〔编辑：刘晓芳〕

STC89C51 based Microcontroller Smart Windows Open and Close Control

Wu Xuesong， Pan Chongyu， Niu Yifeng

Abstract： In order to ensure a good home environment， intelligent control of ordinary windows， a design based on STC89C51 smart windows open and close control. The perception inside through the windows open and close， moving target outside the windows open and close to control， prevent children climbing out of windows， and the thief Fanchuang burglary; at the same time， opening and closing through the perception of indoor and outdoor temperature， humidity and air quality， timely open， closing a window， with the environment adaptive function. The hoist is mounted on the basis of the existing windows to use， easy to disassemble， low price， with good market prospects.

Key words： STC89C51 microcontroller; the windows open and close control; environmental monitoring; intelligent control