基于单片机的智能窗户控制系统的设计与实现

秦嘉嵘　陈云龙

[摘要]家居智能化已成趋势，针对传统手动开关窗无法实现人们对便捷、智能化生活的现状，通过单片机技术和传感器技术相结合，设计一款基于湿敏传感器、PM25传感器和红外传感器的单片机智能数字控制开合的窗户。该智能控制窗是一种机电一体化的智能窗户控制系统，采用了智能控制技术、传感技术、机械传动技术等先进技术，主要功能是实现对房子内所有窗户的自动控制，可自动打开或者关闭以实现对室内环境的调节和防盗报警功能。

[关键词]多传感器；单片机；环境控制；智能控制窗户控制系统

[DOI]1013939/jcnkizgsc201533060

近年来，随着物联网技术的迅速发展，智能家居成为家庭信息化和社会信息化的重要组成部分。本人将介绍一款同时具备“雨天自动关窗”和“粉尘超标自动关窗”，以及“天黑自动闭窗”和“从窗暴力进入自动关窗”四项功能的智能型窗户。功能简单实用，成本低廉，具有广阔的市场空间、可观的市场价值和应用前景。

1系统总体设计

11总体设计思路

智能控制窗属建筑领域的附件，它主要包括室外采集区，中央控制区和同步响应区。主要由三大部分组成，分别是单片机核心控制电路及简单外围电路，PM25传感器、湿敏传感器、红外传感器组成的信息采集系统，步进电机的驱动系统。该智能控制窗由安置在室外的湿敏传感器和PM25传感器收集室外空气的温度湿度以及粉尘含量等各项数据，传送给单片机中央处理单元进行数据分析与处理，并向步进电机发送指令，进而步进电机带动同步带轮连接窗框，使窗户发生位移，达到自动开合窗户的目的。各种指令在液晶屏幕上显示以便于识别。其基本系统整体结构框图如图1所示。

图1系统整体结构框图

12室外数据采集检测模块设计室外数据采集检测模块主要由GP2Y1010AUOF PM25传感器、E18-D80NK红外传感器和DS18B20温度传感器构成。这些传感器应用广泛、价格低廉，拥有卓越的稳定性和可靠性，可实现数据采集和数字信号输出的功能。传感器原理如图2、图3所示，传感器中心有孔可以让空气自由流过，定向发射LED光，通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。

图2传感器原理

图3传感器模数转换

13中央控制模块设计

该智能控制系统主控芯片采用SSTC公司生产的STC89，这是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进，使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。与传统的51单片机相比较它具有较大的存储器空间并且可以支持串口直接下载程序，免去了购买价格昂贵的专门编程器，开发成本很好控制。

该单片机应用系统还包括时钟电路和复位电路，时钟电路使得电路在唯一的时钟信号下工作；复位电路使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态下，无论是在控制系统刚接上电源还是断电或者故障重启都要复位。

14电机同步驱动响应模块设计

采用42BYG250B两相混合式步进电机作为机械部分的驱动设备，步距角18°；静力矩048～075N·m；机身长48～60mm；引线数：4；电流：12～25A。步进电机是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制元件。其中的脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号。脉冲分配器将脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机控制变得非常的简单[1]。

15系统主程序设计流程

本系统软件以Keil为编程软件，以C语言为编程语言。系统设计流程如图4所示。

图4程序设计流程

16系统功能测试

系统各模块设计结束后进行系统功能测试，接通电源后显示屏正常显示室外温度、湿度、PM25浓度。对自动识别室外环境指标开关窗做出测试。各项功能实现良好。与原有的手动开关窗方式相比，基于由室外检测装置、控制装置、执行装置、可使用户的生活更加舒适便捷，通过数据显示与PM25标准值比对的方法说明问题。既方便快捷，易于处理信息，又具有可视化的特点，生动形象。

2结论

本项目是一种机电一体化的智能窗户控制系统，它采用了智能控制技术、传感技术、机械传动技术等先进技术，主要功能是实现对房子内所有窗户的自动控制，可自动打开或者关闭以实现对室内环境的调节。我们所研制的智能窗控制系统是利用了一套简单的传送装置以及一实用电路来实现其功能的。其机械结构简单但很实用。因此其科学性是毋庸置疑的。机械结构单一，电路简单，故成本低廉，且能根据需求增加检测的指标，更改方便灵活。

参考文献：

[1]毛静基于单片机的智能窗的设计[J].电子设计工程，2014（12）.

[2]浦灵敏，季爱明基于STC89C52单片机智能窗户控制系统的设计[J].中国科技信息，2010（10）.

[3]李硕，贾子庆，张明玮基于多传感器的智能窗系统设计[J].电子设计工程，2011（2）.