智能窗户控制系统的设计研究

路鹏伟，韩　涛，张　雄, 王继虎

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

智能窗户控制系统的设计研究

路鹏伟，韩涛，张雄, 王继虎

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

文章设计了一款智能窗户控制系统，该系统以单片机为核心，以空气水分、环境温度为控制条件，完成对窗户的自动控制。雨水传感器、温度传感器分别对空气水分、环境温度的数据进行收集，经过单片机进行数据处理分析后，调整电动机转动的角度及幅度来控制窗户的关闭。该系统的传感器位于窗户外侧，方便及时地进行数据的收集。当湿度达到一定程度时，窗户会在电动机的控制下自动关闭，防止雨水进入室内。

WSN；单片机；传感器

1　系统设计背景

现在的社会使人们的生活节奏变得比较快，在生活中人们经常发生一些疏忽，忘记关闭窗户的事情常有发生，有时遇到恶劣天气，雨水会通过窗户进入家庭带来不必要的损失。因而需要这样的一扇窗户：可以收集天气的信息，雨天时自动关闭，晴天时自动打开，进行自我调节的同时还可以完成防盗的功能。本文设计的窗户系统与普通的窗户有很大的区别，其智能化更加符合现代人的生活方式，通过传感器可以完成窗户的自动化，解放用户的双手，为家庭提供便利。

2　系统总体设计

2.1设计任务及内容

（1）自动防雨：在人们外出时无法关闭窗户，若遇到大风或者大雨等恶劣天气用户无法进行及时地关闭，而智能窗户控制系统便在这种情况下发挥自己的作用，分析出天气情况，及时关闭窗户，避免损失。

（2）收集室外天气：能够通过传感器来对外部的环境进行检测，雨水等天气会通过雨水传感器进行收集，传递给单片机进行处理分析达到关闭窗户的作用，天气晴朗时也可根据室内外的湿度适时开关窗。

2.2设计方案

该系统的主要控制中心位于单片机，由雨水传感器和温度传感器进行数据的收集，并将该数据传输给单片机，单片机会对数据进行分析确定是否需要关闭窗户，通过控制电动机实现控制系统的功能。

图1　系统框图

3　机械结构设计

该系统通过将动力装置电动机嵌入窗户中，通过有角度地转动，控制窗户的打开与关闭，将电动机置于窗户的内侧，在不影响美观的情况下尽可能地置于窗户的底部，起到调节作用，外部的传感器连接单片机进行数据的传送，单片机会将数据传输给液晶显示器显示，方便用户查看。

图2　窗户模型

在电动机这块，我们选择步进电动机57BYG250-56，其额定电压24 V，额定电流2 A，额定步距角1.8°。采用L297，L298的组合电路作为步进电动机的驱动。采用L297来提供时序信号，节省了单片机IO接口。L298的管脚1和15与用于检测电流的电阻连接起来控制负载；L298的OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间分别接两个步进电动机，图3中，斩波器的电路参考电压与通过L297的管脚13，14与R14，R15所反馈的电压相比较，由比较结果确定是否进行斩波处理。电路中的光电耦合芯片将单片机与电动机隔离出来，使他们之间只有信号联系，没有电流连接，这样可以避免电动机中的大电流影响单片机工作，具体的连接方式如图3所示。

4　传感器结构设计

本系统需要雨水传感器和温度传感器对窗户外部的环境进行实时检测收集，我们采用DHT11数字温湿度传感器，这是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有很高的可靠性与稳定性。DHT11传感器包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件，并与1个高性能8位单片机相连接。单线制串行接口，使系统连接可以更简洁。功耗极低，信号传输距离可达20 m以上。作为一种新型的单总线数字温湿度传感器，DHT11具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高等优点。其基本指标如下：温湿度复合传感器；全量程标定校准，单线数字输出；湿度测量范围为20%～90% RH；温度测量范围为0～50 ℃；湿度测量精度为±5.0% RH；温度测量精度为±1.0 ℃；响应时间＜5 s；低功耗；超长的信号传输距离；出色的长期稳定性；超小体积。DHT11采用4针单排引脚封装，电路连接方便。DATA是用于微处理器与DHT11之间的通信和同步的串行双向接口，采用单总线数据格式。每次通信都是以高位先出的顺序传输40位数据，用时约为4 ms。数据格式为：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和数据，每个数据分小数部分和整数部分，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。数据传送正确时，校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。

温度传感器采用非接触式，它的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可用于测量温度场的温度分布。我们采用最最常用的非接触式测温仪表，它是基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。只有对黑体（吸收全部辐射并不反射光的物体）所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度，则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关，因此很难精确测量。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。可以有效地检测窗户内外的环境温度，达到比较高的准确率。

图3　控制电路图

5　单片机模块结构设计

该模块主要是数据的收集分析模块，一方面需要对传感器收集的数据进行分析，判断是否符合关窗的标准，一方面需要控制机械结构，控制其调整合理的角度以及转速的方向和大小，因此对单片机的要求比较高，我们选用8751，8751片内有4k的EPROM，我们可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。由于该类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业标准，使用起来比较方便，兼容性好，另外后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断地改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”，学了其中一种，便会所有的51系列。在该系统中8751一方面在大学的学习中涉及比较多，我们可以很快地掌握，一方面兼并性比较强适合传感器和操作系统的控制。

6　读取A/D程序设计

在本系统中，转换器将温度传感器和湿度传感器收集到的模拟电压信号改变成数字电压信号，然后传送给单片机，由单片机对温度和湿度进行判断，实现程序设计的功能。

7　结语

本智能窗的控制系统，实用性比较强，对数据的收集分析比较快速，是智能家居不可或缺的一部分，在防雨关窗方面有很大的优势。

[1]宰文姣.步进电机驱动控制系统的设计与实现[J].煤矿机械，2013（4）：157-158.

[2]孙晓云.接口与通信技术原理与应用[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]王煜东.传感器应用电路300例[M].北京：中国电力出版社，2008.

Research on the design of control system of intelligent window

Lu Pengwei, Han Tao, Zhang Xiong, Wang Jihu
（Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China）

In this paper, a smart window control system is designed, which takes the MCU as the core, the air moisture and the environment temperature are taken as the control conditions to complete the automatic control of the window. The rain sensor and temperature sensor respectively collect data of moisture in the air and ambient temperature, and after the data processing analysis by the micro controller, then the motor rotation angle and amplitude are adjusted to close the window. The sensor of this system is located outside the window, which is convenient to collect data timely. When the humidity reaches a certain degree, the window will be closed automatically under the control of the motor to prevent rain from entering the house.

WSN; MCU; sensor

路鹏伟（1995— ），男，安徽阜阳。