微型智能关窗系统的设计研究

寇丽杰

摘要：如今智能家居已经走进人们生活，智能窗户就是其中的一角，但大多数智能窗是一体化的，而已有的普通窗户多为推拉式的，老居民房因此更换窗户显然不实际，因此本论文研究开发独立的微型智能关窗系统，本系统以STC89C52RC作为“头脑”两个电机驱动和步进电机作为“双手”，温湿度传感器和雨滴传感器放大器作为“双眼”来实现。“双眼”将得到的信息反馈给“大脑”，“大脑”判断并处理信息，再告知“双手”需要做什么。液晶显示屏就像一个告示牌，上面记录着“双手”处于什么状态和当前的时间。

关键词：单片机；智能家居；雨滴传感器；温湿度传感器

中图分类号：U463.02 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）05-0105-02

1 前言

近年，我国在物联网行业有非常可观的发展趋势，也正是这一现象让智能家居如雨后春笋般快速成长，我国的智能家居正迈入一个更新的阶段[1]，现市面上虽不乏智能窗户，但大多是新型家居一体化的，这对于老居民区的房子应用就不实际了[2]。基于此研究现状，本设计使用STC系列的51单片机作为控制系统设计了雨天智能关窗系统，可根据天气自行决定窗户的敞开或关闭，根据温度自动开关窗，显示当前时间[3]。让老居民房以最小的花销获得最前卫的生活体验。

2 系统方案

本系统以STC89C52RC作为核心，此款单片机可直接通过串口来烧写程序，给智能关窗系统的设计提供了极大的方便。随着材料科学的发展和固体物理效应的不断发现，目前传感器技术已形成了一个新型科学技术领域[4]。本智能关窗系统的设计采用雨滴传感器和DHT11温湿度传感器。

在该设计里，系统的工作频率从32.768KHZ晶振构成的晶振电路来获得，系统的工作电压要靠外接的电源来提供的。雨滴传感器上阻值的变化和温湿度传感器采集到的当前环境的温湿度，转换成电压值后再应经过比较器，经过A/D信号的转换后，发送给STC89C52RC单片机处理再将处理后的信号发送给步进电机模块通过驱动电机让电机转动，实现下雨天或者低温天气的自动开关窗。

（1）温湿度传感器：温湿度传感器向单片机发送实时温湿度数据，单片机将该数据与设定的阈值比较，若实时数据高于阈值则开窗，若实时数据低于阈值则关窗，对应在显示屏上显示ON/OFF。

（2）雨滴传感器模块：雨滴传感器向LM393输入电平信号，经过与基准电平（电位器控制，起到控制雨滴床干起阈值的作用。）比较后输出电平发送给单片机，单片机若接收到低电平，则向步进机发出信号，关闭窗户（若窗户是关闭状态则保持窗户关闭状态），实现自动关窗功能。

3 系统硬件设计

本智能窗系统设计的工作频率的是用32.768KHZ构成的晶振电路，作为指令执行的基础，本智能关窗系统的晶振电路模块与单片机的XTAL1和XTAL2引脚相连。

复位电路的功能就像设备恢复出厂设置，让雨天自动关窗系统回到最初始的状态，本系统使用的是10uf/25v电容和10K的电阻串联组合成的复位电路。一般整个设计通电后按下复位电路。

本智能关窗系统设计中的液晶显示模块LCD-1602采用可以显示两行的，每一行都可以显示十六个字符，由本设计的电源模块产生的+5V电压供电（该液晶显示器承受的电压区间为4.5V-5.5V），接口设计简单，价格便宜，具有很高的性价比[5]。

在本设计中，LCD-1602作为唯一显示屏主要显示来自DS1302的时间、DHT11中的温湿度、窗户开关状态和调整阈值时的显示。本关窗系统设计将LCD-1602的VL管脚与电位器相连，可通过调节电位器来调节显示屏的亮暗程度。

本系统使用的温湿度传感器型号是DHT11，其温度感应范围在零到五十摄氏度，主要适合南方的气温预测，工作稳定且耗能少。DHT11共有四个引脚，一个地线一个VDD一个数据线，还有一个空脚。VDD供电范围在3v-5v。湿度数据采集的行为是变形的模拟软件，可以在更大范围内收集湿度数据[6]。

本系统的雨滴传感器模块由雨滴传感器、LM393比较器和电位器构成。雨滴传感器是获取当前的雨滴量，并将雨滴传感器的输出单与LM393的输入端相连，LM393基准电压与电位器相连作为雨滴传感器的阈值，两信号经过比较器后结果输入STC89C52RC单片机，单片机再由该输入信号决定是否发送信号给驱动电路，驱动电路使用ULN2003作为驱动步进电机，步进机开启/关闭窗户[7]。

本系统系统设计的电机驱动电路由一个驱动芯片ULN2003和一个步进机构成。ULN2003的功能是保证步进机的正常工作。设计中，步进电机与窗户连接，步进电机的转动带动窗户的移动，达到开关窗的效果。步进电机模块本应有两个，本智能关窗设计中原理图也有两块，但在实物中只有一個模块，与单片机的P20～P23引脚连接（同理实现另外一边的窗户）。

按键控制电路共有五个按钮：K1是手动开窗按钮，生活中肯定会有手动开窗的需要，不可能完全依赖天气来开窗。K3是手动关窗按钮，同理，生活中也不可能完全依靠天气来关窗户，所以必须要有一个手动关窗按钮。K5是限位按钮，也就是即停按钮，为了贴合生活，偶尔窗户半掩也是可以的。K2是设定时间测按钮，也有因为某种原因，系统断电，需要手动先基准时间，所以K2是选择设定时间功能的按钮。K4是温湿度阈值设定按钮，通过该按钮可以调节温湿度阈值，满足不同季节的对室内温湿度的要求。K6和K7分别是加减按钮，用于设定时间和调节阈值时加减数值。

时间基准电路由DS1302时钟芯片为主体，和32.768KHZ的晶振一起。时间基准电路由独立的电源。电源滤波电路的作用是硬件去抖动，减少电平波动。一个好的电源滤波技术是电路系统稳定可靠工作的前提。

4 系统软件设计endprint

系统主要功能分两块：一是雨天自动关窗；而是温湿度警报。接通电源，系统单片机I/O口、液晶显示屏、雨滴传感器和温湿度传感器初始化，液晶显示屏显示DS1302的基准时间和窗户当前状态，单片机开始接受两个传感器传来的信号：（1）雨滴传感器接收到雨滴信号与由电位器控制的阈值进行比较，如果雨滴信号比阈值高那么比较器就输出低电位，并发送给单片机，单片机控制步进机关闭窗户，并控制液晶显示屏显示OFF，表示窗户是关闭状态。（2）温湿度传感器接收到信号与设定的阈值进行比较，若温度高于阈值则开窗，并在液晶显示屏上显示“ON”，表示窗户是打开的状态，反之关窗并在液晶显示屏上显示“OFF”，表示窗户是关闭状态。

温湿度传感器的信号由单片机的P0.6控制，主要代码（伪代码）：

（1）设置P06端口为 in；

（2）Get温湿度傳感器的数值a（整数部分，小数部分）；

（3）a to单片机from P06；

（4）单片机比较a与设定的阈值b结果为c；

（5）If c为高电平；

（6）false 等待下次的比较结果；

（7）true 单片机设置开窗，液晶显示DisplayList（13，0，"ON "）；

雨滴传感器的信号由单片机的P0.7控制，主要代码（伪代码）：

（8）设置P07端口为 in；

（9）get雨滴传感器的数值a；

（10）由电位器组成的基准电压b与a比较；

（11）out比较结果c to单片机from P07；

（12）If c为高电平；

（13）True 等待下次的比较结果；

（14）False 单片机设置关窗，液晶显示屏DisplayList（13，0，"OFF"）。

5 系统调试

在KeilC51中编写程序并生成.hex文件，以VS-Y板作为中介，利用stc-isp（v6.85）下载工具，将在KeilC51上编译生成的.hex文件下载到本智能关窗系统设计的STC89C52RC中。正转为窗户关闭，反转为窗户打开。调试结果：各指示灯亮，显示屏亮，各模块正常工作；显示屏的亮暗程度随电位器的调节而变化；阈值越高所加水滴越多电机才会正转；在窗户关闭的情况下按下K1，电机反转；在窗户打开的情况下按下K3，电机正转；在电机转动的情况下按下K5，电机停止；正常设置年月日时分秒；正常设置温度值，并在不同情况下在显示器上显示不同的窗户当前状态，并且电机正确方向转动。

6 结语

本系统以STC89C52RC作为控制系统，结合雨滴传感器和温湿度传感器设计了微型智能关窗系统，很大程度促进物联网智能家居的发展应用。其实现主要功能：（1）温度监控：STC89C52RC单片机没隔一段时间向DHT11发送信号，温湿度传感器每收到一次信号便将温湿度数据传送到单片机，单片机再与之前设定好的温度阈值比较，若高于阈值则开窗，LCD显示屏显示ON，反之关窗，LCD显示屏显示OFF。（2）下雨监控：当天空开始飘雨达到雨滴传感器阈值时，LM393向STC89C52RC单片机发出低电平信号，单片机再控制步进机关闭窗户，避免由于突然下雨家人不在引起的房内进水。

参考文献

[1]赵新民.智能仪器原理及设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995.

[2]孟文卿，王志坤.对智能检测雨水自动关窗装置的研究[J].电子技术与软件工程，2015，（05）：181.

[3]邓学欣，檀润华.智能窗的概念设计[J].河北工业大学学报，2001，（04）：25-29.

[4]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2007.

[5]蔡康松，段杏林.基于单片机字符型液晶显示模块控制设计[J].黄山学院学报，2005，（03）：22-24.

[6]Jun Xia Zhang，Bing Wang； Ya Ning Song. Exploration of Humidity Data Acquisition System Based on Single Chip Microcomputer[J].Trans Tech.2013，2494-2497.

[7]Rong Xia Sun，Xiao Ning Sun； Shuo Nan Wang. The Design of the Solar Panels Automatic Tracking Controller[J].Trans Tech.2014，123-127.endprint