智能窗户

王春燕++方兰兰++程华伟

摘 要根据人们的需求，设计了一款具可为住户提供安全、方便、舒适的环境的智能窗户，该装置可不间断检测室外的天气情况，通过识别室外的天气情况，控制窗户开合，可以防止雨水对室内物品的损害；当有人入侵时，窗户可自动发出警报，防止失窃及小孩爬窗；还可以检测空气质量，可根据空气质量是否危害健康自动关窗；让用户得到尽可能的舒适的体验。该装置功能的实现是以89C52芯片为主控，加之各类传感器采集数据，经过单片机处理来实现的。

【关键词】实时控制 自动控制 雨滴传感器 红外传感器 空气质量传感器 单片机

1 前言

1.1 选题的背景

如今，我国经济快速发展?使得人们物质生活水平不断提高，人们对住宅的要求越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对其安全性、智能性等发面也提出了更高的要求。正是因为如此，国内智能家居如智能手机一般逐渐得到大众的认可和热捧?市场需求量呈几何数级增长。进入2014年?面对智能家居市场的巨大需求和发展潜力?各大互联网公司和家电巨头为取得一席之地纷纷发力?陆续加入到智能家居“蛋糕”的争夺战中来?一时间国内智能家居市场硝烟四起?火爆异常?热度丝毫不减“高光时刻”的房地产。然而这种快速的发展、激增的需求带来许多产业发展的问题。

由于这种种因素，人们迫切需要一种智能的家庭自动关窗系统：

（1）能可靠的进行日常的开关工作，在下雨或空气中粉尘多时实现自动关窗，以便出门在外的人能安心工作，不用忘关窗而担心室内物品等受损。

（2）实用性好，性价比高，而不是看着智能窗如同看着天上的月亮，可望而不可即，靠近大众消费水平。

1.2 选题的意义

在我国经济的快速发展中，人民生活水平也随之日益提高，人们对健康、舒适、方便的家居生活的追求也越来越高涨，因为在这个快节奏的现代化生活中，人们常常忙于工作而忘记开关窗，不利于室内通风换气，也常常因为不清楚窗户是否关闭，如遇下雨便担心不已。现在的智能窗户，虽然品种各色各样，但主要应用于高档建筑和公共建筑中，而且价格不菲，普通大众还无法体验到智能窗户带来的舒适与便利。

基于以上原因，本课题提出一种智能的实用的价格适中的窗户开关装置，让跟多的人体验到智能窗户带来的舒适与便利。

2 智能窗户的总体设计

2.1 系统框图

本系统主要由四大部分组成，分别是单片机核心控制模块，外部环境监测模块，矩阵键盘控制模块，电机传动装置模块。其中，由外部环境监测模块中的各个传感器检测采集如雨水，雾霾，粉尘，是否有人入侵等所需信号，传送到单片机进行判断处理，对电机传动装置做出相应开窗关窗操作。当然，用户可以通过按键自动控制窗户的开关，任意位置的暂停。

系统架构示意图如图1所示。

2.2 各模块功能

外部环境检测模块，实现对室外天气状况的检测，如是否下雨、雾霾、是否有大量粉尘等颗粒物、小孩爬窗等，并将检测数据送往主控模块，进行数据的处理和应对动作。

电机传动模块，根据主控模块命令，控制窗户的开合。

独立键盘控制模块，实现远程控制。用户可以根据外界天气状况通过按键自动对窗户进行打开和关闭。

主控模块，由STC89C52作为主控芯片，对外部环境监测模块监测到得数据进行处理，将数据处理结果送至各个端口，并作出相应动作，如发送关窗命令至电动传动模块。

3 智能窗户的性能及原理

3.1 具体性能指标

性能指标：下雨即可关窗；空气PM2.5值大于100ug/m3时自动关窗；按下关窗键时，可关窗；开窗键时，开窗；暂停按键时，停止。

确定依据：下雨可能会使室内受潮，因此下雨即可关窗；PM2.5小于50ug/m3时空气良好，50-150ug/m3时为轻中度污染，大于150ug/m3为中重度污染，以保证室内空气质量较好，可关窗。

3.2 各模块原理及电路图

3.2.1 系统供电部分

系统采用5V的开关电源进行全局供电。

3.2.2 系统主控模块

系统主控模块采用STC89C52芯片为主控芯片。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程FLASH存储器。无论是资源还是速度，都能满足系统的要求。

3.2.3 外部环境监测模块

（1）空气质量传感器。空气质量传感器采用的是MQ135气体传感器，气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在污染气体时，传感器的电导率随空气中污染气体的浓度的增加而增加。使用简单的电路即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。

（2）雨滴传感器。雨滴传感器是由FR-04双面材料制成的雨水感应板，当感应板上有水滴，AO模拟输出，通过89C52对IO端口检测判断是否为高电平，实现对窗户开关控制。

（3）红外传感器。红外传感器即红外信号检测模块，该模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号即一个低电平。

3.2.4 电机传动装置

电机传动装置主要采用的是电机丝杆组成，其中直流电機采用L298N芯片驱动， L298是一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片的主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A。该芯片可以驱动一台四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

直流减速电机额定电压DC6V，空载电流60mA，空载转速54r/d，适合电压5-12V。

参考文献

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作者简介

王春燕，女，安徽省六安市人。大学本科学历。安徽三联学院电子电气工程学院通信工程系学生。研究方向为嵌入式。

作者单位

安徽三联学院 安徽省合肥市 230000