单片机综合设计实验中的智能窗户设计

崔承毅，陈 景，高庆华，刘小雨，王开宇

（1. 大连理工大学 电工电子实验中心，辽宁 大连 116023；2. 大连理工大学 电信学部，辽宁 大连 116023）

在“大众创新，万众创业”的大背景下，实验教学要更好地服务于学生，就需要紧密联系当前的应用热点，不断将工程实践项目引入到实践教学当中，培养学生的工程实践能力和创新意识[1-3]。

随着科技的发展和人们生活水平的提高，智能家居系统已经进入了人们的日常生活[4-6]。智能窗户是智能家居的重点研究领域，通过传感器检测，智能窗户可以有效地感知“下雨”、PM2.5 浓度、温度等环境参数的变化，并根据环境的变化自动关闭或打开窗户，在保持室内空气清新的同时，有效地杜绝雨水、雾霾等造成的侵害[7-8]。为了紧密联系工程实际，提高教学质量，将智能窗户综合设计实践项目引入到单片机综合设计实验教学中，让学生在实验中设计生活中的具体应用案例，学以致用，在提高学生实验兴趣的同时，发挥学生主动性，锻炼学生的动手实践能力。

1 系统总体设计

智能窗户控制系统以单片机为核心，单片机可以选择 IAP15W4K58S4 或 STM32；传感器包括雨滴检测传感器、温湿度传感器、PM2.5 传感器等；无线通信选择蓝牙；显示模块使用 LCD1602 或 LCD12864等；通过电机驱动模块控制推窗器的打开和闭合。控制方式可通过手机App 无线控制和触摸屏控制，也可以通过雨滴检测等自动关闭窗户，系统框图如图1 所示。

图1 系统功能框图

2 智能窗户功能设计实现

2.1 电机驱动设计

智能窗户的打开和关闭通过推窗器控制，其核心器件为电机，自带过流保护装置，在窗户完全打开或闭合时，自动停止运行，实物如图2 所示。

图2 推窗器控制的智能窗户

推窗器的驱动使用大功率H 桥驱动模块，其H 桥示意图如图 3 所示。单片机的控制引脚通过输入端IN1、IN2、IN3、IN4 实现对电机的正转、反转、启动、停止控制。当IN1、IN4 为高电平，IN2、IN3 为低电平时，电机正转，推窗器打开窗户；当 IN1、IN4 为低电平，IN2、IN3 为高电平时，电机反转，推窗器关闭窗户；IN1、IN2 或IN3、IN4 同时为高电平，其他输入为低电平时，为停止状态；IN1、IN3 或IN2、IN4不能同时为高，否则将烧毁H 桥电路。

图3 电机驱动原理框图

2.2 雨滴检测传感器

下雨时，智能窗户的雨滴传感器可以有效解决雨天忘记关窗的问题，其原理图如图4 所示。

图4 雨滴传感器原理图

传感器的感知部分为互不导通的导线网，当没有雨时，导线网处于断路状态，三极管 Q1 无法导通，传感器输出为低电平；当雨滴落在导线网上，导致电路短路，三级管Q1 导通，传感器输出为高电平。MCU通过检测雨滴传感器的电平来判断下雨状态，并根据电平变化，控制推窗器关闭或打开窗户。

2.3 PM2.5 检测

近年来，雾霾的危害越来越受到人们的重视。智能窗户具有PM2.5 检测功能，可以在PM2.5 浓度过高时自动将窗户关闭，从而减小雾霾对人们健康造成的伤害。雾霾的检测使用GP2Y1010AU0F，其是一种光学粉尘传感器[9]，结构框图如图 5 所示。传感器内部有红外发射和接收管，根据灰尘的浓度不同，接收管会输出不同值的模拟电压，经过放大后输出，单片机通过模数转换通道接收数据，经转换后的数据与参考值进行比对，进而得到PM2.5 浓度数据。

图5 PM2.5 模块结构框图

2.4 温湿度检测

温湿度检测使用DHT11，其具有体积小、功耗低、传输距离远等特点[10]。每个 DHT11 传感器都经过校准，校准系数存储在OTP 内存中，在进行信号检测时，调用校准系数来获得具体测量值。传感器采用4 针单排引脚封装，单线制串行接口，与单片机连接的典型电路如图6 所示。MCU 发送开始信号，触发一次信号采集，DHT11 从低功耗模式转换到高速模式，开始信号结束后，DHT11 发送响应信号，送出40 bit 的数据，用户可根据需要对数据进行读取。

图6 温湿度检测电路原理图

2.5 蓝牙无线通信

无线通信方式选择蓝牙，通过手机蓝牙实现手机App 的无线控制功能。下位机的蓝牙模块采用主从一体的HC05 蓝牙转串口模块，使用前需要设置名称、密码、通信格式、主从模式等参数。当模块处于命令响应工作模式时，用户可向模块发送 AT 指令进行参数设置，设置模块时使用 USB 转TTL 下载线与电脑相连，软件使用串口调试助手，硬件连接和串口调试界面如图7 所示。

图7 蓝牙设置的硬件连接和串口调试界面

2.6 显示功能

显示功能是电子系统的重要组成部分，通过显示模块，用户可实时得到系统运行状态和参数等信息。显示功能选择 LCD，型号可以选择 LCD1602、LCD12864 或者触摸屏等。LCD 具有功耗低、显示内容丰富等特点，具有触摸屏功能的 LCD 还可增加系统的控制方式。实验中，学生需要设计LCD 电路，编程实现窗户状态信息、传感器数值以及学生信息等内容的显示。选择 LCD12864、触摸屏的学生作品如图 8所示。

图8 LCD12864、触摸屏智能窗户作品

2.7 手机 App 设计

手机App 可使用蓝牙串口调试助手，连接蓝牙时，首先搜索蓝牙模块，然后输入密码进行连接，连接成功后，即可通过App 进行控制命令的发送，缺点是只能通过发送命令来进行窗户的开、关控制，交互性较差。自主编写手机App，可根据需求设计功能，查看窗户周边的温度、湿度、PM2.5 浓度、是否有雨等环境参数，交互性较好。

手机 App 开发使用谷歌在线开发平台 App Inventor，设计界面如图 9 所示。App Inventor 针对Android 编程环境，使用积木式的堆叠法进行程序设计，编程简单，适合学生快速入手[11-12]。

图9 App Inventor 开发界面

蓝牙功能通过App Inventor 中的“蓝牙客户端”模块实现，其编程界面如图10 所示。当点击“蓝牙选择”按钮后，将“蓝牙客户端 1”扫描到的所有蓝牙设备的地址及名称赋给“蓝牙选择”元素；如果“蓝牙选择”的“选中项”能与“蓝牙客户端 1”成功连接，显示“连接成功”；点击“断开蓝牙”执行断开连接操作。

图10 蓝牙App Inventor 设计界面

传感器数据的读取也通过“蓝牙客户端”实现。以温度值读取为例，当点击“温度”按钮时，“蓝牙客户端1”发送一个“a”给单片机，单片机接收到此信号后，将当前温度值通过蓝牙发送给手机，并在“标签1”中显示出来，设计界面如图11 所示。

图11 传感器数据读取

3 智能窗户在实验教学中的应用

实验教学中，为了满足不同能力学生的个性化需求，采用层次化教学，基本功能要求可以通过手机App、触摸屏等方式控制窗户的打开和闭合，具有LCD显示功能及传感器检测功能，学生必须完成；功能拓展部分，学生可自行增加温湿度检测、语音控制、PM2.5 检测、手机App 设计等功能。实验教学中，采用开放的教学方式，允许学生在功能设计及实现方式上自主选择，自主拓展，充分调动学生的主动性和积极性。部分学生作品如图12 所示，作品中单片机有的采用IAP15W4K58S4，也有的选择STM32；控制方式采用手机App 无线控制、触摸屏控制、语音控制等；传感器有雨滴检测、温湿度检测等；手机App 有使用蓝牙串口调试助手，也有学生自主设计手机App。学生的作品实现方式各不相同，实现功能也多种多样，动手能力得到了很好的锻炼，实验效果较好。

图12 部分学生设计作品

4 结语

紧密结合工程实际，以智能家居为背景，本文设计了智能窗户控制系统，并应用于单片机综合设计实验。实验项目以单片机为核心，结合传感器应用、无线通信、电机控制、手机App 开发等，项目多知识点结合，可拓展性强，为学生提供了很好的设计发挥空间，较好地锻炼了学生的工程实践能力。在教学方式上，采用了开放的教学方式，增强了学生的创新意识。并且，实验项目与生活实际密切相关，学生实验兴趣较高，主动性较强，实验效果较好。实验项目难度适中，易于在实践教学中开展。