基于空调器的一种智能开关窗系统的设计

◎王博

基于空调器的一种智能开关窗装置是基于家用空调器功能的基础上设计出的一款控制装置，实现空调器在不同环境下的自动开关窗功能，从而达到室内通风换气、节约电能的效果。

一、装置简介

随着社会的发展，科技的进步已经涉及到各个行业，科技改变生活的理念也在人们的生活中时刻体现，人们对生活质量的要求也越来越高。目前，许多地区夏季最高温度达到了38℃以上，人们对空调器的需求也越来越大。根据调研显示2019年空调器的销售额要比2018年的增长6.07%，可见空调器的市场前景非常广阔。

人们在使用空调器时习惯关门关窗，长时间在密闭的环境下就会导致空气不流通，病毒和细菌会趁机大量的繁殖和生长，很容易诱发咽喉炎等疾病，而夏季早晚温差大及天气多变，室内不能及时的开关窗通风换气、空调器也不能及时改变工作状态，即影响了人们的健康又浪费了电能。根据此现象设计了一款符合目前社会需求的空调器智能开关窗装置，本装置是在家用空调器功能的基础上设计出的一款智能控制装置，实现空调器在不同环境下的自动开关窗功能，从而达到室内通风换气、节约电能的效果。

二、市场分析

空调器的智能开关窗装置是目前市场所缺少的智能家庭装置，目前的空调器和智能家居产品没有达到可以自动识别外界环境的变化实现空调器和窗户联动的装置。

近年来，随着价格战向价值战的转化，中国空调消费市场一直保持了平稳的发展态势，具备健康、节能、时尚外观的空调产品成为主流产品。总的来看，空调市场有以下几点特征：

1.价格向价值的转变。近年来，整个空调市场的启动运作过程中，多数厂家都在提“价值”的概念，并表示降价已经是五、六年前的事情了。可见一味的打价格战已经不能满足于当代人们的需求。也正因为价格低，并连年促销，使得本应该时高利润的空调行业一直徘徊在微利的状态，于是商家意识到，提高产品价值才是核心竞争力。

2.以健康为主导。随着消费水平的提高，消费者对环境质量和自身生活水平的要求也越来越高。方便健康成为消费者选择空调的重要条件之一。各个空调商都先后推出了清洁健康的二代产品。

3.节能空调的优势。目前空调的节能已成为空调销售的最大亮点，大多数空调企业都推出了变频空调，较好的变频空调由于比传统的空调更具有优势，其发展势头迅猛，已经渐渐成为发展的主流。于是空调市场引爆了一场将抗节能大战。

空调与家居智能化已成为了当代社会的主要发展趋势，在越来越多的家庭和工厂内实施，本设计发展方案主要分为两部分：

1.合作生产：将本技术与空调企业合作生产，在空调主控板上加入本设计主控功能，实现在不同环境下空调改变自身的工作状态，并在安装空调时技术人员提供安装自动开关窗系统。其主要优势在于本装置所需元件市场供应量大，成本低，与厂方合作生产，既可以控制厂方的生产成本，又加大了人们对“价值”的评估。在生产工程中对厂方原电路修改较小，所需人员较少，满足了空调企业对质量和价格要求。

2.自主生产：成立公司，专职生产主控电路及自动开窗系统。专职配备技术人员、安装人员、销售人员及售后服务人员等。

据调查，80%以上的用户对本产品功能表示期待，尤其是家里有老人和小孩子的家庭，该装置适合所有家庭及企业安装使用。

众所周知，节能省电、低碳减排已经成为全社会共同推动的目标。空调器智能开关窗装置采用24V电源供电，在安全电压内实现开关窗户及空调工作状态的改变，有效实现节能减排的目的。

三、设计原理与组成

本装置的主控电路由单片机STC89c51和24V电源电路组成，采用温度传感器、风速传感器、雨滴传感器实时采集环境信号，并将采集的信号传输到微处理器进行信号处理，通过24V电源电路驱动电机，实现在大风天、雨天和低温天等不同的环境下开窗器自动开关窗、空调器快速改变工作状态的功能。系统框图如图1所示：

图1系统框图

1.微控制器模块。微控制器模块采用具有单片机8051核的STC89C51RC可编程芯片，芯片内集成了通用的8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程(ISP)的特性，配合计算机端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，是高速/低功耗的新一代8051单片机。本系统采用它做为系统的核心，把采集到的风力、雨滴、温度信号传输到单片机，进行信息处理完后传输给显示模块和开关窗驱动模块，实现与空调器的联动操作。

2.风力检测模块。该模块采用三杯式风速传感器，采用三个直径6CM的半球碗，呈120度分支安装，在风力的作用下，可以产生旋转，风速越大，旋转越快。风力旋转组件旋转时，直径约22CM，其带动一个小直流发电机产生直流电压，风速越高，产生的直流电压越高，最高可产生2V直流电压，按照具体风速与电压输出参数的说明书就可用单片机程序处理输入的信号，该参数误差约10%，传感器有两条引出线，红为正黑为负。和STC89C51RC单片机连接非常方便，黑线接入GND，红线做为电压采样接入STC89C51RC的AD口。AD口不需要做任何下拉或上拉电阻，只需并联一个104瓷片电容就可使用。

3.雨滴检测模块。该模块采用FR-04双面材料，超大面积并用镀镍处理表面，具有抗氧化、导电性及寿命方面比同类产品更优越的YS-JDQ型雨滴控制模块，与STC89C51RC单片机连接电路简单，只需提供5V供电、信号端采集高低电平信号即可判断是否下雨，接通电源，电源指示灯亮，感应板上没有水滴时，继电器不动作，开关指示灯熄灭，只要有水滴滴在感应板上，继电器就立刻吸合，把信号传递给单片机STC89C51RC，单片机检测到信号就会做出处理。

4.温度检测模块。该模块采用耐腐蚀、可靠性高、具有负阻特性的10K空调器专用胶质探头，在温度升高时阻值减小，温度降低时阻值增大，电路中设计一个运放比较器电路，放大采集到的信号，传输给STC89C51RC单片机的AD口进行模数转换，单片机把转换后的信号进行处理。

5.显示模块。该模块采用普通的两位七段数码管显示，用来实时显示测量的温度值。

6.开关窗驱动模块。该模块体积小、安装方便、控制简单、适用工作环境恶劣的场合，开启和关闭力量大，电流通过开窗器经由电压转变控制板转变为直流电机的额定电压，开关窗驱动模块的核心部件之一直流电机正反转转动起来，通过另一核心部件减速器装置（小齿轮带动大齿轮，大齿轮再带动小齿轮，小齿轮再带动链轮）把这一过程形成的力量传输给链条机构，链条的伸出、收回实现窗户的开关动作，另外机构两端安装微动开关进行限位，防止越位操作。

具体功能如下：当空调器正常运行时，特别是晚上人们进入梦乡后，不能察觉室内与室外环境的变化，装上该装置后，系统就能实时采集到室外环境与室内环境的差别。当采集到室外温度小于空调器设定的温度且室外无雨、风速小于4级时，窗户自动打开，自然风进来，空调器制冷状态停止，达到通风换气、节约电能的目的；当天气突然下雨或突然起风（风速达到4级以上）时，窗户自动关闭，空调器检测到室内温度大于设定温度时，空调器开始进入制冷状态。

四、装置使用说明

接通220V交流电，按下‘开机键’看到指示灯亮，这时设备进入待机状态；按下按键1，设定系统温度与空调器设定的温度相同，系统自动检测室外环境的变化，当采集到室外温度小于空调器设定的温度且室外无雨、风速小于4级时，窗户自动打开，自然风进来，空调器制冷状态停止，达到通风换气、节约电能的目的；当天气突然下雨或突然起风（风速达到4级以上）时，窗户自动关闭，空调器检测到室内温度大于设定温度时，空调器开始进入制冷状态。

结语：本采用STC89C51RC单片机作为主控芯片，采用三杯式风速传感器、具有负阻特性的10K空调器专用胶质探头、FR-04双面材料，超大面积并用镀镍处理表面，具有抗氧化、导电性及寿命方面比同类产品更优越的YS-JDQ型雨滴控制模块以及数码管显示电路和开关窗驱动模块组成整个系统，实现与空调器配合实现智能开关窗户的功能。