基于C51单片机的智能窗户设计

王勋　商国旭　王钰之　王济生　吕浩然　韩超

摘 要：本文设计的智能窗户是采用C51单片机控制窗户的开关，通过温湿度，烟雾，雨滴和火焰等传感器检测周围环境配合控制程序的执行，从而实现窗体的智能开启与闭合.为了能针对不同用户的各种需求做出相应的调整，本设计的硬件结构全部为模块化设计.本设计运用多种传感器模块相互配合，对不同的天气状况与突发情况做出相应的调整，以此来提高该设计的可靠性及实用性.

关键词：智能窗户;C51单片机;传感器

中图分类号：TP273  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2020）03-0064-03

科学技术的发展，互联网技术越来越成熟.近年来，随着生活质量越来越高，人们也在不断的追求更加舒适、更加便捷的生活方式，因此智能家居成为了人们更好的选择.通过窗户与互联网技术的结合，本设计提出以C语言为基础设计一款智能窗户.本设计通过硬件的模块化设计使手动开关控制和远程开关控制可以脱离智能控制的限制单独操作.本设计是通过检测室内外的环境与设定好的数据进行比对，从而达到控制窗户智能开关的效果.例如：当室内检测出烟雾时，会自动开启窗户;当室外检测出烟雾时，会自动关闭窗户;当室内发生火灾时，烟雾与火焰传感器将同时被触发，系统会自动发送警报信息给绑定的手机.

1 系统结构设计

本设计的核心处理器为C51单片机，总体结构如图1所示.本设计由九个模块组成，分别是机械结构模块、主控制模块（单片机核心处理器）、无线网络通讯模块、环境监测模块、显示模块、窗户位置检测模块、报警模块、识别模块和信息存储模块.环境监测模块可以检测出室外环境状况及室内的温度与湿度等.烟雾传感器分为室内与室外两组，通过检测室内外的是否有烟雾控制窗户的开启与闭合.火焰传感器可与烟雾传感器综合利用检测出室内是否产生火灾，当有火灾隐患时，便与报警系统联动通知绑定的用户;位置检测模块可以实时监测窗户的开合程度，并配合其它传感器模块实现对窗户体的操作等信息的监控;显示模块可以显示窗户的位置信息及监测数据.

2 系统硬件设计

2.1 窗户机械结构

本窗户有窗框、玻璃、操作电机、手动操作把手、联合控制传动系统组成.通过步进电机的转动，以及把手的操作，实现了对窗户的自动开关，结构如图2所示.

2.2 环境监测模块设计

Arduino雨滴传感器模块采用了FR-04双面材料，使其拥有更大的利用面积.灵敏度可以调节，启动电压可以调整，使其工作范围更广，共有两种输出模式：模拟量AO电压输出和DO TTL数字输出，都可以与STC89C51单片机的AD口相连接用来检测雨量的大小.光线传感器（Light Sensor）功能主要是用来感应外界环境的光线强弱，当外界环境光线过强时，窗帘自动拉上，当外界环境光线不足时窗户自动拉开.温湿度传感器模块采用了DHT11温湿度传感器，这是一款数字信号输出的温湿度传感器.它具有良好的可靠性和稳定性.粉尘传感器模块采用Sharp光学灰尘传感器，用于检测直径大于0.8μm灰尘颗粒浓度，如香烟烟雾.其优点为功耗低、灵敏度高，电压大小随灰尘浓度成线性关系，其内部具有升压电路，可以适应范围更宽的输入电压.

2.3 单片机及显示模块

单片机是本设计的核心部分，按键K1为手动控制电机的正转，当窗户处于关闭的状态（P3.5=0），按下K1就可以使窗户处于打开状态;按键K2为手动控制电机的反转，当窗户处于开启的状态（P3.6=0），按下K2就可以使窗户处于关闭状态.K3为停止按键，遇到突发情况可通过此按键切断电源，使整个单片机最小系统停止工作.本设计使用的是128*64点阵数的液晶显示模块，5V的驱动电压，成功上电后，可通过调节滑动变阻器控制屏幕显示的亮度.

2.4 报警模块的设计

报警模块在火焰和烟雾传感器同时触发时，发出警报声并向用户发送设定好的报警信息和监控识别模块拍摄的图片，当室内的烟雾传感器检测到烟雾浓度数值大于设定值时，会驱动HNR-BJ压电无源蜂鸣器发出警报.

存储模块作为报警模块和监控识别模块的辅助模块，存储图像信息、报警信息与窗户的状态信息.

2.5 遥控模块设计

要实现系统的遥控功能，就必须先选择信号指令传送的方式，因信号源与接收器相距较近，且无较多遮挡物而且信号量也不是很多，所以采用Wi-Fi便可实现无线通信的功能.在手机上制作相应的app其主要功能有“开”“关”“其他模式选择”“日常显示”，利用开关电平的信号变化，实现Wi-Fi与单片机进行信息交换，进一步实现远程操作.

3 系统软件编程设计

本设计采用Keli uVision5为编程软件，以C语言为编程语言，以C51为控制核心，加以各类型的传感器作为辅助，通过控制步进电机的正反转以达成窗户的自动开启与关閉.本系统有三种操作模式：自动控制操作模式、远程控制操作模式、手动控制操作模式.在使用过程中，以自动控制操作模式为主，同时使用者可以通过手机将操作模式切换为远程控制操作模式，也可以在主控制器上切换为手动控制操作模式.在三种操作模式中，以手动控制操作模式优先级最高，但是可以通过手机的模式权重重复确认后修改.自动控制操作模式的工作流程如图3所示，远程控制操作模式的工作流程如图4所示.

3.1 自动控制部分

本设计在开机后会自动进入系统的初始化阶段，在结束后进入自动控制操作模式.当自动控制操作模式启动时，系统会检测标志位，确定窗体的所在位置，检测到窗体为开启或关闭状态时，通过接收外部传感器的监测数据来确定是否关闭或打开窗体;当C51单片机接收到室内烟雾传感器传输的烟雾浓度数值大于设定数值时，若窗体为关闭状态，则控制步进电机打开窗体，当C51单片机接收到室外烟雾传感器传输的烟雾浓度数值大于设定数值时，若窗体为开启状态，则控制步进电机关闭窗体，LED显示屏会同步显示情况;当火焰传感器接收到火焰信号时且室内烟雾传感器检测数值大于设定数值：窗体关闭并向用户发出警报，之后用户可通过手机远程控制窗体;当STCC51单片机接受到火焰传感器与烟雾传感器检测出数值大于设定数值时，图像采集模块启动，采集当时室内图像，并发送给用户;当STCC51单片机接收到温湿度传感器的信号，即过冷、过热或过于潮湿时，系统会检测窗体位置，并根据当时情况选择关闭或打开窗体，LED显示屏会同步显示当时情况并向用户发送提醒;当STCC51单片机接收到雨滴传感器检测出下雨信号之后，系统会检测窗体位置，若窗体为开启状态，则系统会自动关闭窗体、LED显示屏会同步显示当时情况;当STCC51单片机接受到粉尘传感器检测出PM2.5数值大于设定数值时，系统检测窗体位置，若窗体为开启状态，则自动关闭窗体.

3.2 遥控工作控制部分

用户进入手机软件后，检测是否连接Wi-Fi或者其他无线信号，当连接时，可进入远程控制操作模式.用户可使用手机软件让STCC51单片机扫描发送当时的环境检测情况和窗体开合状态，然后便可以进行远程控制.当窗体为开启或关闭状态时，无法再进行打开或闭合的操作，避免硬件或软件因为不合理操作而造成的不必要损失.

3.3 手动控制部分

手动控制操作系统为单独的系统，其控制优先级高于自动控制操作系统和远程控制操作系统，当自动控制系统或远程控制系统发生异常时，若不影响系统工作，则可使用手动控制系统，若影响系统工作，则可从主机处断开自动控制操作系统与远程控制操作系统，单独使用手动控制操作.

4 结语

以现有的窗体结构为原型与互联网技术的结合改良的智能窗户系统，具有简单的操作模式.通过多种传感器的共同配合，将室内的环境调整的更加适合居住的状态，可以让人们的生活变得更加舒适.本设计中的烟雾和火焰传感器的配合可以起到预防火灾的作用.粉尘传感器可以监测到室外的PM2.5濃度，并在浓度过高时提醒用户.雨滴传感器可以在下雨的时候实现自动关窗的功能.本设计完全采用了模块化的设计，其优点是可以根据工作环境的不同更换其所需要的监测模块.比如在雾霾频发的地区，可以增加对雾霾的监测.模块化设计的使用更加的简单方便，可以根据客户不同的要求更换不同的模块，从而达到最理想的效果.

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