防雨窗智能控制装置的设计与研究

摘要：伴随着科技不断的发展，人们的生活水平不断提高，基础的生活设备不能满足人们追求更好生活的需要，人们对更好的品质生活的追求，促使智能化家居的诞生。近些年来，随着智能化的概念慢慢普及，智能家居频频的在我们生活中出现，且深受人们喜爱。窗户是我们为了挡风遮雨，采光通风的产物，但是普通的窗户并不能满足人们对高品质生活的需要，上班族们大部分时间都在外上班，家里常常空无一人，如果开着窗户离开的话，万一遇到强风降雨天气这都会将家里弄得一团糟，对我们的财产造成不必要的损失，导致居民们不能安心外出工作。因此本设计就是为了满足此类需求而诞生的，以STC单片机为控制器的智能关窗系统，下雨时，根据检测出其参数变化，判断是否下雨，然后实现关窗功能。

关键词：单片机;雨滴传感器;自动关窗

一、引言

目前人们的生活节奏越来越快，早出晚归的工作非常普遍。由于白天上班期间不在家中，无法发现突然发生的降雨沿着打开的窗户进入房间，造成家中装饰的浸水损失。随着科学技术的发展，以家居生活管理集成和日常事务管理系统为主要特点的智能家居逐渐步入人们的生活。近年来，许多专家学者对智能家居进行了大量研究，分别研究了智能门禁、Wi Fi 远程控制、激光温度传感器、情境感知服务在智能家居系统中的应用，Hu 等、Sfar 等、Nauta、Swetha 等通过分析室内运动跟踪传感器、马尔科夫逻辑网络机器学习方法、社交机器人、卫生服务的主动监测与智能家居的结合，探索了智能家居的未来可能发展方向。但智能家居系统中关于自动关窗装置的研究相对较少。既有关窗装置主要通过传感器检测温湿度、雨滴等周围环境，利用控制核心处理器驱动预置关窗程序，实现窗体的自动闭合;自动关窗的触发时机取决于传感器和控制核心的设置阈值，当降雨量大于阈值时窗户关闭，小于阈值时窗户打开，雨水识别不够人性化，当遇到阵雨时容易造成窗户频繁打开、关闭。同时，既有相关设备关窗过程采用电机直接驱动，关窗过程采用匀速控制，冲击强、噪音较大，智能化和控制化可靠性上也需要进一步改善。本研究基于AT89C51单片机的特点，设计自动模式下无须用户人为干预的雨天智能关窗装置，通过传感器接收下雨的信号，在降雨的情况下能够自动关闭窗户，给我们的日常生活带来极大的便利。

二、防雨窗智能控制装置构架思路

雨天关窗装置采用外接电源供电，以传感器接收外界天气信号的变化，当传感器检测发现外界降雨发生的时候，芯片收到相关指令信号，通过发送信号带动电机旋转，实现窗户的开关

三、防雨窗智能控制装置结构原理

雨天智能关窗装置的控制核心主要有雨天传感器和控制芯片电路2个重要的组成部分。当雨天传感器与5 V电源接通，电源灯亮起后，传感器进入工作状态，此时，雨天传感器的感应板上会检测是否存在存积水滴。若未见水滴，开关指示灯由亮转灭，DO输出高电平状态;当外界的水滴落在感应板上时，开关指示灯由灭转亮，DO输出由高电平变为低电平;当外界水滴停止滴落，同时擦拭除去感应板上剩余的水滴（雨过天晴），DO 再次由低电平恢复为初始高电平状态。装置的核心控制电路在接收到传感器的信号后可以驱动电机作用，系统响应非常迅速快捷。利用与单片机AD口相连的 AO 模拟输出信号，还可以间接反映出落在雨天传感器感应板上水滴的疏密程度和水滴大小（雨量大小）。

控制芯片电路用于控制电机的速度。如图1所示，当控制电路发送来“关窗”的信号后，外部控制电路可对串联谐振式电源进行多功能控制，从而实现绝缘栅双极型晶体管脉宽调制、正弦波脉宽调制信号生成以及过流保护功能。通过在引脚 15 上串联电阻R1，可以把引脚11/14的信号合并输出，最大占空比也由此得到大幅度的提升。限流电阻R2/R3分别连接在 Q1/Q2 的基极和引脚 14/15 之间，能够有效地避免流经 Q1/Q2 的正向基极电流超越控制器所允许最大电流的上限。加速电容C1/C2能够加快 Q1、Q2 的导通速度。外接由恒流源充电的软启动电容，实现了快速启动、及时关窗的功能。

雨天智能关窗装置还包括为其他模块供电的供电模块。在驱动机构与供电模块之间串接设置开关模块，开关模块采用继电器实现并与单片机的输出端相连接，用于控制驱动机构的供电。在窗户处于关闭状态或检测到天气转晴后，关闭驱动机构的供电，减少驱动机构里芯片等电子元器件的能耗。晴天的检测采用光强度传感器来实现，其光强度触发条件可根据用户需求进行自定义。光强度传感器与雨水传感器集成在一起，采集信号并发送至单片机中。

四、防雨窗智能控制装置模型样机制作

雨天智能关窗装置主要由开关窗机构、驱动机构，控制模块3部分构成，控制模块选用AT89C51单片机，单片机通过驱动机构控制开关窗模块实现开关窗。采用雨水传感器YL-83进行外界天气降雨情况检测，雨水传感器设置在窗户外侧的合适位置，用竖杆等支架安装后进行固定，其灵敏度高、准确性强，可将检测到的数据及时发送至单片机中。单片机根据接收到的雨水信号实施快速响应，控制驱动机构完成关窗动作。驱动电机和电机驱动模块共同构成了驱动机构，其中电机驱动模块的输入/输出端与控制模块的输出端/驅动电机分别相连。目前既有的驱动电路控制电机大多采用简单供电方式。为使电机做到快速转动控制，该雨天智能关窗装置采用专业的SG3525 驱动芯片进行电机驱动，通过控制芯片的PWM 脉冲调制信号可以更加稳定匀速地控制电机转速。控制模块与喇叭、通信模块连接，用于在开窗关窗时给出提醒信号和实现手机远程遥控功能。为了实现通讯功能的多项覆盖，可根据用户需要内置 Wi Fi 模块、5G/4G/3G/2G 通信模块，用于将开窗关窗的动作信号发送至手机中，方便用户及时监控。

参考文献

[1]魏鸿图，陈光，史艳文，田文清，马彪.新一代智能窗户[J].科技创新与应用，2021，11（24）：48-50.

[2]徐栋梁.智能窗控系统的设计与实现[J].网络安全技术与应用，2021（04）：44-46.

[3]周利杰，孙天佑，丁力.一种安全型多功能智能窗通风监控装置设计[J].科技视界，2021（07）：8-10.

[4]沈晔超，杨浩，王亮.一种新型雨天智能关窗装置设计与研究[J].西昌学院学报（自然科学版），2020，34（03）：36-39.

[5]段玉戈.基于AT89C2051智能窗户控制装置的设计[J].电气技术，2020，21（05）：58-62.

作者简介：马薪显，硕士，辽宁建筑职业学院机电工程学院讲师。