智能一体纱窗的系统设计

许鹏程，陈 健，张文峰，胡光东，赵 艺

(金陵科技学院机电工程学院，江苏 南京 211169)

1 技术背景

纱窗普遍应用在人们的日常生活中。目前多数窗户采用人工开启、关闭的方式，不具有自动透气通风，防雨，防风，防强光，防高、低温变化等功能。而纱网通常是独立安装在窗框中，一方面容易沾染灰尘，清洁不便，另一方面由于纱网的安装方式造成它与窗户间的密封性差，蚊虫很容易通过空隙进入室内，给生活带来诸多不便。

文献[1]设计了一种能够根据光线强弱打开/关闭窗帘的智能控制系统，具有检测并能清除窗户灰尘、窗户防盗报警等优点，但是检测和清除工作将加大控制系统成本。

为了解决窗户纱网密封性不严、纱网清洁麻烦的问题，并实现窗户根据外界环境变化自动开合、关闭的功能，本文讨论了一种一体纱窗系统的设计方案。该一体纱窗系统能通过传感器电路检测室外湿度、温度、光强及风速信号，然后传入单片机，单片机对信号进行处理，再输出脉冲调节步进电机，实现一体纱窗的自动开闭。

2 系统总体设计

一体纱窗由电路部分和机械部分组成。电路部分包括风速传感器、温度传感器、湿度传感器、光敏传感器、按键模块、限位开关等输入设备，数据处理部分，步进电机及驱动模块输出设备。系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图

在电路控制系统中，输入部分起到重要作用，同时还需根据环境值对传感器及软件设置相应预设值。各传感器的状态分别保存在相应变量中，根据传感器的优先级，并根据用户需求设计一体纱窗的开合度。该智能窗户还可以通过按键模块进行人工控制。在意外断电后或运行过程中，用户也可以通过按键模块调整开窗状态。这样可以满足不同用户的需求，也可以解决纱窗的清洁工作。

设计的一体纱窗的构造示意图如图2所示。

当传感器达到预设值，窗户实现自动的开闭。窗户在开关的同时，纱网在拉伸与压缩，收卷纱网的一侧装有的毛刷会自动清理纱窗上的灰尘，并将灰尘集于除尘盒中，实现了对纱窗的自动除尘。而可随意拆卸并自动除尘的纱网和窗户一体式设计能大大加强窗户的密封性，起到防尘、防蝇虫的作用，同时使得窗户的整体框架更精简。

图2 一体纱窗的构造示意图

3 硬件部分

3.1 处理器部分

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器[2]，它具有8K字节Flash和256字节RAM。利用ISP在线下载功能，不需要将CPU从电路板上取下来，只需编好程序并烧录到单片机中，可为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、方便的解决方案。

3.2 输入部分

3.2.1 风速传感器

考虑到系统具有体积小、成本低的特点，利用投射式光耦自行设计风速传感器。它的结构示意图如图3所示。

图3 风速传感器示意图

透射式光耦由两部分组成:一部分是发光二极管，发射红外线;另一部分是接收红外线的光电管，中间的缝隙为光线传输而设。当没有障碍物挡住时，光电管接收到光线，饱和导通，集电极C为低电平，经74LS00非门后，信号为高电平;当风扇不透光部分挡住时，光电管截止，集电极C为高电平，输出信号为低电平。这样，每个缝隙经过时都会产生一个脉冲，通过T2捕获方式，对脉冲进行计数。

风扇随着气流的运动而转动，每个缝隙经过时都会产生一个脉冲，从而输出电脉冲信号，将机械转动信号转换成电信号。将机械位置信号转换成光电脉冲信号，通过微处理器CPU记录每秒钟产生的光电脉冲的个数，快速运算处理后即可得出气流的运动速度。

3.2.2 温度传感器

温度传感器用于检测室外温度，选择由DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单总线作为温度传感器。其结构简单，测量范围、测量精度满足系统要求[3]。温度传感器DS18B20的接线图如图4所示。

图4 温度传感器DS18B20的接线图

3.2.3 湿度传感器

湿度传感器用于检测空气的湿度，选用体积超小、功耗极低的DHT11湿度传感器，其将检测到的模拟量通过模数转换成数字量送往MCU。数字式传感器DHT11的接线图如图5所示。

图5 数字式传感器DHT11的接线图

3.2.4 光敏传感器

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应[4]。为使系统方便地适应外界环境的变化，选用光敏电阻GL5516、电压比较器等自行设计光敏传感器，光强检测硬件电路图如图6所示。当外界环境光照强时，光敏电阻阻值较小，则A点为高电平;当外界环境光照弱时，光敏电阻阻值较大，则A点为低电平，将此电平送到单片机，由程序控制是否驱动电机开关窗户。

图6 光强检测硬件电路图

3.2.5 按键模块

利用按键模块发送信号，然后由单片机根据接收到的信号驱动步进电机运动，实现手动/自动切换、开窗帘、关窗帘。

3.2.6 极限开关

为了防止因意外断电在再次来电时步进电机启动，需要使用透射光耦极限开关。当纱窗运行到两边极限的位置将引发初始化，MCU根据传感器采集到的信号，调整纱窗运动为初始状态。

3.3 输出部分(步进电机及驱动)

采用多摩川TS3622N12四相步进电机作为纱窗的驱动装置，选择ULN2003作为步进电机的驱动芯片[5]。步进电机驱动电路图如图7所示。AT89S52发出TTL逻辑电平，经ULN2003可驱动工作电压12V的步进电机。

图7 步进电机驱动电路图

4 软件部分

4.1 传感器状态值的确定

4.1.1 风速传感

使用自行设计的风速测速仪测量室外风速。当风级小于等于4级，即风速小于等于7.9m/s(28km/h)时，变量d，e返回 0，0;当风级大于 4级并小于等于6级，即风速大于7.9m/s(28km/h)小于等于 13.8m/s(49km/h)，变量 d，e返回 0，1;当风级大于6级，即风速大于13.8m/s(49km/h)，变量d，e返回1，0;风速的不同划分通过单片机记录每秒钟产生的光电脉冲的个数来确定。

4.1.2 温度传感

使用温度传感器测量室外温度，当室外温度小于10℃或大于28℃，变量c返回0。当温度介于10℃和28℃之间，变量c返回1，从而达到能在高温的夏天、低温的冬天自动关窗的效果。

4.1.3 湿度传感

室外的湿度一般是:冬天为30% ～80%，夏天为30% ～60%，当室外湿度小于80%，窗户自动打开，变量a返回0;当室外湿度达80% ～100%，变量a返回1，从而实现室外湿度较高时，窗户能够自动关闭的功能。

4.1.4 光强传感

使用光敏传感器，在白天或光线比较充足的状况下，光照强度大于10LUX，变量a返回0;在黑夜或光线较暗的状况下，光照强度小于10LUX，变量a返回1，达到了白天能够开启窗户、晚上能够关闭窗户的效果。

4.2 控制算法

算法使用 5个变量 a，b，c，d，e来分别保存湿度、光强、温度、风速的状态，并且令优先级为(见表1):湿度 ＞光强 ＞温度 ＞风速，将这5个值组成1个新的状态变量NUM:NUM=24*a+23*b+22*c+2*d+e;用户可以根据不同状态值，自行调整窗户的开合程度。

程序流程图如图8所示。

图8 程序流程图

表1 优先级状态表

5 实验论证

智能窗实物图如图9所示。

图9 智能一体纱窗实物图

根据硬件和软件设计，将控制算法写入单片机。经实验测试，随着湿度、光强、温度、风速的环境变化，智能窗均能满足用户需求。

6 结束语

实验证明，这种智能窗实现了:同步当前环境湿度、光强、温度、风速等信息;根据用户需求，设计窗户的性能，可以智能调整窗体开合程度。该智能窗有效地解决了窗户纱网密封性不严、纱网清洁麻烦的问题，目前可以用作对环境有一定要求的实验室的通风窗、图书馆以及高档建筑用窗。一体纱窗系统实现的效果与单片机和传感器采集有着密切关系，为了取得更好效果，风速传感器安置、各传感器软件设计值以及采集数据干扰的消除有待进一步研究。

[1] 浦灵敏，季爱明.基于STC89C52单片机智能窗户控制系统的设计[J].中国科技信息，2011(10):150－151.

[2] 黄小波.基于AT89S52单片机与DS18B20的温度监控系统[J].微计算机信息，2008(29):119－120.

[3] 潘彩霞.基于AVR单片机的家用电热水器智能温度控制器设计[J].中国制造业信息化，2012，41(19):69－71.

[4] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京:电子工业出版社，2009:10－15.

[5] 江衍煊，郑振杰，游徳智.单片机连接ULN2003驱动步进电机的应用[J].机电元件，2010，30(3):29－31.