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一种风光互补供电的智能窗控制系统设计

2015-03-01胡绍旋

苏州市职业大学学报 2015年1期
关键词:风光窗户红外

顾 涵,孙 健,胡绍旋,石 秀,钱 琳

(常熟理工学院 物理与电子工程学院,江苏 常熟 215500)

一种风光互补供电的智能窗控制系统设计

顾 涵,孙 健,胡绍旋,石 秀,钱 琳

(常熟理工学院 物理与电子工程学院,江苏 常熟 215500)

随着社会的进步和电子技术的不断发展,人们对家居智能化的要求不断提高,智能窗市场需求不断扩大.针对传统窗户纯机械式控制存在的问题,设计一种采用风光互补供电且无需人力开关窗的智能窗控制系统.系统可实时采集环境状态信息,由单片机处理湿度、温度等信息后自动控制窗户的开启和关闭,具有广泛的市场应用前景.

单片机;风光互补;智能窗;设计

在人们快节奏的生活中,传统功能的窗户给人们带来了诸多不便.随着社会的进步和电子技术的发展,人们对家居智能化的要求不断提高,智能窗市场需求不断扩大.目前,市场上传统智能窗价格昂贵,功能单一,不能更好地满足用户的需求.智能窗控制系统采用风光互补[1]供电,设计成本低,性价比高,功能多样,能够实时监控环境状况并通过无线发射模块[2-3]及时通知用户,实现了远程操作与管理,解决了用户不在家时窗户开关的问题.设计充分体现了家居智能化的特点,为用户创建了一个安全的智能家居环境.

1 系统介绍

智能窗控制系统采用单片机作为控制核心,运用多种功能传感器,可以实时检测环境状况信息,当环境变化时能够自动感应处理,精度较高且弥补了人体不易感知的缺陷.采用风光互补供电,“绿色能源,节能环保”,具有人工与自动控制[4]两种控制模式.在人工模式中,当用户按下按键时,红外发射管发出红外光,此时红外接收管接收信号并对其进行解码,根据键值的功能再由单片机控制电机实现窗户与窗帘的闭合.此模式中,也可由用户手动推拉实现开关.

自动控制模式能根据室内外环境的变化情况来实现自动开关.先由气体、温湿度、人体热释红外等传感器采集室内外的环境数据,然后将采集到的数据发送给单片机进行处理,单片机将数据与设定的参数值进行对比,再根据环境参数优先级的高低先后处理高低优先级对应的功能,最终控制电机实现窗户与窗帘的闭合并在液晶屏中显示对应的环境值.如有紧急事件发生,可通过GSM模块及时通知用户进行处理,整个系统的组成结构如图1所示.

图1 系统结构图

2 系统硬件设计

系统硬件部分主要包括单片机最小系统、传感器模块、电机驱动模块、红外遥控模块、GSM无线模块、风光互补供电模块、显示模块和时钟模块等.主要对传感器、电机驱动、红外遥控、GSM无线及风光互补供电五个硬件模块进行分析.

2.1 传感器模块

系统所用传感器有烟雾传感器MQ135B、温湿度传感器DHT11[5-6]、热释红外传感器RD622及光敏电阻.烟雾传感器MQ135B和光敏电阻将环境中采集到的状态信息转化为模拟电压,再经ADC采样转换后交由单片机处理,而热释红外RD622与DHT11数字芯片可以直接将采集到的信号传给单片机处理.以MQ135B、DHT11为例进行分析,如图2所示的烟雾传感器模块电路,在没有烟雾的情况下,传感器阻值较高,反之,阻值会下降,端电压跟着下降.由于传感器输出信号较微弱,为了满足下级对输入信号的要求,采用LM324构成的同相比例运算放大电路对其放大来保证电路的稳定.

温湿度传感器DHT11内部由1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件组成,可与8位单片机相连,具有已校准数字信号输出功能,响应速度快、抗干扰能力强并能保持长期稳定,模块电路如图3所示.DHT11采用5 V供电,电源和地之间可增加一个容值为0.1 μF的电容用以去耦滤波.DHT11与单片机之间采用单总线数据方式保持同步和通信,单次通讯时间约为4 ms.当连接线长度小于20 m时,上拉电阻一般取5 kΩ.若连接线大于20 m时,应根据实际情况进行调整.在传感器上电工作后,应等待1~1.5 ms,等越过不稳定期后再发送相关指令.2.2 电机驱动模块

图2 烟雾传感器MQ135B电路图

图3 温湿度传感器DHT11电路图

电机驱动采用双直流模块L298,L298是一种大电流电机驱动芯片,工作电压最高可达46 V,输出电流最大可达2 A.L298内部由4个逻辑通道电路组成,含有2个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电机、步进电机、继电器等负载,是一种二相、四相电机的专用驱动器.L298采用标准TTL逻辑电平信号,具有2个使能控制端,在运行状态突然转化到停止状态或顺时针状态突然转化到逆时针状态时反向电流很大,可在电路中加入泄流二极管来保护芯片的安全.

2.3 红外遥控模块

红外接收部分采用HS0038接收头[7],接收头可接收频率为38 kHz的红外信号.基本工作原理为:内置接收管将红外发射管发射的光信号转换为电信号,信号先经内部放大器放大,然后通过自增益控制、滤波及解调等步骤整形后还原成原始的TTL编码信号,最后传送给单片机解码后实现控制功能.模块电路如图4所示,OUT输出上拉12 kΩ电阻,信号经该端口输出后传送给单片机处理.采用HS0038可以降低成本、减少干扰,提高系统的稳定性.2.4 GSM无线模块

图4 红外接收电路图

GSM无线模块采用华为GTM900-B,如图5所示.GTM900-B是一款支持三频段GSM/GPRS的无线模块,它支持语音、无线数据、短信息、补充业务及集群等功能.在与单片机进行通信时采用串口通信方式,通过发送相应的AT指令来实现具体控制,是高速数据传输领域理想的选择之一.系统中,该模块主要用来实现短信报警功能,当检测到有毒气体时短信告知用户可能存在危险情况,当红外感应到窗外有人时短信告知用户可能有贼入侵等.

图5 GSM无线模块图

2.5 风光互补供电模块

风光互补供电模块如图6所示,由风力发电机、太阳能电池、风光互补控制器及蓄电池四部分组成.该模块将风能、太阳能分别通过风力发电机、太阳能电池收集转化为电能后给智能窗供电,电能匹配由控制器控制.由于太阳能和风能的互补性较强,采用风光互补模式能够弥补单一模式下能量不足的缺陷.同时,由于光电系统和风电系统在逆变控制环节的设计是通用的,这也能大大减少设计成本.蓄电池储能,当能量剩余时可以将多余的电能储存起来以备不时之需.

图6 风光互补供电模块图

3 系统软件设计

系统控制核心采用低功耗单片机STC89C52,由于程序较多,主要对系统的主流程进行分析,如图7所示.主流程中编程实现了5110液晶显示和GSM短信报警功能,传感器状态信息检测部分采用中断方式,紧急事件的执行在中断服务子程序中完成.当响应某传感器产生中断时,MCU立即停止当前执行的程序跳转到相应的中断服务子程序驱动电机控制窗户的开关.系统功能的实现采用模块化的设计方法,把各个模块相关的程序放在一个文件中,便于分块调试和管理,缩短了调试周期,增加了程序的可移植性.

图7 主流程图

4 功能测试

在完成软硬件设计后,制作实物验证设计效果,如图8所示.搭建硬件电路,编程采用C语言,进行模块及整体功能调试和测试.测试结果为:在人工模式下能够遥控窗户和窗帘的开启和关闭;在自动模式下,当室内CO2浓度大于5 000×10-6时,窗户自动开启并报警提示可能发生火灾,当室内温度大于30 ℃时,窗户自动开启通风,当检测到外界有雨滴时窗户自动关闭,当检测到室内光强大于2 000 lx时,自动关闭窗帘,当检测到窗外有人时自动关闭窗户防止入侵,系统功能的实现符合预期设计.

A Design of Intelligent Window System by Wind-light Complementary Power Supply

GU Han,SUN Jian,HU Shao-xuan,SHI Xiu,QIAN Lin
(School of Physics and Electronic Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

With the development of society and electronic technology,the market for intelligent window is expanding owing to the people’s demands for home intelligent appliances.In order to address the inconvenience caused by traditional mechanical windows,an intelligent window system with wind-light complementary power supply is designed.The system can collect the real-time state data of the environment.The MCU can process the data to control the complementary window which will been widely used in the future.

MCU;wind-light cmplementary;intelligent wndow;design

TP206+.1

A

1008-5475(2015)01-0023-03

2014-11-20;

2014-12-18

江苏省高校自然科学研究资助项目(14KJB480001); 2015年本科毕业设计重点团队课题

顾 涵(1985-),男,江苏苏州人,讲师,硕士,主要从事集成电路设计研究.

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