智能窗户控制系统的设计研究

李小兰

（厦门兴才职业技术学院，福建 厦门 361021）

智能窗户控制系统的设计研究

李小兰

（厦门兴才职业技术学院，福建 厦门 361021）

文章阐述了基于STC单片机控制的自动窗户控制系统的研究，通过将各种传感器采集到的数据发送到STC12C5A60S2单片机为核心的控制板，在单片机中对各种数据分别进行分析判断，并将相关环境信息显示于面板上，进而根据用户设定模式或输入的指令，来控制无刷电机来实现窗户的开合。

智能窗户；单片机；传感器

1 常用控制方式

目前市面上有以下3种控制方式能够满足自动门窗的控制系统要求：继电器控制系统、单片机控制、可编程序控制器控制。

1.1 继电器控制系统

继电器接触式控制系统主要由继电器，接触器、按钮等硬件组成，控制方式是断续的，这种系统结构简单，维护容易。但由于采用固定接线方式，如果系统庞大，则安装接线比较麻烦，工作量大且控制柜的体积所占的空间也很大。这应用在现代的智能空间不太现实，也不美观。而且控制过程中触动容易损坏，维护费用高。

1.2 可编程序控制器控制系统

可编程控制器（PLC）是在继电器控制技术和计算机控制技术的基础上开发出来的，专为现代工业环境而设计。具有强大的逻辑和过程控制功能，控制系统设计、安装、调试方便，程序语言易于理解和掌握，可靠性高、抗干扰能力强。基于上述特点，使得PLC的应用范围极为广泛。但PLC价格较昂贵，核心控制器体积也比单片机大，作为家居产品在价格上不够经济，在装饰上不够美观。

1.3 单片机控制系统

单片机由于体积小、成本低、可靠性强、应用灵活方便而广泛用于各种智能仪表，数据采集系统和自动检测监视系统中。

本次设计选用价格相对较低廉，体积较小的嵌入式且内部资源丰富的STC12C5A60S2单片机为主控制器。

2 STC12C5A60S2单片机介绍

STC12C5A60S2是STC公司生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。

STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250 KHz（25万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型IO口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不须作为A/D使用的口可继续作为IO口使用。该单片机的ADC是逐次比较型ADC。主次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位（MSB）开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。

3 系统硬件设计

以STC12C5A60S2作为主控制器是不仅能实现对开关量信号的逻辑控制，采集环境传感器的模拟信号，并能通过串口与其他智能设备之间进行通信。因此，将选用该芯片应用于窗户自动控制系统，完全能满足控制要求，且具有运行可靠、成本低、运算速度快等优点。

3.1 控制系统组成

该单片机控制器主要作用于窗户的自动控制，由以下几部分组成：电源、主控制器、显示屏、风雨光传感器、对射式红外感应头、温湿度传感器、无刷电机等。该控制可由用户通过操控面板及遥控控制窗户的拉开和关闭；也可根据用户预先设定的环境参数及工作模式自动实现窗户开合控制。具体电器控制系统框图如图1所示。

图1 门窗控制器系统框图

3.2 具体电路设计

为了能够更好地测出和采集温度参数，本系统选用了集成温度传感器AD590，这款传感器的测量范围为-55℃～+150℃，其温度检测范围完全满足家居需求。

本系统选用了2个温湿度传感器、2个光照强度传感器、2个限位开关、1个风雨传感器、1个红外传感器、1个风速传感器。其中室内外各安装1个温湿度传感器、1个光照强度传感器、风雨传感器和2个限位开关分别安装在窗户机构上，其他传感器则安装在室内相关的地方。温湿度传感器：本系统采用的是数字式温湿度传感器DHT11，湿度测量范围为20%～90%，温度测量范围为0℃～50℃。光照强度传感器：采用NH207照度传感器，输出为0～2V电压信号或4～20 mA电流信号，量程可在0～2klx，0～20klx与0～200 klx之间自动切换。风雨传感器：技术参数为，电源电压DC24 V，风感3 s响应，雨感25 s响应。防风传感器和防雨传感器只在刮风的风速或下雨的雨量达到面板所设定的风速或雨量时才会发出感应信号给单片机的CPU，单片机接收到信号后就会发出控制信号。限位开关：选用非接触式限位开关，本系统选用光电传感器ST178来检测窗门机构的运动位置。红外传感器：在本系统中红外传感器主要起着防盗示警的作用，采用对射红外线探测器。只要有人碰到红外线，传感器就会产生突变电信号，而这个信号将使报警器发出警报。

3.3 窗户及系统架构造设计

开关是现代化社会家居环境不可缺少的电气元件之一。随着我国开关电源技术不断地提升，微动开关为开关行业带来了本质的改变。它具有微小的接点间隔和快动机构，用规定的行程和规定的力进行动作。其工作原理是：把外机械力通过传动元件（按销、按钮、杠杆、滚轮等）将力度作用于动作簧片上，当动作簧片位移到临界点，产生瞬时动作，使得簧片可以触动到触点，从而实现断开和快速接通。微动开关种类品种众多，按体积分有普通型、小型、超小型，按分断形式分有双联型、单联型、多联型等。本系统选用SZM-V型按钮型微动开关，其额定电压:125～250 V，额定电流10 A，机械寿命: 10万次。窗户框架构造设计包括微动开关连接电路设计和窗架的制作与设计。本设计中的微动开关安装在窗户滑杆上，当窗户移动到预定位置时，触动微动开关，开关信号转换为电信号传送到电机，电机驱动一检测到信号，电机就停止转动，窗户也就停到了指定的。窗户框架构造如图2所示。

图2 窗户框架构造图

4 系统软件设计

4.1 系统控制流程

电气硬件系统组成以后，为了实现最优控制，接下来就是如何编写单片机的控制程序。由于汇编语言晦涩难懂，不利于后期的维护，因此本次程序采用通俗易懂的C语言来编制。在控制程序中，首先需要对室外的光照强度、风力、潮湿度进行检测，检测完后通过传感器将此信号传送至单片机，用来控制窗户的打开还是关闭。实现窗及窗帘任意位置启停控制。同时此程序可通过按钮完成窗户的手动控制，也可通过遥控器实现对窗户的远程控制。其次程序还要检测每个行程开关的信号，通过对这些输入信号的处理，给出相应的运行状态显示和信息处理。程序流程图如图3所示。子程序和主程序之间必须协调一致、判断准确，才能实现对自动窗户的整体控制。

图3 单片机程序流程图

4.2 程序

5 结语

本系统在开发设计过程当中, 结合了传感器技术、单片机技术、电机控制技术、开关电源技术等，并使用C语言编程，完成该系统的设计。其最主要特点是电路结构简单、工作稳定、成本低廉、体积较小。

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Research on the design of intelligent window control system

Li Xiaolan
（Xiamen Xingcai Polytechnic, Xiamen 361021, China）

This paper expounds the research of automatic window control system based on STC microcontroller control, sent the data collected by the various sensors to control panel taking STC12C5A60S2 single chip microcomputer as the core, analyzes and judges various data in the single-chip microcomputer respectively, and the related environmental information is displayed on the panel, then according to the instruction set or input by user to control the brushless motor to realize the opening and closing of the window.

intelligent windows; single chip microcomputer; sensor

2014年福建省教育厅中青年教师科研基金立项；项目名称：现代智能楼宇自动门窗控制技术的研究；项目编号：JA14453。

李小兰（1980— ），女，福建漳州，硕士，讲师 ；研究方向：电子信息。