基于单片机的智能窗户

林臻 邢婷婷

摘 要：随着智能家居迅速发展，各种智能设备呈百花齐放之态，人们对住宅要求也不断提高，因此对住宅的安全性、智能性提出了更高的要求。传统窗户已经不能很好地满足人们对居住安全性的要求，为此本文提出一个基于单片机的智能窗户。

关键词：智能窗户；单片机；温度检测；湿度检测

0 引言

伴随着生活质量的不断提高，人们开始进一步追求智能化的产物，在这个大环境下促成了智能家居技术的诞生和发展，而智能窗户也就由此诞生了。所谓的智能窗户就是不同于传统的窗户，通过系统的控制它能够实时地保护人们生命财产安全[1]。智能窗户的控制系统集现代机、电、通讯于一体，以及对传感器技术（Sensor technology）、现代通讯技术（Modern communication technology）、计算机技术（Computer technology）和自动控制技术（Automatic control technology）的综合运用。智能窗户可以对众多信息进行采集，分析，传输以及控制，可实现根据实时天气环境的变化进行相应动作，是智能居家的理想选择。

1 需求分析

智能家居的迅速发展使得我们的生活日新月异，越来越多的智能产品进入我们的生活，通过对附近一些地区的调查得知，在发生威胁到人民群众生命财产安全的时候，传统的窗户已经不能够完全满足人们的相关需求[2]。智能窗户能及时动作并通知相关人员，减少或避免险情的发生。

2 功能设计与实现

本项目的设计是一个智能窗户，将单片机作为控制核心，并与各种传感器相结合。该功能实现了当外面下雨或吹大风时，窗口可以自动关闭，当检测到可燃气体时，窗口自动打开并发出警报声[3]。当传感器检测到窗外有物体靠近时，窗口自动关闭并发出警报以防止被盗。

2.1 系统设计

该项目采用基于STC89C52单片机的多功能智能窗口设计。系统的主要模块包括：电机驱动模块、快速温湿度检测模式、液晶显示模块、时钟设计模块、红外检测模块、烟气检测模块、GSM通信模块和按钮电路模块[4]。智能窗户系统将烟雾、气体检测模块的优先级确定为最高级。当检测到烟气浓度超过所设最高值时，窗口自动打开，排气扇将被激活，以确保人们的生命财产安全。另外还增加了温湿度传感器，室内实时检测温度，当室内的温度过高时，单片机芯片控制窗户和排气扇打开，进而达到降温的目的。室外实时检测湿度，当室外下雨导致湿度过高时，单片机芯片控制窗户以及排气扇关闭。由于室内和室外条件不同，湿度的检测模块的优先级高于温度的检测模块。

2.1.1 技术路线

2.2 硬件设计

2.2.1 电机驱动模块

电源输入端的电压是否稳定与相关元件的可靠性直接相关。本项目电源部分采用三端固定稳压器，实现±5V和±12V的三路直流稳压电源。其中STC89C52和LCD12864等电子元件所需电压为+5V； 而集成运放LM358所需电压为±12V。直流电动机使用电动机电压作为控制变量，使用位置或速度作为指令变量，采用连续移动的控制方式。直流电动机需要间接安装的反馈控制系统来控制电动机的位置，适用于位置要求不高的场合。

2.2.2 温湿度检测模块

该模块使用DHT11数字温度和湿度传感器，这是一个温度和湿度复合传感器，带有校准的数字信号输出。DHT11作为数字温湿度传感器，具有响应速度快，抗干扰能力强，性价比高等诸多亮点。确保高可靠性和出色的长期稳定性。

2.2.3 液晶显示模块

液晶显示模块选择LCD1602。LCD显示模块的显示内容为16*2，这意味着LCD模块可以显示2行，每行16个字符或数字。同时，当前市场上大多数产品使用1602字符液晶模块，因此它是一款广泛且简单，适用度高的的LCD显示模块。

2.2.4 时钟设计模块

该模块通过单片机STC89C52控制串行实时时钟芯片DS1302，实现定时功能。DS1302自身带有备用电池 ，确保在电路断电后保存时间和数据信息，这一点是计时功能所不能缺少的。

2.2.5 红外检测模块

红外探测模块使用热电红外（PIR）传感器，其通过人体发射的红外线探测并输出相应的电信号。传感器可以通过不接触物体检测红外能量的变化，然后转换成相应的电信号输出。

2.2.6 烟雾、气体检测模块

烟雾和气体检测模块使用QM-N5半导体传感

器[5]。QM-N5半导体传感器具有灵敏度高、导电率变化大、响应速度快的优点。其恢复时间短，抗干扰能力强，输出信号大，使用寿命长，运行稳定。通过检测到的气体改变电阻值来实时检测气体。该传感器适用于天然氣、燃气、氢气、烷烃气、汽油、煤油、乙炔、氨等，非常适合用于家中监测各类可燃或有害气体。

2.2.7 GSM通讯模块

GSM模块将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功率放大器等器件集成在一块电路板上。模块具有独立的操作系统，GSM无线电处理、基带处理并提供标准接口。该模块可以以串口通信的方式与单片机进行连接，当检测出险情时单片机通过该模块以达到将用户家中险情及时通知用户的目的。

2.2.8 按键电路模块

该模块主要用于根据温度和湿度条件以及设定时间设置开关窗口的时间以及是否打开窗口。

2.3 软件设计

软件设计包括主程序和子程序。主程序拥有众多状态选择语句，其中在一次探测系统复位之后的环境数据是最主要的，检测的内容有烟雾、气体的浓度，温度、湿度等因素。传感器将烟雾、气体浓度，温度、湿度等数据回传时，单片机通过对应数据产生响应并控制电机的转动。子程序控制电机的正向和反向旋转，实现智能窗口的切换。

2.3.1 主程序设计

系统打开后，系统初始化，主循环程序开始执行。在主循环程序中，系统连续检测或判断某些终端121或标志位，然后根据设定的规则进行控制。在执行主循环程序期间，当发生中断时，程序转移到中断子程序，并且在执行中断处理之后，程序返回到主循环程序；当被检测数值达到系统设定的上下限值时，程序会转入其对应的子程序并开始执行，执行完毕后跳转到原主程序位置繼续执行。

2.3.2 子程序设计

烟雾、气体检测子程序，在检测到烟雾、气体的浓度超过了预警值时，报警器启动，输出通道的相应的警示灯亮起，并且系统控制排气扇打开。为了防止错误操作，子程序在检测期间取烟气浓度的平均数据，并适当延迟报警。

温湿度检测模块将温度、湿度、校验位设为全局变量。主机拉低18ms，总线由上拉电阻拉高主机延时20 us，主机设为输入，判断从机响应信号。接着判断从机是否有低电平响应信号，如不响应则跳出，响应则向下运行。

显示子程序设置LCD为16*2显示，8位数据接口，数据指针设置为第一行第一位。第一行为一个16字符固定显示，用于显示实时温湿度，第二行为16字符滚动显示，用于显示险情相关信息。显示模块采用的是1602指针右移的基础命令而不是整屏右移命令。

3 结论

由于电路的集成以及计算机技术的高速发展，一些传统的东西正在慢慢地被智能化的东西所取代。单片机作为智能家居的核心部件，由于其高性价比而得到了广泛的应用和发展，从而加速了智能家居的发展。本设计主要介绍了基于单片机的智能窗户设计，设计从硬件部分和软件部分实现了对烟雾、气体浓度、温度和湿度等环境参数的检测，并通过对采集数据的分析使系统做出相应的处理动作。但是由于客观条件和时间的限制，本课题的研究还存在很多不足，很多方面需要进一步提高。

参考文献：

[1]倪青青，周源源.基于AT89S52单片机的智能窗户的设计[J].科技世界，2015，（18）.

[2]张昌露，杜君花，燕伟.室内气体环境监控系统设计[J].高师理科学刊，2018：（05）.

[3]辛海亮.基于物联网的智能窗户系统设计[D].山东：山东科技大学，2014.

[4]王娟.基于单片机智能窗户控制系统[J].信息系统工程，2016，（01）.

[5]曾思通.基于STC89C52的智能家居系统设计[J].电子质量，2015，（12）.