多功能家居智能窗设计

张建刚

摘要：智能窗开发设计以单片机为控制芯片，为满足不同住户控制要求，选取使用不同传感器，实现检测环境湿度、室内可燃气浓度、光照强度。当室内可燃气体浓度超出正常值时，驱动电机将会开启窗户，同时蜂鸣器发出警报提醒主人空气异常;控制系统能够检测环境温湿度，在检测结果满足设定值时自动关闭窗户;当有人靠近房间会触发传感器动作，窗户会自动关闭并发出警报。

Abstract： The smart window development design uses a single-chip microcomputer as the control chip. In order to meet the control requirements of different residents， different sensors are selected to realize the detection of environmental humidity， indoor gas concentration， and light intensity. When the indoor flammable gas concentration exceeds the normal value， the drive motor will open the window， and the buzzer will send an alarm to remind the owner of the abnormal air; the control system can detect the ambient temperature and humidity， and automatically close the window when the detection result meets the set value; Approaching the room will trigger a sensor action， and the window will automatically close with an alarm.

關键词：单片机;智能家居;传感器;异常报警

Key words： single-chip microcomputer;smart home;sensor;abnormal alarm

中图分类号：TP212.9                                   文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）01-0250-03

0  引言

现代居家生活中，窗户不仅有装饰室内作用，同时也具备采光作用，另外还有空气清新和流通作用。防盗采取安装不锈钢防护栏，能够起到防盗作用，但是存在各种弊端，比如发生火灾等意外事件，防护栏将人困在室内，让人失去逃生机会，所以智能窗户研发有重要意义。

1  智能窗控制系统介绍

本设计利用单片机技术在单片机上集成多种传感器设计出多功能智能窗户系统。整个智能窗的设计是在对目前国内外研制出的智能窗系统存在的不足，进行分析的基础上设计出更加完善的多功能智能窗系统，通过使用烟雾传感器，红外传感器，光电开关，湿度传感器，以及使用远程红外遥控接收传送设计出的智能化窗户，系统架构如图1所示。

1.1 系统传感器选型

1.1.1 温湿度传感器选择

DHT11数字温湿度传感器具有自动校准数据、智能数字采集功能，与单片机可实现数据时时数据同步交互，数据同步过程中，该传感器将40位的二进制数传输到单片机模块。这些数据通过程序进行处理，转化成温湿度实际值，由显示器显示结果。其特点是响应快，抗干扰能力强，性价比高，体积小、功耗低和品质优良。

1.1.2 燃气浓度传感器选择

设计采用气敏式烟雾传感器MQ-2，该传感器常用于气体泄漏检测，对于液化气、酒精、烟雾等能起到探测作用。

1.1.3 人体防盗检测传感器选择

光电开关E18-D50NK是集发射器和接收器于一体的漫反射式光电开关，当探头前有物体经过，经过的物体将发射器发射的足够量的光线反射到自身接收器，通过反射光线作为光电开关动作信号。

1.2 系统显示器选型

LCD1602字符液晶显示器属于点阵型显示模块，高达160个字符可以随时应用。其特性：有多种指令提供;模块中存在一键初始化功能;系统模块中具有八个字符发生器;具有的数据存储器DDRAM有80字节;正常工作时工作电压稳定值在3.3V或5V。

1.3 A/D转化芯

A/D转换是通过电路技术把模拟信号转化成数字信号。当A/D芯片的输出端输出低电平时，芯片开始工作，单片机向输出端发送不同数量的脉冲信号，DI端有效，此时把DI端作为数据功能选择的通道，时钟脉冲信号下降前端口都是单片机发出高电平控制脉冲信号，在下降之前，发出的第二个时钟信号下降前输出端口输入的数据用于数据通道的选择。当单片机向输入端输入的高电平的话，电机不发生转动ADC处于休眠状态。

2  系统驱动电机选型

步进电机工作原理：单片机发出高低电平到驱动芯片，驱动芯片把单片机发出的高低电平转化成为数量不同的脉冲信号来使得步进电机运转。脉冲信号传输是具有以下顺序的在特定顺序下发出的脉冲数量形成信号，这个特定顺序下的脉冲是实现电机正反转动的重要依据，设计中步进电机的接口对应单片机P1.0，P1.1，P1.2，P1.3口，采用ULN2003芯片驱动模块。

3  硬件部分设计

为能够实现所需功能要求选用支持单片机的芯片作为整体的核心控制模块，还需要电源来提供动力保障，晶振电路实现电路的连接，复位电路实现电路的归零。

3.1 复位电路

系统复位是通过在复位端连接一个电阻实现的，设计中复位电路模块是由内外芯片内部和芯片外部两部分组成的，采用如图2的复位电路，单片机接收到复位信号后，在之后的任务执行中单片机中所有的数据都要从0000H单元中开始执行操作，复位信号就是在单片机接受到复位信号后执行初始化的操作方式。

3.2 时钟电路

连接在单片机XTAL1和XTAL2两个引脚之间的电容模块和晶体振荡器，能够使得集成在单片机板子上的各个传感器和元器件之间能够协调统一有效实现的定时控制功能。这里把两个引脚上连接的电容和晶体振荡器合称为自激振荡器，其能够更加稳定的实现定时功能。为了给单片机提供稳定的振荡信号和相对稳定的频率，在电容和晶体振荡器连接在单片机XTAL1和XTAL2兩个引脚之间，增加一个高增益反相放大器。设计中选择的振荡电路，是外接两个电容原件11.0592MHz无源晶振。采用电容为22pF，采用晶振频率为12MHz，晶振选择11.0592MHz，复位电路图如图3所示。

3.3 步进电机驱动芯片接口

为了实现需要使得电机能够正常运转所需要的电流和电压。选用控制方向信号和脉冲序列的的I/O口连接在单片机上面，用五线四相步进电机带动的芯片来实现驱动。通过单片机的端口安装起来的步进电机使用的芯片来自于ULN2003大功率达林顿阵列驱动。能够直接安装在单片机上面实现直接运行功能，电机连接如图4所示。

3.4 A/D转化芯片的接口

如图5所示，要使得模拟信号转换成数字信号，选择采用ADC0832芯片。

4  软件部分设计

设计中将零散的模块集中在一块板子上实现整体功能，在板子上集成了温湿度传感器、红外传感器、烟雾传感器、步进电机、芯片等模块。把这些模块集中在一起芯片中烧录程序实现总体控制，主程序控制个模块之间的协调有序的运行，实现需要的功能。通过keil提供的集成开发环境uVision4，进行仿真调试器。在软件的编写过程中，编辑、编译、汇编、连接、调试等各个阶段都集中在uVision4中。先通过编译器编写程序、然后调用编译器进行编译，连接之后即可直接运行。软件主程序如图6。

5  结束语

整个设计了利用温湿度传感器、光敏传感器、燃气传感器通过将非电子信号转换成电子信号，运用AD转换器将这些模拟信号转换为电子信号。单片机发出不同数量的脉冲信号将这些信号发送到电机上控制窗户的自动开关。让窗户实现智能化用户有更舒适的生活体验，报警系统能够在突发状况下发出警报减少住户不必要的损失，保障住户的安全。

参考文献：

[1]唐文彦.传感器[M].四版.北京：机械工业出版社，2011.

[2]刘同法.单片机外围接口电路与工程实践[Z].北京航空航天大学出版社，2009.

[3]谭浩强.C语言程序设计[M].三版.北京：清华大学出版社，2005.