基于微控制器的智能窗户设计

2021-11-19彭甫森刘江鹏翁龙海韦霄翔

电子测试 2021年20期

彭甫森，刘江鹏，翁龙海，韦霄翔

（东南大学成贤学院，江苏南京，210000）

0 引言

使用市面上的传统窗户时，每次外出都需检查窗户是否上锁，预防小偷入室盗窃；每次刮风下雨都会思虑家里的窗户是否关闭，担心雨滴飘进室内，这些都给生活增添了负担。身处快节奏生活的人们急切需要一种智能型的自动开关窗系统，在刮风下雨时能够智能的关闭窗户，在盗贼入侵时能够智能的通知户主，在有害气体泄漏时能够自动开窗。这种智能化窗户能够减轻家庭生活的负担，给人们带来更大的便利和安全。

1 设计方案

本设计利用微控制器以及相关传感器实现窗户的自动开关。微控制器会处理来自传感器的信号，从而实现相关功能，相较于传统的窗户更加智能，符合社会发展需求。考虑成本以及设计难度，我们选择STC89C52RC为微控制器，系统由雨滴传感器模块、声音传感器模块、烟雾传感器模块、红外传感器模块、电机模块、限位开关、短信模块组成，设计方案框图如图1所示。

图1 设计方案框图

智能窗户系统的运行模式分为自动和手动，由按键切换。在手动模式下，微控制器不处理来自雨滴传感器、声音传感器和烟雾传感器的信号，窗户的开关由按键控制。在自动模式下，微控制器首先会判断当前窗户的状态，根据不同的状态，处理不同的传感器信号。当开窗状态下，微控制器不处理来自烟雾传感器的信号，当关窗状态下，微控制器不处理雨滴和声音传感器的信号。窗户的开关是由限位开关的状态来确定[3]。窗户关闭时，限位开关被触发，给微控制器一个信号，否则没有信号，微控制器根据信号的有无判定窗户的开关状态。

在自动关窗时，当窗户上的红外传感器检测到关窗途中有阻碍时，将会发送信号给微控制器，微控制器会控制电机停止转动。

为了保证财产生命安全，当窗外的红外模块检测到窗前有人停留时，微控制器则会控制短信模块发短信给户主。

2 硬件部分设计

2.1 微控制器

整个系统的微控制器是STC89C52，它是宏晶科技推出的一款低功耗、低成本、高效率的微控制器。在设计上与MCS-51系列的单片机完全兼容，学习成本低。STC89C52的程序具有电可擦写特性，在开发时能够反复测试实验，帮助我们完善程序。

2.2 雨滴检测模块

雨滴检查模块我们选用了电容式雨量传感器，它可用于根据电容值的大小来检测是否下雨及雨量的大小，然后通过LM393比较器转换成数字信号和模拟信号输出。在开窗状态下，微控制器会处理来自雨滴传感器的信号，控制电机正向转动，以实现智能关窗。

2.3 声音检测模块

声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒，声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压[1]。然后通过电压比较器转换成数字信号后，传送给微控制器,在开窗状态下，微控制器会处理此信号，以实现智能关窗。

2.4 烟雾检测模块

烟雾检测模块我们采用了MQ-2烟雾传感器，这种传感器能够检测多种有害气体，灵敏度高、稳定性好，而且价格便宜。我们给它的信号预处理使用的是比较器电路，可以输出数字信号，方便微控制器处理。在关窗状态下，如果室内有害气体泄漏，触发MQ-2烟雾传感器，它会发送数字信号给微控制器。微控制器收到信号后，控制电机反向转动，以实现智能开窗。

2.5 红外检测模块

红外传感器是用红外线的物理性质来进行测量的传感器，有灵敏度高等优点[2]。当窗外的红外模块检测到窗前有人停留时，将会发送信号给微控制器。微控制器则会控制短信模块发短信给户主，以保证财产生命安全。

在自动关窗时，当窗户上的红外传感器检测到关窗途中有障碍时，会持续发送信号给微控制器。微控制器收到信号后，会立即控制电机停止转动，直到红外传感器没有发送信号后，再驱动电机继续转动实现智能关窗。

2.6 短信模块

短信模块我们选择SIM-800C，它的性能稳定，功耗低，能够长时间工作，具有SMS短信息服务（Short Message Service）功能。此短信模块具备GSM服务，即支持2G网络，能够很稳定的完成预期目标中的短信报警。微控制器与它之间进行串口通信，发送AT指令集控制其实现SMS功能，进行短信息发送。

2.7 电机模块

电机模块由电机驱动ULN2003和电机24YBJ组成，ULN2003的达林顿晶体管可以用来驱动控制不能直接控制的负载。由于ST89C52RC的I/O输出的电流不能使电机转动，所以需要通过ULN2003扩大输出电流，使得电机正常转动。

3 软件部分设计

智能窗户软件部分采用C语言进行编程，主要编写程序让微控制器在不同的情况下处理特定的传感器信号，从而控制电机驱动窗户开关。程序分为两个主要部分，一部分为自动处理部分，另一部分为手动控制部分。

两部分是通过判断一个特定变量的值去切换与选择。当这个变量置“1”时，程序进入自动处理部分；当这个变量置“0”时，程序进入手动控制部分，而这个变量是由按键控制的。按下自动模式按键使变量置“1”，按下手动开窗键或者手动关窗键使变量置“0”，同时控制窗户做出相应的指令，这种并发的指令使窗户更加安全。

实现自动开关窗的程序设计的流程如图2所示。

图2 自动开关窗流程图

程序进入自动处理部分后，首先微控制器会判断窗外的红外传感器是否被触发。如果红外传感器被触发，并且持续发送信号时间超过设定值，微控制器就会发送AT指令集给短信模块，通过发送短信通知户主，然后程序进入下一步。如果红外传感器没有被触发，则会之间进入下一步，判断限位开关是否被按下。

如果限位开关被按下，则说明窗户现在处于关闭状态，这时微控制器会判断烟雾传感器是否被触发。如果烟雾传感器没有被触发，则回到上一步判断限位开关是否按下。如果烟雾传感器被触发，那么微控制器会控制电机反转开窗，电机的反转角度为设定值，根据用户的实际需求，由工程师设定。至此，程序的一个大循环结束。

如果限位开关没有按下，则说明窗户现在处于开启状态，此时微控制器会判断雨滴传感器和声音传感器是否被触发。这里判断两个传感器的程序，可以用C语言的位运算符“或”，写成一条语句。如果判断到有传感器被触发，那么微控制器会进入到一个小循环。这个小循环的主要目的是关窗，出循环的条件是限位开关被按下。在这个小循环的里面，如果窗户上的红外传感器检测到关窗途中有障碍，则会进入到另外一个更小的循环，直到没有障碍，才会出去，重新进入小循环。当限位开关被按下后，关窗小循环结束，至此，程序的一个大循环结束。