基于单片机的智能窗户系统设计与实现

徐子鹏，朱浩闻，龚明珠，冯惠萍，周佳滢

（东南大学成贤学院，江苏 南京 210088）

0 引 言

现在社会发展迅速，不论是经济还是科技都不曾停止过前进，各种新奇的事物层出不穷。与社会同步提高的还有人们的生活水平和生活需求，因此各类方便快捷的智能家具也应运而生。同样的，现如今的人们面临着生活节奏逐步变快的压力，正是亟需方便快捷的智能化的商品来减轻生活中的负担的时候。我们的设计思路也是由此而来。

以往的普通窗户一切都需要消费者亲自手动进行操作。用户需要在离开家的时候进行手动关闭窗户以防不法分子偷偷从窗户进入；当雨天来临时，倘若用户没有及时关好窗户，大雨很容易就会淋入房间；如果家里哪里有东西燃起来了而用户没注意，窗户又是关闭着的，此时用户的生命安全和财产安全都会收到威胁。所以人们亟需一些能够代替人们判断这些琐事的智能家具来减轻生活的压力和负担，而智能窗户就是这样的一个选择。拥有着防雨防盗防烟功能的智能窗户可以极大地方便人们的日常生活。

1 设计方案

我们的设计选用了STC89C52RC 单片机来处理各个传感器的信息。单片机进行数据信号的处理后将指令发给电机，由电机带动窗户进行开关窗户。这个单片机是一个能量需求较低,同时拥有较高性能的51 内核的CMOS 8 位单片机，而系统由时钟模块、红外遥控模块、雨滴传感器、红外防盗模块、烟雾报警模块、舵机构成，设计方案如图1所示。

图1 设计方案框图

基于单片机的智能窗户系统拥有手动和自动两种操作模式。当我们切换到手动模式下进行操作时，单片机不会进行自动的操作部分，只能进行手动遥控开关窗户。切换到自动模式后，系统可以根据更细节的窗户运行情况和各模块的情况达成各种模块的功能，让单片机处理各个传感器的信息。在开窗的状态下，雨天时传感器上有水时会输出低电平，单片机接受信号后执行关窗等操作；在关窗的状态下，室内弥漫的烟雾和可燃气体会让传感器给我们的单片机发送信号，从而使窗户打开并且开启风扇和蜂鸣器；红外报警模块会在红外传感检测到人后给单片机发出信号，单片机处理信息并使警报响起，若是在开窗的情况下还会进行关窗。

2 硬件的设计方案

2.1 51 微处理器

我们整个智能窗户系统是基于单片机STC89C52 上，这个单片机是由STC 公司生产的，它的优点是作为一个功耗低，性能又高的八位单片机，价格低廉，而且使用起来非常的简单，很适合新手学习的时候作为练手使用。并且单片机上编写的程序可以抹除修改，能够支持我们不断的实验来发现错误并不断完善程序以达到目标功能，原理图如图2所示。

图2 微处理器

2.2 时钟模块

时钟模块使用了DS1302 时钟芯片，它是一种由美国DALLAS 公司出品的，一种功耗很低的时钟芯片，在市场非常普遍、价格低廉、使用也很方便并且功能也十分齐全。我们使用它可以使智能窗户系统来显示当前时间，并且可以实现通过定时来自动开启或关闭窗户。原理图如图3所示。

图3 时钟模块

2.3 红外遥控模块

红外遥控技术的优点有功耗低，信号传输稳定，抗干扰能力强等。我们采用的红外遥控模块是通过红外遥控器发出红外信号然后由红外接受头接收，然后通过红外的二极管和三极管将红外光转化为相应的电信号传输给放大器，再将放大后的信号传给51 微处理器收到信号后发出指令使小电机转动，来实现远距离通过遥控的方式实现开关窗。原理图如图4所示。

图4 红外遥控模块

2.4 雨滴传感模块

我们的使用的是名叫YL-83 的一款雨滴传感器，YL-83雨滴传感器由电子板和收集水滴的感应板组成，有一个LED灯泡在电子板上，当电源被接通时LED 灯会点亮。当感应板上没有水时，电阻较大，DO 口会向单片机输出高电平，同时会让LED 灯灭掉；水滴滴在感应板上后，水滴导致电阻发生并联，电阻变小，DO 口会向单片机输出低电平，LED 灯亮。DO 口可以与微处理器直接相连，由单片机检测高低电平来判断外面是否下雨，来使小电机转动实现智能自动开关窗。原理图如图5所示。

图5 雨滴传感模块

2.5 红外防盗模块

我们的红外防盗模块使用的是HC-SR501 红外传感器，它凭借高可靠性，高性能，低功耗，价格便宜而广受欢迎，应用非常普遍。它是通过接收到人体发出的红外线而引起的电荷失常来工作的，当有人在红外传感器的检测范围时，红外传感器会将信号传输给51 单片机，来控制小电机旋转关窗并使蜂鸣器报警。原理图如图6。

图6 红外防盗模块

2.6 烟雾报警模块

我们选用了名为MQ-2 的一种烟雾传感器，这个传感器可以检测到对人体有害的气体，烟雾等，具有比较高的灵敏度，较广的侦测范围，功耗低，价格低廉等优点。当烟雾传感器检测到有毒有害的烟雾和气体时，内置的二氧化锡半导体气敏材料会发生变化，给51 微处理器发送模拟信号，微处理器使小电机转动开窗，蜂鸣器进行报警并且打开室内的排风扇帮助通风。原理图如图7所示。

图7 烟雾报警模块

3 软件部分设计

C 语言是我们选择的软件编程工具，当传感器部分检测到了对应的信息变化就会发送对应的信号给作为处理器的单片机。经过了单片机中对应程序的运行带动电机或是风扇和蜂鸣器。

程序设计流程如图8所示。

图8 智能窗户系统工作流程图

智能窗户在工作时，程序进入启动状态。我们可以通过手动按红外遥控器上面的窗户的开关按键来远距离开启或关闭窗户，不用人走到窗前手动关窗非常的方便。同时在智能窗户系统上的各个模块都会逐渐启动，首先红外传感模块的外接红外传感探头会先预热1～2 分钟，然后红外感应探头会对窗前进行扫描，在红外传感器没有检测到人体后，系统就会正常的开窗。当在窗前一定的距离内红外检测到有人靠近时，会将开启的窗关闭，并且无论是否开着窗户，都会触发蜂鸣器报警的程序，提醒主人去查看，确认窗外没有危险然后手动关闭蜂鸣器的警报。

当处于窗户开启状态时，雨滴检测模块才会启动，如果窗户是关闭的雨滴模块会处于待机状态。窗户开启时雨滴传感器会检测是否有雨滴。如果雨滴传感器的外面的感应版上有雨滴，传感器就会向单片机输出低电平，单片机会执行关窗的程序，而检测到雨水消失后会进行重新开窗的程序。单片机通过雨滴传感器输出的是高电平或者低电平来判断执行开窗或者关窗的程序，或者当限位开关变动后会停止这种循环。

当窗户处于关闭状态时，烟雾传感器会进行检测。当室内有烟雾时，烟雾传感器上的二氧化锡半导体材料的电阻就会发生变化，从而引起了表面导电率的变化，当烟雾浓度越大时，导电率就越大使输出的电阻越低，然后输出越大的模拟信号，模拟信号通过芯片ADC0832 进行数模转换，然后将数字信号传输给51 单片机，单片机就会运行开窗和开启风扇和开启蜂鸣器的程序。

整个流程中我们的程序会先执行液晶和时钟芯片和液晶显示内容的初始化。然后会判断时钟芯片是否在运行，若没有，则会初始化一个时间，并且获取当前时钟芯片的时间，存在数组timebuff中。在时间控制的模式下，如果到了关窗户的时间，程序会进行判断if((TimeBuff[4]==CloseHour)&&(TimeBuff[5]==CloseMin)&&( TimeBuff[6]==0)),再根据窗户当前状态的参数进行是否关窗的操作，定时开窗也是同样的方法。

在湿度系统中，用湿度传感器对降水量进行测量，并将控制器检测到的信号进行转换。然后通过从控制器发送来的信号设置的时间间隔，可以便捷地控制窗户的电机。有两个小指示灯，分别是通电指示灯和信号灯。通电指示灯在接通电源后常亮，信号灯在没有检测到雨滴时会熄灭；信号灯在检测到雨滴时点亮。检测水滴的电路板板和控制板是分开的，为的是可以便捷地将线引出到别的位置。编写雨滴探测程序。感应板上没有水滴时，DO 输出为高电平，数字输出指示灯DO-LED 灭 ，打印 * 无雨*。滴上一滴水，DO 输出为低电平，数字输出指示灯DO-LED亮，打印 *湿度xx*。刷掉上面的水滴，又恢复到输出高电平状态。图9是我们的湿度传感器的实验结果。

图9 测试结果

4 结 论

在这个信息化的时代，生活水平的提升以及经济社会的发展带来的也有生活节奏的加速。智能化时代，智能化管理，而忙碌的我们可能没有多余的时间去更多的处理家务，这些智能化设备能够很好的解决生活中需要操心的事情，减轻压力，让我们能够更加安心的学习和工作。

这款能够在不同条件下进行智能调整窗户的开关状态以及报警的窗户。可以预见的是，这种类型的窗户将会逐渐进入人们的生活中。这个运用单片机的智能窗可以大大方便我们日常生活中的各种开关窗的需求，让智能家居能被更多人了解和接受。