基于单片机的智能开关窗系统设计研究

王 宾

（漳州职业技术学院 智能制造学院，福建 漳州 363000）

自动控制系统的不断普及，使得智能家居的概念深入人心。智能家居系统利用物联网、无线通信、大数据及人工智能等技术，将大量的新技术应用到日常生活中，给人们的生活带来了很多便利［1］。作为家居智能化的核心部分，智能控制系统的开发和建设是未来发展的必然趋势［2］。但对于普通家庭来说，整体智能家居系统成本相对较高，智能家居的应用还比较少。因此，开发一款针对性较强的智能开关窗系统具有实用价值，并且可与智能家居系统进行对接［3］。

单立军等［4］设计了一种基于STM32 单片机的智能窗控制系统，实现了对窗户的智能化控制并提供了多种功能，但相应的系统设计比较复杂。申赞伟等［5］设计了基于STM32 的智能家居物联网系统，为设计智能家居系统提供了很好的研究思路。梁明远等［6］设计了基于树莓派的智能家居系统，采用JavaScript 设计UI 图形界面，实现了远程控制家居设备。乔宇等［7］在智能家居系统方面也做了大量研究。综上所述，目前对于智能家居系统的研究有较好的基础，很多研究者对此方向做了探究，不过对实际居民窗户应用的介绍相对较少。现有的门窗类型丰富，本文主要针对常见的悬窗的自动开关窗进行研究，如图1所示：

图1 常见的悬窗

对照研究方案的可行性，就控制核心器件单片机和PLC做以下比较分析：

1）单片机系统具有结构简单、控制功能强、可靠性好等优点，广泛应用在工业控制、智能化设备等各个领域；针对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC快捷方便，成功率高，可靠性好。

2）在成本价格方面：单片机价格便宜，功能强大；PLC的价格昂贵，体积大，功能扩展需要较多的模块，并且不适合大批量重复生产的产品。

3）在工作性能方面：单片机与其他元器件及软件可以构成各种各样的应用系统，使用范围更广，在数据采集、处理等方面，单片机也具有较好的性能［8］。

综合以上，结合系统研究目标及主要解决民用智能关窗系统的要求，本设计采用单片机作为控制核心部件，可以满足使用要求，且研究成本低。

1 系统总体设计

本文提出的智能开关窗系统总体设计框图如图2所示。

图2 智能开关窗系统

本系统以8051 单片机为控制核心，系统通过温湿度传感器DTH11 检测环境信号，并将其转化为电信号传输到单片机，单片机对检测信号进行判断，当达到开关窗条件时，启动开关窗机制。

系统设计电气原理如图3 所示。本系统采用AT89C51 单片机为控制芯片，其具有可嵌入性、实时控制、灵活选型和容易操控等优点［9］。系统采用LCD1206 显示器将相关数据实时直观地展示出来，并且可以通过按键显示内容，便于根据实际环境设置不同的控制信号阈值。

图3 系统设计电气原理

2 系统硬件设计

2.1 单片机控制框图

系统选用目前比较常用的51 系列8 位单片机，MCS-51 是这一系列单片机的内核代表，其在硬件结构上相似，而且指令系统相互兼容［10］。许多生产公司在8051 的基础上增加相应的性能，这一被称作“增强型51 单片机”的新机型在处理速度方面大大提高，各项功能得到增强，集成的资源也丰富了很多［11-12］。

单片机与外围电路构成硬件控制系统，主要包括复位电路、时钟电路、按键电路、电机驱动电路、指示灯电路、液晶显示电路和温湿度检测电路。控制系统结构如图4所示。

图4 控制系统结构

2.2 温湿度传感器模块

本设计采用温湿度传感器DHT11 检测信号。DHT11 应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，在检测外接温度和湿度时具有较好的可靠性和稳定性。该传感器包括1 个电阻式感湿元件和1 个NTC测温元件，采用单线制串行接口，外接只需加适当的上拉电阻，检测电路模块如图5所示。

图5 DHT11 检测电路

实现对DHT11 读取数据的控制时序主要分为3 个部分：触发采集数据、读取数字0 和读取数字1。

1）当总线空闲状态为高电平时，单片机把总线拉低，等待传感器响应。这一过程持续时间必须大于18 ms 才能保证起始信号被传感器电路检测到，随后单片机发出开始信号。DHT11 接收到开始信号后，等待这一开始信号结束，然后发出持续80 μs时长的低电平响应信号，开始信号持续时间结束后，延时等待20～40 μs 切换为输入状态，等待DHT11 的80 μs 低电平信号结束。当单片机检测到DHT11 发出持续80 μs 的高电平信号时，就可以开始采集数据。

2）如果单片机读取到传感器的信号先为50 μs的低电平，之后为26～28 μs 的高电平，那么说明此时DHT11 输出数字是0。

3）如果单片机读取到传感器的信号先为50 μs的低电平，之后为70 μs 的高电平，那么说明此时DHT11 输出数字是1。

根据以上工作情况，单片机控制DHT11 并读取数据是通过时序控制并做出判断实现的。首先触发DHT11 采集数据，然后读取数据并判断0 或1。DHT11 输出数字0 和数字1 的区别在于高电平的持续时间。因此，单片机可在读取到高电平后，通过延时大于等于28 μs（可以设置30 μs）后，根据总线的电平状态来判断数据，高电平为“1”，低电平为“0”。

2.3 按键设置模块

本系统设置了按键模块用于设置控制系统参数，按键设置模块如图6 所示。

图6 按键设置模块

本系统功能按键采用机械弹性开关，在机械触点的弹性作用下，按键在闭合时不容易实现稳定接通，同样在断开过程也会出现不稳定的现象。为了避免此类不稳定的抖动现象对系统产生的不良影响，通常要在系统设计过程中考虑按键消抖措施。

按键的机械特性决定了抖动时间的长短，通常情况下为5～10 ms，对于很多按键控制场合来说，这是一个相当重要的时间参数。另外，操作人员的按键动作决定了按键稳定闭合时间的长短，通常情况下为零点几秒到几秒的时间。对于控制核心来说，正常的控制逻辑为按键闭合一次，控制核心只能判定为一次。因此，需要对按键进行去除键抖动处理。按键消抖有硬件消抖和软件消抖两种方法。

硬件消抖可以采用由两个“与非”门构成的RS触发器来实现，如图7 所示。在RS 触发器的作用下，如果因为按键的机械性能在闭合或者断开瞬间发生抖动，那么只要按键不返回原始状态，输出状态不改变，时钟为0，则不会产生抖动的波形。

图7 按键去抖电路

软件消抖是指通过软件程序实现按键去抖的操作，通常采用的软件消抖方法是延时函数按键消抖，这种方法简单实用。软件消抖程序编写思路：检测出键闭合后，通过延时函数等待5～10 ms（这一时长可以根据具体按键的机械特性进行设定），一般可以执行10 ms 以上的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下；当检测到按键释放后，也要给5～10 ms 的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。

根据系统功能，本设计采用软件延时来实现按键消抖，软件去抖流程如图8所示。

图8 软件去抖流程

2.4 开关窗指示模块

开关窗指示电路如图9所示。

图9 开关窗指示电路

单片机P2.4 口用于控制开关窗指示电路，在自动关窗或开窗过程中，P2.4 口输出高电平，驱动NPN 管Q2 导通，从而控制继电器RL1 得电，将开关从常闭触点调整到常开触点，指示灯被点亮。

2.5 电机驱动模块

该设计的电机驱动电路如图10所示。

图10 电机驱动电路

该设计选用L293D 驱动器，其易于控制，无需保护电路和散热器，频率为5 kHz，工作温度范围为0～70 ℃，可用于驱动控制电压在5～36 V 之间、电流高达600 mA的电机。

可以通过以下计算式选择电机功率：

式中，P为计算功率；F为所需拉（推）力；v为工作机速度。

以常见悬窗为计算示例，其中取推力为300 N，运行速度为10 mm/s，则电机功率为

电机驱动设置逻辑如表1所示。

表1 电机驱动设置逻辑

2.6 LCD液晶显示模块

该系统选择LCD1206 液晶显示器，其接口电路如图11 所示。LCD 显示器件功耗很低，在便携式电子产品中得到广泛应用，能够显示的信息类型包括文字、曲线、图形等。对比数码管显示器件，LCD 显示器件在性能上有了很大的提高。LCD 液晶显示器主要类型有笔段型、字符型和图形点阵型。根据项目实施特点，系统主要显示字母、数字、符号等，选用字符液晶显示器可以满足项目显示需求。

图11 液晶显示接口电路

3 系统软件设计

3.1 系统开关窗程序设计

系统开关窗软件设计流程如图12所示。

图12 系统开关窗软件设计流程

系统通过温湿度传感器检测环境信号，根据检测信号进行开关窗控制。如果空气中湿度超过设定值，表明开始有降雨，系统驱动电机转动，关闭窗户，当窗户碰到行程开关时，将信号传输给单片机，然后控制电机停止转动。室内环境温度信号控制的优先级低于湿度信号控制，在空气湿度未达到阈值情况下，如果室内温度超过阈值，启动电机控制开窗，同样通过行程开关控制开窗的极限位置。在开窗或关窗过程中，系统通过指示电路进行警示，防止人员误操作以致被夹伤。

3.2 系统按键程序设计

系统按键设置软件流程如图13 所示。

图13 按键设置流程

按键14 分别接单片机P2.0~P2.3 口，按键1 用于设置显示界面的切换，按键2 用于设置切换设置值，按键3和4用于设置参数阈值的加和减。每触碰一次按键2，参数num值加1（num初始值为0），当num=3时，再触碰一次按键，num值回到0，根据num值的不同设置当前的阈值类型。

3.3 LCD液晶显示软件设计

在进行命令、数据的写入前，要对LCD液晶显示进行读状态操作，判断液晶显示是否为忙状态。LCD液晶显示基础读写流程如图14所示。

图14 LCD液晶显示基础读写流程

通过读LCD内部状态函数，根据返回的状态字最高位的电平情况来判断液晶显示是否为忙，如果最高位为1，表示LCD正在忙；如果为0，则表示非忙。如果LCD一直处于忙状态，那么继续等待，直到进入非忙时才继续写入。查询忙状态的程序如下：

3.4 系统测试

通过系统按键进行阈值设置，如设置湿度上限阈值RH为50，当DHT11模块检测到湿度小于50时，指示灯不亮，电机不启动；当DHT11模块检测到湿度不小于50时，指示灯亮，电机启动。

按键设置界面如图15所示，仿真结果如图16所示，系统实物图及测试数据如图17及表2所示。

表2 测试数据

图15 按键设置界面

图16 仿真运行结果

图17 实物测试

4 结语

本文提出了一种基于单片机智能开关窗系统设计方案，该方案基于温湿度传感器DTH11，以51单片机为控制核心，研究并设计了一种智能开关窗系统。首先系统通过温湿度传感器检测环境信号并转化为电信号，然后将其传输到单片机对检测信号进行判断，最后作出相应的控制。该设计从系统硬件和软件两个方面进行了介绍，对硬件电路各个功能子模块进行了分析，包括温湿度传感器模块、按键设置模块、电机驱动模块和运行指示灯模块，并且根据系统设计要求对软件设计流程进行了分析。

本设计电路结构简单，通过proteus 软件进行仿真验证，并运行软件程序对实际情况进行模拟，具有较好的参考意义。系统设计实用，嵌入性强，可以通过扩展接入端口和传感器模块对系统功能进行增强，可以用于与智能家居系统进行对接。在此基础上，笔者提出以下展望：

1）增加系统配电设计。系统设计没有详细说明供电问题，在目前研究阶段，可以通过家用市电进行降压整流，以提供系统用电需求。如果考虑系统的进阶功能，可以增加太阳能供电，提高系统的可靠性。

2）充分考虑安装配置问题。系统设计对电路结构和软件设计做了阐述，针对不同的居家环境、使用场合，需要考虑系统的安装问题，这一情况要根据现场条件进行调整。

3）长远考虑系统实施情况。智能家居的发展虽然已经有几十年的积累，但是全屋智能家居系统的实现仍然不成熟，各系统模块的设计要考虑今后的发展对接，要从长远角度考虑系统的实用性。