許鵬程，陳 健，張文峰，胡光東，趙 藝

(金陵科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

1 技術(shù)背景

紗窗普遍應(yīng)用在人們的日常生活中。目前多數(shù)窗戶采用人工開啟、關(guān)閉的方式，不具有自動(dòng)透氣通風(fēng)，防雨，防風(fēng)，防強(qiáng)光，防高、低溫變化等功能。而紗網(wǎng)通常是獨(dú)立安裝在窗框中，一方面容易沾染灰塵，清潔不便，另一方面由于紗網(wǎng)的安裝方式造成它與窗戶間的密封性差，蚊蟲很容易通過空隙進(jìn)入室內(nèi)，給生活帶來諸多不便。

文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種能夠根據(jù)光線強(qiáng)弱打開/關(guān)閉窗簾的智能控制系統(tǒng)，具有檢測并能清除窗戶灰塵、窗戶防盜報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)，但是檢測和清除工作將加大控制系統(tǒng)成本。

為了解決窗戶紗網(wǎng)密封性不嚴(yán)、紗網(wǎng)清潔麻煩的問題，并實(shí)現(xiàn)窗戶根據(jù)外界環(huán)境變化自動(dòng)開合、關(guān)閉的功能，本文討論了一種一體紗窗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該一體紗窗系統(tǒng)能通過傳感器電路檢測室外濕度、溫度、光強(qiáng)及風(fēng)速信號(hào)，然后傳入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，再輸出脈沖調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)一體紗窗的自動(dòng)開閉。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

一體紗窗由電路部分和機(jī)械部分組成。電路部分包括風(fēng)速傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、光敏傳感器、按鍵模塊、限位開關(guān)等輸入設(shè)備，數(shù)據(jù)處理部分，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊輸出設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在電路控制系統(tǒng)中，輸入部分起到重要作用，同時(shí)還需根據(jù)環(huán)境值對(duì)傳感器及軟件設(shè)置相應(yīng)預(yù)設(shè)值。各傳感器的狀態(tài)分別保存在相應(yīng)變量中，根據(jù)傳感器的優(yōu)先級(jí)，并根據(jù)用戶需求設(shè)計(jì)一體紗窗的開合度。該智能窗戶還可以通過按鍵模塊進(jìn)行人工控制。在意外斷電后或運(yùn)行過程中，用戶也可以通過按鍵模塊調(diào)整開窗狀態(tài)。這樣可以滿足不同用戶的需求，也可以解決紗窗的清潔工作。

設(shè)計(jì)的一體紗窗的構(gòu)造示意圖如圖2所示。

當(dāng)傳感器達(dá)到預(yù)設(shè)值，窗戶實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的開閉。窗戶在開關(guān)的同時(shí)，紗網(wǎng)在拉伸與壓縮，收卷紗網(wǎng)的一側(cè)裝有的毛刷會(huì)自動(dòng)清理紗窗上的灰塵，并將灰塵集于除塵盒中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紗窗的自動(dòng)除塵。而可隨意拆卸并自動(dòng)除塵的紗網(wǎng)和窗戶一體式設(shè)計(jì)能大大加強(qiáng)窗戶的密封性，起到防塵、防蠅蟲的作用，同時(shí)使得窗戶的整體框架更精簡。

圖2 一體紗窗的構(gòu)造示意圖

3 硬件部分

3.1 處理器部分

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器[2]，它具有8K字節(jié)Flash和256字節(jié)RAM。利用ISP在線下載功能，不需要將CPU從電路板上取下來，只需編好程序并燒錄到單片機(jī)中，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、方便的解決方案。

3.2 輸入部分

3.2.1 風(fēng)速傳感器

考慮到系統(tǒng)具有體積小、成本低的特點(diǎn)，利用投射式光耦自行設(shè)計(jì)風(fēng)速傳感器。它的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)速傳感器示意圖

透射式光耦由兩部分組成:一部分是發(fā)光二極管，發(fā)射紅外線;另一部分是接收紅外線的光電管，中間的縫隙為光線傳輸而設(shè)。當(dāng)沒有障礙物擋住時(shí)，光電管接收到光線，飽和導(dǎo)通，集電極C為低電平，經(jīng)74LS00非門后，信號(hào)為高電平;當(dāng)風(fēng)扇不透光部分擋住時(shí)，光電管截止，集電極C為高電平，輸出信號(hào)為低電平。這樣，每個(gè)縫隙經(jīng)過時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，通過T2捕獲方式，對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。

風(fēng)扇隨著氣流的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)縫隙經(jīng)過時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，從而輸出電脈沖信號(hào)，將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。將機(jī)械位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電脈沖信號(hào)，通過微處理器CPU記錄每秒鐘產(chǎn)生的光電脈沖的個(gè)數(shù)，快速運(yùn)算處理后即可得出氣流的運(yùn)動(dòng)速度。

3.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器用于檢測室外溫度，選擇由DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20型單總線作為溫度傳感器。其結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍、測量精度滿足系統(tǒng)要求[3]。溫度傳感器DS18B20的接線圖如圖4所示。

圖4 溫度傳感器DS18B20的接線圖

3.2.3 濕度傳感器

濕度傳感器用于檢測空氣的濕度，選用體積超小、功耗極低的DHT11濕度傳感器，其將檢測到的模擬量通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送往MCU。數(shù)字式傳感器DHT11的接線圖如圖5所示。

圖5 數(shù)字式傳感器DHT11的接線圖

3.2.4 光敏傳感器

光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)[4]。為使系統(tǒng)方便地適應(yīng)外界環(huán)境的變化，選用光敏電阻GL5516、電壓比較器等自行設(shè)計(jì)光敏傳感器，光強(qiáng)檢測硬件電路圖如圖6所示。當(dāng)外界環(huán)境光照強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值較小，則A點(diǎn)為高電平;當(dāng)外界環(huán)境光照弱時(shí)，光敏電阻阻值較大，則A點(diǎn)為低電平，將此電平送到單片機(jī)，由程序控制是否驅(qū)動(dòng)電機(jī)開關(guān)窗戶。

圖6 光強(qiáng)檢測硬件電路圖

3.2.5 按鍵模塊

利用按鍵模塊發(fā)送信號(hào)，然后由單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)切換、開窗簾、關(guān)窗簾。

3.2.6 極限開關(guān)

為了防止因意外斷電在再次來電時(shí)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，需要使用透射光耦極限開關(guān)。當(dāng)紗窗運(yùn)行到兩邊極限的位置將引發(fā)初始化，MCU根據(jù)傳感器采集到的信號(hào)，調(diào)整紗窗運(yùn)動(dòng)為初始狀態(tài)。

3.3 輸出部分(步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng))

采用多摩川TS3622N12四相步進(jìn)電機(jī)作為紗窗的驅(qū)動(dòng)裝置，選擇ULN2003作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片[5]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如圖7所示。AT89S52發(fā)出TTL邏輯電平，經(jīng)ULN2003可驅(qū)動(dòng)工作電壓12V的步進(jìn)電機(jī)。

圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

4 軟件部分

4.1 傳感器狀態(tài)值的確定

4.1.1 風(fēng)速傳感

使用自行設(shè)計(jì)的風(fēng)速測速儀測量室外風(fēng)速。當(dāng)風(fēng)級(jí)小于等于4級(jí)，即風(fēng)速小于等于7.9m/s(28km/h)時(shí)，變量d，e返回 0，0;當(dāng)風(fēng)級(jí)大于 4級(jí)并小于等于6級(jí)，即風(fēng)速大于7.9m/s(28km/h)小于等于 13.8m/s(49km/h)，變量 d，e返回 0，1;當(dāng)風(fēng)級(jí)大于6級(jí)，即風(fēng)速大于13.8m/s(49km/h)，變量d，e返回1，0;風(fēng)速的不同劃分通過單片機(jī)記錄每秒鐘產(chǎn)生的光電脈沖的個(gè)數(shù)來確定。

4.1.2 溫度傳感

使用溫度傳感器測量室外溫度，當(dāng)室外溫度小于10℃或大于28℃，變量c返回0。當(dāng)溫度介于10℃和28℃之間，變量c返回1，從而達(dá)到能在高溫的夏天、低溫的冬天自動(dòng)關(guān)窗的效果。

4.1.3 濕度傳感

室外的濕度一般是:冬天為30% ～80%，夏天為30% ～60%，當(dāng)室外濕度小于80%，窗戶自動(dòng)打開，變量a返回0;當(dāng)室外濕度達(dá)80% ～100%，變量a返回1，從而實(shí)現(xiàn)室外濕度較高時(shí)，窗戶能夠自動(dòng)關(guān)閉的功能。

4.1.4 光強(qiáng)傳感

使用光敏傳感器，在白天或光線比較充足的狀況下，光照強(qiáng)度大于10LUX，變量a返回0;在黑夜或光線較暗的狀況下，光照強(qiáng)度小于10LUX，變量a返回1，達(dá)到了白天能夠開啟窗戶、晚上能夠關(guān)閉窗戶的效果。

4.2 控制算法

算法使用 5個(gè)變量 a，b，c，d，e來分別保存濕度、光強(qiáng)、溫度、風(fēng)速的狀態(tài)，并且令優(yōu)先級(jí)為(見表1):濕度 ＞光強(qiáng) ＞溫度 ＞風(fēng)速，將這5個(gè)值組成1個(gè)新的狀態(tài)變量NUM:NUM=24*a+23*b+22*c+2*d+e;用戶可以根據(jù)不同狀態(tài)值，自行調(diào)整窗戶的開合程度。

程序流程圖如圖8所示。

圖8 程序流程圖

表1 優(yōu)先級(jí)狀態(tài)表

5 實(shí)驗(yàn)論證

智能窗實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 智能一體紗窗實(shí)物圖

根據(jù)硬件和軟件設(shè)計(jì)，將控制算法寫入單片機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試，隨著濕度、光強(qiáng)、溫度、風(fēng)速的環(huán)境變化，智能窗均能滿足用戶需求。

6 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，這種智能窗實(shí)現(xiàn)了:同步當(dāng)前環(huán)境濕度、光強(qiáng)、溫度、風(fēng)速等信息;根據(jù)用戶需求，設(shè)計(jì)窗戶的性能，可以智能調(diào)整窗體開合程度。該智能窗有效地解決了窗戶紗網(wǎng)密封性不嚴(yán)、紗網(wǎng)清潔麻煩的問題，目前可以用作對(duì)環(huán)境有一定要求的實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)窗、圖書館以及高檔建筑用窗。一體紗窗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的效果與單片機(jī)和傳感器采集有著密切關(guān)系，為了取得更好效果，風(fēng)速傳感器安置、各傳感器軟件設(shè)計(jì)值以及采集數(shù)據(jù)干擾的消除有待進(jìn)一步研究。

[1] 浦靈敏，季愛明.基于STC89C52單片機(jī)智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2011(10):150－151.

[2] 黃小波.基于AT89S52單片機(jī)與DS18B20的溫度監(jiān)控系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008(29):119－120.

[3] 潘彩霞.基于AVR單片機(jī)的家用電熱水器智能溫度控制器設(shè)計(jì)[J].中國制造業(yè)信息化，2012，41(19):69－71.

[4] 郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009:10－15.

[5] 江衍煊，鄭振杰，游徳智.單片機(jī)連接ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用[J].機(jī)電元件，2010，30(3):29－31.