顧 涵，孫 健，胡紹旋，石 秀，錢 琳

(常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

一種風(fēng)光互補(bǔ)供電的智能窗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧 涵，孫 健，胡紹旋，石 秀，錢 琳

(常熟理工學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)家居智能化的要求不斷提高，智能窗市場需求不斷擴(kuò)大.針對(duì)傳統(tǒng)窗戶純機(jī)械式控制存在的問題，設(shè)計(jì)一種采用風(fēng)光互補(bǔ)供電且無需人力開關(guān)窗的智能窗控制系統(tǒng).系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集環(huán)境狀態(tài)信息，由單片機(jī)處理濕度、溫度等信息后自動(dòng)控制窗戶的開啟和關(guān)閉，具有廣泛的市場應(yīng)用前景.

單片機(jī)；風(fēng)光互補(bǔ)；智能窗；設(shè)計(jì)

在人們快節(jié)奏的生活中，傳統(tǒng)功能的窗戶給人們帶來了諸多不便.隨著社會(huì)的進(jìn)步和電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)家居智能化的要求不斷提高，智能窗市場需求不斷擴(kuò)大.目前，市場上傳統(tǒng)智能窗價(jià)格昂貴，功能單一，不能更好地滿足用戶的需求.智能窗控制系統(tǒng)采用風(fēng)光互補(bǔ)[1]供電，設(shè)計(jì)成本低，性價(jià)比高，功能多樣，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控環(huán)境狀況并通過無線發(fā)射模塊[2-3]及時(shí)通知用戶，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程操作與管理，解決了用戶不在家時(shí)窗戶開關(guān)的問題.設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了家居智能化的特點(diǎn)，為用戶創(chuàng)建了一個(gè)安全的智能家居環(huán)境.

1 系統(tǒng)介紹

智能窗控制系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，運(yùn)用多種功能傳感器，可以實(shí)時(shí)檢測環(huán)境狀況信息，當(dāng)環(huán)境變化時(shí)能夠自動(dòng)感應(yīng)處理，精度較高且彌補(bǔ)了人體不易感知的缺陷.采用風(fēng)光互補(bǔ)供電，“綠色能源，節(jié)能環(huán)?！保哂腥斯づc自動(dòng)控制[4]兩種控制模式.在人工模式中，當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光，此時(shí)紅外接收管接收信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行解碼，根據(jù)鍵值的功能再由單片機(jī)控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗戶與窗簾的閉合.此模式中，也可由用戶手動(dòng)推拉實(shí)現(xiàn)開關(guān).

自動(dòng)控制模式能根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境的變化情況來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān).先由氣體、溫濕度、人體熱釋紅外等傳感器采集室內(nèi)外的環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)將數(shù)據(jù)與設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，再根據(jù)環(huán)境參數(shù)優(yōu)先級(jí)的高低先后處理高低優(yōu)先級(jí)對(duì)應(yīng)的功能，最終控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)窗戶與窗簾的閉合并在液晶屏中顯示對(duì)應(yīng)的環(huán)境值.如有緊急事件發(fā)生，可通過GSM模塊及時(shí)通知用戶進(jìn)行處理，整個(gè)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外遙控模塊、GSM無線模塊、風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊、顯示模塊和時(shí)鐘模塊等.主要對(duì)傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、紅外遙控、GSM無線及風(fēng)光互補(bǔ)供電五個(gè)硬件模塊進(jìn)行分析.

2.1 傳感器模塊

系統(tǒng)所用傳感器有煙霧傳感器MQ135B、溫濕度傳感器DHT11[5-6]、熱釋紅外傳感器RD622及光敏電阻.煙霧傳感器MQ135B和光敏電阻將環(huán)境中采集到的狀態(tài)信息轉(zhuǎn)化為模擬電壓，再經(jīng)ADC采樣轉(zhuǎn)換后交由單片機(jī)處理，而熱釋紅外RD622與DHT11數(shù)字芯片可以直接將采集到的信號(hào)傳給單片機(jī)處理.以MQ135B、DHT11為例進(jìn)行分析，如圖2所示的煙霧傳感器模塊電路，在沒有煙霧的情況下，傳感器阻值較高，反之，阻值會(huì)下降，端電壓跟著下降.由于傳感器輸出信號(hào)較微弱，為了滿足下級(jí)對(duì)輸入信號(hào)的要求，采用LM324構(gòu)成的同相比例運(yùn)算放大電路對(duì)其放大來保證電路的穩(wěn)定.

溫濕度傳感器DHT11內(nèi)部由1個(gè)電阻式感濕元件和1個(gè)NTC測溫元件組成，可與8位單片機(jī)相連，具有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出功能，響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)并能保持長期穩(wěn)定，模塊電路如圖3所示.DHT11采用5 V供電，電源和地之間可增加一個(gè)容值為0.1 μF的電容用以去耦濾波.DHT11與單片機(jī)之間采用單總線數(shù)據(jù)方式保持同步和通信，單次通訊時(shí)間約為4 ms.當(dāng)連接線長度小于20 m時(shí)，上拉電阻一般取5 kΩ.若連接線大于20 m時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整.在傳感器上電工作后，應(yīng)等待1～1.5 ms，等越過不穩(wěn)定期后再發(fā)送相關(guān)指令.2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖2 煙霧傳感器MQ135B電路圖

圖3 溫濕度傳感器DHT11電路圖

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用雙直流模塊L298，L298是一種大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，工作電壓最高可達(dá)46 V，輸出電流最大可達(dá)2 A.L298內(nèi)部由4個(gè)邏輯通道電路組成，含有2個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、繼電器等負(fù)載，是一種二相、四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器.L298采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，具有2個(gè)使能控制端，在運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)化到停止?fàn)顟B(tài)或順時(shí)針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)化到逆時(shí)針狀態(tài)時(shí)反向電流很大，可在電路中加入泄流二極管來保護(hù)芯片的安全.

2.3 紅外遙控模塊

紅外接收部分采用HS0038接收頭[7]，接收頭可接收頻率為38 kHz的紅外信號(hào).基本工作原理為：內(nèi)置接收管將紅外發(fā)射管發(fā)射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)先經(jīng)內(nèi)部放大器放大，然后通過自增益控制、濾波及解調(diào)等步驟整形后還原成原始的TTL編碼信號(hào)，最后傳送給單片機(jī)解碼后實(shí)現(xiàn)控制功能.模塊電路如圖4所示，OUT輸出上拉12 kΩ電阻，信號(hào)經(jīng)該端口輸出后傳送給單片機(jī)處理.采用HS0038可以降低成本、減少干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.2.4 GSM無線模塊

圖4 紅外接收電路圖

GSM無線模塊采用華為GTM900-B，如圖5所示.GTM900-B是一款支持三頻段GSM/GPRS的無線模塊，它支持語音、無線數(shù)據(jù)、短信息、補(bǔ)充業(yè)務(wù)及集群等功能.在與單片機(jī)進(jìn)行通信時(shí)采用串口通信方式，通過發(fā)送相應(yīng)的AT指令來實(shí)現(xiàn)具體控制，是高速數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域理想的選擇之一.系統(tǒng)中，該模塊主要用來實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警功能，當(dāng)檢測到有毒氣體時(shí)短信告知用戶可能存在危險(xiǎn)情況，當(dāng)紅外感應(yīng)到窗外有人時(shí)短信告知用戶可能有賊入侵等.

圖5 GSM無線模塊圖

2.5 風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊

風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊如圖6所示，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池、風(fēng)光互補(bǔ)控制器及蓄電池四部分組成.該模塊將風(fēng)能、太陽能分別通過風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池收集轉(zhuǎn)化為電能后給智能窗供電，電能匹配由控制器控制.由于太陽能和風(fēng)能的互補(bǔ)性較強(qiáng)，采用風(fēng)光互補(bǔ)模式能夠彌補(bǔ)單一模式下能量不足的缺陷.同時(shí)，由于光電系統(tǒng)和風(fēng)電系統(tǒng)在逆變控制環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)是通用的，這也能大大減少設(shè)計(jì)成本.蓄電池儲(chǔ)能，當(dāng)能量剩余時(shí)可以將多余的電能儲(chǔ)存起來以備不時(shí)之需.

圖6 風(fēng)光互補(bǔ)供電模塊圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制核心采用低功耗單片機(jī)STC89C52，由于程序較多，主要對(duì)系統(tǒng)的主流程進(jìn)行分析，如圖7所示.主流程中編程實(shí)現(xiàn)了5110液晶顯示和GSM短信報(bào)警功能，傳感器狀態(tài)信息檢測部分采用中斷方式，緊急事件的執(zhí)行在中斷服務(wù)子程序中完成.當(dāng)響應(yīng)某傳感器產(chǎn)生中斷時(shí)，MCU立即停止當(dāng)前執(zhí)行的程序跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制窗戶的開關(guān).系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，把各個(gè)模塊相關(guān)的程序放在一個(gè)文件中，便于分塊調(diào)試和管理，縮短了調(diào)試周期，增加了程序的可移植性.

圖7 主流程圖

4 功能測試

在完成軟硬件設(shè)計(jì)后，制作實(shí)物驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果，如圖8所示.搭建硬件電路，編程采用C語言，進(jìn)行模塊及整體功能調(diào)試和測試.測試結(jié)果為：在人工模式下能夠遙控窗戶和窗簾的開啟和關(guān)閉；在自動(dòng)模式下，當(dāng)室內(nèi)CO2濃度大于5 000×10-6時(shí)，窗戶自動(dòng)開啟并報(bào)警提示可能發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)室內(nèi)溫度大于30 ℃時(shí)，窗戶自動(dòng)開啟通風(fēng)，當(dāng)檢測到外界有雨滴時(shí)窗戶自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)檢測到室內(nèi)光強(qiáng)大于2 000 lx時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉窗簾，當(dāng)檢測到窗外有人時(shí)自動(dòng)關(guān)閉窗戶防止入侵，系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)符合預(yù)期設(shè)計(jì).

A Design of Intelligent Window System by Wind-light Complementary Power Supply

GU Han，SUN Jian，HU Shao-xuan，SHI Xiu，QIAN Lin
(School of Physics and Electronic Engineering，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China)

With the development of society and electronic technology，the market for intelligent window is expanding owing to the people’s demands for home intelligent appliances.In order to address the inconvenience caused by traditional mechanical windows，an intelligent window system with wind-light complementary power supply is designed.The system can collect the real-time state data of the environment.The MCU can process the data to control the complementary window which will been widely used in the future.

MCU；wind-light cmplementary；intelligent wndow；design

TP206+.1

A

1008-5475(2015)01-0023-03

2014-11-20；

2014-12-18

江蘇省高校自然科學(xué)研究資助項(xiàng)目(14KJB480001)； 2015年本科畢業(yè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)團(tuán)隊(duì)課題

顧 涵(1985-)，男，江蘇蘇州人，講師，碩士，主要從事集成電路設(shè)計(jì)研究.