寇麗杰

摘要：如今智能家居已經走進人們生活，智能窗戶就是其中的一角，但大多數智能窗是一體化的，而已有的普通窗戶多為推拉式的，老居民房因此更換窗戶顯然不實際，因此本論文研究開發(fā)獨立的微型智能關窗系統(tǒng)，本系統(tǒng)以STC89C52RC作為“頭腦”兩個電機驅動和步進電機作為“雙手”，溫濕度傳感器和雨滴傳感器放大器作為“雙眼”來實現?！半p眼”將得到的信息反饋給“大腦”，“大腦”判斷并處理信息，再告知“雙手”需要做什么。液晶顯示屏就像一個告示牌，上面記錄著“雙手”處于什么狀態(tài)和當前的時間。

關鍵詞：單片機；智能家居；雨滴傳感器；溫濕度傳感器

中圖分類號：U463.02 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0105-02

1 前言

近年，我國在物聯網行業(yè)有非?？捎^的發(fā)展趨勢，也正是這一現象讓智能家居如雨后春筍般快速成長，我國的智能家居正邁入一個更新的階段[1]，現市面上雖不乏智能窗戶，但大多是新型家居一體化的，這對于老居民區(qū)的房子應用就不實際了[2]?；诖搜芯楷F狀，本設計使用STC系列的51單片機作為控制系統(tǒng)設計了雨天智能關窗系統(tǒng)，可根據天氣自行決定窗戶的敞開或關閉，根據溫度自動開關窗，顯示當前時間[3]。讓老居民房以最小的花銷獲得最前衛(wèi)的生活體驗。

2 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)以STC89C52RC作為核心，此款單片機可直接通過串口來燒寫程序，給智能關窗系統(tǒng)的設計提供了極大的方便。隨著材料科學的發(fā)展和固體物理效應的不斷發(fā)現，目前傳感器技術已形成了一個新型科學技術領域[4]。本智能關窗系統(tǒng)的設計采用雨滴傳感器和DHT11溫濕度傳感器。

在該設計里，系統(tǒng)的工作頻率從32.768KHZ晶振構成的晶振電路來獲得，系統(tǒng)的工作電壓要靠外接的電源來提供的。雨滴傳感器上阻值的變化和溫濕度傳感器采集到的當前環(huán)境的溫濕度，轉換成電壓值后再應經過比較器，經過A/D信號的轉換后，發(fā)送給STC89C52RC單片機處理再將處理后的信號發(fā)送給步進電機模塊通過驅動電機讓電機轉動，實現下雨天或者低溫天氣的自動開關窗。

（1）溫濕度傳感器：溫濕度傳感器向單片機發(fā)送實時溫濕度數據，單片機將該數據與設定的閾值比較，若實時數據高于閾值則開窗，若實時數據低于閾值則關窗，對應在顯示屏上顯示ON/OFF。

（2）雨滴傳感器模塊：雨滴傳感器向LM393輸入電平信號，經過與基準電平（電位器控制，起到控制雨滴床干起閾值的作用。）比較后輸出電平發(fā)送給單片機，單片機若接收到低電平，則向步進機發(fā)出信號，關閉窗戶（若窗戶是關閉狀態(tài)則保持窗戶關閉狀態(tài)），實現自動關窗功能。

3 系統(tǒng)硬件設計

本智能窗系統(tǒng)設計的工作頻率的是用32.768KHZ構成的晶振電路，作為指令執(zhí)行的基礎，本智能關窗系統(tǒng)的晶振電路模塊與單片機的XTAL1和XTAL2引腳相連。

復位電路的功能就像設備恢復出廠設置，讓雨天自動關窗系統(tǒng)回到最初始的狀態(tài)，本系統(tǒng)使用的是10uf/25v電容和10K的電阻串聯組合成的復位電路。一般整個設計通電后按下復位電路。

本智能關窗系統(tǒng)設計中的液晶顯示模塊LCD-1602采用可以顯示兩行的，每一行都可以顯示十六個字符，由本設計的電源模塊產生的+5V電壓供電（該液晶顯示器承受的電壓區(qū)間為4.5V-5.5V），接口設計簡單，價格便宜，具有很高的性價比[5]。

在本設計中，LCD-1602作為唯一顯示屏主要顯示來自DS1302的時間、DHT11中的溫濕度、窗戶開關狀態(tài)和調整閾值時的顯示。本關窗系統(tǒng)設計將LCD-1602的VL管腳與電位器相連，可通過調節(jié)電位器來調節(jié)顯示屏的亮暗程度。

本系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器型號是DHT11，其溫度感應范圍在零到五十攝氏度，主要適合南方的氣溫預測，工作穩(wěn)定且耗能少。DHT11共有四個引腳，一個地線一個VDD一個數據線，還有一個空腳。VDD供電范圍在3v-5v。濕度數據采集的行為是變形的模擬軟件，可以在更大范圍內收集濕度數據[6]。

本系統(tǒng)的雨滴傳感器模塊由雨滴傳感器、LM393比較器和電位器構成。雨滴傳感器是獲取當前的雨滴量，并將雨滴傳感器的輸出單與LM393的輸入端相連，LM393基準電壓與電位器相連作為雨滴傳感器的閾值，兩信號經過比較器后結果輸入STC89C52RC單片機，單片機再由該輸入信號決定是否發(fā)送信號給驅動電路，驅動電路使用ULN2003作為驅動步進電機，步進機開啟/關閉窗戶[7]。

本系統(tǒng)系統(tǒng)設計的電機驅動電路由一個驅動芯片ULN2003和一個步進機構成。ULN2003的功能是保證步進機的正常工作。設計中，步進電機與窗戶連接，步進電機的轉動帶動窗戶的移動，達到開關窗的效果。步進電機模塊本應有兩個，本智能關窗設計中原理圖也有兩塊，但在實物中只有一個模塊，與單片機的P20～P23引腳連接（同理實現另外一邊的窗戶）。

按鍵控制電路共有五個按鈕：K1是手動開窗按鈕，生活中肯定會有手動開窗的需要，不可能完全依賴天氣來開窗。K3是手動關窗按鈕，同理，生活中也不可能完全依靠天氣來關窗戶，所以必須要有一個手動關窗按鈕。K5是限位按鈕，也就是即停按鈕，為了貼合生活，偶爾窗戶半掩也是可以的。K2是設定時間測按鈕，也有因為某種原因，系統(tǒng)斷電，需要手動先基準時間，所以K2是選擇設定時間功能的按鈕。K4是溫濕度閾值設定按鈕，通過該按鈕可以調節(jié)溫濕度閾值，滿足不同季節(jié)的對室內溫濕度的要求。K6和K7分別是加減按鈕，用于設定時間和調節(jié)閾值時加減數值。

時間基準電路由DS1302時鐘芯片為主體，和32.768KHZ的晶振一起。時間基準電路由獨立的電源。電源濾波電路的作用是硬件去抖動，減少電平波動。一個好的電源濾波技術是電路系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的前提。

4 系統(tǒng)軟件設計endprint

系統(tǒng)主要功能分兩塊：一是雨天自動關窗；而是溫濕度警報。接通電源，系統(tǒng)單片機I/O口、液晶顯示屏、雨滴傳感器和溫濕度傳感器初始化，液晶顯示屏顯示DS1302的基準時間和窗戶當前狀態(tài)，單片機開始接受兩個傳感器傳來的信號：（1）雨滴傳感器接收到雨滴信號與由電位器控制的閾值進行比較，如果雨滴信號比閾值高那么比較器就輸出低電位，并發(fā)送給單片機，單片機控制步進機關閉窗戶，并控制液晶顯示屏顯示OFF，表示窗戶是關閉狀態(tài)。（2）溫濕度傳感器接收到信號與設定的閾值進行比較，若溫度高于閾值則開窗，并在液晶顯示屏上顯示“ON”，表示窗戶是打開的狀態(tài)，反之關窗并在液晶顯示屏上顯示“OFF”，表示窗戶是關閉狀態(tài)。

溫濕度傳感器的信號由單片機的P0.6控制，主要代碼（偽代碼）：

（1）設置P06端口為 in；

（2）Get溫濕度傳感器的數值a（整數部分，小數部分）；

（3）a to單片機from P06；

（4）單片機比較a與設定的閾值b結果為c；

（5）If c為高電平；

（6）false 等待下次的比較結果；

（7）true 單片機設置開窗，液晶顯示DisplayList（13，0，"ON "）；

雨滴傳感器的信號由單片機的P0.7控制，主要代碼（偽代碼）：

（8）設置P07端口為 in；

（9）get雨滴傳感器的數值a；

（10）由電位器組成的基準電壓b與a比較；

（11）out比較結果c to單片機from P07；

（12）If c為高電平；

（13）True 等待下次的比較結果；

（14）False 單片機設置關窗，液晶顯示屏DisplayList（13，0，"OFF"）。

5 系統(tǒng)調試

在KeilC51中編寫程序并生成.hex文件，以VS-Y板作為中介，利用stc-isp（v6.85）下載工具，將在KeilC51上編譯生成的.hex文件下載到本智能關窗系統(tǒng)設計的STC89C52RC中。正轉為窗戶關閉，反轉為窗戶打開。調試結果：各指示燈亮，顯示屏亮，各模塊正常工作；顯示屏的亮暗程度隨電位器的調節(jié)而變化；閾值越高所加水滴越多電機才會正轉；在窗戶關閉的情況下按下K1，電機反轉；在窗戶打開的情況下按下K3，電機正轉；在電機轉動的情況下按下K5，電機停止；正常設置年月日時分秒；正常設置溫度值，并在不同情況下在顯示器上顯示不同的窗戶當前狀態(tài)，并且電機正確方向轉動。

6 結語

本系統(tǒng)以STC89C52RC作為控制系統(tǒng)，結合雨滴傳感器和溫濕度傳感器設計了微型智能關窗系統(tǒng)，很大程度促進物聯網智能家居的發(fā)展應用。其實現主要功能：（1）溫度監(jiān)控：STC89C52RC單片機沒隔一段時間向DHT11發(fā)送信號，溫濕度傳感器每收到一次信號便將溫濕度數據傳送到單片機，單片機再與之前設定好的溫度閾值比較，若高于閾值則開窗，LCD顯示屏顯示ON，反之關窗，LCD顯示屏顯示OFF。（2）下雨監(jiān)控：當天空開始飄雨達到雨滴傳感器閾值時，LM393向STC89C52RC單片機發(fā)出低電平信號，單片機再控制步進機關閉窗戶，避免由于突然下雨家人不在引起的房內進水。

參考文獻

[1]趙新民.智能儀器原理及設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995.

[2]孟文卿，王志坤.對智能檢測雨水自動關窗裝置的研究[J].電子技術與軟件工程，2015，（05）：181.

[3]鄧學欣，檀潤華.智能窗的概念設計[J].河北工業(yè)大學學報，2001，（04）：25-29.

[4]王化祥，張淑英.傳感器原理及應用[M].天津：天津大學出版社，2007.

[5]蔡康松，段杏林.基于單片機字符型液晶顯示模塊控制設計[J].黃山學院學報，2005，（03）：22-24.

[6]Jun Xia Zhang，Bing Wang； Ya Ning Song. Exploration of Humidity Data Acquisition System Based on Single Chip Microcomputer[J].Trans Tech.2013，2494-2497.

[7]Rong Xia Sun，Xiao Ning Sun； Shuo Nan Wang. The Design of the Solar Panels Automatic Tracking Controller[J].Trans Tech.2014，123-127.endprint