郝思思，張倩，張慧，古淳月，郝佩瑤

?

一種基于環(huán)境因子變化的可自動控制智能窗戶的設計＊

郝思思，張倩，張慧，古淳月，郝佩瑤

（西北工業(yè)大學 工程訓練實踐中心，陜西 西安 710129）

隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)技術及信息技術的快速發(fā)展，智能家居產(chǎn)業(yè)變得越來越熱門，而窗戶作為室內(nèi)與外界貫通的通道，將其智能化具有重要的意義。以室內(nèi)防霾為出發(fā)點，設計了一款智能窗戶，旨在解決開窗和霧霾、揚塵等惡劣天氣變化間的矛盾。采用STC89C52單片機與傳感器件正常通信，并對數(shù)據(jù)進行正確處理，及時響應環(huán)境因子（霧霾、溫度、雨滴、人體）的變化。通過智能窗戶的感知、控制系統(tǒng)，實時應對惡劣天氣變化，給予人們更加舒適的家居體驗，并帶有太陽能供電系統(tǒng)，節(jié)能環(huán)保。

智能窗戶；霧霾；STC89C52；控制系統(tǒng)

1 研究現(xiàn)狀

美國和歐洲的一些國家最先研究智能家居，是世界領先者。在功能方面，仍停留在簡單的傳感器集成。而我國對于智能窗戶還處于實驗室階段，主要集中于各高校，研究的范圍分為防盜和應對天氣變化。近年來霧霾橫行，但市面上依舊未能有任何報告顯示提出關于防霧霾的智能窗戶，因此，設計一款多功能的基于環(huán)境因子變化的智能窗戶很有必要。

2 技術路線

2.1 機械結(jié)構(gòu)

傳動示意圖如圖1所示。

圖1 傳動示意圖

將電機作為動力源，把齒條作為窗框底部，利用電機的轉(zhuǎn)動和齒輪、齒條的傳動拉動窗戶向左右平移。其結(jié)構(gòu)制作簡單，用料節(jié)省成本低，并且由于是直接控制，避免了傳動過程中累計的誤差，轉(zhuǎn)動的精度更高，可以更準確地執(zhí)行控制指令。

2.2 硬件控制

采用高性能8位單片機STC89C52，以MCS-51為核心，以宏景科技有限公司為主控板，控制煙霧監(jiān)測模塊、溫濕度檢測模塊、降雨感應模塊、人體感應模塊、傳輸模塊、太陽能模塊和顯示模塊。

2.2.1 霧霾監(jiān)測模塊

在本文中，通過灰塵傳感器的光散射原理與Arduino方法的組合來檢測煙霧。Arduino利用串口與52單片機進行通信，用 GP2Y1014AU0F光學傳感器，通過計算散射光的強度得出灰塵的濃度，將結(jié)果發(fā)送給52單片機。

2.2.2 溫濕度檢測模塊

本文中使用的溫度和濕度傳感器是DS18B20，它具有品質(zhì)優(yōu)良、響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。單線串行接口使系統(tǒng)集成變得簡單、快捷；超小尺寸，功耗極低，信號傳輸距離超過20 m。

2.2.3 降雨感知模塊

本文中雨滴檢測采用的是YL-83雨滴傳感器，該傳感器分為2部分，即感應板和信號比較電路。感應板采用高品質(zhì)FR-04雙面材料，規(guī)格為50 mm×40 mm，表面用鍍鎳處理，抗氧化性和導電性更加優(yōu)越。主要用于感知是否有雨水降落，置于室外，信號比較電路板規(guī)格為32 mm×14 mm。信號比較運用電壓比較器LM393，輸出波形完美，信號純凈，用于對感應板采集回來的信號進行比較處理，然后輸出給單片機分析計算。

2.2.4 人體感應模塊

本設計中的人體檢測是通過人體溫度釋放的紅外線與紅外熱釋電傳感器相結(jié)合實現(xiàn)的，使用無源熱電紅外探測器HC-SR501。人體的正常體溫在36～37 ℃。HC-SR501通過檢測從人體溫度發(fā)出的約10 μm的紅外線起作用。

2.2.5 傳動模塊

步進電機在本文的設計中作為主要的傳動結(jié)構(gòu)，采用的是5 V電源驅(qū)動的五線四相式步進電機28BYJ-48，選用ULN2003驅(qū)動芯片驅(qū)動電機。

圖2 軟件流程圖

2.2.6 太陽能電源模塊

本文中選用多晶硅太陽能電池，設計了一個穩(wěn)壓電路，減少了光照、溫度等環(huán)境因素的影響，穩(wěn)壓電路用的是開關型電源芯片LM2577升壓模塊，使太陽能電池能給整個系統(tǒng)的電池充電。

2.2.7 顯示模塊

本文的顯示單元采用的是ST7920控制器的12864液晶顯示屏，自帶國家一級、二級簡體中文字庫，顯示方便。

2.3 軟件部分

軟件流程圖如圖2所示。

本文的軟件設計是基于 Keil uVision4進行的，整個系統(tǒng)以數(shù)據(jù)流為主線，系統(tǒng)首先初始化，包括LCD屏幕的初始顯示和傳感器的初始化。然后，MCU收集每個傳感器的信號，然后通過算法計算每個傳感器的數(shù)據(jù)。計算出溫度的值、霧霾濃度的值和雨滴的量等，然后根據(jù)各個傳感器的優(yōu)先級，比較各個數(shù)據(jù)，根據(jù)優(yōu)先級控制步進電機以執(zhí)行相應的操作。人工操作具有最高優(yōu)先級，其次是窗口關閉命令，最低級別是窗口命令。在沒有人為開窗或關窗的時候，當溫度較高超過上線值時，系統(tǒng)會先判斷霧霾的濃度和是否有降雨，如果條件滿足，則執(zhí)行開窗動作。

3 結(jié)束語

本文提出的智能窗戶的設計，相比于以往單一功能的智能窗戶設計，其功能性更強、集成程度更高、智能化程度更高，具有很好的應用前景。

［1］鄧學欣，檀潤華.智能窗的概念設計［J］.河北工業(yè)大學學報，2001，30（04）：25-29.

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

大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目（編號：201810699352）

2095－6835（2018）23－0117－02

TG308

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.23.117

〔編輯：張思楠〕