鐘振國

（東莞市信息技術(shù)學(xué)校 廣東 東莞 523290）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，智能家居逐漸為人們提供簡便的生活方式，本系統(tǒng)以智能臥室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作為例，它設(shè)計(jì)了以下幾部分功能：（1）檢測到太陽光照強(qiáng)度大，窗戶實(shí)現(xiàn)自動關(guān)閉，語音播報(bào)；（2）檢測到下雨，窗戶實(shí)現(xiàn)自動關(guān)閉，語音播報(bào)；（3）檢測臥室中空氣水分濕度大，窗戶實(shí)現(xiàn)自動關(guān)閉，語音播報(bào)；（4）房間溫度是否適當(dāng)。

2 智能臥室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

智能臥室控制系統(tǒng)由硬件部分、數(shù)據(jù)采集部分和軟件部分3部分組成，見圖1。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

不同種類的傳感器電路組成硬件部分，分別用于檢測不同類型的環(huán)境信號。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了光照傳感器、雨滴傳感器、高精度濕度傳感器、高精度熱敏電阻溫度檢測傳感器4種傳感器，通過直流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)模擬窗簾的開啟與關(guān)閉。其中，DAQ數(shù)據(jù)采集卡接入電腦時，DIO輸出電壓為3.3 V，不足以驅(qū)動直流電機(jī)工作，因此需要將電壓提升，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用3 V/5 V電平轉(zhuǎn)換電路，將電路電源電壓提升至5 V的同時增大輸出電流，用于驅(qū)動直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。光照傳感器檢測臥室受到陽光照射強(qiáng)度，判斷窗戶是否開啟與關(guān)閉；雨滴傳感器檢測是否下雨，如果下雨實(shí)現(xiàn)窗戶的自動關(guān)閉；高精度熱敏電阻溫度檢測傳感器顯示當(dāng)前臥室溫度；高精度溫度檢測傳感器檢測臥室空氣濕度，當(dāng)水分超過設(shè)定的濕度80%時，窗戶自動關(guān)閉。

NI公司制造的DAQ設(shè)備完成本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分。傳感器電路監(jiān)測當(dāng)前環(huán)境，并輸出不同的感應(yīng)信號，將感應(yīng)信號輸送到DAQ設(shè)備對應(yīng)的模擬端口和數(shù)字端口。再經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換成串行信號，最后通過USB數(shù)據(jù)線連接到計(jì)算機(jī)，完成本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分。

利用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)一個可視化操作界面完成本系統(tǒng)的軟件部分，通過編寫虛擬儀器程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)信號處理、輸出，并在前面板上顯示、控制，實(shí)現(xiàn)了用軟件讀取、處理和控制代表不同環(huán)境的感應(yīng)信號。

3 智能臥室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路的設(shè)計(jì)

智能臥室控制系統(tǒng)由硬件部分、數(shù)據(jù)采集部分和可視化編程控制界面三大模塊組成，電路原理框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

在系統(tǒng)中，傳感器檢測到的信號被DAQ設(shè)備采集轉(zhuǎn)換并輸入計(jì)算機(jī)，利用LabVIEW軟件進(jìn)行虛擬儀器程序的編寫，根據(jù)系統(tǒng)要求繪制前面板界面，結(jié)合程序面板將DAQ設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。電路設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 電路原理圖

光照傳感器電路：（1）電源電路。模塊電源電壓5～12 V，采用外部直流可調(diào)穩(wěn)壓電源供電，并通過電平轉(zhuǎn)換芯片LM1117輸出光照傳感器電路所需要的工作電壓3.3 V。（2）模擬光照強(qiáng)度測量電路。LED2是可見光模擬照度傳感器PO188，PO188是一個光電集成傳感器，內(nèi)置雙敏感元接收器，據(jù)有可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電流隨光照強(qiáng)度呈線性變化等優(yōu)點(diǎn)。通過電阻R5和PO188相連，實(shí)現(xiàn)照度到電壓到變化。當(dāng)太陽光度到達(dá)一定值，VOUT1輸出一個低電平信號，表示光照傳感器檢測電路工作正常。

雨滴傳感器電路：當(dāng)下雨時，迂回導(dǎo)線形成回路，由IC3D及周圍元器件組成的振蕩電路產(chǎn)生的諧振信號進(jìn)入IC3A、IC3B組成的斯密特整形電路及IC3C組成的遲滯電路，并在IC3C第10腳輸出一個高電平，三極管VT2飽和導(dǎo)通，VOUT2輸出一個低電平信號，輸出信號指示燈LED3亮，表示雨滴傳感電路工作正常。

高精度熱敏傳感器電路：電路以犧牲靈敏度為代價(jià)對熱敏電阻Rt的阻值與溫度之間的非線性物理特性進(jìn)行線性化，這里采用電壓模式，即在一個電壓回路里頭，用另一個電阻R（對應(yīng)圖中將R19和R20這兩個電阻等效串聯(lián)起來）與之串聯(lián)接地。由于熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)的，電阻阻值隨溫度的升高而減小，由于熱敏電阻Rt與R在電路中形成分壓關(guān)系，R兩端電壓就會隨之升高。電路輸出的電壓經(jīng)IC4A、IC4D、IC4C組成的差分放大電路進(jìn)行一級電壓放大，再經(jīng)IC5A同相比例運(yùn)算放大電路輸出VOUT3，最終輸出符合原先要求的精度控制信號，從而實(shí)現(xiàn)將溫度轉(zhuǎn)化為電信號。

高精度濕度傳感器電路：電路由TLC555芯片及外圍電路構(gòu)成的多諧振蕩器電路，當(dāng)電容傳感器C13檢測到空氣中有濕潤水分時，容量會發(fā)生變化，多諧振蕩器IC7的3腳輸出信號頻率相應(yīng)改變，輸出信號經(jīng)IC8芯片將頻率轉(zhuǎn)化為電壓，電壓信號經(jīng)IC9A同相比例放大輸出VOUT4，從而實(shí)現(xiàn)將濕度轉(zhuǎn)化為電信號。

直流電機(jī)控制電路：由直流電動機(jī)和4個瞬態(tài)抑制二極管組成。

電平轉(zhuǎn)換電路：SN74LVC4245芯片是8位數(shù)據(jù)總線轉(zhuǎn)換器，含有兩個獨(dú)立的供電電源（5 V、3.3 V），實(shí)現(xiàn)5 V與3.3 V之間的電平轉(zhuǎn)換。在通信時，數(shù)據(jù)可以雙向傳送，其傳送方向取決于DIR的輸入電平，/OE是芯片的使能控制端。方向邏輯關(guān)系表見表1。

表1 方向邏輯關(guān)系表

3.2 可視化控制界面的設(shè)計(jì)及程序框圖編寫

本系統(tǒng)的可視化操作界面設(shè)計(jì)及程序框圖編寫采用的是由美國國家儀器公司開發(fā)的程序開發(fā)環(huán)境NI LabVIEW軟件。區(qū)別于傳統(tǒng)文本編程語言，LabVIEW采用的是圖形化編輯語言G來編寫程序，又稱“G”語言。

3.2.1 可視化界面的設(shè)計(jì)

當(dāng)前狀態(tài)條顯示窗戶已打開或者窗戶已關(guān)閉；濕度顯示條顯示當(dāng)前空氣中水分含量；溫度顯示條以數(shù)字形式顯示當(dāng)前溫度；溫度計(jì)顯示條以游標(biāo)形式顯示溫度，更為直觀；兩個布爾指示燈分別指示光照過亮、下雨兩種情況，當(dāng)光照不亮或者不下雨情況下，布爾指示燈常滅，當(dāng)任意一種情況發(fā)生，對應(yīng)的布爾燈點(diǎn)亮（綠色）；狀態(tài)條顯示窗戶已關(guān)閉，并且聲音播報(bào)窗戶已關(guān)閉；布爾按鍵開關(guān)顯示開窗，并且聲音播報(bào)窗戶已打開。在前面板進(jìn)行用戶操作界面的設(shè)計(jì)，見圖4。

圖4 程序前面板

3.2.2 程序框圖編寫及實(shí)現(xiàn)

程序框圖是對DAQ設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編譯，再對編譯后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過前面板界面控制、顯示。

如圖5所示：DAQ助手讀取端口數(shù)據(jù)，通過索引數(shù)組索引出端口采集到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過前面板控制界面的布爾燈、條形溫度計(jì)以及字符串顯示控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。其中，索引數(shù)組索引不同端口的信號，通過條件結(jié)構(gòu)的“真”分支和“假”分支輸出不同狀態(tài)下顯示控件的值，將信號通過條件結(jié)構(gòu)以及顯示控件進(jìn)行可視化處理。再用DAQ的端口輸出和延時控件控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)窗戶的開啟與關(guān)閉，并通過聲音播放器子VI實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)。

圖5 程序框圖

4 智能臥室控制系統(tǒng)的測試

系統(tǒng)硬件部分采用由亞龍公司生產(chǎn)的LY-292單元模塊電路進(jìn)行搭建測試，見圖6。

圖6 硬件電路

光照強(qiáng)度測試：用電筒照射光照傳感器，可視化控制界面的光照過亮指示燈點(diǎn)亮，直流電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，當(dāng)前狀態(tài)顯示：窗戶已關(guān)閉，語音播報(bào)。測試通過。

雨滴測試：把水滴在回型金屬片上，可視化界面的下雨指示燈亮，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)前狀態(tài)顯示：窗戶已關(guān)閉，語音播報(bào)。測試通過。

溫度測試：用手指握住溫度傳感器，可視化界面當(dāng)前溫度顯示條顯示當(dāng)前溫度，溫度計(jì)顯示溫度。測試通過。

濕度測試：用棉簽蘸水靠近濕度傳感器，可視化界面當(dāng)前濕度顯示條顯示當(dāng)前濕度，當(dāng)濕度值（水分值）達(dá)到設(shè)定的濕度80%時，直流電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)前狀態(tài)顯示：窗戶已關(guān)閉，語音播報(bào)。測試通過。

開窗測試：系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下，點(diǎn)擊開窗布爾按鈕，直流電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)前狀態(tài)顯示：窗戶已打開，語音播報(bào)。測試通過。

5 智能臥室系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作對中職學(xué)校電子電路課程教學(xué)的意義

電子電路課程是電子專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，也是非電子專業(yè)如計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)械等專業(yè)非常重要的技術(shù)基礎(chǔ)課程，學(xué)好電子信息技術(shù)與應(yīng)用這門課，在專業(yè)方向選擇上可以向計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)延伸，因此學(xué)好電子電路課程具有重要意義。

但目前電子電路課程在中職教學(xué)中面臨瓶頸，主要原因有：（1）電子電路知識枯燥無味，學(xué)生不易接受，從而產(chǎn)生厭學(xué)情緒；（2）電子電路實(shí)訓(xùn)課程方式單一，跟不上現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展及電路設(shè)計(jì)要求，不利于提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力。

采用單元模塊化電路搭建設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)任務(wù)，通過不同模塊的組合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路所需功能，讓學(xué)生將實(shí)際電路抽象成電路模型，能分析出電路原理，有利于“任務(wù)驅(qū)動教學(xué)法”“以學(xué)生為中心教學(xué)法”“課堂反轉(zhuǎn)教學(xué)法”“做中學(xué)教學(xué)法”等綜合應(yīng)用在電子電路課堂教學(xué)；采用LabVIEW軟件進(jìn)行可視化控制界面的設(shè)計(jì)及程序框圖的編寫，實(shí)現(xiàn)軟件與硬件電路的通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)讀取硬件電路信息及控制硬件電路工作，豐富課堂內(nèi)容，這也是全國職業(yè)院校技能競賽“電子電路裝調(diào)與應(yīng)用”賽項(xiàng)增加的內(nèi)容，反映了電子技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的趨勢，體現(xiàn)了“以賽促教，教賽結(jié)合”的教學(xué)理念，豐富了電子技術(shù)的教學(xué)模式，讓傳統(tǒng)電子技術(shù)教學(xué)新穎起來。