單片機(jī)開(kāi)發(fā)
智能全開(kāi)窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于單片機(jī)的智能全開(kāi)窗設(shè)計(jì)
現(xiàn)今，科技發(fā)展日新月異。以人工智能、微電子半導(dǎo)體技術(shù)、航天、生物、新能源等為代表的一大批現(xiàn)代高新技術(shù)蓬勃發(fā)展?？萍嫉陌l(fā)展給人們帶來(lái)了巨大的便利，但窗戶在這個(gè)變革的時(shí)代中沒(méi)有發(fā)生根本性進(jìn)步。如果有一種多功能的智能窗，用技術(shù)的手段進(jìn)行設(shè)計(jì)，便能夠使傳統(tǒng)的智能窗實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)窗、火災(zāi)主動(dòng)開(kāi)窗、雨天關(guān)窗等智能化功能。此外，該窗戶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)、功能完善等特點(diǎn)，十分符合現(xiàn)代智能家居的要求，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。
一、多功能智能窗的功能特點(diǎn)
1.1監(jiān)控危險(xiǎn)情況：窗戶系統(tǒng)會(huì)24h監(jiān)控室內(nèi)各種氣體含量，當(dāng)可燃?xì)怏w或某種特定的氣體濃度達(dá)到了預(yù)先設(shè)計(jì)的值時(shí)，窗戶將會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，與室外進(jìn)行通風(fēng)。如果氣體濃度回歸到正常水平，窗戶則會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。
1.2雨天關(guān)窗：當(dāng)窗戶打開(kāi)時(shí)，窗戶系統(tǒng)將會(huì)啟動(dòng)對(duì)于天氣下雨情況的監(jiān)控。一旦雨量達(dá)到一定的值而會(huì)影響室內(nèi)時(shí)，窗戶將自動(dòng)關(guān)閉。
1.3遠(yuǎn)程遙控：窗戶系統(tǒng)內(nèi)置有藍(lán)牙通信模塊，只要通過(guò)遙控器，遠(yuǎn)程便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于窗戶的控制。此外，還可對(duì)窗戶進(jìn)行語(yǔ)音控制，只要說(shuō)出特定語(yǔ)音語(yǔ)句，窗戶識(shí)別后便可實(shí)現(xiàn)開(kāi)/關(guān)功能。
1.4調(diào)節(jié)溫度：窗戶系統(tǒng)監(jiān)控室內(nèi)溫度情況，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，窗戶將自動(dòng)打開(kāi)，當(dāng)溫度回歸到正常水平則關(guān)閉。
1.5自動(dòng)上鎖：窗戶內(nèi)置有電磁鎖結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖功能。
1.6機(jī)械式與電子式操作切換：為了防止停電窗戶無(wú)法工作的情況，只需按一個(gè)按鈕，窗戶便可切換為手動(dòng)操作的模式。
1.7窗戶具有防盜功能：開(kāi)啟后，若有人從窗戶進(jìn)入，窗戶便能監(jiān)控到并立刻發(fā)出報(bào)警聲音。
二、智能全開(kāi)窗系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)
2.1全開(kāi)窗結(jié)構(gòu)
本智能窗改變了過(guò)去傳統(tǒng)窗戶的開(kāi)關(guān)方式，采用了“全開(kāi)窗”結(jié)構(gòu)，使得空間得到最大化利用。經(jīng)計(jì)算，本結(jié)構(gòu)打開(kāi)率高達(dá)94.5%（常規(guī)推拉窗打開(kāi)空間最高只有45%）。窗戶外框架采用了鋁合金結(jié)構(gòu)，其分格的靈活性比較大，可以將其做出多種立面效果，人們可以把此類窗戶改裝運(yùn)用到多種場(chǎng)合。窗戶整體機(jī)械框架如圖1所示。
2.2內(nèi)部機(jī)械驅(qū)動(dòng)
多功能智能家居全開(kāi)窗裝有各類高靈敏度傳感器，如煙霧傳感器、雨滴傳感器等，在此基礎(chǔ)上便可實(shí)現(xiàn)感知外部環(huán)境的變化，然后通過(guò)電路，使得電機(jī)開(kāi)始工作。電機(jī)工作后，帶動(dòng)窗戶內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)相互運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了雨天自動(dòng)關(guān)窗、陽(yáng)光充足時(shí)自動(dòng)開(kāi)窗等一系列功能。利用大扭矩電動(dòng)機(jī)輪組帶動(dòng)同步帶，同步帶上安裝一個(gè)固定夾，固定夾子與底下的窗戶底座相連接，即可實(shí)現(xiàn)窗戶的左右平移滑動(dòng)。與此同時(shí)，利用窗運(yùn)動(dòng)的慣性和電磁鐵通斷電實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上鎖。
而在窗戶的開(kāi)關(guān)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)遇到“死點(diǎn)”的問(wèn)題。當(dāng)窗戶關(guān)閉后，兩窗扇處在同一直線，這時(shí)就出現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)問(wèn)題。如果在該情況下給電機(jī)通電，無(wú)論多大扭矩都無(wú)法使窗戶打開(kāi)，最后只會(huì)令電機(jī)燒壞。針對(duì)此類情況，人們?cè)趦缮却爸虚g加上了兩根彈簧進(jìn)行“儲(chǔ)能”，以確保窗戶在關(guān)閉之后仍保持有一定的動(dòng)力。當(dāng)窗戶一打開(kāi)，就能夠使得其不在同一直線上，形成一個(gè)較小的角度，從而順利開(kāi)關(guān)窗戶。
三、智能全開(kāi)窗系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
3.1總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)基于STC89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，作為系統(tǒng)控制器，其具有功耗低、體積小、存儲(chǔ)容量大、硬件功能容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。系統(tǒng)整體電路如圖2所示。
3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)
智能窗是通過(guò)步進(jìn)電機(jī)與STC89C52芯片、運(yùn)算放大器、邏輯門芯片和各種敏感電阻和遙控器組成各種外部環(huán)境變化感應(yīng)控制電路，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的智能開(kāi)和關(guān)，從而簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)窗的自動(dòng)化。
3.3溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
本智能窗以單片機(jī)為核心，采用溫濕度傳感器DHT11設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)環(huán)境溫度、濕度的檢測(cè)系統(tǒng)。DHT11是一款已經(jīng)校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字信號(hào)模塊采集技術(shù)和先進(jìn)的溫度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、工業(yè)、環(huán)保、衛(wèi)生防疫、倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸、溫室等領(lǐng)域。溫度測(cè)量范圍：0～50℃；濕度測(cè)量范圍：
20%～90%RH。DHT11有一根數(shù)據(jù)線、一根電源線、一根地線，還有一根（NC）懸空。直接將電源線與單片機(jī)的電源VCC相連，地線與單片機(jī)的GND相連。數(shù)據(jù)線DATA與單片機(jī)的P1.0口相連，外加一個(gè)5kΩ的上拉電阻。所需要的溫濕度數(shù)據(jù)便是由DATA引腳通過(guò)P1.0送入單片機(jī)，在單片機(jī)內(nèi)做出相應(yīng)的處理之后得到相應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)。采用該傳感器后，室內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，智能窗戶自動(dòng)開(kāi)啟，以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。讓室內(nèi)環(huán)境舒服自在。
3.4雨滴傳感模塊設(shè)計(jì)
雨滴傳感器過(guò)去常被運(yùn)用到汽車中，以控制雨刮的速度。雨滴傳感器用于檢測(cè)是否下雨或者雨滴量的大小。雨滴傳感器可在程序設(shè)計(jì)的規(guī)定工作條件下進(jìn)行工作。筆者創(chuàng)新性地把CCD攝像頭雨滴傳感器運(yùn)用到此智能窗中，使得系統(tǒng)能夠檢測(cè)到下雨天氣，以達(dá)到下雨天關(guān)窗的功能。傳感器安裝于窗戶三角突出的位置，在剛下雨時(shí)就能接受到雨滴。當(dāng)傳感器接收到雨滴后，發(fā)出信號(hào)接通控制器，通過(guò)控制器使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作而關(guān)好門窗。
3.5煙霧傳感模塊設(shè)計(jì)
窗上裝有煤煙傳感器，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)一定濃度煤氣對(duì)人體造成危險(xiǎn)時(shí)，警報(bào)聲響起，同時(shí)向電路傳輸信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)窗。煙霧傳感器屬于氣敏傳感器，是氣-電變換器，它將可燃性氣體在空氣中的含量（即濃度）轉(zhuǎn)化成電壓或者電流信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后送到單片機(jī)，進(jìn)而由單片機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、濃度處理及報(bào)警控制等工作。此感應(yīng)器靈敏度高，當(dāng)測(cè)試到有氣體濃度異常時(shí)，窗戶將關(guān)閉，待煙霧回歸到正常范圍才會(huì)重新開(kāi)啟。
四、智能全開(kāi)窗系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該智能窗控制系統(tǒng)的控制單元選用了STC89C52單片機(jī)，這是ATMEL公司的一款低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8kΩ系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。系統(tǒng)以Keil作為編程軟件，以C語(yǔ)言為編程語(yǔ)言。
通過(guò)各個(gè)傳感器對(duì)外界和室內(nèi)環(huán)境條件進(jìn)行檢測(cè)，由單片機(jī)判斷采取相應(yīng)的開(kāi)關(guān)窗動(dòng)作。接通電源后，各個(gè)傳感器各自初始化，開(kāi)始檢測(cè)環(huán)境的各種參數(shù)，當(dāng)數(shù)值達(dá)到所設(shè)定值后，便開(kāi)始動(dòng)作。程序中設(shè)置了手動(dòng)開(kāi)關(guān)窗是最高優(yōu)先級(jí)，所有窗戶的自動(dòng)操作都可被手動(dòng)主動(dòng)停止，這充分體現(xiàn)了人性化設(shè)計(jì)，人的意愿是最優(yōu)先考慮的。第二優(yōu)先級(jí)為防燃?xì)庑孤?，?dāng)檢測(cè)到燃?xì)庑孤稌r(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)開(kāi)窗并語(yǔ)音報(bào)警及時(shí)通風(fēng)換氣。其后根據(jù)更傳感器的重要性，依次進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序。
結(jié)語(yǔ)
本智能窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，集合了溫度、濕度、煙霧等多種傳感器。機(jī)、電高度融合，可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)。其集成后的智能化程度十分高，人性化理念強(qiáng)。而其制造、安裝簡(jiǎn)易，可適用范圍廣，其適合引進(jìn)到高檔住宅、酒店、學(xué)校等場(chǎng)景，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
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