基于单片机的家用智能开关窗装置的设计研究

基于单片机的家用智能开关窗装置的设计研究

刘传熙，李丽丽，王天伟，袁训庚，苏荣杰，王玉芳

山东英才学院 机械与电气工程学院 山东 济南 250104

摘要：本文设计了一种以STC89C52单片机为核心的智能开关窗装置，该装置主要由温度检测模块、光敏检测模块、红外检测模块、显示模块、数据处理模块、电机驱动模块等组成。该装置通过检测室内外温湿度等信号，能够在阴天下雨和黑天的条件下及时地关闭窗户，从而避免糟糕的天气带来的麻烦以及财物损失，满足了人们对智能、安全、高效的生活品质的追求。

关键词：单片机；温度检测；光敏检测；红外检测

引言

随着我国经济的迅速发展人民的生活水平日益提高，人们对健康的重视程度也不断提高，大多数人为了保持室内空气清新，会经常开窗通风。但由于当今社会生活节奏快，人们工作繁忙，大多数人经常会忘记开关窗户，每逢天气突变，便会担心不已。 而且遇见大风天气，还会造成窗户以及室内贵重物品的损坏。基于此，本文设计了一种家用智能开关窗装置。本装置可以根据昼夜交替的不同、天气的变化，来智能控制窗户的开关。当传感器检测到室外光强超过设定值时，会发送指令给控制单元及时的开关窗户，能够实现黑天或阴天下雨及时关窗，白天天气好时及时开窗通风。该设计解决了人们不能及时开关窗的困扰，有效地利用了单片机在电子产品控制领域中的性能优势，满足了人们对高品质生活的追求。

1 硬件设计

1.1硬件设计方案

系统基于STC89C52单片机，由温度检测模块、光敏检测模块、红外检测模块、显示模块、数据处理模块、电机驱动模块等组成。系统整体框架如图1所示：

图1 智能开关窗系统的硬件组成框图

1.2 温度检测单元

1.2.1 温度传感器的选用

目前市场上各式各样的温度传感器有很多，包括电阻式温度检测器，热电偶，热敏电阻，红外线和半导体传感器。DS18B20温度传感器是一种应用广泛并含有已校准数字信号输出的温度传感器，具有体积小，性价比高，精度高，抗干扰能力强的等优点，且接线方便，封装后可适用于多个场合。所以本装置的温度检测模块设计采用的是DS18B20数字温度传感器。

1.2.2温度检测原理

DS18B20主要由寄生电源、64位激光ROM和单线接口、高速暂存器、触发寄存器、温度传感器、存储与控制器、8位循环冗余校验码发生器组成，其内部框图如图2所示：

图2 温度检测基本原理

低温度系数振荡器可以用来产生稳定的频率f,温度对于振荡频率的影响很小，高温度系数振荡器将被检测到的温度转化成相应的频率信号，随着温度的变化其振荡频率会发生明显的改变。该系统中还隐含着计数门，每当计数门打开时，DS18B20就会对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，从而完成温度测量。由高温度系数振荡器来决定计数门的开启时间。在每次测量前，先将-55℃所对应的基数分别置于减法计数器、温度寄存器中。在计数门关闭之前如果计数器已减至零，那么温度寄存器当中的数值就增加0.5℃。然后，计数器依斜率累加器的状态置入新的数值，再一次对时钟计数，然后减至零，温度寄存器中的数值又增加0.5℃。只要计数门一直不关闭，就会一直重复此过程，直至温度寄存器的数值达到被测的温度值。

1.3 光敏检测单元

光敏采集模块主要作用是采集光度信号，并且将光信号转换成相应的电信号，然后将信号送至单片机。

本设计采用的是光敏电阻传感器模块，使用了灵敏型光敏电阻传感器及393电压比较器，且信号干净，波形好，驱动能力强。该系统主要利用了光敏电阻的光照时，电阻很小；无光照时，电阻很大；光照越强，电阻越小；光照停止，电阻又恢复原值的原理及光敏电阻的伏安特性。其光敏电阻的伏安特性如图3所示：

图3 光敏电阻的伏安特性

2 软件设计

2.1 系统软件设计

本装置以51单片机作为主控电路实现整系统连接、控制及引导作用。系统以Keil作为编程软件，以C语言为编程语言。通过各个传感器对外界和室内环境条件进行检测，由单片机判断采取相应的开关窗动作。

2.2 智能开关窗装置的程序设计

该控制系统的软件主要由一个主程序和两个中断程序等所组成。主程序的主要作用是在系统复位后对系统进行初始化，设置各中断的优先级别并开中断，以及首次启动A/D转换等，然后向系统循环送显示字符。

检测值中断程序的主要作用是在AT89C52响应中断后，读出检测值，并根据程序从P2.0口依序发出相应的控制命令，完成相应的控制功能。该中断应设为高优先级。循环检测中断程序该中断程序的主要作用是在AT89C52响应中断后，将接收结果送入单片机，然后判断该转换结果是否在上、下限值之间，并根据判断结果依序发出相应的控制命令，完成相应的控制功能。该中断应设为低优先级。并设为电平触发方式。

本系统的单片机使用了ATMEL公司的低功耗单片机STC89C52。主程序中仅完成了系统的初始化和开始的显示部分，然后就进入待机模式。当产生中断时,单片机被唤醒并执行相应的中断子程序，从中断子程序返回后，系统又进入到待机模式。整个程序的设计使系统在绝大多数时间都处于最低功耗状态。整个系统软件需要对温度传感器DS18B20、窗户控制系统进行管理。温度传感器DS18B20为数字式温度传感器，直接与单片机的串口连接来读取温度，以上所有模块均在主程序中完成初始化过程，系统流程图如4图所示：

图4 智能开关窗系统主程序流程图

3 智能开关窗装置硬件调试

测试方案

将该装置通电，观察数码管温度显示，改变窗户外界的亮度和温度,观察直流电动机转动，窗户状态，进行多次测试得出结果。智能开关窗装置硬件如图5所示：

图5 智能开关窗装置实物图

3.2测试结果

1.当外界温度在正常范围内光敏传感器检测到光时，步进电机开始转动，窗户开启。

2. 当外界温度在正常范围内光敏传感器检测不到光时，步进电机开始转动，窗户关闭。

3.当外界温度高于正常范围时无论光敏传感器是否能检测到光,窗户都处于开启状态。

4. 当外界温度低于正常范围时无论光敏传感器是否能检测到光,窗户都处于关闭状态。

从测试结果来看该设计安全可靠,功能强大,各个模块运行稳定,数据收发准确,能够实现智能开关窗的功能，且成本低，维护方便，达到了预想的效果。

4 结束语

本文设计了一种基于STC89C52单片机的智能开关窗的控制系统。利用各种数据传感器进行信息采集，使用单片机对其数据进行分析，并将处理后的数据信息送至辅助电路，再由辅助电路实现电源接通或关闭，控制电机的转动及转向，进而来控制窗户的开关实现对室内环境的调节。该系统性能稳定且功能优良, 具有一定的实用价值。

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