倪青青 周源源
（苏州大学应用技术学院，江苏 苏州 215325）
【摘 要】本文提出了一种基于自动控制窗户开关的装置，并介绍了软硬件的设计及调试过程。该设计以AT89S52单片机和传感器为硬件电路核心，通过红外热释，风力，雨水等传感器对环境数据的采样以及程序控制，使电机能够实现正反转，利用LM358运放电路来与传感器采集的数据进行比较，使电机能在指定的环境下工作。该智能产品可在恶劣天气下起到无人也能够关窗的效果。实验结果表明该设计性能可靠、实用性强，可广泛应用于各种环境下的窗户。
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关键词 智能窗户；AT89S52单片机；传感器
作者简介：倪青青，苏州大学应用技术学院，专业为电气工程。
通讯作者：周源源。
0 引言
生活质量的提高促成了智能家居技术的诞生与发展，作为智能家居系统的子系统——智能窗户应运而生，智能窗户一般指安装了先进的防盗、防劫、报警系统技术的窗户，其控制系统由智能主控器、窗户控制器、窗户驱动器等组成，智能窗户系统集现代声、光、机、电、通讯为一体，综合利用传感器技术、计算机技术、现代通讯技术和自动控制技术等，实现了窗户各种信息的采集、传输、处理和控制，可以实现自动防风防雨 、防盗、自动监控燃气、声控、光控、防婴儿坠楼、湿度控制等功能，是智能居家的理想选择。
1 系统的硬件设计
1.1 硬件电路的概述
智能窗户属建筑领域的附件, 该设计包括智能控制系统和窗户开关装置以及报警系统。该智能窗户实现主要功能是当室内燃气泄露等有毒物质超标时, 能够控制窗户自动打开, 让空气形成对流, 当室外环境不允许开窗时( 比如风雨和沙尘等天气) 由风光雨传感器传输信号到主控系统, 使其发出指令关闭窗户。如果状况仍未缓解,则启动警报装置。
整个系统由主控芯片、各种传感器、报警器终端, 以及机械传动装置组成, 控制芯片和传感器等直接固定在窗户上, 而报警终端则可固定在室内墙壁或容易引起主人警觉的地方。它的系统结构如图1所示：
图1中，电源是输入220V的交流电通过变压器以及整流滤波的调整得到直流电压5V，供给后续电路使用；AT89S52单片机是这个设计的核心，他相当于人的心脏，用来接受与发射命令，且控制最后的动作；电机采用的是直流小电机，通过皮带来带动窗户左右运动，利用光电开关来检测窗户到位从而让电机停止；按键用来测试电机的动作是否正常，以及用来强制控制窗户的正常开关；传感器用于采集数据，比如风力传感器，当检测到有风，且风力级别在我设计的3级以上的时候，窗户能自动关闭。
1.2 各类检测模块的设计
供电部分的好坏直接影响着电子设备的可靠性，本次供电部分的设计初步选定三端固定式稳压器实现+5V和 ±12V这三路直流稳压电源。其中AT89S52和LCD12864等电子元件所需电压为+5V；而集成运放LM358所需电压为±12V。
烟雾检测模块主要实现对空气质量进行实时监测，并判断空气质量是否超标。在该电路中主要用气敏传感器实现“气-电”转换, 后级电路由LM358运放来实现一个门限的控制，设置了一个基准。
声音检测模块主要实现室外噪音影响你的工作或休息时，智能窗可根据你设定的室外噪音分贝自动关窗。此模块主要由麦克风和音频振荡器组成，通过音频振荡电路和两个施密特整形电路实现声信号到电信号的转换，最后整得到“0”，“1”的输出信号给单片机。
震动检测模块电路是由震动传感器以及LM358构成的一个简单的电压比较电路。
红外防盗检测模块主要由基于红外线技术的人体靠近传感器组成，当有人进入开关感应范围时, 传感器探测到人体红外光谱的变化，光照检测模块是利用光敏电阻接收光后，阻值会发生变化的特性来实现的。
温湿度控制模块是由湿敏电阻和DS18B20温度传感器来实现温湿度的实时监测和数据上传。
儿童安全检测模块是为防止儿童坠楼事件发生而设计的保护电路，此电路是利用红外对射管来实现的，在窗户四周每隔20厘米装一对对射管，因为每个阶段孩子的身高是不一样的，利用这点，通过对射管对射的个数来控制窗户的打开或关闭。
风力检测模块是利用二极管1S2076A的温度特性（1S2076A 在温度相同时，二极管正向电流越大，则其正向压降越高；在正向电流相同时，温度越低，则其正向压降越高）检测风的变化。系统提供对二极管加热的热源（两个1K电阻），无风时，在热源的作用下，二极管温度较高；有风时，风将热量散发出去，使二极管温度降低，这样会使二极管正向压降升高，从而将风信号转换为电信号，为系统所感知。
雨水检测模块主要是利用了测雨板上裸露的两排指叉状金属导线间，干燥时，电阻很大，导电性能极差；在被雨滴打湿的时候，会有一定的导通电阻，可以传递一定的电信号，从使系统感知到下雨。
障碍检测模块是为了防止窗户在动作时突然有手伸出，而夹到手的一个保护电路主要利用对射管来实现此功能。
蜂鸣器报警模块主要是有烟雾报警和防盗报警的功能，当烟雾达到一定浓度时，不仅窗户会打开，并且蜂鸣器报警；当有小偷的时候，防盗模块动作之后，带动蜂鸣器报警。报警音只有当险情解除后才会停止。
此外，还有一个到位停止闭锁电路，使得窗户在开关到位后窗户能停下来，从而保护电机。
1.3 单片机与液晶显示模块
单片机是整个系统的控制核心，如图2所示。S1开关其作用是手动控制智能窗户的开与关，当单片机检测到窗户处于关的状态（P1.5为1）时，按下按钮可以使智能窗户关闭；当单片机检测到窗户未处于关的状态（P1.5为0）时，按下按钮可以使智能窗户打开。
S2为紧急停止按钮，当遇到突发状况时，可以及时切断控制电机的动作。
LCD12864是一款128*64像素的点阵液晶模块，该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。在本智能窗户的系统中主要显示当前的年月日与时间，温度传感器所检测到的温度值，湿度值和四季情况。
2 系统的软件设计
智能窗户的设计既要满足设定的功能（完成如计算等）的程序，也要有对传感器采集的环境数据进行分析的程序。其中，传感器采集程序的主要作用是实时的响应来自外界环境的各种信息，按信息的类别，优先级进行处理。但是，在接收传感器的采集的环境数据后，本身窗户是不会动作的，为此我们必须设计一套控制窗户动作的电机驱动程序，此程序是结合电机驱动模块而编写的。此外，作为本系统中唯一的显示模块液晶屏，我们还利用程序编写使屏上显示出时间，温度，湿度和季节。
3 结论
随着集成电路和计算机技术的迅速发展，传统的家居逐步被智能家居所取代。智能家居的核心部件是单片机，因其极高的性价比得到广泛的应用与发展，从而加快了智能家居的发展。而传感器作为测控系统中对象信息的入口，越来越受到人们的关注。传感器好比人体“五官”的工程模拟物，其精密度将直接影响环境数据采集的精确度，其次是数据采集处理阶段，应选取合适的运算放大电路对传感器输出的信号进行放大。最好是预先计算好应放大的倍数，以便选取。还有就是进行数据处理时，选取适当的数据转换系数，使输出满足量程要求。
本次系统就是在上述基础上设计而成的。因此，只有充分了解有关智能家居、单片机、传感器以及各部分之间的关系才能完成整个设计。
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参考文献
［１］耿淬，孙志平.微机控制技术及应用[M].北京：高等教育出版社，2002.
［２］张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003.
［３］杨帮文.实用电子小制作精选[M].北京：人民邮电出版社，2006.
［４］伍遵义，吴钰初.实用电子技术实验与应用[M].北京：高等教育出版社，1989.
［５］秦增煌.电工学[M].5版.北京：高等教育出版社，1999.
［６］周立功.增强型80C51单片机速成与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社, 2004.
［７］赵承荻.电工技术[M].北京：高等教育出版社，2001.
［８］梁德.微型计算机控制技术[M].北京：人民邮电出版社，1999.
［９］刘志平.电工基础[M].北京：高等教育出版社，2001.
［１０］朱永金，成有才.单片机技术[M].北京：中国劳动与社会保障出版社，2007.
［１１］贾伯年，俞朴.传感器技术[M].南京:东南大学出版社，2000.
［１２］张敏.集成电路测试系统及其开发利用[J].油气井测试，2006，15（4）：68-70.
［１３］张起贵.单片机实现的数字集成电路功能测试系统[J].电子工艺技术,1995，12（4）：31-33.
［１４］单成祥.传感器理论设计基础及其应用[M].北京:国防工业出版社，1999.
［１５］王玉文.数字集成电路的混合模式内建自测试方法[J].仪器仪表学报,2006，27（4）：370-375.
［１６］李道华，李玲，朱艳.传感器电路分析与设计[M].武汉:武汉大学出版社，2000..
［１７］Transistors fundamentals for the integrated-circuit engineer[M]. New York: Wiley,1983.
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