智能窗户系统设计

卢 锋，马 佳

(西安文理学院物理与机械电子工程学院，西安710065)

智能窗户系统设计

卢 锋，马 佳

(西安文理学院物理与机械电子工程学院，西安710065)

设计制作了一款智能型窗户系统，该系统以单片机MSP430G2553为核心，以环境温度、湿度以及振动作为判断条件，完成对窗户的自动控制，主要由单片机数据处理模块，环境温湿度测量模块，振动检测模块，液晶显示模块，电机模块和电源构成.该系统能通过其数据检测传感器电路不断循环检测室外湿度及温度，当室外温湿度达到一定程度时窗户自动关闭，防止潮湿空气或雨水进入房间.

智能型窗户系统;单片机;传感器检测

1 系统总体设计

1.1 设计任务及内容

(1)自动防雨:平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，温湿度传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备免遭雨水侵袭，解除您的后顾之忧.

(2)自动关窗:当室内温度低于20℃或高于30℃时，温度传感器检测到温度信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭.［2］

(3)自动防震:当窗户受到剧烈振动时，单片机通过判断窗户当前状态，若窗户关，则无反应;反之，窗户受电机控制实现关的状态.

1.2 设计方案

该系统以单片机MSP430G2553为核心，以环境温度、湿度以及振动作为判断条件，完成对窗户的自动控制，主要由单片机控制模块，环境温湿度测量模块，振动检测模块，液晶显示模块，蜂鸣器和电源构成.［2］系统整体结构的结构框图如图1所示.

2 机械结构设计

该系统为嵌入式窗户控制系统，以滑轮为主要的动力系统嵌入窗户内于窗槽中，采用推拉式机械驱动方式，不影响窗户外观，整体简洁美观大方.传感器置于窗户外以便采集数据(不影响视觉效果)，室内置有液晶屏，以供察看数据、状态.窗户的模型结构如图2所示.

3 硬件电路设计

图1 系统框图

图2 窗户模型

3.1 温湿度检测模块

采用数字温湿度传感器DHT11.DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器.它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高可靠性与卓越的长期稳定性.传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接.因此该产品具有品质卓越、反应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点.每个DHT11传感器都在极为精确的校验室中进行校准.校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数.单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷.超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 m以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择.产品为4针单排引脚装，连接方便.［4］

综合来看DHT11集温湿度检测于一体，反应快，单片机数字读取数据，利于数据采集，而且其体积小，利于本次设计.

DHT11工作原理:由于采用DHT数字温湿度传感器，电路不用考虑A/D转换，只需设计指定P1.4与数字传感器相连.

3.2 震动检测模块

采用SW－18020P震动传感器，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过15 mA，其工作电压3.3～5 V，输出形式是数字开关量输出(0和1).其原理图如图3所示.

(1)窗户不震动时，震动开关呈断开状态，输出端输出高电平，绿色指示灯不亮; (2)窗户震动时，震动开关瞬间导通，输出端输出低电平，绿色指示灯亮;

(3)输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环境是否有震动，起到报警作用.［5］

图3 震动原理图

3.3 液晶显示设计

显示部分采用LCD12864作为显示器件.LCD12864采用标准的20脚(有背光带字库)，其中，VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10 K的电位器调整对比度.RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器.R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作.当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据.E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令.D0～D7为8位双向数据线(图4).［6］

图4 液晶显示连接图

在本系统当中，由于引脚有限，且显示屏使用串口方式连接简单、易查，所以采用了串口连接方式.其具体接法为:管脚号1、15、20连GND;管脚号4、17、19连VCC 3.3 V;管脚号5连P2.0;管脚号6连P2.2;管脚号2连VCC+5 V.需要注意的是，在使用串口时一定要将LCD12864的PSB引脚接地，也就是接到低电平.

3.4 电机驱动电路设计

步进电机28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC 5～12 V.当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以持续地转动.每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度(一个步距角).当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距.四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有(单相绕组通电)四拍(A－B－CD－A…)，(双相绕组通电)四拍(AB－BC－CD－DA－AB－…)，八拍(A－AB－B－BC－C－CD－DDA－A…).

由于单片机接口驱动功率信号不够需要通过ULN2003放大再连接到相应的电机接口，具体电路如图5所示.

3.5 报警及按键电路设计

当震动传感器工作时，蜂鸣器报警.我们的窗户系统控制面板上设了“三个键”“open”“close”“reset”进行控制，它们是控制系统内部程序中优先级最高的三个按键，“open”和“close”是“用户按键”，便于用户根据自己的意愿对窗户进行开启或关闭，“reset”是重置按键，在用户希望恢复系统的自动化控制时起作用，这样，用户的意愿被放于首位，保证了用户足够的安全感，以及在紧急情况时的应急处理.此处电路较为简单易懂，就不再加以说明.

4 软件系统设计

图5 电机驱动原理图

4.1 主程序设计

本系统的MCU使用了德州仪器公司的低功耗单片机MSP430G2.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.其他功能模块都在中断服务子程序中完成.当产生中断时，MCU被唤醒并执行相应的中断服务子程序，从中断子程序返回后，系统又进入到待机模式，并关闭显示设备，节省电量.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.整个程序全部用C语言编写，使用模块化的设计方法，把各个模块相关的程序放在一个文件中，便于分块调试和管理，缩短了调试周期，增加了程序的可移植性和可剪裁性(图6).

在主程序中，首先关闭了看门狗和总中断，避免了在初始化过程中看门狗或其他中断导致单片机复位，使初始化无法完成.初始化过程分模块进行，增加了程序的可读性，而且便于分块调试，缩短了调试周期.［7］

整个系统软件需要对温度传感器DHT11、蜂鸣器、窗户控制系统进行管理.温度传感器DHT11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.

图6 主程序流程图

图7 窗户控制系统流程图

4.2 温湿度检测设计

温湿度检测程序:DHT11子程序是结合它的用户使用资料编写，主要完成的是初始化DHT11，从DHT11中读出1个字节的数据，向DHT11中写入9个字节的数据，配置DHT11包括警报温度的上限和下限、温度转换的精度，读出Scrachpad存储器中的9个字节的数据，读出Rom中的64位Code值，对读出的Scrachpad数据进行CRC校验，然后根据读出的数据得到测量出的十进制温度值.［8］

4.3 电机控制设计

电机控制系统:主要实现开关窗户的功能.夏天当温度传感器检测到室外温度高于30℃时，P2.5= 1、P1.1低电平，电机正转窗户关闭到限位点时，电机停止.温度传感器检测到室外温度低于20℃时，P2.5=0、P1.1高电平，电机反转窗户开启到限位点时，电机停止.程序执行流程如图7所示.

4.4 液晶显示设计

LCD12864显示程序设计:LCD显示程序最主要的部分就在发送命令和发送数据这两个基础程序. LCD写操作包括写数据和写命令两个部分构成，当RS=0时为写命令，当RS=1时为写数据.

5 结语

本系统通过传感器发出信号从而控制窗户的开关达到空气流通等实际效果，具体为:当外界温湿度超过系统内置的适宜范围或者窗户发生震动时，则电机反转工作，使窗户得以关闭;当外界温湿度满足设定的范围，则电机正转控制窗户开启.同时液晶屏显示实时的温湿度，以便人们观察判断.另外，室内设有三个按键，人们可随个人意愿实行对窗户的开关控制.具有自动检测控制的功能及人机交互操作为生活提供一定的方便.采用温湿度传感器构建该系统，这样感应的距离会比较理想，为家居安全提供一定的保障.本次设计已经完成了对智能窗户的基本功能实现，完全可以作为一套简易系统投入使用，但也存在着一些问题，比如温度、湿度等采集点过于单一，可能会有漏报或误报的情况;另外我们也可以在系统中加入振动检测等技术.在今后的研究中，将进一步对系统进行改进、完善.

［1］ 韩磊.家居进入“智能窗时代”［J］.环境与生活，2008(2):17－19.

［2］ 邓学欣.檀润华.智能窗的概念设计［J］.河北工业大学学报，2001(4):25－29.

［3］ 程良燕.基于环境检测的自动控制窗户系统研究［J］.数字技术与应用，2013(1):19－20.

［4］ 赵负图.新型传感器集成电路应用手册(下)［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［5］ 童诗白.模拟电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社，2006:79－85.

［6］ 孙晓云.接口与通信技术原理与应用［M］.北京:中国电力出版社，2007.

［7］ 张毅刚.新编MSC－51单片机应用设计(第三版)［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨东林印务有限公司，2008.

［8］ 王煜东.传感器应用电路400例［M］.北京:中国电力出版社，2008.

［责任编辑 马云彤］

On the Design of Smart W indow System

LU Feng，MA Jia

(Department of Physics and Mechanical Electronic Engineering，Xi'an University，Xi'an 710065，China)

This paper is to address a smartwindow system，which has the single chipmicrocomputer MSP430G2553 MCU as the core.An automatic control of the window is realized with the environment temperature，humidity and vibration as the judging condition.The major components consist of single chip microcomputer data processing module，environmental temperature and humidity measurementmodule，vibration detection module，liquid crystal display module，motormodule and power.The system can perform a constant detection of the outdoor humidity and temperature by means of data sensor circuit.The window will be automatically shut down when the outdoor temperature and humidity reaches a certain degree and the room will be prevented from the effect of outdoor humidity or rain.

smartwindow system;single chip microcomputer;sensor test

1008－5564(2015)01－0063－05

TP273.5

B

现代社会生活节奏日益加快，生活中我们难免会有一些细节上的疏漏，在下雨天气离家时忘记关窗，当我们懊恼自己的失误时，正需要这样的一扇窗户:在无人控制时，窗户可自动进行自我调节，在隔离风雨的同时还可以完成防盗、报警的功能.所以，像这样的窗户在当今社会上有很大的应用前景.本文设计的窗户与日常生活中的窗户有所不同，是更加便捷与新型化的智能窗户，通过传感器对环境的监测可以实现完全的自动化，解放住户的双手，并且可视为进一步的住宅智能化，为我们的生活提供便利.［1］

2014－09－09

西安文理学院大学生创新创业训练计划研究项目(201334)

卢 锋(1982—)，男，陕西城固人，西安文理学院物理与机械电子工程学院实验师，硕士，主要从事自动化相关专业教学和研究.