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基于51单片机的智能窗户设计
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更新于2023-05-24
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智能窗户控制系统分为两部分设计即电子自动控制部分和机械传动部分,电子控制部分使用STC89C52单片机为核CPU,集成多种传感器实现监测控制;机械传动部分设计在窗户上安装步进电机,实现精确控制窗户和窗帘的开启。 设计实现如下功能: 1.lcd1602显示温湿度、烟雾值 、亮度值 、系统时间 2.按键设定湿度、温度、烟雾上限值以及亮度上下限值 3.手动、红外遥控开、关窗户功能 4.定时开、关窗户功能 5.下雨时通过温湿度传感器窗户自动关窗功能 6.当室外亮度值达到设定值时自动开、关窗户 7.当室内可燃气体达到设定值时,窗户自动关闭并且报警和启动换风功能
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引言
在我国智能家居也成为近年来一个最热门的话题之一作为“居室眼睛”的窗
户也成为了其中必不可少的一部分引发了不少研究。 智能家居控制系统的应
用让人们在家中能够享受到更安全、更舒适、更方便的生活,并且使生活更具
有人性化,而现代家居中,窗户具有良好的装饰、采光和阻挡灰尘空气循环的
主要途径,但同时也是盗窃非法进屋的一个重要途径,虽然现在很多家庭为了
防盗通常采用钢筋结构的防盗网加固在窗户外,这样是起到了防盗功能,但一
旦发生火灾等紧急情况,窗外的防盗网大大的降低了人们求生或逃生的机会,
所以智能窗户的基本要求不能降低。但是当前大部分窗户控制系统在一定程度
上不是很完善,而且没有安防检测功能,在发生意外时只是开窗或关窗,而使
用者完全没有发现的意识;有的产品没有换风系统,如果当一氧化碳或烟雾超
标时,不能以最快的速度排出室内的一氧化碳或烟雾,有的产品没有红外感应
安防的功能,不能尽快的通知主人可能有小偷进家,所以“居室眼睛”智能窗户
控制系统它能在下雨且家中无人时自动关闭以防止雨水进入损坏室内财物室
内有害气体超标则自动开窗有盗贼入内则自动报警当室内温湿度过高或过低
时自动监测调节环境使窗户真正的智能起来。
方案设计
智能窗户控制系统分为两部分设计即电子自动控制部分和机械传动部分,
电子控制部分使用 单片机为核 ,集成多种传感器实现监测控
制机械传动部分设计在窗户上安装步进电机,实现精确控制窗户和窗帘的开启。
设计实现如下功能
显示温湿度、烟雾值 、亮度值 、系统时间
按键设定湿度、温度、烟雾上限值以及亮度上下限值
手动、红外遥控开、关窗户功能
定时开、关窗户功能
下雨时通过温湿度传感器窗户自动关窗功能
当室外亮度值达到设定值时自动开、关窗户
当室内可燃气体达到设定值时,窗户自动关闭并且报警和启动换风功能
设计原理
设计结构及总体思路
智能窗户控制系统使用机械传动控制窗户的开关,机械部分由步进电机提供
动力,通过设计动滑轮组在运动部件和窗架间进行传动。电子自动控制系统部
分包含湿度温度探测传感器模块、光敏电阻传感器模块、烟雾探测传感器模块、
红外检测防盗模块、换风控制模块以及报警。各传感器将探测到的变化反映到
单片机口,由单片机根据信号的变化即电平的高低判断外界环境的变化,然
后根据内部设定的程序发出命令,控制机械传动部分实现相应的动作。

风扇
单片机
晶振电路
电源
光敏电阻
烟雾传感器
温湿度传感
器
按键
步进电机
显示
蜂鸣器
系统总体框架如下图所示:
图 设计原理
图
有
字节 !, 字
节 "#$,片内
字节,片外 字节, 位 %&'口线,看门狗定时器,内置 ()
**"'$,$#+ 复位电路, 个 位定时器&计数器, 个外部中断,一
个 向量 级中断结构(兼容传统 的 向量 级中断结构),全双工串行
口。
晶振电路及复位电路

图 晶振及复位电路
温湿度探测电路
图 ,
使用 , 数字温湿度传感器。, 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。传感器包括一个电阻式感湿元件和一
个 - 测温元件,并与一个高性能 位单片机相连接。每个 , 传感器都
在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 '
内存中,传感器内部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。
型号 测量范围 测湿精度 测温精度 分辨力 封装
,
-%",-
.
/%",
/.
针单排直插
表 , 参数
引脚 0 接 12
引脚 ##串行输出,单总线
引脚 -悬空
引脚 3-
##用于微处理器与 , 之间的通讯和同步接单片机的 采用
单总线数据格式一次通讯时间 4 左右数据分小数部分和整数部分 当前小
数部分用于以后扩展现读出为零。操作流程如下
一次完整的数据传输为 56高位先出。数据格式56 湿度整数数据756 湿
度小数数据756 温度整数数据756 温度小数数据 756 校验和数据,传送
正确时校验和数据等于“56 湿度整数数据756 湿度小数数据756 温度整数
数据756 温度小数数据”所得结果的末 位。用户 $ 发送一次开始信号
后, 从低功耗模式转换到高速模式等待主机开始信号结束后, 发
送响应信号送出 56 的数据并触发一次信号采集用户可选择读取部分数据
从模式下, 接收到开始信号触发一次温湿度采集如果没有接收到主机发
送开始信号, 不会主动进行温湿度采集,采集数据后转换到低速模式。
总线空闲状态为高电平主机把总线拉低等待 , 响应主机把总线拉低
必须大于 毫秒保证 , 能检测到起始信号。, 接收到主机的开始
信号后等待主机开始信号结束然后发送 8 低电平响应信号主机发送开始
信号结束后延时等待 18 后读取 , 的响应信号主机发送开始信号
后可以切换到输入模式或者输出高电平均可总线由上拉电阻拉高。

图 , 信号采集
总线为低电平说明 , 发送响应信号, 发送响应信号后再把总线拉
高 8准备发送数据每一 56 数据都以 8 低电平时隙开始高电平的长短
定了数据位是 还是 。如果读取响应信号为高电平则 , 没有响应请检
查线路是否连接正常,当最后一 56 数据传送完毕后,, 拉低总线 8
随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。
位数据“9的格式为: 微秒的低电平和 1微秒的高电平,位数据“9的
格式为: 微秒的低电平加 微秒的高电平。
温湿度传感器安装在窗外,显示屏上显示的温湿度值是对采集到的高 位二
进制数转化为十进制,在外界湿度高于 :时窗户会关闭,防止下雨时雨水进
入屋内,温度在高于一定值时窗户关闭,可以再屋内打开空调。限定值可以通
过按键进行设定。
光强采集与烟雾采集电路
图 光强烟雾采集
#& 数据转换采 用
芯片,为 位分辨率 #&转换芯片,其最高分辨可达 级,其内部电源输
入与参考电压的复用,使得芯片的模拟电压输入在 ;0之间。芯片转换时间
仅为 <,据有双数据输出可作为数据校验。
=片选使能,低电平芯片使能。
,模拟输入通道 ,或作为 %-7&1使用
,模拟输入通道 ,或作为 %-7&1使用
3-芯片参考 电位(地)。
%数据信号输入,选择通道控制。
'数据信号输出,转换数据输出。
(芯片时钟输入。

0&"*电源输入及参考电压输入(复用)。。
当 # 未工作时其 输入端应为高电平,此时芯片禁用,(和
'&%的电平可任意。当要进行 #&转换时,须先将 使能端置于低电平
并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作,同时由处理器向
芯片时钟输入端 (输入时钟脉冲,'&%端则使用 %端输入通道功能选择
的数据信号。
图 # 时序图
在第 个时钟脉冲的下沉之前 %端必须是高电平,表示启始信号。在第
、个脉冲下沉之前 %端应输入 位数据用于选择通道功能当此 位数据
为“9、“ 9时,只对 ,进行单通道转换。当 位数据为“9、“ 9时,只
对 ,进行单通道转换。到第 个脉冲的下沉之后 %端的输入电平就失去
输入作用,此后 '&% 端则开始利用数据输出 '进行转换数据的读取。从
第 个脉冲下沉开始由 ' 端输出转换数据最高位 ##,随后每一个脉冲
下沉 '端输出下一位数据。直到第 个脉冲时发出最低位数据 ##,一
个字节的数据输出完成。从此位开始输出下一个相反字节的数据,即从第
个字节的下沉输出 #。随后输出 位数据,到第 个脉冲时数据输出
完成,也标志着一次 #&转换的结束。最后将 置高电平禁用芯片,直接将
转换后的数据进行处理就可以了。#& 的 ,% 采集光敏电阻的分压电阻的电压,
,' 接烟雾传感器的分压电阻。
使用 型号的光敏电阻检测光强,安装在室外用于检测光强,可以在
黄昏关窗,早上开窗。光敏电阻在黑暗情况下电阻可大几兆,在强光照射下仅
仅有几十欧姆,在夏季的室内光强有 18>,没有阳光的室外为 万1
万 8>,夜间满月时,光强为 8>,在 8> 的光强下光敏电阻的阻值大
约为 1(?,分压电阻用滑动变阻器,阻值设置为 (?,黄昏时光敏电阻大约
在几 (?因此设定分压电阻的电压为 0 左右,窗户关闭,早上时光强较强,
分压电阻的电压为 0,窗户打开。由于光敏电阻与光照强度的对应关系不是线
性的,无法计算出真实的光强。因此显示屏上显示的值也不可能是光照强度,
只是对 #& 转换后的值进行显示,也就是电压的对应值,只能根据显示值得大
小来判断光强的强弱,设置显示值的 关窗, 开窗,这些值都可以用按
键进行调整。
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