智能节能窗户控制系统的设计.docx

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智能节能窗户控制系统的设计

摘要

本系统的主要器件即为控制器件单片机和各种不同类型、不同功能的传感器，单片机根据接收传感器检测模块的信号，发出相应的控制指令，实现开、关窗，声光报警，等功能，实现窗户开、关的智能化。

智能窗户控制系统使用机械传动控制窗户的开关与窗帘的开合，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。

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。

关键词：

电机传感器信号指令自动控制

Abstract

ThemaindeviceofthesystemisthecontroldeviceMCUandvarioustypesanddifferentfunctionsofthesensor,MCUaccordingtoreceivethesignalofthesensordetectionmodule,issuedthecorrespondingcontrolinstructions,implementationofopen,window,soundandlightalarm,andsoon,toachievethewindowsopenandintelligent.Theintelligentwindowcontrolsystemusesthemechanicaltransmissioncontrolwindowswitchandthecurtaintoopenandclose,themechanicalpartisprovidedbythesteppingmotor,throughthedesignmovablepulleyblockcarriesonthetransmissionbetweenthemovingpartandthewindowframe.Theelectronicautomaticcontrolsystemincludeshumiditytemperaturedetectionsensormodule,photosensitiveresistancesensormodule,smokedetectionsensormodule,infrareddetectionanti-theftmodule,windchangecontrolmodule.Eachsensorwilldetectthechangesreflectedinthemicrocontrollermouth,theMCUaccordingtothechangeofsignal（i.eleveloflevel）tojudgethechangeoftheexternalenvironment,andthenaccordingtotheinternalprogrammedordertocontrolthemechanicaltransmissionparttoachievethecorrespondingaction.

Keywords:

Automaticcontrolofmotorsensorsignalinstruction

第1章　绪论

1.1　课题背景

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,就会给人们的居家生活带来诸多方便，从而进一步提高人们的生活质量。

1.1.1　课题应用情况

当前大部分窗户在有烟雾过大时，或者在下雨天有雨水溅入时都要通过手动去开窗或关窗。

在空气比较闷热时（超过26°C），不能自动进行开窗以及通风换风，而且现在很多城市（揭阳、清远、韶关、广州，深圳等等）PM2.5（可入肺颗粒物）季均浓度都超过了国家空气新标准规定的二级限值35微克/立方米，严重危害人体健康，而现在大部分窗户都没有过滤装置，为了提高人们的生活质量，我们可以通过在窗户上的换风装置上装一个PM2.5过滤器，而且这个过滤器可以手动卸掉，进行定时清洁。

现在大多数的窗户系统都没有安防的功能，当有小偷想从窗户进入偷窃，不能及时发现，造成很大的损失，所以在窗户上装红外检测防盗系统，能够及时报警，尽量避免不必要的损失等等。

1.1.2　课题意义

目前市场上智能家居虽然集成了家居生活有关的设施，但是对于各部分不能做到细致具体的设计，常常忽略了一些必要的功能（如烟雾检测功能、温湿度检测功能、红外检测报警功能、自动换气功能）或者不够人性化。

而窗户是智能家居的一个重要的组成部分，因此更好地实现窗户的智能控制和安全防护提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性显得尤为重要。

当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会文明程度在一定历史时期的体现。

多功能智能窗户系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用多功能窗户系统具有重要的现实意义。

现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边，更不用说智能化了。

如果使窗户具有一定的智能，如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等，就会给人们的居家生活带来诸多方便，从而进一步提高人们的生活质量。

沿着这样的思路，本文设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。

1.2　国内外研究现状

多功能智能窗系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用多功能智能窗系统具有重要的现实意义。

该产品可以形成大规模生产，普及全国市场，产生巨大的经济效益。

另外，该多功能智能窗还可以广泛应用于宾馆、饭店、写字楼、会议厅、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。

其一，改变人们的生活方式。

单片机控制的多功能智能窗有丰富的智能化功能，为家庭用户营造了一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。

1.3　课题的目的和意义

该多功能智能窗能自动识别室内外环境并根据环境不同驱动电机正反转，开启或者闭合窗户。

给人们日常生活带来极大的方便。

这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。

其二，牵动一大批产业。

单片机控制的多功能智能窗产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。

其三，开拓一个崭新的市场。

多功能智能窗系统牵动了许多的行业，有利于其它相关行业的发展。

本设计希望开发一种在普通窗的基础上改进的智能关窗装置，该装置装有传感器，能够根据室内外环境自动实现开关窗。

因此开发一款基于单片机的多功能智能窗系统是很有必要的。

第2章　设计方案

2.1　功能概述

“居室眼睛”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.显示温湿度、烟雾值、亮度值、系统时间

2.设定湿度、亮度值、烟雾上下限值功能

3.手动、红外遥控自动开|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.当室内亮度值达到设定值时自动开|关窗户

7.当室内烟雾|可燃气体达到设定值时，窗户自动开启并且报警

和启动换风功能

2.2　设计原理及组成结构

智能窗户控制系统使用机械传动控制窗户的开关与窗帘的开合，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。

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。

该系统是基于51单片机控制多功能智能窗的设计，能根据外界的天气情况和室内空气情况来控制窗体的开启和关闭。

系统的主要模块包括：

有毒气体检测模块、红外防盗模块、湿度检测模块、风速检测模块、声光报警模块以及电机驱动模块。

如果室内发生煤气泄漏，而室内人并没有察觉煤气泄漏，那将对人造成严重的生命危险，因此，本系统把有毒气体检测模块优先级设为最高。

根据室内外环境的不同，综合考虑，把红外防盗模块、防雨检测模块、防风检测模块优先级依次顺序降低。

组成结构如图所示

图2-1结构图

第3章硬件设计

3.1单片机概述

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。

在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。

这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。

80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。

专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51系列可能最终形成事实上的标准MCU芯片[6]。

本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89S51。

其片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89S51管脚图如图3-1所示

图3-1AT89S51管脚图

主要性能参数：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容

（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

（3）1000次擦写周期

（4）4.0-5.5V的工作电压范围

（5）全静态工作模式：

0HZ-33MHZ

（6）三级程序加密锁

（7）128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线

（8）2个16位定时/计数器

（9）6个中断源

（10）全双工串行UART通道

（11）低功耗空闲和掉电模式

（12）中断可从空闲模式唤醒系统

（13）看门狗（WDT）及双数据指针

（14）掉电标示和快速编程特性

（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）

管脚说明如下：

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INTO（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4TO（定时/计数器0）

P3.5T1（定时/计数器1）

P3.6WR（外部数据存储器写选通）

P3.7RD（外部数据存储器读选通）

此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。

RST——复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。

ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。

要注意的是：

每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。

对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。

如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。

该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。

此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。

PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

需注意的是：

如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。

如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。

FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。

3.2时钟电路设计

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周为1/12us，故而一个机器周期为1us。

如下图3-2所示为时钟电路图。

图3.2时钟电路图

3.3复位电路设计

单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。

复位方法一般有上电复位和外部手动复位两种方式。

上电复位复位时在单片机接通电源时，对单片机的复位。

在上电瞬间RST端与VCC电位相同，随着电容上电压的逐渐上升，RST端电位逐渐下降。

上电复位所需的最短时间是震荡器震荡建立时间加2个机器周期。

图3-3为外部手动复位电路的电路示意图。

防盗报警系统设计此次采用的是外部手动按键复位电路。

当需要外部复位时，按下复位按钮S1即可达到复位目的。

图3.3复位电路图

3.4防盗报警电路设计

3.4.1防盗报警设计思路

该模块设计整体思路如下：

当有陌生人企图开窗侵入室内偷盗时，该系统能够通过传感器识别出来，并向单片机发送信号，单片机经过数据处理，驱动声光报警电路。

从而避免造成财产及安全损失。

3.4.2常见红外传感器介绍

（1）红外探测器：

红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。

检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。

多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。

当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。

（2）红外测温产品：

HEITRONICS拥有40多年非接触红外测温经验，50多种红外测温仪和非接触红外测温系统可满足不同行业用户的特殊需求,提供最优非接触红外测温解决方案。

在高性能和高品质的红外测温产品市场，来自德国的HEITRONICS以其在尖端领域应用中良好的品质纪录，被广泛公认为是世界一流的红外测温产品供应者而受到信任。

HEITRONICS系列产品已广泛应用于冶金、玻璃、造纸、纺织、橡胶、木材、制陶、塑料、涂层、沥青、建筑、电子、食品、石化、水泥等工业制造、科学研究和实验领域。

（3）压电传感器

压电传感器（Piezoelectricsensor）是一种典型的有源传感器,它是以某些电介质的压电效应为基础,在外力作用下,电介质表面产生电荷,从而实现外力与电荷量间的转换,达到非电量的电测目的。

压电传感器的应用：

可分为单向力,双向力和三向力传感器。

压电传感器的物理基础是压电效应,压电敏感元件感受力的作用而产生电压或电荷输出,即根据输出电压或电荷的大小和极性,就可确定作用力的大小和方向。

由此可见,压电传感器可以直接用于测力,或测与力相关的压力、位移、振动加速度等。

（4）磁电传感器

磁电传感器可分为两大类,一类是基于铁芯线圈电磁感应原理的磁电感应式传感器,一类是基于半导体材料磁敏效应的磁敏传感器。

磁敏管的应用:

不但具有很高的磁灵敏度,同时能识别磁场极性；而且体积小功耗低,因而具有广泛的应用前景。

（5）光电传感器

光电传感器（Photoelectricsensor）是一种将光信号转换成电信号的装置,它具有结构简单、性能可靠、精度高、反应快等优点,在现代测量和自动控制系统中,应用非常广泛,是一种很有发展前途的新型传感器

（6）人体热释电红外传感器

在电子防盗、人体探测器领域中，被动式热释电红外探测器的应用非常广泛，因其价格低廉、技术性能稳定而受到广大用户和专业人士的欢迎。

（7）无线红外传感器

无线红外传感器又名无线红外探测器，无线智能幕帘/广角红外探测器采用美国军用红外传感器进行信号采集探测与摩托罗拉芯片组合集成单片机智能技术控制，自动温度补偿、微电流省耗、无误报、无漏报、探测距离远、工作稳定、性能可靠、外形精巧、美观大方。

机内设置电源外拨开关，外出设防可以接通电源，达到更加省电的效果。

它是根据人体红外光谱而工作，当人体在其接收范围内活动时，探测器输出报警信号，广泛用于银行、仓库和家庭等场所的安全防范。

它是目前可靠性较高的产品，红外探测部分采用报警器用传感器和红外专用处理IC。

高频发射部分采用最新声表面（S）稳频技术，配合成熟的外围电路，使得产品具有红外探测灵敏度好、误报率低、高频发射频率稳定、发射功率大的特点。

3.4.3RE200B工作原理

在本次设计中，此模块的核心元件是热释电红外传感器。

这里选用传感器的型号为RE200B。

下面将对热释电红外传感器的工作原理以及RE200B做详细介绍。

热释电红外线（PIR）传感器是80年代发展起来的一种新型高灵敏度探测元件，是一种能检测人体发射的红外线而输出电信号的传感器，它能组成防入侵报警器或各种自动化节能装置。

它能以非接触形式检测出人体辐射的红外线能量的变化，并将其转换成电压信号输出。

将这个电压信号加以放大，便可驱动各种控制电路。

本设计所用的热释感器就采用这种双探测元的结构。

其工作原理为：

在VCC电源端利用C1和R2来稳定工作电压，同样输出端也多加了稳压元件稳定信号。

当检测到人体移动信号时，电荷信号经过FET放大后，经过C2，R1的稳压后使输出变为高电位，再经过NPN的转化，输出OUT为低电平。

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。

其工作电路原理及设计电路如图3-4所示,

图3-4热释电红外传感器原理图

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。

不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。

为了抑制因自身温度变化而产生的干扰，该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化，并将其转换为电信号输出。

热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。

由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用，因而需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式，即源极跟随器来完成阻抗变换。

热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。

设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。