智能化窗户设计

智能化窗户设计（共7篇）

智能化窗户设计 篇1

摘要：研究设计了智能窗户, 其可以根据室外天气的变化, 自动控制窗户的开关并且顺便改善了室内的空气状况, 保护居民室内东西不受损坏的同时使居民生活更加舒适。

关键词：窗户,GSM短信模块,温湿度传感器,灰尘传感器,风力检测,电机驱动

随着经济的发展, 人们的物质生活水平越来越高, 日常生活用品的实用性、便捷性显得尤为重要。目前窗户应用最广的还是推拉式的铝合金窗户, 外边刮大风、下雨时因为出门在外没有关好窗户弄得家里一团糟, 也许在城市内这个问题不是很显著, 但是在农村依旧是人们伤脑筋的事情。而且现在环境状况很差, 什么时候开窗通风都成为人们需要考虑的事情。综合上述原因, 进行了智能窗户的研究与设计, 通过在目前通用推拉式铝合金窗户的基础上进行必要的结构改造以及软件程序设计, 使窗户集实用、智能、便捷、自动, 更好地应用于市场。

1 设计方案

智能窗户设计主要包括减速电机驱动部分, 温湿度传感器, 灰尘传感器, 风力检测部分, GSM短信模块及系统整体的Keil程序设计六个方面。

1.1 减速电机驱动部分

智能窗户的自动化实现靠窗户两边的两个减速电机来实现推拉, 两电机的控制由Risym L298N电机驱动板模块决定, 单片机根据处理对比各种传感器传递来的AD信号, 提供给驱动高低电平, 达到控制驱动的目的[1]。

1.2 GSM短信模块

GSM短信模块在智能窗户中起与外界通讯的作用, 将模块安装在窗户内侧, 通过单片机将其与温湿度传感器、灰尘传感器、风力检测部分三部分联系起来, 各模块接收到的信号传送到单片机, 由单片机做出判断是否需要发送短信询问主人, 设置一定的等待时间, 若主人无回复, 根据天气状况默认开关。短信模块不受时间, 地点, 距离的限制, 实用快捷[2]。

1.3 温湿度传感器

在窗户外部安装温湿度传感器对外界的环境空气进行温度、湿度上的检测, 把检测到的数据传到单片机。当外界风雨欲来时, 空气中的湿度会明显增大, 当检测到的湿度值超过预定单片机内默认值时, 会自动地将窗户关闭, 与此同时, 与其相连的GSM短信模块会将这一信息传输到我们手机上, 通知我们“窗户已经关闭, 是否进行此操作”, 我们可以选择“是”或者“否”来对其进行控制是否关闭窗户。雨停后, 温湿传感器检测到数值上的下降, 然后再发送信息到手机, 询问是否将窗户打开。若用户想趁雨后室外空气清新疏通一下室内的空气这会变得随心所欲。实现了人工智能的要求, 从而避免了因为下雨会将窗户旁的物品淋湿的问题。

1.4 灰尘传感器

在窗户外部安装灰尘传感器可对外界的空气质量进行监测, 灰尘传感器 (GP2Y1010AU0F) 是专业检测灰尘浓度的传感器, 应用广泛。

该装置中, 一个红外发光二极管和光电晶体管, 对角布置成允许其检测到在空气中的灰尘反射光。该传感器具有极低的电流消耗 (最大20 m A, 11 m A典型的) , 可以搭载高达7VDC的传感器。输出的是一个模拟电压正比于所测得的粉尘浓度, 敏感性为0.5 V/0.1 mg/m3。

检测原理如图1, 传感器中心有个洞可以让空气自由流过, 定向发射LED光, 通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量获得测试数据 (如图2) , 将测试得到的数据与空气质量对比 (如图3) , 判断出空气质量状况。

设置单片机的默认值为300, 当传感器检测到的值大于300时, 窗户会自动关闭。检测值下降时, 短信模块发送短信询问户主“空气质量好, 是否要打开窗户”, 户主回复是则窗户打开, 反之依旧关闭[3]。

1.5 风力检测部分

在窗户外部安装小型风力发电机, 当外界环境起风时会带动它进行发电, 然后会点亮与之相连的密封的LED灯, 密封空间内光亮的变化引起光敏电阻的变化, 将光敏电阻采集到的AD信号传输到单片机, 由单片机判断处理, 最后对电机驱动进行控制, 关上窗户。

1.6 Keil程序设计

我们采用的控制系统是51系列的STC12C5A60S2单片机, 使用的电脑编程软件为Keil, 程序下载软件为STC, 三者相互协作完成程序的运行。

智能窗户的程序设计:首先DHT11温湿度模块传感器、灰尘传感器、风力检测部分, 采集到的数值全部通过5110液晶显示屏表现出来, 当传感器采集到的温湿度信号, 与Keil程序里设定的数值不一样时, STC12C5A60S2单片机就会通过传递高低电平给电机驱动来控制电机的工作[4], 达到整个智能系统的自动化。

2 特点

1) 实用性:现如今市面上的智能窗户都是一套整体的窗户, 价格昂贵, 大多都需要将原来的窗户拆除后再安装, 成本大。我们设计研究的智能窗户只是对现有的窗户进行改装, 在达到相同效果的情况下, 与其他智能窗户相比有成本低, 安装简单, 使用方便等特点。

2) 自动性:安装该窗户后, 在恶劣天气情况下, 即使家中无人也不需要再担心室内的物品会损坏了, 从根本上解决了人们担心的问题, 实现了人工智能自动的特点。

3) 安全性:安装该窗户后, 在恶劣天气情况下, 即使家中无人也不需要再担心室内的物品会损坏了, 从根本上解决了以上我们提到的问题。安装该系统以后, 也使室内的空气状况大大改善, 有益家人身体健康。

以上三大特点使目前的铝合金窗户能够更好地满足广大人民群众的需求, 更快地引领窗户市场。

参考文献

[1]刘全忠.电子技术[M].第2版.北京:高等教育出版社, 2004.

[2]侯亮, 唐任仲, 徐燕申.产品模块化设计理论、技术与应用研究进展[J].机械工程学报, 2004, 40 (1) :56-60.

[3]谢自美.电子电路设计、实验、测试[M].第2版.武汉:华中科技大学出版社, 2006.

[4]全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京:北京理工大学出版社, 2006:94-99.

智能窗户控制系统的设计研究 篇2

现在的社会使人们的生活节奏变得比较快, 在生活中人们经常发生一些疏忽, 忘记关闭窗户的事情常有发生, 有时遇到恶劣天气, 雨水会通过窗户进入家庭带来不必要的损失。因而需要这样的一扇窗户:可以收集天气的信息, 雨天时自动关闭, 晴天时自动打开, 进行自我调节的同时还可以完成防盗的功能。本文设计的窗户系统与普通的窗户有很大的区别, 其智能化更加符合现代人的生活方式, 通过传感器可以完成窗户的自动化, 解放用户的双手, 为家庭提供便利。

2 系统总体设计

2.1 设计任务及内容

(1) 自动防雨:在人们外出时无法关闭窗户, 若遇到大风或者大雨等恶劣天气用户无法进行及时地关闭, 而智能窗户控制系统便在这种情况下发挥自己的作用, 分析出天气情况, 及时关闭窗户, 避免损失。

(2) 收集室外天气:能够通过传感器来对外部的环境进行检测, 雨水等天气会通过雨水传感器进行收集, 传递给单片机进行处理分析达到关闭窗户的作用, 天气晴朗时也可根据室内外的湿度适时开关窗。

2.2 设计方案

该系统的主要控制中心位于单片机, 由雨水传感器和温度传感器进行数据的收集, 并将该数据传输给单片机, 单片机会对数据进行分析确定是否需要关闭窗户, 通过控制电动机实现控制系统的功能。

3 机械结构设计

该系统通过将动力装置电动机嵌入窗户中, 通过有角度地转动, 控制窗户的打开与关闭, 将电动机置于窗户的内侧, 在不影响美观的情况下尽可能地置于窗户的底部, 起到调节作用, 外部的传感器连接单片机进行数据的传送, 单片机会将数据传输给液晶显示器显示, 方便用户查看。

在电动机这块, 我们选择步进电动机57BYG250-56, 其额定电压24 V, 额定电流2 A, 额定步距角1.8°。采用L297, L298的组合电路作为步进电动机的驱动。采用L297来提供时序信号, 节省了单片机IO接口。L298的管脚1和15与用于检测电流的电阻连接起来控制负载;L298的OUT1, OUT2和OUT3, OUT4之间分别接两个步进电动机, 图3中, 斩波器的电路参考电压与通过L297的管脚13, 14与R14, R15所反馈的电压相比较, 由比较结果确定是否进行斩波处理。电路中的光电耦合芯片将单片机与电动机隔离出来, 使他们之间只有信号联系, 没有电流连接, 这样可以避免电动机中的大电流影响单片机工作, 具体的连接方式如图3所示。

4 传感器结构设计

本系统需要雨水传感器和温度传感器对窗户外部的环境进行实时检测收集, 我们采用DHT11数字温湿度传感器, 这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, 具有很高的可靠性与稳定性。DHT11传感器包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件, 并与1个高性能8位单片机相连接。单线制串行接口, 使系统连接可以更简洁。功耗极低, 信号传输距离可达20 m以上。作为一种新型的单总线数字温湿度传感器, DHT11具有体积小、功耗低、响应速度快、抗干扰能力强、控制简单、性价比高等优点。其基本指标如下:温湿度复合传感器;全量程标定校准, 单线数字输出;湿度测量范围为20%~90%RH;温度测量范围为0~50℃;湿度测量精度为±5.0%RH;温度测量精度为±1.0℃;响应时间<5 s;低功耗;超长的信号传输距离;出色的长期稳定性;超小体积。DHT11采用4针单排引脚封装, 电路连接方便。DATA是用于微处理器与DHT11之间的通信和同步的串行双向接口, 采用单总线数据格式。每次通信都是以高位先出的顺序传输40位数据, 用时约为4 ms。数据格式为:8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和数据, 每个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。数据传送正确时, 校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。

温度传感器采用非接触式, 它的敏感元件与被测对象互不接触, 又称非接触式测温仪表。这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速 (瞬变) 对象的表面温度, 也可用于测量温度场的温度分布。我们采用最最常用的非接触式测温仪表, 它是基于黑体辐射的基本定律, 称为辐射测温仪表。只有对黑体 (吸收全部辐射并不反射光的物体) 所测温度才是真实温度。如欲测定物体的真实温度, 则必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取决于温度和波长, 而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关, 因此很难精确测量。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量, 则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度 (即介质温度) 进行修正而得到介质的真实温度。可以有效地检测窗户内外的环境温度, 达到比较高的准确率。

5 单片机模块结构设计

该模块主要是数据的收集分析模块, 一方面需要对传感器收集的数据进行分析, 判断是否符合关窗的标准, 一方面需要控制机械结构, 控制其调整合理的角度以及转速的方向和大小, 因此对单片机的要求比较高, 我们选用8751, 8751片内有4k的EPROM, 我们可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用, EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。由于该类型的单片机应用的早, 影响很大, 已成为事实上的工业标准, 使用起来比较方便, 兼容性好, 另外后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作, 也推出了同类型的单片机, 如同一种单片机的多个版本一样, 虽都在不断地改变制造工艺, 但内核却一样, 也就是说这类单片机指令系统完全兼容, 绝大多数管脚也兼容;在使用上基本可以直接互换。人们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”, 学了其中一种, 便会所有的51系列。在该系统中8751一方面在大学的学习中涉及比较多, 我们可以很快地掌握, 一方面兼并性比较强适合传感器和操作系统的控制。

6 读取A/D程序设计

在本系统中, 转换器将温度传感器和湿度传感器收集到的模拟电压信号改变成数字电压信号, 然后传送给单片机, 由单片机对温度和湿度进行判断, 实现程序设计的功能。

7 结语

本智能窗的控制系统, 实用性比较强, 对数据的收集分析比较快速, 是智能家居不可或缺的一部分, 在防雨关窗方面有很大的优势。

摘要：文章设计了一款智能窗户控制系统, 该系统以单片机为核心, 以空气水分、环境温度为控制条件, 完成对窗户的自动控制。雨水传感器、温度传感器分别对空气水分、环境温度的数据进行收集, 经过单片机进行数据处理分析后, 调整电动机转动的角度及幅度来控制窗户的关闭。该系统的传感器位于窗户外侧, 方便及时地进行数据的收集。当湿度达到一定程度时, 窗户会在电动机的控制下自动关闭, 防止雨水进入室内。

关键词：WSN,单片机,传感器

参考文献

[1]宰文姣.步进电机驱动控制系统的设计与实现[J].煤矿机械, 2013 (4) :157-158.

[2]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, 2009.

智能化窗户设计 篇3

关键词：单片机,传感器,智能窗,手机控制

一、引言

随着经济的发展, 人们的生活水平越来越高, 对健康的重视程度也日渐增强, 保持室内空气新鲜, 经常通风换气也成为人们共同的生活习惯, 然而在当今快节奏生活中, 人们常常会忘记关窗, 给人们造成了一定的困扰。

本文提出了一种基于单片机的智能窗户控制系统, 由雨滴传感器、温度传感器检测外界天气变化情况, 经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算, 再输出电平信号驱动调整电机, 实现窗户的控制。同时用户也可以通过手机查询窗户状态, 并根据需求发送短信来控制窗户的开或关, 从而给人们的生活带来便利。

二、系统总体设计

基于MC9S08AW60单片机的智能窗户控制系统, 主要包括单片机最小系统模块、数据采集模块、输出控制模块、手机控制模块四大模块组成。如图1所示。

三、系统硬件设计

(一) 单片机最小系统模块。

主控芯片采用Freescale公司的高性能处理器MC9S08AW60, 该芯片是Freescale公司的一款基于S08内核的高度节能型处理器, 具有业内最佳的EMC性能。晶振电路由一个4MHz的晶振加二个22PF电容和一个10M电阻组成。复位电路由一个RC抗干扰电路和一个复位按键组成, 当按下按键时, 单片机RESET引脚收到低电平, 则系统复位。在VDD和VSS电源引脚上接二个电容, 一个是大容量10u F钽电容, 用来为全体系统提供大电量存储, 另一个0.1u F陶瓷旁路电容, 来抑制高频噪声。另外在给内部ADC供电的两个电源引脚上也连接一个0.1u F的陶瓷电容, 来抑制高频噪声。BDM写入接口采用Freescale公司的片上调试规范, 可通过它不断多次向目标板下载程序, 或对MCU的Flash进行定稿、擦除等操作。

(二) 温度传感器电路。

温度传感器将采集到的温度准确的转换成数字信号, 本系统采用的是数字集成温度传感器DS18B20, DS18B20采集电路很简单, 只要在DS18B20正极接+5V电压, 负极接地, 输出引脚DQ和正极间连接一个4.7K的电阻, 工作时, DQ引脚连接单片机IO引脚的PTD6脚, DQ引脚会随着环境温度的变化而变化, 并将获得的温度值存放在两个8位存贮器中, 通过DQ引脚读出两个存贮器的值, 再将其求补再转换成十进制数并除以2就得到了被测温度值。

(三) 雨滴传感器电路。

采用的是Arduino雨滴传感器, 5V供电, 当感应板上没有水滴时, 数字输出端D0输出为高电平, 开关指示灯灭, 滴上一滴水, D0输出为低电平, 开关指示灯亮。在本系统中将D0输出端接单片机IO引脚的PTA6脚, 系统初始化时, 将该引脚定义为输入。

(四) GSM模块电路。

本系统选用华为公司GTM900-B模块, 自带RS232通信接口, 模块上的三个引脚TxD、RxD、GND直接连接单片机的RxD、TxD、GND, 无需进行电平转换, 非常方便且节省。单片机通过AT指令可以和GSM模块进行通信, 实现数据的传输和控制。在模块内安装上SIM卡, 该号码作为本系统的号码。

(五) 电机控制模块。

选用直流永磁推杆式电机, 由二路继电路来控制驱动电机的升缩。当PTA0为高电平时, C1815导通, 继电器K1线圈中有电流通过, 同时PTA1为低电平, 继电器K2线圈中无电流通过, 此时电机反向导通, 电机推杆往后缩, 带动窗户关闭。反之当PTA0为低电平时, C1815不导通, 继电器K1线圈中无电流通过, 同时PTA1为高电平, 继电器K2线圈中有电流通过, 此时电机正向导通, 电机推杆往前推, 带动窗户打开。电路如图2所示。

四、系统软件设计

本系统软件环境采用Codewarrior6.3版本, 采用C语言编写。程序首先进行系统初始化, 包括MCU初始化、串口初始化、定时器初始化、IO初始化、GSM模块初始化等。主循环中, 判断是否有短信, 当有短信时, 判断是否是取消短信控制, 还是短信控制开窗或关窗, 从而发出控制信号, 控制继电器动作, 自动开关窗。若短信控制无效时, 则读雨滴传感器及温度传感器信息, 检测到有雨水时, 发出控制信号使继电器动作, 自动关窗。当检测到的温度在10℃到30℃之间, 则发出控制信号控制继电器动作, 自动开窗。程序执行过程中, 当检测设定手机有查询信息时, 也可将窗户当前状态通过GSM模块发送信息给手机, 机主可通过发送短信是开或关窗来控制当前窗户的开或关。主程序流程图如图3所示。

五、结语

本文的智能窗户装置是在普通窗的基础上改进, 智能窗户装置不仅低成本而且顺应时代的要求。在此基础上, 还可按照客户的需求, 增加一些其他检测并进行自动控制。如室内空气污染情况等。造价便宜, 控制可靠, 约在200元以内, 可以满足广大消费者的需求。

参考文献

[1] .王宜怀, 陈建明, 蒋银珍著.嵌入式技术基础与实践 (第二版) [M].北京:清华大学出版社, 2012

[2] .张卓, 张磊.一种基于GSM短消息的智能家居系统[J].产业与科技论坛, 2013

智能化窗户设计 篇4

关键词：多传感器,单片机,环境控制,智能控制窗户控制系统

近年来,随着物联网技术的迅速发展,智能家居成为家庭信息化和社会信息化的重要组成部分。本人将介绍一款同时具备 “雨天自动关窗”和 “粉尘超标自动关窗”, 以及 “天黑自动闭窗”和 “从窗暴力进入自动关窗”四项功能的智能型窗户。功能简单实用,成本低廉,具有广阔的市场空间、可观的市场价值和应用前景。

1系统总体设计

1.1总体设计思路

智能控制窗属建筑领域的附件,它主要包括室外采集区,中央控制区和同步响应区。主要由三大部分组成,分别是单片机核心控制电路及简单外围电路,PM2. 5传感器、湿敏传感器、红外传感器组成的信息采集系统,步进电机的驱动系统。该智能控制窗由安置在室外的湿敏传感器和PM2. 5传感器收集室外空气的温度湿度以及粉尘含量等各项数据,传送给单片机中央处理单元进行数据分析与处理,并向步进电机发送指令,进而步进电机带动同步带轮连接窗框,使窗户发生位移,达到自动开合窗户的目的。各种指令在液晶屏幕上显示以便于识别。其基本系统整体结构框图如图1所示。

1.2室外数据采集检测模块设计

室外数据采集检测模块主要由GP2Y1010AUOF PM2. 5传感器、E18 - D80NK红外传感器和DS18B20温度传感器构成。这些传感器应用广泛、价格低廉,拥有卓越的稳定性和可靠性,可实现数据采集和数字信号输出的功能。传感器原理如图2、图3所示,传感器中心有孔可以让空气自由流过,定向发射LED光,通过检测经过空气中灰尘折射过后的光线来判断灰尘的含量。

1.3中央控制模块设计

该智能控制系 统主控芯 片采用SSTC公司生产 的STC89,这是一种低功耗、 高性能CMOS8位微控制器, 具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS - 51内核,但做了很多的改进,使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。与传统的51单片机相比较它具有较大的存储器空间并且可以支持串口直接下载程序,免去了购买价格昂贵的专门编程器,开发成本很好控制。

该单片机应用系统还包括时钟电路和复位电路,时钟电路使得电路在唯一的时钟信号下工作; 复位电路使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态下,无论是在控制系统刚接上电源还是断电或者故障重启都要复位。

1.4电机同步驱动响应模块设计

采用42BYG250B两相混合式步进电机作为机械部分的驱动设备,步距角1. 8°; 静力矩0. 48 ~ 0. 75N·m; 机身长48 ~ 60mm; 引线数: 4; 电流: 1. 2 ~ 2. 5A。步进电机是将电脉冲信号转化为角位移或线位移的开环控制元件。其中的脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号。脉冲分配器将脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲。 这一线性关系的存在,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机控制变得非常的简单[1]。

1.5系统主程序设计流程

本系统软件以Keil为编程软件,以C语言为编程语言。系统设计流程如图4所示。

1.6系统功能测试

系统各模块设计结束后进行系统功能测试,接通电源后显示屏正常显示室外温度、湿度、PM2. 5浓度。对自动识别室外环境指标开关窗做出测试。各项功能实现良好。与原有的手动开关窗方式相比,基于由室外检测装置、控制装置、执行装置、可使用户的生活更加舒适便捷,通过数据显示与PM2. 5标准值比对的方法说明问题。既方便快捷,易于处理信息,又具有可视化的特点, 生动形象。

2结论

智能化窗户设计 篇5

近年来, 随着高科技和信息技术的发展, 智能机器走进了智能住宅, 住宅智能化已然成为人类住宅一场新的革命。现代社会家庭正在以家庭智能化带来的多元信息和安全、舒适、便捷的生活环境作为新的目标和追求。然而, 由于目前广大家庭的窗户在智能控制方面的不足, 小孩在室内玩耍时爬上窗台酿成惨剧的情况时有发生, 小偷通过开着的窗户入室盗窃案件屡见不鲜, 对人们的生命财产安全造成极大损失。同时, 愈演愈烈的雾霾天气造成的空气污染、有毒气体对人的生命安全造成威胁、室外高温或者下雨天时开着窗户导致室内环境变差, 这些都对保持良好的居家环境产生了不利影响。

目前, 平移式窗户被广泛使用, 而市场现有的智能产品多是包括窗户本身以及控制系统在内的完整系统, 需要重新更换窗户, 在实际应用中存在较多不便。因此, 在现有窗户的基础上, 设计一种价格低廉、拆卸方便、多功能的平移式窗户启闭器是解决这些现实问题的有效途径。

2 硬件设备

整个单片机系统基于51单片机开发板, 配以多种精心设计的传感器和电机, 成本低、功能全。

系统中的STC89C52RC芯片采用的是8051核在系统可编程芯片, 最高工作时钟频率为80 MHz, 片内含8 KBytes可反复擦写1 000次的Flash只读程序存储器, 器件兼容标准MCS-51指令系统和80C51引脚结构。芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元, 具有在系统可编程 (ISP) 特性, 配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部, 省去了购买通用编程器这一步, 而且速度较快、功耗低。

防盗和防小孩爬窗功能中的光电传感器采用集发射和接收于一体的E18-D80NK-N传感器, 发射光经过调制后发出, 接收头对反射光进行解调输出, 可有效避免可见光干扰透镜的使用, 能够检测80 cm内的情况, 价格便宜、易于装配、使用方便。

对于空气质量的检测, 结合当今大家比较关注的有毒气体污染和包括PM2.5在内的粉尘污染, 采用有害气体和粉尘、PM2.5空气质量检测器相结合的传感器。

MQ-2/MQ-2S气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡 (Sn O2) 。当传感器所处环境中存在一氧化碳、甲烷等有害气体时, 传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大, 传感器可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号;PM2.5空气质量检测器可以探测1μm以上的粉尘粒子, 使系统根据不同需要作出反应。

对于湿度和温度的检测, 则分别采用模拟输出湿度传感器模块和DS18B20数字温度传感器。

执行机构主要由12 V25GA370直流减速电机马达驱动, 力矩大、噪声小、质量轻、功耗小, 配以L298N电机驱动板, 能够满足带动窗户的需求。

报警采用5 V有源单片机用蜂鸣器, 功耗小、成本低。

整个硬件在能够较好地实现功能的前提下, 其成本可以控制在100元以下, 具有很高的实用性。

3 智能设计

智能窗户启闭器要实现防盗、防小孩爬窗、防空气污染、防室外高温、防雨等基本功能, 主要包括传感器系统、控制系统、执行器系统等子系统;同时, 启闭器要实现在现有平移式窗户基础上可拆卸的机械设计, 成本较低。图1所示为该启闭器各模块及其结构原理图。

当室外有小偷靠近或室内小孩爬窗时, 窗户内、外安置的红外传感器分别将信号传输至单片机, 驱动与之相连的电机反转, 实现关窗, 同时, 蜂鸣器响起, LED灯闪亮, 提醒人们检查、处理;当室外下雨、高温、空气质量较差、有害气体泄漏时, 与之对应的湿度传感器、温度传感器、PM2.5烟雾传感器、有害气体传感器会及时将信号传输给单片机, 驱动电机开、关窗。一段时间后, 如果各传感器均没有检测到相应问题, 单片机控制窗户重新开启, 以通风换气, 改善室内环境。图2所示为智能窗户启闭器的工作流程图。

该窗户启闭器采用了红外、烟雾可燃气体、温度和湿度传感器等多传感器检测, 集防盗、防小孩爬窗、室外防湿、防高温、防空气污染等环境自适应功能于一体, 人性化程度高, 可以为用户提供一个良好的室内环境。

4 结构设计

为满足方便在现有平移式窗户上直接安装使用的要求, 智能窗户启闭器采用如下机械结构:控制系统主体部分集成安装在一块系统板上, 方便拆卸, 将马达电机连接的主动轮固定在窗户上边框, 两个轻质的定滑轮分别固定在下边框两底角处, 主动轮与从动轮之间通过质量轻、韧度强的PE线连接, 在需要控制移动的平移式窗户下端固连一定滑轮, 连接在该PE线上, 马达电机的正反转会带动该扇窗户左右移动, 达到开、关窗的目的。该结构设计简单、成本低廉、实用性强。

5 总结和展望

作为智能住宅的代表, 国家在《2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案》中, 将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。智能窗户作为智能家居中不可或缺的一环, 具有广阔的市场前景。统计数据表明, 2009年, 我国窗户消费需求突破500亿元, 并且已安装窗户大多是普通推拉式窗户。

本文针对普通推拉式窗户设计了一种基于51单片机STC89C51的智能窗户启闭器, 通过传感器感知外界环境, 进而控制窗户启闭, 实现智能化家居。结果表明, 该启闭器能够初步完成预定的设计功能, 具有机械结构简单、易于在现有窗户上安装的特点, 可帮助普通家庭轻松实现对现有窗户的智能控制, 具有很好的市场前景和实用价值。

参考文献

[1]侯海涛.国内外智能家居发展现状[J].建材发展导向, 2004 (5) .

[2]罗伟.单片机应用[M].北京:人民邮电出版社, 2010.

新型多重窗户防盗报警系统设计 篇6

1系统总体设计

该系统由硬件部分和软件部分组成,其中硬件部分有Zig Bee控制的声光报警电路和智能化自锁功能的机械装置,软件部分有判断盗窃行为发生并实现声光报警和实现GSM信息通讯功能的程序。系统总体设计框图如图1。

2系统硬件部分设计

2.1声光报警模块

系统该部分由红外传感器、Zig Bee装置,单片机,LED显示的控制电路组成。平时传感器输出低电平[3],相应的ZigBee装置模块控制的LED(红灯)是灭的,当有人闯入窗户附近时,红外传感器感应到红外辐射,传感器原来输出的低电平信号变为高电平信号,此高电平输入Zig Bee装置,模块控制的LED(红灯)不停闪烁,同时高电平信号输入单片机接口,经单片机软件程序处运行后,Zig Bee装置输出控制信号,驱动报警电路实现声光报警并将信息传送给电脑或者手持智能设备,从而实现其功能。该部分框图如图2所示。

2.2智能化机械锁死模块

窗户机械锁死模块由开关窗模块和机械控制模块组成,其中开关窗模块由卡槽、插销和壳体组成,如图3;机械控制模块由电磁铁、杠杆、连杆以及支撑体组成,如图4,平时,电磁铁断电,杠杆在左端重物作用下下压,使杠杆左低右高,使得窗户能正常打开和关住。其特点在于卡槽内设有锯齿槽,插销为楔形锁舌,插销通过连杆与杠杆连接,连杆另一端连接着电磁铁,电磁铁由控制模块控制。卡槽安装在窗户底槽,壳体安装在窗扇靠底部合适高度,电磁铁、杠杆、连杆安装在支撑体内,插销以及支撑体安装在壳体内。在三维制图软件Solidworks中,将其三维整体效果图绘出,如图5。

此模块可以实现开窗与锁窗的功能,具体开或锁需要由机械控制模块控制,平时机械控制模块式是常开状态,插销处于高位。有人闯入窗户附近时,单片机控制部分传来电信号,通过引线,电磁铁通电,排斥杠杆磁铁部分向上运动,从而使右端的连杆及插销向下卡住卡槽,锁死窗户。

2.3通讯模块

系统中通讯模块由计算机,单片机、GSM模块和智能移动设备,如智能手机组成,实现当声光报警的同时由单片机发出信号到GSM无线通讯模块,接收短消息和发出语音呼叫的功能,从而进一步实现智能防盗。

本系统主要采用GSM模块TC35的短消息接收和发送功能,GSM无线通信模块TC35具有语音、数据呼叫、短消息等许多功能,当主人接到短信通知家中被盗时,能够及时报警。基于Zigbee装置与GSM的短消息收发系统的组成框图如图6所示。

系统主要由两个模块Zigbee通讯装置与GSM通信模块TC35实现MCU(Microprogrammed Control Unit)与GSM模块之间的有线数据传输;GSM与智能化设备通信模块,实现GSM模块与智能移动设备的无线数据传输。

本设计采用PC机处理传输过程的数据,因为GSM通信模块TC35和单片机AT89S52都是利用串口进行数据传输的,所以直接将传输数据通过单片机发送给GSM通信模块TC35,实现通讯。其中,MAX232模块是实现电平转换的功能。设计电路框图如图7所示。

3系统软件设计

3.1报警系统软件设计

自动报警器软件部分采用模块化设计,分为主程序、扫键程序等。应用汇编语言编程,使用G6W型仿真器,在Keil u Vision2环境里运行,最后用烧写器将程序写入单片机。编程语言的软件设计采用MCS-S1汇编语言编写自动报警器中相关程序(如拨号、检测等),详细的程序本文中将不详细的列出,下面是主程序设计框图,如图8所示。

3.2 TC35通信程序设计

为能实现电脑与模块的直接通信,本设计中防盗报警系统检测使用WINDOWS系统自带的“超级终端”软件,此处将波特率设置为9 600 Hz,数据位为8位,停止位为1位,无奇偶校验,该系统以微控制器Zigbee装置为监控模块。

用户接收发送短消息,也由单片机发出的信号来控制实现,当单片机检测到有外部中断时,向用户发送短信息来实现通知用户报警,这里短消息内容必须符合时限规定的协议,每次发送和接收的指令需要有一定规格,使得收发双方可以解释发送的指令,并且及时处理指令的内容,完成信息接收功能。

短信收发有两种方式分别为:TEXT模式和PDU(protocol data unit)模式,均由T35模块来实现。其中,PDU模式是采用UNICODE编码发送汉字和英文,但PDU码合成过程比较复杂。TEXT模式无需编码,但是只能发送英文。本设计中只需要能够实现发送功能即可,为了简便易行,采用TEXT模式。当T35模块与电脑通信成功时,“超级终端”界面会显示出“^SYSSTART”字样,然后输入“AT”,回车,可以看到返回信息:“OK”。

当实现通信成功后,接着便能够实现短信息发送功能,短信息的发送分为以下两步:

1)发送接收的手机号码,等待应答:“>”,AT+CMGS="137xxxxxxxx"回车(此号码为目的地址)。TC35模块回应:AT+CMGS=“137xxxxxxxx”>

2)在TC35模块输入所要发送的短信息的内容(只能是英文):alarm,以ctrl+z的组合键结束,手机便可以成功接收发送出来的短消息:alarm[17],从而实现通讯功能。

4结论

本文以切实实现防盗功能为目的,设计了新型窗户防盗报警系统,具有多重功能,实现声光报警、智能化机械自锁、短信发送等功能,设计出其硬件电路部分,在三维制图软件中将机械装置部分模型展示出来,编写了实现系统功能的软件程序,通过实验验证,证明该种新型防盗报警系统具有很好的使用价值,功能性非常好。

参考文献

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[5]Zigbee Alliance,http://www.zigbee.org.

[6]黄仁喆.将窗户锁固于不同位置的装置:韩国,99120731.9[P].2000,03,29.

[7]约翰·罗索·沃茨布仁登·乔治大卫·格林伯里.滑动门和窗户锁:澳大利亚,200980101256.9[P].2010,11,17.

[8]丛大力.一种自动窗户锁:中国,200920025398.9[P].2010,03,03.

智能化窗户设计 篇7

基于环境检测的自动控制窗户系统的总体设计

在实际的设计中, 该系统主要由机械部分、软件部分、硬件部分等组成, 其软件部分主要应用C语言来进行编程;硬件部分的设计主要由辅助电路、电机、扬声器、单片机、传感器等组成;机械部分的设计则需要依据实际的需求来开展设计, 该系统的设计初衷是机电一体化, 系统中应用了智能控制技术、电路设计技术、软件编程技术、传感器技术等, 要求其能够实现这样的几点控制指标: (1) 如果室内的烟雾、可燃性气体等超标, 要求窗户能够自动打开, 并要自动启动排气扇排气, 这在所有操作中占有最高的优先级, 与此同时, 报警器要自动报警, 提醒主人注意, 防止出现火灾与煤气中毒等事故; (2) 在刮风下雨等恶劣天气条件中, 一旦传感器检测到相关的风雨信号, 会将其所收集的信号传递给计算机, 计算机会发出相关的电机运转指令, 保证窗户的关闭及自动报警, 防止有雨水进入到室内, 滴室内环境造成损害, 并要每隔一段时间实施一次检测, 以便于能够在风雨停止时及时将窗户打开; (3) 该系统同样具有防盗作用, 当有人停留于窗外时, 窗户会由于红外线探测器的发射与接收通络的阻断予以关闭, 并且能够自动报警, 非常好的防盗功能; (4) 设计机械运动开、关窗功能及手动按键功能, 以便于其设计更加的人性化。系统的功能框架图如图1所示。

基于环境检测的自动控制窗户系统的硬件设计

烟雾及可燃性气体检测电路

MQ-2是本次研究中应用于烟雾机可燃性气体检测中的传感器, 其具有较大的阻值, 高达10千欧姆, 其工作原理表现为:传感器中进入烟雾之后, 会导致传感器自身组织的快速下降, 则会直接导致传感器两端电压值的下降, 会导致其相关信号的变化, 在单片机的P0.3口获取相应的数据之后, 通过信号的处理分析, 能够得到相应的指令, 其中传感器MQ-2是一种气敏原件, 其主要是由二氧化锌敏感层、氧化铝陶瓷管, 对加热器及电极所构成的敏感元件固定于不锈钢或者是塑料制成的腔体中实施测量, 加热器为气敏元件提供了必要的工作条件, 封装完成的气敏元件一共有六只针状管脚, 其中有两个是用于提供加热电流, 四个应用于信号取出。该传感器的主要技术指标及特性表现为:恢复时间:Trec小于30s, 响应时间:Tres小于10s, 加热功率P大约为750m W、加热电压VH:5.0±0.2V;取样电阻RL:1~20K, MQ-2型传感器具有长期的稳定性及良好的重复性, 其具有长时间工作性能好、响应时间短、初始稳定、并且具有较好的抗干扰能力, 能够将刺激性的非可燃烟雾信息的干扰予以排除, 并且其电路设计中的电压氛围比较宽, 加热电压值为5±0.2伏特。

红外防盗检测电路

红外防盗检测电路中应用成品主动式红外探测器, 探测器主要由处理电路、接收头、发射头等组成, 正常情况下, 发射头会发出红外线, 接收到接受到红外线之后, 单片机所接收到的脉冲是高电平, 主要三极管发生了作用, 对开关进行了导通, 此时如果将光束遮挡, 那么三极管就会截止, 此时单片机会检测出低电平, 将信号传递给单片机。

风监测电路

风监测电路是该系统设计的内容之一, 实现了自动化防风功能, 并且可以自动检测风速, 然后经过转化, 将检测结果转化为电信号, 电信号经过传输至微处理器MCU中, 其主要组成部分有:传感器电路、风轮等, 其主要工作原理为:窗户处于打开状态时, 一旦室外起风, 风会带动风轮的转动, 计数器会就爱那个每分钟风轮的转动圈数予以记录, 并会将所记录的数据传输到MCU中, 根据风轮转动的下限值及所编程序的设置, 决定是否启动电机, 如果启动电机, 可以带动窗户转动, 如果窗户外的风速降低的时候, 那么风轮每分钟转动的圈数就会小于下限值, 此时MCU发出相关指令, 电机启动, 朝着窗户开启的方向转动。其工作原理如图2。

雨检测电路的设计

室外空气雨滴的检测室背刺研究中系统的重要组成部分, 如果有雨滴落于传感器上, 容易导致其出现短路, 这灰直接造成线路中出现短路, 直接导致检测电平发生较大的变化, 进一步会引起相应动作, 如果导线上的水滴全部都蒸发掉时, 线路短路状态就会恢复正常, 此时MCU就会发出指令, 启动电机, 带动窗户做出开启动作。

语音报警电路的设计

在语音电路中, 集成功率放大器作为输出端低电压, 驱动电路则采用典型应用电路作为扬声器, 将10m F的旁路电容接入LM386的1脚与8脚间, 此时可以大幅度提高电路放大倍数, 最高可达200倍, USD4004语音芯片的工作电压是3v, 可以应用变压电路将5v的电压转化为3v的电压。该芯片的单片录放时间为8min到16min, 具有较好的音质, 在一些便携式电子产品及移动电话中具有广泛的应用, 该芯片中应用CMOS技术, 其中含有高密度多电平闪烁存储、自动静噪装置、音频放大器、平滑滤波器、防混淆滤波器、振荡器等, 其所有的操作必须经由微控制器来进行控制, 相关的操作命令可以通过串行通信接口送入, 芯片可以应用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样点的数据直接储存于片内FLASH存储器中, 所以其能够将效果声、音调、音乐、语音等予以自然、真实的展现, 能够有效的防止常规固体录音电路在量化、压缩中产生的噪声和金属声, 其采样的频率不是固定的, 可以划分为多个频率进行, 频率越低, 录放的时间也就越长, 但是音质相应的会下降, FLASH存储卡用于存储片内信息, 其优势在于在断电的时候, 可长期储存, 对其各个引脚予以简单说明, 主要表现为: (1) 片选CS:低电平时选中的芯片; (2) VSSA、VSSD表示地线; (3) AMCAP为自动噪音控制端, 其连接至主控板的RF信号输入端; (4) SCLK为时钟输入端, 其主要应用于MISO与MOSI数据的输入; (5) IN+、IN-信号同相与反相的输入端; (6) OUT表示音频的输入端, 可以驱动5千欧的负载; (7) VCCD、VCCA供电电源3V。

电机驱动控制电路

将PWM调速方法应用于电机的调速工作中, 其原理主要是开关管在一个周期中的导通时间是t, 周期表示为T, 那么就将电机两端的平均电压值表示为:U=Vc* (t/T) =αVc, 其中α表示的是占空比, Vcc表示的是电源电压, 本次研究中应用的是双路的PWM所产生的占空比, 主要是由单刀双掷开关来完成, 应用55定时器产生可调的占空比。

基于环境检测的自动控制窗户系统的软件设计

系统在开机之后首先进行初始化, 对各个端口进行监听, 传感器开展环境数据的采集, 并将其传送至单片机中, 对其是否达到开窗条件予以判断, 然后依据判断结果事实相应的操作, 系统正常运转的过程中, 应用单片机将所采集到的环境数据进行比较与判断, 并对执行机构的相关操作予以控制, 以便于对窗户的开关状态实施有效的控制。

结束语