智能全开窗系统设计

基于单片机的智能全开窗设计

现今，科技发展日新月异。以人工智能、微电子半导体技术、航天、生物、新能源等为代表的一大批现代高新技术蓬勃发展。科技的发展给人们带来了巨大的便利，但窗户在这个变革的时代中没有发生根本性进步。如果有一种多功能的智能窗，用技术的手段进行设计，便能够使传统的智能窗实现远程开关窗、火灾主动开窗、雨天关窗等智能化功能。此外，该窗户具有结构简单、适用性强、功能完善等特点，十分符合现代智能家居的要求，具有广阔的市场应用前景。

一、多功能智能窗的功能特点

1.1监控危险情况：窗户系统会24h监控室内各种气体含量，当可燃气体或某种特定的气体浓度达到了预先设计的值时，窗户将会自动打开，与室外进行通风。如果气体浓度回归到正常水平，窗户则会自动关闭。

1.2雨天关窗：当窗户打开时，窗户系统将会启动对于天气下雨情况的监控。一旦雨量达到一定的值而会影响室内时，窗户将自动关闭。

1.3远程遥控：窗户系统内置有蓝牙通信模块，只要通过遥控器，远程便可以实现对于窗户的控制。此外，还可对窗户进行语音控制，只要说出特定语音语句，窗户识别后便可实现开/关功能。

1.4调节温度：窗户系统监控室内温度情况，当温度过高时，窗户将自动打开，当温度回归到正常水平则关闭。

1.5自动上锁：窗户内置有电磁锁结构，实现自动上锁功能。

1.6机械式与电子式操作切换：为了防止停电窗户无法工作的情况，只需按一个按钮，窗户便可切换为手动操作的模式。

1.7窗户具有防盗功能：开启后，若有人从窗户进入，窗户便能监控到并立刻发出报警声音。

二、智能全开窗系统机械设计

2.1全开窗结构

本智能窗改变了过去传统窗户的开关方式，采用了“全开窗”结构，使得空间得到最大化利用。经计算，本结构打开率高达94.5%（常规推拉窗打开空间最高只有45%）。窗户外框架采用了铝合金结构，其分格的灵活性比较大，可以将其做出多种立面效果，人们可以把此类窗户改装运用到多种场合。窗户整体机械框架如图1所示。

2.2内部机械驱动

多功能智能家居全开窗装有各类高灵敏度传感器，如烟雾传感器、雨滴传感器等，在此基础上便可实现感知外部环境的变化，然后通过电路，使得电机开始工作。电机工作后，带动窗户内部机械结构相互运行，从而实现了雨天自动关窗、阳光充足时自动开窗等一系列功能。利用大扭矩电动机轮组带动同步带，同步带上安装一个固定夹，固定夹子与底下的窗户底座相连接，即可实现窗户的左右平移滑动。与此同时，利用窗运动的惯性和电磁铁通断电实现自动上锁。

而在窗户的开关运行过程中，会遇到“死点”的问题。当窗户关闭后，两窗扇处在同一直线，这时就出现了机构的死点问题。如果在该情况下给电机通电，无论多大扭矩都无法使窗户打开，最后只会令电机烧坏。针对此类情况，人们在两扇窗中间加上了两根弹簧进行“储能”，以确保窗户在关闭之后仍保持有一定的动力。当窗户一打开，就能够使得其不在同一直线上，形成一个较小的角度，从而顺利开关窗户。

三、智能全开窗系统电路设计

3.1总体设计

系统基于STC89C52单片机进行控制，作为系统控制器，其具有功耗低、体积小、存储容量大、硬件功能容易实现的特点。系统整体电路如图2所示。

3.2电机驱动模块设计

智能窗是通过步进电机与STC89C52芯片、运算放大器、逻辑门芯片和各种敏感电阻和遥控器组成各种外部环境变化感应控制电路，实现步进电机的智能开和关，从而简单地实现窗的自动化。

3.3温湿度检测模块设计

本智能窗以单片机为核心，采用温湿度传感器DHT11设计一个对环境温度、湿度的检测系统。DHT11是一款已经校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字信号模块采集技术和先进的温度传感技术，具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性，广泛应用于实验室、工业、环保、卫生防疫、仓储运输、温室等领域。温度测量范围：0～50℃；湿度测量范围：

20%～90%RH。DHT11有一根数据线、一根电源线、一根地线，还有一根（NC）悬空。直接将电源线与单片机的电源VCC相连，地线与单片机的GND相连。数据线DATA与单片机的P1.0口相连，外加一个5kΩ的上拉电阻。所需要的温湿度数据便是由DATA引脚通过P1.0送入单片机，在单片机内做出相应的处理之后得到相应的温湿度数据。采用该传感器后，室内温度过高时，智能窗户自动开启，以调节室内温度。让室内环境舒服自在。

3.4雨滴传感模块设计

雨滴传感器过去常被运用到汽车中，以控制雨刮的速度。雨滴传感器用于检测是否下雨或者雨滴量的大小。雨滴传感器可在程序设计的规定工作条件下进行工作。笔者创新性地把CCD摄像头雨滴传感器运用到此智能窗中，使得系统能够检测到下雨天气，以达到下雨天关窗的功能。传感器安装于窗户三角突出的位置，在刚下雨时就能接受到雨滴。当传感器接收到雨滴后，发出信号接通控制器，通过控制器使执行机构动作而关好门窗。

3.5烟雾传感模块设计

窗上装有煤烟传感器，当检测到室内一定浓度煤气对人体造成危险时，警报声响起，同时向电路传输信号，实现自动开窗。烟雾传感器属于气敏传感器，是气-电变换器，它将可燃性气体在空气中的含量（即浓度）转化成电压或者电流信号，通过A/D转换电路将模拟量转换成数字量后送到单片机，进而由单片机完成数据处理、浓度处理及报警控制等工作。此感应器灵敏度高，当测试到有气体浓度异常时，窗户将关闭，待烟雾回归到正常范围才会重新开启。

四、智能全开窗系统软件设计

该智能窗控制系统的控制单元选用了STC89C52单片机，这是ATMEL公司的一款低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8kΩ系统可编程Flash存储器。系统以Keil作为编程软件，以C语言为编程语言。

通过各个传感器对外界和室内环境条件进行检测，由单片机判断采取相应的开关窗动作。接通电源后，各个传感器各自初始化，开始检测环境的各种参数，当数值达到所设定值后，便开始动作。程序中设置了手动开关窗是最高优先级，所有窗户的自动操作都可被手动主动停止，这充分体现了人性化设计，人的意愿是最优先考虑的。第二优先级为防燃气泄漏，当检测到燃气泄露时，电机正转开窗并语音报警及时通风换气。其后根据更传感器的重要性，依次进行优先级排序。

结语

本智能窗结构设计巧妙，集合了温度、湿度、烟雾等多种传感器。机、电高度融合，可靠性高、稳定性强。其集成后的智能化程度十分高，人性化理念强。而其制造、安装简易，可适用范围广，其适合引进到高档住宅、酒店、学校等场景，具有十分广阔的应用前景。

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