基于单片机的智能窗

龙源期刊网基于单片机的智能窗作者：陈玉杰安毅王佳丽黄金栋来源：《世界家苑·学术》2018年第04期摘要：本品设计的是一种基于单片机HT66F70A64LQFP的智能窗户控制系统，该系统能够实现室内外环境检测并显示数据，下雨天智能关窗，室内一氧化碳、烟雾等含量超标自动开窗等功能，以保护用户的财产生命安全，虽然目前市场上智能家居已屡见不鲜，但智能窗户还未普及，本品设计具有体积小、电路简单、成本低、易操作、维护方便等特点，为人们的生活提供高质量服务。关键词：智能窗、单片机、智能开关一、作品介绍本次设计由HT66F70A64LQFP芯片主要控制，采用雨滴传感器、一氧化碳传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等模块进行数据采集，控制电机转动，实现在家里无人的时候，窗户能够根据天气、室内空气变化自动开关。本品通过按键可以对设定值进行调整，同时也可实现手动开关窗户。二、作品功能与实用性：1、智能检测，能够把室外的天气状况，室内的温度、湿度、一氧化碳含量显示在液晶显示屏上，方便人们日常生活。2、智能关窗，下雨天气时自动关窗，雨季天气多变，有了这个装置人们就能放心的开窗工作去了。3、智能开窗，面对室内一氧化碳超标或者遇上煤气泄漏等突发情况，能够及时检测并做出开窗的动作。三、实作设计结构及原理：3.1硬件部分：①本设计由亚格力板制作玻璃窗模型，具备坚固、不易碎等特点②由HT66F70A64LQFP单片机组成的中央控制器，接收模块检测数据、发送控制信号驱动电机③采用545直流电机驱动履带转动龙源期刊网④以烟雾传感器、温湿度传感器、一氧化碳传感器作为室内传感器，雨滴传感器最为室外传感器，检测数据发送给单片机。四、HT66F70A单片机控制驱动电机借助单片机HT66F70A64LQFP实现对四相步进电机的控制时，需要通过单片机的I/O端口输出具有一定时序的方波信号作为步进电机的控制信号，但如果只是靠这个TTL电平还是不能直接驱动电机。如果想用74LS373对电机进行驱动，那么必须要有许多寄存器的配合才能够驱动电机，因此考虑使用ULN2003芯片来驱动步进电机。ULN2003是一种高电压、大电流的达林顿陈晶体管。每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V工作电压下与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003的灌电路可达500mA，并且在关态是能够承受50V的电压，可在高负载电流下并行输出运行。电机驱动的关键要点就是准确控制电机旋转的角度。在进行程序设计时需要根据系统中各传感器检测的信息判断电机方向，以更好的起动相应的所需要转动方向子程序。正转和反转控制程序根据控制脉冲序列的要求，使用相应的系统模型，并确定是否大幅度转向，使用改变脉冲宽度的方式来调节电机的转速。在应用程序的设计中将电机的控制方法形成控制模型，并将该模型用数据表形式保存在程序存储器中，这样程序在使用过程就能直接使用。一般都是用逻辑电路来对步进电机进行脉冲控制，单片机控制电机时，电机的运行方式、方向及转速通常可以通过编写相应的程序由I/O口输出脉冲信号来决定。为了能够提高电机转动角度的准确性，采用减速比为1：90的减速齿轮构成的传动机构，也就是当角度改变90°时，外部所能看到到的设备才转动1°。对四相步进电机驱动的程序设置按八拍工作方式进行设置，按照流程图分别设置各个子程序，然后根据不同情况分别调用。五、DHT11传感器DHT11数字温湿度传感器是一款复合传感器。它利用特殊的数字模块采集技术和温湿度传感技术，以保证其具有较高的可靠性与优异的长久稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件。因此该传感器具有优良的品质、响应速度快、较强的抗干扰能力、成本低性能好等优点。采用单总线串行接口，使系统变得简便而快捷。超小的体积、极低的功耗，具有20米以上的传输能力，使其成为普通的应用乃至最为苛刻的应用中最佳的选择。产品采用4针单排的引脚封装形式，在使用中方便连接，其管脚如表2.1所示。DHT11采用的电源为3-5.5V。传感器在得电后，要等待1s以达到稳定的状态。电源（VDD，GND）之间可利用一个100nF的电容，用以去耦滤波。龙源期刊网之间的信息传送和通讯，一次通讯周期4ms左右，数据由小数部分和整数部分两部分组成，具体传送格式如下说明.操作流程如下：一次完整的数据总长度为40字节，高位数据先出。数据格式：8字节湿度整数部分数据+8字节湿度小数部分数据+8字节温度整数部分数据+8字节温度小数部分数据+8字节的校正检验和。正确的数据它的校验和数据等于“8字节湿度整数部分数据+8字节湿度小数部分数据+8字节温度整数部分数据+8字节温度小数部分数据”的结果的最后8位。用户单片机发出一次启动指令后，DHT11将从低耗能状态变换成高速状态，当单片机的启动指令结束后，DHT11发送出响应信号，送出40字节的数据，并进行一次信号的采集.此状态下，DHT11只有在接收到启动信号时才会进行一次温湿度的采集工作，如果没有接收到信号，DHT11不会主动进行数据的采集.采集数据后自动转换到低速状态。六、MQ-2烟雾传感器MQ-2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SnO2。当放置传感器环境的空气中含有可燃气体时，传感器的导电率将会跟随空气中所含有的可燃气体浓度的变化而变化。这种气体传感器可以测出多种危险气体，是一中符合不同场所应用的成本低效果理想的传感器，其基本测试电路如图3.1所示。该传感器的电压有加热电压（VH）和工作电压（VC）两部分组成。其中VH用于对传感器进行加热使其能够正常的工作。而VC是作用于检测与其串联的外部电阻（RL）上的电压（VRL）。这种传感器具有一定的极性，VC只能使用直流电源供电。为了使传感器能的各项性能更好，需要选择恰当的RL值。七、LCD1602液晶显示1602液晶显示，它是一种专门用来显示简单数据的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示的内容为16X2，即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶，管脚如图4.1所示。八、雨滴传感器雨滴传感器是一种传感装置，主要用于检测是否下雨及雨量的大小，并广泛应用于汽车自动刮水系统、智能灯光系统和智能天窗系统等。九、一氧化碳传感器龙源期刊网外部出现一氧化碳的时候，一氧化碳气体会进行扩散，它会经过外壳上的气孔到达传感器发挥作用的电极的表面上，随后在工作电极上就会发生相应的化学反应，一氧化碳气体在这个工作电极上会发生氧化反应。一氧化碳气体和水发生发应变为二氧化碳和两个氢离子。在工作电极发生氧化反应后，反应中所产生的氢离子和电子，会在电解液的作用下进行转移，转移到工作电极的对极上，之后与水中的氧气会发生还原反应，又产生水。这样传感器的内部实际上是发生了氧化还原反应的可逆反应：一氧化碳和氧气反应生成了二氧化碳。十、软件部分本系统的单片机使用了HT66F70A64LQFP。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。当产生中断时，单片机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。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。整个系统软件需要对温度传感器DHT11、MQ-2烟雾传感器、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，MQ-2烟雾传感器需要通过ADC0832转换芯片与单片机连接。以上所有模块均在主程序中完成初始化过程，系统流程图如图5所示。参考文献[1]王煜东.《传感器应用电路400例》[M].北京：中国电力出版社，2008.[2]王化祥，张淑英.《传感器原理及应用》第三版.天津：天津大学出版社，2007.2.[3]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，2009.9.[4]李朝青.《单片机原理及接口技术》第三版.北京：北京航空航天大学出版社，2006.12.作者简介姓名：陈玉杰性别：女籍贯：天津单位：天津工业大学研究方向：应用物理学。（作者单位：天津工业大学）