基于单片机的智能开关窗系统设计研究.pdf

收稿日期：2023-03-16基金项目：福建省中青年教师教育科研项目（JAT220686）作者简介：王宾（1989-），男，福建三明人，讲师，硕士。基于单片机的智能开关窗系统设计研究王宾（漳州职业技术学院 智能制造学院，福建 漳州 363000）摘要：本文提出了一种基于单片机智能开关窗系统设计方案。系统设计选用51单片机为控制核心部件，通过温湿度传感器DTH11检测环境信号，然后转化为电信号，并传输到单片机对检测信号进行判断，当达到开关窗条件时启动相应开关窗机制，系统将相关的控制信号进行可视化显示，提升系统的实用性。系统设计的电路结构简单，通过proteus软件进行仿真验证，对系统实施有很好的指导意义。系统通过扩展接入端口和传感器模块功能得到增强，可与智能家居系统进行对接。关键词：智能开关窗；温湿度传感器；单片机中图分类号：TN711；TP393文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）04-0064-07自动控制系统的不断普及，使得智能家居的概念深入人心。智能家居系统利用物联网、无线通信、大数据及人工智能等技术，将大量的新技术应用到日常生活中，给人们的生活带来了很多便利1。作为家居智能化的核心部分，智能控制系统的开发和建设是未来发展的必然趋势2。但对于普通家庭来说，整体智能家居系统成本相对较高，智能家居的应用还比较少。因此，开发一款针对性较强的智能开关窗系统具有实用价值，并且可与智能家居系统进行对接3。单立军等4设计了一种基于STM32单片机的智能窗控制系统，实现了对窗户的智能化控制并提供了多种功能，但相应的系统设计比较复杂。申赞伟等5设计了基于 STM32 的智能家居物联网系统，为设计智能家居系统提供了很好的研究思路。梁明远等6设计了基于树莓派的智能家居系统，采用JavaScript设计UI图形界面，实现了远程控制家居设备。乔宇等7在智能家居系统方面也做了大量研究。综上所述，目前对于智能家居系统的研究有较好的基础，很多研究者对此方向做了探究，不过对实际居民窗户应用的介绍相对较少。现有的门窗类型丰富，本文主要针对常见的悬窗的自动开关窗进行研究，如图1所示：图1常见的悬窗对照研究方案的可行性，就控制核心器件单片机和PLC做以下比较分析：DOI：10.13888/ki.jsie（ns）.2023.04.013第 19 卷第 4 期2 0 2 3 年 10 月Vol.19 No.4Oct.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering（Natural Science）1）单片机系统具有结构简单、控制功能强、可靠性好等优点，广泛应用在工业控制、智能化设备等各个领域；针对单项工程或重复数极少的项目，采用PLC快捷方便，成功率高，可靠性好。2）在成本价格方面：单片机价格便宜，功能强大；PLC的价格昂贵，体积大，功能扩展需要较多的模块，并且不适合大批量重复生产的产品。3）在工作性能方面：单片机与其他元器件及软件可以构成各种各样的应用系统，使用范围更广，在数据采集、处理等方面，单片机也具有较好的性能8。综合以上，结合系统研究目标及主要解决民用智能关窗系统的要求，本设计采用单片机作为控制核心部件，可以满足使用要求，且研究成本低。1系统总体设计本文提出的智能开关窗系统总体设计框图如图2所示。图2智能开关窗系统本系统以8051单片机为控制核心，系统通过温湿度传感器DTH11检测环境信号，并将其转化为电信号传输到单片机，单片机对检测信号进行判断，当达到开关窗条件时，启动开关窗机制。系统设计电气原理如图3所示。本系统采用AT89C51单片机为控制芯片，其具有可嵌入性、实时控制、灵活选型和容易操控等优点9。系统采用LCD1206 显示器将相关数据实时直观地展示出来，并且可以通过按键显示内容，便于根据实际环境设置不同的控制信号阈值。图3系统设计电气原理2系统硬件设计2.1单片机控制框图系统选用目前比较常用的51系列8位单片机，MCS-51是这一系列单片机的内核代表，其在硬件结构上相似，而且指令系统相互兼容10。许多生产公司在8051的基础上增加相应的性能，这一被称作“增强型51单片机”的新机型在处理速度方面大大提高，各项功能得到增强，集成的资源也丰富了很多11-12。第 4 期王宾：基于单片机的智能开关窗系统设计研究65第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）单片机与外围电路构成硬件控制系统，主要包括复位电路、时钟电路、按键电路、电机驱动电路、指示灯电路、液晶显示电路和温湿度检测电路。控制系统结构如图4所示。图4控制系统结构2.2温湿度传感器模块本设计采用温湿度传感器DHT11检测信号。DHT11应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，在检测外接温度和湿度时具有较好的可靠性和稳定性。该传感器包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件，采用单线制串行接口，外接只需加适当的上拉电阻，检测电路模块如图5所示。图5DHT11检测电路实现对DHT11读取数据的控制时序主要分为3个部分：触发采集数据、读取数字0和读取数字1。1）当总线空闲状态为高电平时，单片机把总线拉低，等待传感器响应。这一过程持续时间必须大于18 ms才能保证起始信号被传感器电路检测到，随后单片机发出开始信号。DHT11接收到开始信号后，等待这一开始信号结束，然后发出持续80 s时长的低电平响应信号，开始信号持续时间结束后，延时等待 2040 s 切换为输入状态，等待DHT11的 80 s低电平信号结束。当单片机检测到DHT11发出持续80 s的高电平信号时，就可以开始采集数据。2）如果单片机读取到传感器的信号先为50 s的低电平，之后为2628 s的高电平，那么说明此时DHT11输出数字是0。3）如果单片机读取到传感器的信号先为50 s的低电平，之后为 70 s的高电平，那么说明此时DHT11输出数字是1。根据以上工作情况，单片机控制DHT11并读取数据是通过时序控制并做出判断实现的。首先触发 DHT11采集数据，然后读取数据并判断 0或1。DHT11输出数字0和数字1的区别在于高电平的持续时间。因此，单片机可在读取到高电平后，通过延时大于等于28 s（可以设置30 s）后，根据总线的电平状态来判断数据，高电平为“1”，低电平为“0”。2.3按键设置模块本系统设置了按键模块用于设置控制系统参数，按键设置模块如图6所示。显示切换键设置切换键值加键值减键图6按键设置模块本系统功能按键采用机械弹性开关，在机械触点的弹性作用下，按键在闭合时不容易实现稳定接通，同样在断开过程也会出现不稳定的现象。为了避免此类不稳定的抖动现象对系统产生的不良影响，通常要在系统设计过程中考虑按键消抖措施。按键的机械特性决定了抖动时间的长短，通常情况下为510 ms，对于很多按键控制场合来说，这是一个相当重要的时间参数。另外，操作人员的按键动作决定了按键稳定闭合时间的长短，通常情况下为零点几秒到几秒的时间。对于控制核心来说，正常的控制逻辑为按键闭合一次，控制核心只能判定为一次。因此，需要对按键进行去除键抖动66处理。按键消抖有硬件消抖和软件消抖两种方法。硬件消抖可以采用由两个“与非”门构成的RS触发器来实现，如图7所示。在RS触发器的作用下，如果因为按键的机械性能在闭合或者断开瞬间发生抖动，那么只要按键不返回原始状态，输出状态不改变，时钟为0，则不会产生抖动的波形。图7按键去抖电路软件消抖是指通过软件程序实现按键去抖的操作，通常采用的软件消抖方法是延时函数按键消抖，这种方法简单实用。软件消抖程序编写思路：检测出键闭合后，通过延时函数等待510 ms（这一时长可以根据具体按键的机械特性进行设定），一般可以执行10 ms以上的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下；当检测到按键释放后，也要给510 ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。根据系统功能，本设计采用软件延时来实现按键消抖，软件去抖流程如图8所示。图8软件去抖流程2.4开关窗指示模块开关窗指示电路如图9所示。图9开关窗指示电路单片机 P2.4口用于控制开关窗指示电路，在自动关窗或开窗过程中，P2.4口输出高电平，驱动NPN管Q2导通，从而控制继电器RL1得电，将开关从常闭触点调整到常开触点，指示灯被点亮。2.5电机驱动模块该设计的电机驱动电路如图10所示。图10电机驱动电路该设计选用L293D驱动器，其易于控制，无需保护电路和散热器，频率为 5 kHz，工作温度范围为 070，可用于驱动控制电压在536 V之间、电流高达600 mA的电机。可以通过以下计算式选择电机功率：P=Fv/100式中，P为计算功率；F为所需拉（推）力；v为工作机速度。以常见悬窗为计算示例，其中取推力为300 N，运行速度为10 mm/s，则电机功率为P=F v100=300 10 10-3100=0.03 kW=30 W电机驱动设置逻辑如表1所示。第 4 期王宾：基于单片机的智能开关窗系统设计研究67第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）表1电机驱动设置逻辑序号123单片机接口P30P31P32L293D接口IN1IN2EN1正转101反转011快速停止同IN2同IN112.6LCD液晶显示模块该系统选择 LCD1206液晶显示器，其接口电路如图11所示。LCD显示器件功耗很低，在便携式电子产品中得到广泛应用，能够显示的信息类型包括文字、曲线、图形等。对比数码管显示器件，LCD 显示器件在性能上有了很大的提高。LCD液晶显示器主要类型有笔段型、字符型和图形点阵型。根据项目实施特点，系统主要显示字母、数字、符号等，选用字符液晶显示器可以满足项目显示需求。图11液晶显示接口电路3系统软件设计3.1系统开关窗程序设计系统开关窗软件设计流程如图12所示。图12系统开关窗软件设计流程系统通过温湿度传感器检测环境信号，根据检测信号进行开关窗控制。如果空气中湿度超过设定值，表明开始有降雨，系统驱动电机转动，关闭窗户，当窗户碰到行程开关时，将信号传输给单片机，然后控制电机停止转动。室内环境温度信号控制的优先级低于湿度信号控制，在空气湿度未达到阈值情况下，如果室内温度超过阈值，启动电机控制开窗，同样通过行程开关控制开窗的极限位置。在开窗或关窗过程中，系统通过指示电路进行警示，防止人员误操作以致被夹伤。3.2系统按键程序设计系统按键设置软件流程如图13所示。图13按键设置流程按键14分别接单片机P2.0P2.3口，按键1用于设置显示界面的切换，按键2用于设置切换设置68值，按键3和4用于设置参数阈值的加和减。每触碰一次按键2，参数num值加1（num初始值为0），当num=3时，再触碰一次按键，num值回到0，根据num值的不同设置当前的阈值类型。3.3LCD液晶显示软件设计在进行命令、数据的写入前，要对LCD液晶显示进行读状态操作，判断液晶显示是否为忙状态。LCD液晶显示基础读写流程如图14所示。图14LCD液晶显示基础读写流程通过读LCD内部状态函数，根据返回的状态字最高位的电平情况来判断液晶显示是否为忙，如果最高位为1，表示LCD正在忙；如果为0，则表示非忙。如果LCD一直处于忙状态，那么继续等待，直到进入非忙时才继续写入。查询忙状态的程序如下：doa=lcd_r_start（）；/调用读状态函数a=a&0 x80；/获取忙标志位Delay（）；/延时while（a!=0）；/持续等待，直到LCD不忙3.4系统测试通过系统按键进行阈值设置，如设置湿度上限阈值 RH为 50，当 DHT11模块检测到湿度小于 50时，指示灯不亮，电机不启动；当DHT11模块检测到湿度不小于50时，指示灯亮，电机启动。按键设置界面如图15所示，仿真结果如图16所示，系统实物图及测试数据如图17及表2所示。图15按键设置界面图16仿真运行结果图17实物测试表2测试数据序号123湿度阈值/温度阈值50/3050/3050/30实际湿度/实际温度48/2849/2950/30指示灯不亮不亮点亮电机停止停止运转4结语本文提出了一种基于单片机智能开关窗系统设计方案，该方案基于温湿度传感器DTH11，以51单片机为控制核心，研究并设计了一种智能开关窗系统。首先系统通过温湿度传感器检测环境信号并转化为电信号，然后将其传输到单片机对检测信号进行判断，最后作出相应的控制。该设计从系统第 4 期王宾：基于单片机的智能开关窗系统设计研究69第 19 卷沈阳工程学院学报（自然科学版）硬件和软件两个方面进行了介绍，对硬件电路各个功能子模块进行了分析，包括温湿度传感器模块、按键设置模块、电机驱动模块和运行指示灯模块，并且根据系统设计要求对软件设计流程进行了分析。本设计电路结构简单，通过 proteus软件进行仿真验证，并运行软件程序对实际情况进行模拟，具有较好的参考意义。系统设计实用，嵌入性强，可以通过扩展接入端口和传感器模块对系统功能进行增强，可以用于与智能家居系统进行对接。在此基础上，笔者提出以下展望：1）增加系统配电设计。系统设计没有详细说明供电问题，在目前研究阶段，可以通过家用市电进行降压整流，以提供系统用电需求。如果考虑系统的进阶功能，可以增加太阳能供电，提高系统的可靠性。2）充分考虑安装配置问题。系统设计对电路结构和软件设计做了阐述，针对不同的居家环境、使用场合，需要考虑系统的安装问题，这一情况要根据现场条件进行调整。3）长远考虑系统实施情况。智能家居的发展虽然已经有几十年的积累，但是全屋智能家居系统的实现仍然不成熟，各系统模块的设计要考虑今后的发展对接，要从长远角度考虑系统的实用性。参考文献1 程翔，许正荣，张昆明.基于物联网的智能家居控制系统设计 J.传感器与微系统，2021，40（3）：106-108.2梁浩林，何永玲，冯博华.基于STM32的室内物联网控制系统 J.物联网技术，2022，12（8）：97-99.3张佳盛，李光耀.基于机器学习方法的智能家居安防系统探究 J.家具与室内装饰，2021（4）：20-22.4 单立军，孔永华.基于STM32单片机的智能窗控制系统设计 J.东华大学学报（自然科学版），2021，47（6）：84-90.5 申赞伟，殳国华，张士文，等.基于STM32的智能家居物联网系统实验设计 J.实验室研究与探索，2022，41（2）：60-63.6梁明远，陈强，张崇琪，等.基于树莓派的智能家居系统设计与实现 J.传感器与微系统，2021，40（2）：105-107.7乔宇，户旭倩，杨宗蕊.基于用户体验研究的独居女性智能电暖炉设计 J.包装工程，2022，43（24）：361-368.8 余亚东，李杰，张荻.高压换流站交流侧避雷器在线监测系统的研制 J.电气自动化，2021，43（5）：86-88.9李萌，查思雨，宫未，等.面向儿童学习的智能家居人机交互技术综述 J.计算机辅助设计与图形学学报，2023，35（2）：248-261.10 路奇，张煜，孙宇驰，等.智能家居气味识别装置产品设计研究及实践 J.包装工程，2022，43（16）：27-36.11 吴狄，李意，袁炅，等.基于AT89C51单片机的智能防酒驾系统设计与研究 J.南方农机，2020，51（20）：83-84.12 李丽霞，李润金.基于单片机控制的超感智能座便器系统设计 J.沈阳工程学院学报（自然科学版），2022，18（3）：68-71.Design and Research of Intelligent Window SwitchSystem Based on Single Chip MicrocomputerWANG Bin（School of Intelligent Manufacturing,Zhangzhou Vocational andTechnical College,Zhangzhou 363000,Fujian Province）Abstract：This paper proposes a design scheme of intelligent window switch system based on single-chipmicrocomputer.Through analysis and comparison,the system design selects 51 single chip microcomputer asthe control core.The design scheme is based on the temperature and humidity sensor DTH11.The temperatureand humidity sensor detects the environmental signal,converts it into electrical signal,and transmits it to thesingle chip microcomputer.The single chip microcomputer serves as the control core to judge the detectionsignal.When the window opening and closing conditions are met,the corresponding window opening andclosing mechanism will be started.The system will visually display the relevant control signals to improve thepracticability of the system.The circuit structure of the system design is simple,and it is verified by simulationwith proteus and keil softwares.The function is reliable,and it can better meet the use requirements.Thesystem function can be enhanced by expanding the access port and sensor module,which can be used fordocking with the smart home upgrade.Keywords：Intelligent window switch;Temperature and humidity sensor;singlechip70