一种基于STC12C5A60S2的智能窗户系统设计
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摘 要：为了给居民带来安全、舒适、智能的居家环境，利用新型单片机和多种传感器，设计一种智能窗户系统。该系统以单片机STC12C5A60S2为控制芯片，采用温湿度传感器、雨滴检测传感器、光照传感器、红外传感器等实时监测室内外环境情况，通过LCD实时显示温湿度值与光照强度值，将采集到的数据发送到单片机，单片机发送控制指令，进而驱动步进电机模块或蜂鸣器报警，以实现窗帘的自动开启或关闭功能。调试结果表明，该系统结构简单，性能稳定，能满足智能家居的基本需求。
关键词：智能窗户;红外传感器;蜂鸣器报警;数据监测;系统设计;智能家居
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）05-00-03
0 引 言
随着我国经济的迅速发展以及住房水平的不断提高，智能家居已经成为一个热门话题。现代人对室内窗户的需求越来越注重智能、安全以及舒适。因为窗户就如室内的眼睛一般，是室内与室外交互的重要通道。传统的窗户控制多半通过单纯的人工推拉式或平移式来控制窗户的开和关，且不能根据雨、光或温湿度自动开合来适应外部环境的变化，也不能根据室内环境引起的火警自动打开窗户，更不能根据夜间有不明物来自动报警。如果让窗户智能化，能够根据外界环境实现自动开关，使得人们的生活质量得到提高。
多功能智能窗户控制系统集单片机、多传感器以及报警电路等技术实现新型智能窗户的设计，当窗户打开时，能够根据居住生活所处的雨情、光线、火情、防盗等外界情况的变化做出自动控制窗户的开合状态[1-3]。遇到下雨时，自动关窗避免雨水溅入室内;检测到光线不足时（默认晚上），自动关窗;检测到室内温度过高，自动开窗，预防火灾发生;夜间检测到有障碍物时，能够自动报警。该智能窗户具有智能化、人性化、时尚化等特点，给住户提供一个舒适度高、便捷性好、安全性强的居住环境，提高人们的住宅生活质量以及保障人们的生命财产安全[4]。
1 系统总体概述
智能窗户控制系统以单片机为微控制器，外围检测电路是由雨滴检测传感器、光照传感器、温湿度传感器、红外传感器等构成的外部信息采集系统。此外，ULN2003步进电机构成同步机械传动系统[5]。通过外围检测电路将信息传输到微控制器，进而实现对窗户的开关。系统利用液晶屏 LCD1602显示光照强度值和温湿度值，利用按键设定光照强度值和温湿度值等参数值。智能窗户控制系统结构如图1所示。
2 硬件电路设计
图2为智能窗户控制系统的电路原理图。该系统由微控制模块、感应模块、机械传动模块、显示模块以及报警模块等组成。雨滴检测传感器、光照传感器、温湿度传感器、红外传感器构成感应模块，用于检测外部环境的数据信息，并将采集到的数据传输到微控制器单片机内部，进而控制步进电机的自动转动，实现窗户的开启或关闭。
2.1 单片机系统模块
智能窗户控制系统以单片机STC12C5A60S2为主控芯片，是一种高效的具有较强的兼容性且廉价的微控制器[6-7]。该智能窗户的控制系统由晶振电路、复位电路、电源构成单片机最小系统，使得单片机可以实现操控和存储。其中，晶振电路为单片机提供稳定高效的时钟脉冲信号，复位电路对系统进行数据清除，单片机一旦通电，则可以让单片机复位，进而实现对智能窗户的整体控制。
2.2 雨滴检测模块
雨滴检测模块采用YL-83 压电式雨滴传感器，用于检测天气的变化情况。将采集到的数据转换为数字信号，与微控制器实现信息之间的交互[8-9]。当智能窗户处于工作模式时，电源指示灯被点亮，通过电源指示灯的点亮情况判断是否为雨天。若感应板上没有雨滴，DO引脚输出高电平，开关指示灯熄灭;反之，开关指示灯点亮。雨滴传感器选用超大面积的FR-04双面材质来监测冲击的雨滴数，使得监测准确度高，另外增设蓝色按钮可大大提高器件的灵敏度。为防止雨滴对加速器件的腐蚀，给FR-04表面均匀镀镍来减缓雨滴冲击造成的氧化，从而延长器件的寿命。
2.3 光照检测模块
光照检测模块采用光照传感器BH1750，即一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器[9-11]。内置的PD感光模块主要用来感应光强，且PD感应光强的范围与人体肉眼探測的光强大致相同。通过I2C数据传输模拟信号协议，BH1750可以灵敏地检测可见光的光源强度，直接采集光强，且以数据的形式呈现。通过外围电路将电平传输到单片机进行处理以实现对智能窗户的开启。
2.4 温湿度采集模块
智能窗户的温湿度采集模块采用奥松温湿度传感器DHT11来完成。温湿度传感器是集数字采集和温湿度感应识别于一体的传感器，先将采集到的温湿度数据转换成二进制数字信号，然后传送到控制中心单片机内部[12-13]。若接收到的温度或湿度高于设置的阈值时，则向单片机发送信号，单片机接收到信号后向步进电机发送开启窗户的指令;反之，单片机则发送关闭窗户的指令以驱动步进电机运转。温湿度传感器共有3个引脚，分别是VCC，DATA和GND。VCC引脚与负载电源正极连接，DATA引脚与微控制系统I/O口P3.7连接，GND接地。温湿度传感器与微控制系统通过单总线通信协议进行数字信号通信，微控制系统单片机遵循相应的通信协议从温湿度传感器中接收数字信号。
2.5 红外感知模块
智能窗户选用红外传感器E18-D80NK开关型器件来感知窗户附近是否有物体通过，一旦检测到有人想打开窗户，并位于红外传感器的感应区域内，此时E18-D80NK就会立即发送信号给单片机，单片机处理后就会锁定窗户，同时蜂鸣器发出报警信号。因此，E18-D80NK在一定程度上发挥了安全报警的作用。
2.6 步进电机驱动模块
智能窗户控制系统选用ULN2003步进电机驱动控制步进电机正转180°来模拟窗户打开，反转180°来模拟窗户关闭。ULN2003有7对硅NPN达林顿，这7对达林顿与单片机连接控制I/O口，因此每一对达林顿与一个2.7 kΩ的基极电阻相连后才能与单片机相连。ULN2003芯片相当于一个反相器，当模块从单片机中接收到低电平时，该芯片才输出功率驱动电机转动;而当模块接收到高电平时不输出功率，电机不转动。因此，保证了系统的稳定性。 3 软件设计
智能窗户的软件设计部分是基于Keil软件，采用C语言进行编程，以单片机STC12C5A60S2为控制中心。通过各类传感器检测数据，被检测的信息传输到微控制器单片机中，进而控制步进电机转动，实现窗户的自动开启或关闭功能。整个系统的流程如图3所示。首先系统进行初始化，然后处理器扫描参数设置按键是否按下，有按下就对光强、温湿度参数进行设置，且扫描切换按键是否按下，当按键切换第一次按下模拟窗户打开，从雨滴传感器检测到雨滴自动关闭窗户，光照传感器检测到光强并显示，当光照强数小于设定阈值时，系统控制步进电机反转180°，模拟窗户关闭。当按键第二次按下模拟窗户关闭。从温湿度传感器采集温湿度值，当温度值大于设定的温度阈值时，系统模拟火警控制步进电机正转180°，模拟开窗。从红外传感器中检测是否有物体通过窗户，如果检测到有物体，系统立即启动蜂鸣器来报警，提醒用户，具有一定的防盗功能。
4 系统调试
智能窗户系统整体设计完毕后，进行功能测试。接通电源后，便可以对室外的温度、湿度、光照强度、红外检测等进行测试，即结合各类传感器及时采集室内外的相关数据信息，并通过LCD1602液晶显示器显示。依照设定的指标信息自动根据检测的信息实现窗户的自动开启或关闭的功能，起到智能安全控制作用。
5 结 语
基于单片机的智能窗户将单片机控制技术和传感器识别技术有机地结合起来，通过温湿度传感器、雨滴检测传感器、光照传感器以及红外传感器等对外部环境的变化生成相应的高低电平信号，通过控制系统对步进电机操控，以实现窗户的开启状态。测试结果表明，该智能窗户控制系统具有安全、便捷、实用的特性，在智能家居领域具有广泛的应用价值。
参考文献
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