基于单片机的多功能智能窗户设计

摘要
随着电子技术的发展和人民生活水平的迅速提高，自动控制系统已经越来越多地被用到了现代智能化建筑中，为住户提供一个安全、方便的环境。

现在的自动控制系统已经为我们的生活提供了很多的便利，在生活的各个方面，人们迫切需要一种智能型的家庭安全智能窗系统，不仅能可靠的进行日常的开关工作，以便人们能够更安心的工作，还能识别盗情，发出警报，保证了居民生活的舒适和生命财产不受损失。

根据预计，在未来的几年的时间内，安装智能窗的用户将不断增加。

本次的设计就是智能窗系统，本次设计主要采用单片机控制技术为核心，系统主要由温湿度检测模块、煤气泄漏检测模块、风力大小检测模块、雨天检测模块、人体红外检测模块、控制模块组成，其中，控制模块上包括液晶显示室内温湿度，报警系统，和手动开关窗户按钮。

共计5个传感器，集成使用。

使本次设计的智能窗户能识别各种天气状况，并且可以显示室内的温度和湿度，根据温湿度来自动完成窗户的开关，还能提醒住户突发的煤气泄漏险情和盗情。

利用单片机对各个模块的控制，使其相互配合工作，并通过控制电机与丝杠的配合完成自动开关窗的目的。

关键词：实时控制；自动控制；温湿度传感器；单片机
Abstract
With the development of electronic technology and people's living standards rising rapidly, automatic control systems have increasingly been used in the modern intelligent building, and provide tenants with a safe and convenient environment. Now the automatic control system has been provided to our lives a lot of convenience, in all aspects of life, there is an urgent need for an intelligent home security smart window system, not only can reliably switch routine work, so that people can more ease of work, but also identify Pirates of the situation, an alarm, to ensure the comfort and living life and property from damage. According expected in the next few years time, the installation of smart windows users will continue to increase.
The design is the smart window systems, this design is mainly using SCM control technology as the core, the system consists of temperature and humidity detection module, gas leak detection module, wind speed detection module, rain detection module, human infrared detection module, control module , wherein the control module comprises a liquid crystal display indoor temperature and humidity, alarm systems, and the manual switch window button. A total of five sensors, integrated use.
This design makes a smart windows can recognize a variety of weather conditions, and can display the indoor temperature and humidity, according to the temperature and humidity to automatically switch windows, but also to remind residents sudden gas leak danger and Pirates of the situation. The use of single-chip control of each module to work with each other, and by controlling the motor and lead screw with the completion of the purpose of automatic switch windows.
Key words：real-time control; automatic control; temperature and humidity sensors; SCM
目录
引言 (1)
1 任务要求与总体设计方案 (2)
1.1 设计任务要求 (2)
1.2 总体设计方案 (2)
1.2.1硬件设计方案 (2)
1.2.2软件设计方案 (5)
2 系统硬件电路设计 (5)
2.1 单片机主控制模块 (5)
2.1.1单片机方案选择 (5)
2.1.2 STC89C52芯片功能 (6)
2.1.3单片机主控电路设计 (6)
2.2 温湿度模块电路设计分析 (7)
2.2.1 DHT11传感器内部结构及工作原理 (7)
2.2.2 DHT11模块硬件电路 (9)
2.3 煤气检测模块电路设计分析 (9)
2.3.1 MQ5煤气检测模块的结构及工作原理 (10)
2.3.2 MQ5煤气检测模块的电路设计 (10)
2.4 风力检测模块电路设计分析 (10)
2.4.1霍尔传感器的工作原理 (11)
2.4.2霍尔传感器模块的电路设计 (11)
2.5 雨天检测模块电路设计及其功能介绍 (12)
2.6 人体红外传感器模块的应用分析与工作原理 (13)
2.7 系统控制模块的结构分析 (14)
2.8 动力模块的的设计分析 (14)
2.8.1L298N模块的原理及电路设计 (14)
2.8.2动力传动部分的设计分析 (15)
2.9 排风扇的安装设计分析 (15)
2.9.1继电器工作原理与特性 (15)
2.9.2继电器的电路设计 (16)
3 系统软件设计 (17)
3.1 主程序流程设计 (17)
3.2 执行功能模块 (19)
3.2.1温湿度控制模块 (19)
3.2.2LCD1602液晶显示模块 (19)
3.2.3霍尔传感器检测模块 (20)
4 机构设计 (21)
4.1 窗户的设计 (21)
4.2 传动模块的设计 (21)
5 系统调试 (22)
5.1 硬件电路调试 (22)
5.2 软件程序调试 (24)
6 结论 (25)
谢辞 (26)
参考文献 (27)
附录 (28)
引言
20世纪80年代初，伴随着大量采用电子技术的家用电器面市，住宅电子化出现。

80年代中期，将家用电器、通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。

80年代末，由于通信与信息技术的迅速发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为Smart Home，也就是现在智能家居的原型。

家庭可以说是人们每天生活的温馨场所。

而窗户无疑是人们日常生活中接触最频繁的生活家具之一。

通过对以往的窗户的调查分析，发现其存在较多的弊端：1.窗户的开关需要使用者自己到窗边执行动作，这无疑给使用者带来的不便；2.窗户的设计无法完成保证室内环境以及室内安全的功能，无法响应外界的环境变化而做出相应的控制，特别的。

当室内无人时，无法因为外面突发的下雨或者大风天气而紧急关闭窗户，平常人们都习惯晚上关窗睡觉，此时室内空气不流通，如果煤气泄漏，就会使人发生生命危险。

同时，在防盗，防室内人员摔落等方面并没有实际作用。

现在的自动控制系统已经为我们的生活提供了很多的便利，在生活的各个方面，人们迫切需要一种智能型的家庭安全的自动控制系统，能可靠的进行日常的开关工作，在环境大风或下雨的情况下，能自动识别大风或下雨天气，实现自动关窗动作，便于人们能够更安心的工作，同时也保证了居民生活的舒适和生命财产不受损失。

于是有关家庭、办公室，仓库还有汽车等处的自动关窗系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视。

现在市场上也出现了种种名目繁多的关窗装置，但多由于可靠性较差、造价高或使用复杂而未能普及。

随着电子通讯技术的飞速发展，51单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比出众等突出优点已在各项领域如工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集信息以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。

为此利用单片机和一些简单的外围器件配合来开发一种适合于家庭、仓库、银行，汽车等重要场所的低价位、运行可靠、具有自动控制功能的系统，对各种恶劣的天气情况自动识别并作出关窗反应。

本课题的目的是开发一种在普通窗的基础上改进的智能窗控制装置，根据作品的实用性，稳定性，性价比，功能完备操作人性化等综合方面考虑后决定利用51单片机作为控制核心，配合多个传感器的应用，使各种传感器相互配合工作，利用电机和丝杠的配合带动窗户开关使其达到智能控制窗户的目的，该装置装有风速感应器，温湿度传感器，煤气泄漏感应器，雨滴传感器等。

每当窗户在起开状态，但是又刮风下雨或有盗情时，窗户会自动关闭，使得屋内的物品尽量少受到强风和雨水的损害。

室内温度和湿度高时，自动开窗换气，优化室内空气。

当室内关窗气流封闭并且煤气泄漏时，窗户会自动识别后报警并自动打开并开启排风扇，排除毒气，解除用户的后顾之忧，给住户提供一个舒适，安全的室内环境。

1 任务要求与总体设计方案
1.1 设计任务要求
智能窗户为住户提供一个安全、方便的环境，该装置可不断循环检测室内的温度和湿度，通过最高温湿度的设置对窗户的开闭控制，可优化室内空气和防止室内潮气过重；并可以时刻检测室外的天气状况，通过对室外天气状况的识别，控制窗户开闭，可防止雨水对室内物品的损害；当遇到大风天时，窗户会自动关闭，防止沙尘等进入房间吹损屋内物品，吹乱屋内摆设等；并可检测室内的有害气体，例如当室内发生煤（燃）气泄漏时，会自动开窗，并开启排风装置，防止煤气中毒。

1.2 总体设计方案
1.2.1硬件设计方案
本次设计的智能窗系统，主要采用单片机控制技术为核心，由温湿度检测模块、煤气泄漏检测模块、风力检测模块、雨天检测模块、人体红外检测模块、控制模块、动力模块组成，其中，控制模块上包括液晶显示室内温湿度，报警系统，和手动开关窗户按钮。

共计5个传感器，集成使用。

使本次设计的智能窗户能识别各种天气状况，并且可以显示室内的温度和湿度，根据温湿度来自动完成窗户的开关，还能提醒住户突发的煤气泄漏险情和盗情。

利用单片机对各个模块的控制，使其相互配合工作，并通过控制电机与丝杠的配合完成自动开关窗的目的。

系统原理框图如图1-1所示。

电路图见附录1。

图1-1 系统原理框图
（1）温湿度传感模块电路方案设计
方案一：传统的测温方式是采用热电偶或热电阻，一般用来测量中高温度，输出的是电压信号，需要经过模/数转换，外围硬件电路较复杂，软件调试难度高，造价成本高。

方案二：采用温湿度一体化传感器LTM8901，这款集成的温湿度传感器包括温度检测湿度检测并连接有显示屏显示，精度和感应速度也达到一定要求，集成性高，但是价
格也高，不符合性价比的要求。

方案三：DHT11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，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

测量范围：湿度20-90%RH，温度0~50℃，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。

因此，在温湿度检测模块，采用具有稳定性高，响应快，抗干扰能力强，并且性价比极高的DHT11温湿度传感器，此款传感器的测量范围也符合此次设计测量室内温度的要求，故采用方案三。

（2）煤气泄漏检测模块电路方案设计
方案一：采用市面上各种各类的的煤气泄漏报警器或检测仪，这些产品集成检测煤气泄漏和报警为一体，有的不仅可以单独报警还能联网报警，但是这些产品普遍体积较大，价格较高，并且不方便集成在单片机上，只能直接接电源使用，不合适本系统设计的要求。

方案二：MQ5液化气煤气传感器模块，它能迅速的感应出周围有无煤气、天然气等可燃气体并迅速作出反应，它对环境液化气和城市煤气比较敏感，并且它具有较小的体积，方便安装于窗体上，适合本系统的设计要求。

在本系统只采用其中测湿度功能。

因此，在煤气泄漏检测模块中决定采用MQ5液化器煤气传感器模块，根据设计要求，此模块方便集成入单片机系统，可以通过把采集到的信号传送到单片机，利用单片机来根据此模块输入的信号来控制动力模块使得窗户和排风扇自动打开，排出有毒气体。

功能完全达到设计所要求的条件，所以选择方案二。

（3）风力检测模块电路方案设计
方案一：采用市面上面的风速传感器，风速传感器是将空气的流动速度变量转换成有一定对应关系的输出信号的装置。

风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声波测风速和三杯式风速传感器测风速。

这些传感器可以直接使用，准度也比较高。

但是有几个缺陷：第一这些种类的风速传感器体型普遍较大，若要固定于窗体上则会占用很大的空间，会影响窗体的整体外观。

第二这些种类的风速传感器风力测试仪价格都比较高，不符合设计的初衷。

方案二：采用霍尔传感器，将信号磁铁固定于排风扇的扇叶上，并配合霍尔传感器。

当室外天气为大风时，风吹动排风扇，扇叶转动会给霍尔传感器输入信号，单片机根据霍尔传感器输入的脉冲数量计算，当达到一定条件，识别为大风状况时，就自动起开自动关窗动作。

霍尔传感器稳定性高，反应速度快，体积小，性价比高。

经过霍尔传感器和排风扇的配合，可以识别大风天气，满足设计条件。

所以，在风力检测模块的设计中，采用方案二。

（4）雨天检测模块电路方案设计
本模块方案设计采用雨滴传感器模块，市面上的雨滴传感器有两种，一种是集合式的雨滴传感器模块，这种模块把雨滴采集部分和电路部分直接连接在一个板子上，缺点比较明显，采集范围小，而且容被雨水损坏电路。

第二种是分离式的雨滴传感器，就是雨滴采集部分和电路部利用导线连接使用，这样的方式可以把电路部分放在室内不被雨水浸入，有效的保护电路不被雨水损害，并可以扩大雨水采集的范围。

对雨天的识别效果比较明显。

所以，这个模块就直接使用分离式的雨滴传感器模块。

（5）人体红外检测模块电路方案设计
在系统中需要引入人体红外检测模块以保证智能窗具有防盗的功能，为此，合适的人体感应模块以及模块正确安装的位置成为此部分的关键。

通过对市面上红外感应模块的比较，最终选择了感应范围在2米左右，工作锥角在120°左右的HC-SR501人体红外感应模块。

此传感器具有延时时间可调，触发方式可调，并可以调整检测的灵敏程度，以防误报险情。

输出TTL电平与单片机可直接相连等优点，能够较好的满足我们的要求。

（6）控制模块电路方案设计
本模块集合了控制系统，显示系统，和报警系统。

控制系统以51单片机为控制核心，是整个系统的控制中枢，接收传感器输入的信号，经过处理，控制动力模块，使得窗户可以完成自动开关窗动作，设置有两个按钮，可以利用这两个按钮实现手动开窗关窗的目的。

显示系统则使用了LCD1602液晶显示屏，此显示屏微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，完全可以满足本设计的显示温度和湿度要求。

报警系统由蜂鸣器和一个红色LED灯组成，当有盗情或者煤气泄漏险情时，会启动报警系统，蜂鸣器和LED灯会同时工作，发出警报，提醒屋内的人有特殊状况发生。

（7）传动方法的方案设计
方案一：利用凸轮二杆机构，将二杆机构置于凸轮机构上，再利用电机带动凸轮转动，将另一个杆固定于窗体上，通过杆的来回移动带动窗户开关。

这种方法结构简单，但是严重影响窗户的外观，而且会根据窗户的大小在窗户旁边放置凸轮机构，占用空间大，而且人也不方便在窗户旁边，大大减少了窗户的功能性。

方案二：利用气缸推动窗户开关，将气缸置于窗户和窗户台上，利用气缸推动窗户开关，这种方法市面上比较常见，要使用的电压，气压较大，大多只能用在推开式的窗户上，局限性很高，并且造价也很高，没有性价比可言
方案三：利用减速电机连接丝杠，利用丝杠上的滑块与窗户通过金属片连接，从而带动窗户的移动。

这种方法可以在现在最广泛使用的推拉式窗户上，并且结构简单，丝
杠的放置方法可以根据需求放置，可以放在窗户底下隐藏起来，不影响窗户的外观和性能，并且价格不高，适于广泛应用。

综合以上的各种方法的优点和缺点，选用结构简单，放置方式多样，可以应用与推拉式窗户上的方案三。

（8）动力模块的方案设计
方案一：直接采用单片机控制直流电机，这种方法比较简单，但是工作起来不太稳定，也只是能带动功率比较小，额定电压小的小电机，并且不能很好的带动功率高的电机，带动窗户移动需要有一定扭矩的电机，单片机5V的电压普遍不能很好的带动扭矩高的电机。

方案二：采用L298N驱动模块，L298N是一种高电压，大电流的电机驱动芯片，这种驱动模块具有信号指示，转速可调，抗干扰能力强，并具有过电压和过电流保护功能，重要的是次模块可以给电机单独供应高压电源，不需要单片机供电，与单片机配合使用可达到直流电机正反转并稳定运行的。

满足本设计的要求。

所以，根据这两种方案的特点，选择方案二可以更好的满足设计要求，使系统正常运行，动力模块使用方案二进行设计。

1.2.2软件设计方案
本系统软件设计采用的是C语言编程，运用Keil uVision4软件平台进行编程及编程查错，再通过编程器下载程序。

对于硬件的模块设计方式，软件部分也采取分模块编程，再通过主程序调用子函数从而实现系统整个软件功能。

使用模块化结构形式是为了使程序的编写、调试及控制变得更方便，也为了便于推广到其他过程控制对象。

程序控制共有6部分子程序，分别为温湿度控制程序、煤气传感器控制程序、液晶显示程序、霍尔传感器信号检测程序、雨滴传感器控制程序和人体红外检测控制程序。

主程序在初始化完成后，循环执行上述子程序，分别实现其相应功能。

2 系统硬件电路设计
2.1 单片机主控制模块
2.1.1单片机方案选择
方案一：选择Microchip公司的PIC系列单片机
PIC单片机是一种简单指令型的单片机，指令数量比较少，如果使用汇编语言编写程序，在PIC中低档单片机中比较麻烦且需要翻页，而且性价比不高，价格昂贵。

方案二：选择STC公司的STC89C52RC单片机
STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可以使用C语言编写的程序，是一款被广泛使用的单片机，可查阅的资料丰富，方便单片机开发者使用，并且工作稳定，响应速度快，价格便宜，性价比高。

完全可以满足设计要求。

因此单片机芯片选择方案二。

2.1.2STC89C52RC芯片功能介绍
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、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。

具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚，功能强大的微型计算机的STC89C52RC为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。

引脚图如图2-1所示。

图2-1 STC89S52RC引脚图
2.1.3单片机主控电路设计
单片机主控电路设计是以STC89C52RC为核心控制芯片，主控电路模块上连接控制系统、报警系统、温湿度显示系统，外接温湿度传感器模块，煤气泄漏检测传感器模块，风力检测模块，人体红外感应模块、雨滴传感器模块、电源等硬件电路。

STC89C52RC 采用12MHZ频率的晶振，采用+5V的直流电源供电，根据单片机各个引脚功能，P0口和P2.5、P2.6、P2.7用于接LCD1602液晶屏；P1.1与P1.2用于连接限位开关；P1.0用于连接包括三极管的蜂鸣器放大电路；P1.3为人体红外检测传感器数据接口；P1.4为雨滴传感器模块数据接口；P1.5为DHT11温湿度显示模块数据接口；P1.6为MQ5煤气传感器数据接口；P1.7为霍尔传感器模块数据接口；P2.0为报警灯接口；P2.1和P2.2分别是两个排风扇的控制接口；P2.3和P2.4是L298N电机驱动模块的数据接口。

如图2-2为单片机主控电路图。

图2-2 单片机主控电路图
2.2 温湿度模块电路设计分析
2.2.1DHT11传感器内部结构及工作原理
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,传感器内部是由一个电阻式感湿元件和一个NTC 测温元件组成。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，其中信号传输距离可达20米以上。

（1）DHT11引脚功能如图2-3所示：
引脚1为VDD ： 接3V-5.5V 的直流电源。

引脚2为DATA ：该引脚为单总线串行数据传输脚。

引脚3为NC ： 该引脚为空脚，悬空。

引脚4为GND ： 该引脚为接低端，接电源负极。

（2）DHT11时序原理分析 图2-3 DHT11引脚图
DHT11数字型温湿度传感器的测量分辨率分别为 8bit （温度）、8bit （湿度）。

直接与微控制器的端口P1.5连接。

微控制器模拟传感器DHT11的工作时序，读取其寄存器的湿度值，微控制器是采取主动的方式与传感器DHT11进行通信，并且DHT11传感器不需要进行相关的寄存器设置。

① DATA 的通讯方式
DATA 用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步、采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms 左右，数据分小数部分和整数部分，小数部分用于扩展，在本系统读出为零。

一次完整的数据传输为40bit ，高位先出。

数据格式：8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bit 温度整数数据+8bit 温度小数数据+8bit 校验和。

数据传送正确时校验和数据等于0
000000000
000风扇继电器
00
0000
00
“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。

在从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集, 如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。

采集数据后转换到低速模式。

时序图如图2-4所示。

图2-4 DHT11读时序图
②DHT11写时序如图2-5所示
总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。

DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。

主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。

如图2-5所示。

图2-5 DHT11写时序图
③DHT11结束时序图如图2-6所示
总线为低电平,表明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短决定了数据位是0还是1。

如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常。

当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。

数字“0”信号表示方法如图2-6所示，数字“1”信号表示方法如图2-7所示。