实验室自动开关窗系统的设计及应用

实验室自动开关窗系统的设计及应用

Laboratory automatic switch window system design and Application

关键词:自动开关窗系统，传感器，可逆电机，自动控制

摘要:首先提出设计这套系统的背景,然后详细说明设计一套自动开关窗系统，用于我校的化学实验室。在刮风下雨等恶劣天气时有没有人在实验室及时关窗时，该系统能够根据环境的变化，自动控制窗户的关闭，避免因恶劣天气损坏实验设备，给学校带来不必要的损失；如果长时间没有人去做实验，导致实验室内的空气不流通，甚至对人身造成伤害，该系统能够监测到室内环境的变化，自动控制窗户打开，进行通风换气。文中会介绍该系统用到的器件,以及局部的电路图,还有整体的运行结构,最后指出设计该套系统的实际意义。

正文：

背景：

随着人们生活水平的提高，人们对其住宅的要求也越来越高。热门不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对其安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。现在的自动控制系统已经为我们的生活提供了太多的便利。考虑到我校的化工特色,各种化工实验室普遍存在做实验会有各种类型的污染出现,因此保持通风换气显得尤为重要,除了实验室必须具备通风换气设备外,通过窗户通风换气也是必不可少的。窗户的开关关系到室内环境的清新，与居住者的健康有很大的关系。且有的同学离开实验室时忘记关窗户碰到刮风下雨天会给实验室带来损失，因此设计一个自动开关窗系统很有必要。

研究的目标和意义：

该系统主要由传感器原件、电子控制原件、机械执行机构以及供能储能原件等部分组成。希望能够实现的功能：

1、能自动感知雨、雪、大风等恶劣天气，并完成自动关窗；

2、能够自动感知室内气体含量的变化，当某些气体超标时，或者室内温

度或湿度超过一定值时，打开窗户；

3、晚上超过一定时间无人在时，窗户会自动关闭；

4、待机状态下，不影响用户手动正常关窗；

5、有缓冲装置，工作平稳，无冲击；

6、采用太阳能供电，无需定期功能更换电池；

7、待机状态下，无能量损耗。

工作过程：

安装后首次开启太阳能电池为系统储存关窗能量，装置处于待机状态；当各传感器感应到天气的变化或室内环境的变化，电子控制元件开始发出开、关窗指令，可逆电机开始运行开或关窗户。

系统的总体构成：

根据系统能达到的功能，该系统应该具有以下功能模块：前置信息采集模块、核心控制模块、执行功能模块、供电模块等。

1、前端信号采集模块

由若干传感器和其调理电路组成。作为整个系统的最前端，完成天气情况及室内环境状况的信号采集工作。所用到的传感器应包括：风速传感器、湿度传感器、温度传感器、气体分析仪表等，这些传感器将接收到的模拟信号通过A/D转换变成数字信号送入信号处理模块。

（1）TF-AI电流输出风速传感器（如图）

TF-AI电流输出风速传感器

该风速传感器外形小巧轻便,便于携带和组装，测量精度为1m/s，量程为0~30m/s，而且稳定性好，具有良好的防腐、防侵蚀等特点；结构设计合理，三杯设计理念可以有效的获取外部信息，数据信息线性度好，数据传输距离长，抗外界干扰能力较好，能够满足这套系统的要求。使用时将其垂直安装在实验楼的室外楼顶上,被测风吹过风杯,即可进行风速的测量,将其数据线连接到控制设备即可进相相关的控制。

(2)、DS1612温度传感器（如图）

DS1612温度传感器引脚图

DS1612温度传感器是一款CMOS数字式温度传感器。它可测量的温度范围为-55℃

~+125℃，在0℃~+70℃范围内，测量精度为±0.5℃，输出的9位编码直接与温度相对应；它具有双报警输出：ALERT和OVERT。ALERT用于指示各传感器的高/低温状态，OVERT信号等价于一个自动调温器，在远端温度传感器超上限时触发。完全符合该系统的要求。

（3）、HM1500/1520湿度传感器(如图)

HM1500/1520湿度传感器

HM1500/1520湿度传感器是美国Humirel公司于2002年新推出的两种电压输出式集成湿度传感器。其内部包含由湿敏电容构成的桥式振荡器、低通滤波器和放大器，能输出与相对湿度成线性关系的直流电压信号，输出阻抗为70Ω，适配带ADC的单片机。产品的互换性好，抗腐蚀性强。不受水凝结的影响，长期稳定性指标为0.5RH/年。防灰尘，可有效抵抗各种腐蚀性气体物质,非常低的温度依赖性。符合系统测量要求。

2、核心控制模块

采用单片机AT89C52与各模块之间进行数据交换和过程控制。它是整个系统的核心，由他来接受个传感器感知的环境信号并对其进行分析并控制、协调各功能模块的正常工作，进而控制窗户的开与关。考虑到系统的功能性、经济性等因素，故采用低端的、性价比较高的AT89C52单片机。这样可以降低整个系统的花费，使系统的使用性增强，适于在各实验室大面积使用。

3、执行功能模块

可以采用一般的小型的可逆电动机，配合齿条或者丝杠模拟执行开关窗动作，小型可逆电机收到单片机发出的控制信号后驱动丝杠旋转,带动开或关窗户。系统中采用支流可逆电机，便于供电。

4、供电模块

供电采用太阳能供电，需要一个太阳能控制器，其作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到充电、放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。这样可以使系统达到绿色供能，又不会因为使用一般蓄电池而需要频繁更换，使系统的使用更加便捷；另外，使用太阳能蓄电池也避免了使用一般电源尔实验室夜间为了安全起见可将总电源关闭时影响到系统的运行。这样就很好地解决了电源的问题。

系统整体结构图

系统的工作过程：

使用时，将用到的传感器器件的输出连接到单片机上，单片机识别输入的信息，与预先设定好的阖值进行比较，只要其中有一个值超过了关窗或开窗的阖值，就将可逆电机的电源闭合，电机运行，进而带动窗户上的齿轮转动，达到开窗或关窗的操作。具体来说，正常环境中，系统处于待机状态，太阳能电池储存电能在蓄电池内。当出现刮风下雨天气时，风速传感器感知风速的增大，温度传感器感知温度的下降，湿度传感器感知湿度的增大，当风速、温度或湿度有一个达到设定的阖值时，电机便被启动，齿轮带动丝杠将窗户关闭。在正常天气下，如果实验室长时间处在封闭状态，室内空气几乎不流通，室内湿度和温度都会发生变化，当变化量达到设定的阖值时，电机再次被启动，带动窗户打开，进行通风换气，以保证室内的环境的清新。