防雨窗智能控制裝置的設(shè)計與研究

摘要：伴隨著科技不斷的發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，基礎(chǔ)的生活設(shè)備不能滿足人們追求更好生活的需要，人們對更好的品質(zhì)生活的追求，促使智能化家居的誕生。近些年來，隨著智能化的概念慢慢普及，智能家居頻頻的在我們生活中出現(xiàn)，且深受人們喜愛。窗戶是我們?yōu)榱藫躏L(fēng)遮雨，采光通風(fēng)的產(chǎn)物，但是普通的窗戶并不能滿足人們對高品質(zhì)生活的需要，上班族們大部分時間都在外上班，家里常?？諢o一人，如果開著窗戶離開的話，萬一遇到強風(fēng)降雨天氣這都會將家里弄得一團糟，對我們的財產(chǎn)造成不必要的損失，導(dǎo)致居民們不能安心外出工作。因此本設(shè)計就是為了滿足此類需求而誕生的，以STC單片機為控制器的智能關(guān)窗系統(tǒng)，下雨時，根據(jù)檢測出其參數(shù)變化，判斷是否下雨，然后實現(xiàn)關(guān)窗功能。

關(guān)鍵詞：單片機;雨滴傳感器;自動關(guān)窗

一、引言

目前人們的生活節(jié)奏越來越快，早出晚歸的工作非常普遍。由于白天上班期間不在家中，無法發(fā)現(xiàn)突然發(fā)生的降雨沿著打開的窗戶進入房間，造成家中裝飾的浸水損失。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以家居生活管理集成和日常事務(wù)管理系統(tǒng)為主要特點的智能家居逐漸步入人們的生活。近年來，許多專家學(xué)者對智能家居進行了大量研究，分別研究了智能門禁、Wi Fi 遠程控制、激光溫度傳感器、情境感知服務(wù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，Hu 等、Sfar 等、Nauta、Swetha 等通過分析室內(nèi)運動跟蹤傳感器、馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)方法、社交機器人、衛(wèi)生服務(wù)的主動監(jiān)測與智能家居的結(jié)合，探索了智能家居的未來可能發(fā)展方向。但智能家居系統(tǒng)中關(guān)于自動關(guān)窗裝置的研究相對較少。既有關(guān)窗裝置主要通過傳感器檢測溫濕度、雨滴等周圍環(huán)境，利用控制核心處理器驅(qū)動預(yù)置關(guān)窗程序，實現(xiàn)窗體的自動閉合;自動關(guān)窗的觸發(fā)時機取決于傳感器和控制核心的設(shè)置閾值，當降雨量大于閾值時窗戶關(guān)閉，小于閾值時窗戶打開，雨水識別不夠人性化，當遇到陣雨時容易造成窗戶頻繁打開、關(guān)閉。同時，既有相關(guān)設(shè)備關(guān)窗過程采用電機直接驅(qū)動，關(guān)窗過程采用勻速控制，沖擊強、噪音較大，智能化和控制化可靠性上也需要進一步改善。本研究基于AT89C51單片機的特點，設(shè)計自動模式下無須用戶人為干預(yù)的雨天智能關(guān)窗裝置，通過傳感器接收下雨的信號，在降雨的情況下能夠自動關(guān)閉窗戶，給我們的日常生活帶來極大的便利。

二、防雨窗智能控制裝置構(gòu)架思路

雨天關(guān)窗裝置采用外接電源供電，以傳感器接收外界天氣信號的變化，當傳感器檢測發(fā)現(xiàn)外界降雨發(fā)生的時候，芯片收到相關(guān)指令信號，通過發(fā)送信號帶動電機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)窗戶的開關(guān)

三、防雨窗智能控制裝置結(jié)構(gòu)原理

雨天智能關(guān)窗裝置的控制核心主要有雨天傳感器和控制芯片電路2個重要的組成部分。當雨天傳感器與5 V電源接通，電源燈亮起后，傳感器進入工作狀態(tài)，此時，雨天傳感器的感應(yīng)板上會檢測是否存在存積水滴。若未見水滴，開關(guān)指示燈由亮轉(zhuǎn)滅，DO輸出高電平狀態(tài);當外界的水滴落在感應(yīng)板上時，開關(guān)指示燈由滅轉(zhuǎn)亮，DO輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?當外界水滴停止滴落，同時擦拭除去感應(yīng)板上剩余的水滴（雨過天晴），DO 再次由低電平恢復(fù)為初始高電平狀態(tài)。裝置的核心控制電路在接收到傳感器的信號后可以驅(qū)動電機作用，系統(tǒng)響應(yīng)非常迅速快捷。利用與單片機AD口相連的 AO 模擬輸出信號，還可以間接反映出落在雨天傳感器感應(yīng)板上水滴的疏密程度和水滴大?。ㄓ炅看笮。?。

控制芯片電路用于控制電機的速度。如圖1所示，當控制電路發(fā)送來“關(guān)窗”的信號后，外部控制電路可對串聯(lián)諧振式電源進行多功能控制，從而實現(xiàn)絕緣柵雙極型晶體管脈寬調(diào)制、正弦波脈寬調(diào)制信號生成以及過流保護功能。通過在引腳 15 上串聯(lián)電阻R1，可以把引腳11/14的信號合并輸出，最大占空比也由此得到大幅度的提升。限流電阻R2/R3分別連接在 Q1/Q2 的基極和引腳 14/15 之間，能夠有效地避免流經(jīng) Q1/Q2 的正向基極電流超越控制器所允許最大電流的上限。加速電容C1/C2能夠加快 Q1、Q2 的導(dǎo)通速度。外接由恒流源充電的軟啟動電容，實現(xiàn)了快速啟動、及時關(guān)窗的功能。

雨天智能關(guān)窗裝置還包括為其他模塊供電的供電模塊。在驅(qū)動機構(gòu)與供電模塊之間串接設(shè)置開關(guān)模塊，開關(guān)模塊采用繼電器實現(xiàn)并與單片機的輸出端相連接，用于控制驅(qū)動機構(gòu)的供電。在窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)或檢測到天氣轉(zhuǎn)晴后，關(guān)閉驅(qū)動機構(gòu)的供電，減少驅(qū)動機構(gòu)里芯片等電子元器件的能耗。晴天的檢測采用光強度傳感器來實現(xiàn)，其光強度觸發(fā)條件可根據(jù)用戶需求進行自定義。光強度傳感器與雨水傳感器集成在一起，采集信號并發(fā)送至單片機中。

四、防雨窗智能控制裝置模型樣機制作

雨天智能關(guān)窗裝置主要由開關(guān)窗機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)，控制模塊3部分構(gòu)成，控制模塊選用AT89C51單片機，單片機通過驅(qū)動機構(gòu)控制開關(guān)窗模塊實現(xiàn)開關(guān)窗。采用雨水傳感器YL-83進行外界天氣降雨情況檢測，雨水傳感器設(shè)置在窗戶外側(cè)的合適位置，用豎桿等支架安裝后進行固定，其靈敏度高、準確性強，可將檢測到的數(shù)據(jù)及時發(fā)送至單片機中。單片機根據(jù)接收到的雨水信號實施快速響應(yīng)，控制驅(qū)動機構(gòu)完成關(guān)窗動作。驅(qū)動電機和電機驅(qū)動模塊共同構(gòu)成了驅(qū)動機構(gòu)，其中電機驅(qū)動模塊的輸入/輸出端與控制模塊的輸出端/驅(qū)動電機分別相連。目前既有的驅(qū)動電路控制電機大多采用簡單供電方式。為使電機做到快速轉(zhuǎn)動控制，該雨天智能關(guān)窗裝置采用專業(yè)的SG3525 驅(qū)動芯片進行電機驅(qū)動，通過控制芯片的PWM 脈沖調(diào)制信號可以更加穩(wěn)定勻速地控制電機轉(zhuǎn)速。控制模塊與喇叭、通信模塊連接，用于在開窗關(guān)窗時給出提醒信號和實現(xiàn)手機遠程遙控功能。為了實現(xiàn)通訊功能的多項覆蓋，可根據(jù)用戶需要內(nèi)置 Wi Fi 模塊、5G/4G/3G/2G 通信模塊，用于將開窗關(guān)窗的動作信號發(fā)送至手機中，方便用戶及時監(jiān)控。

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作者簡介：馬薪顯，碩士，遼寧建筑職業(yè)學(xué)院機電工程學(xué)院講師。