沈明秀 孫艷萍

摘 要：本文設計一種基于ATmega328單片機控制的智慧窗系統(tǒng)，提出了硬件與軟件系統(tǒng)設計方案。該系統(tǒng)通過各監(jiān)測傳感器模塊對室內環(huán)境數據進行采集，經由單片機將信號分析和處理，來控制執(zhí)行機構的動作，可實現對窗戶的智能控制，也可用手機APP進行手動控制。

關鍵詞： 單片機 ATmega328 傳感器 智慧窗系統(tǒng)

引言

2012年頒布的《智能制造裝備產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》將智能制造裝備明確定義為“具有感知、決策、執(zhí)行功能的各類制造裝備的統(tǒng)稱”。隨著社會的進步和科技的發(fā)展，當今世界建筑也正朝著智慧化方向發(fā)展，這種發(fā)展趨勢也正是人類社會的文明程度在一定歷史時期的體現。智慧家居系列產品正慢慢進入人們的生活，智能窗簾逐漸走入人們的視野。然而，目前傳統(tǒng)的窗簾多為手動式，而自動窗簾大多只能實現對光線的檢測。隨著科技的進步，嵌入式技術已成功應用在社會生活的各個領域中，使用嵌入式技術實現專用功能的控制系統(tǒng)已成為現實。

本設計提出了一種基于ATmega328單片機的智慧窗系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用各種傳感器對周圍環(huán)境的濕度、溫度、可燃氣體、窗外是否有人等因素進行信號采集并傳人單片機，經過單片機對數據進行分析和處理，發(fā)出動作指令，控制步進電機執(zhí)行開、關窗動作，通過開關窗戶等調節(jié)環(huán)境參數，從而保證舒適的家居環(huán)境。

1 智慧窗系統(tǒng)總體設計

智慧窗系統(tǒng)由電子系統(tǒng)、軟件部分（相應程序）以及機械部分組成。電子系統(tǒng)包括傳感器、單片機、揚聲器、顯示屏、電機以及其他輔助電路組成；軟件部分主要通過Linkboy圖形化編程軟件與Arduino庫編程軟件相結合進行編程；機械部分可根據實際需求來進行相關的具體設計。該系統(tǒng)充分融合了單片機、多傳感器技術，綜合運用軟件編程技術，電路設計技術，智能控制技術等，利用掃描的方式，對可燃氣體、雨雪天氣、室內溫度、室外濕度等元素進行分別檢測，檢測完成后將信號傳遞給單片機，單片機對各個元素所傳遞的信息進行處理，實現了對窗戶開關的如下控制功能。

（1）當濕度檢測器檢測到下雨時，可立即自動判斷風雨大小來進行自動開關窗戶，防止雨水進入室內損壞室內物品和家具。

（2）當氣體傳感器檢測到室內有可燃氣體或煙霧超過設定濃度時，語音報警系統(tǒng)會進行報警來提醒主人危險存在并打開窗戶，系統(tǒng)自動打開排氣風扇。

（3）當紅外檢測器檢測到有人駐留窗外時，窗口將立即關閉并打開報警裝置發(fā)出高分貝聲音報警。

（4）當室內溫濕度超過設定值時，可以打開窗戶通風換氣，保持室內空氣新鮮。

（5） 電源應急功能，家里停電或發(fā)生意外斷電時自動窗戶可正常工作8～12小時。

該系統(tǒng)整體結構框圖如圖。

2 電子系統(tǒng)設計

2.1 最小化硬件系統(tǒng)設計

最小化系統(tǒng)由電源電路、復位電路、時鐘電路、存儲器、處理器構成。由于本次設計直接用arduinonano（處理器采用ATmega328）開發(fā)板，所以已經自帶最小化硬件系統(tǒng)arduinonano開發(fā)板如圖2、圖3所示。

2.2 氣體傳感器

氣體傳感器選用MQ-2和MQ-7，可以探測到各種可燃氣體，液化石油氣（丙烷）和一氧化碳氣體。該傳感器所使用的氣敏材料是清潔空氣中空氣的低導電性。當檢測氣體存在于傳感器的環(huán)境中，傳感器的導電性隨著空氣中有害氣體濃度的增加而增加。一個簡單的電路可以用來將傳導性的變化轉換成與氣體濃度相對應的輸出信號。氣體傳感器由四個引腳分別為VCC接電源正極，GND接電源負極，AO模擬輸出口，DO數字輸出口。由于控制系統(tǒng)需要實時檢測室內氣體濃度，所以氣體傳感器輸出給系統(tǒng)的應該是模擬信號，模擬信號需要處理器通過AD轉化后再得到數字信號，所以AO口必須接到處理器AD轉化口。通過Altium Designer 16軟件繪制得到如圖4所示的氣體傳感器電路原理圖。

2.3 溫濕度傳感器

DHT11數字溫度和濕度傳感器是一種復合傳感器，經過校準數字信號輸出溫度和濕度，專用數字模塊采集技術和溫度和濕度傳感器技術，確保產品具有很高的可靠性和良好的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個電阻傳感元件和一個NTC溫度測量元件，它與高性能的8位單片機相連，該產品具有高質量、快速響應、抗干擾能力強、性價比高的特點。每個DHT11傳感器都在極其精確的濕度校準室中進行校準。校準系數是以程序的形式存在的。在OTP存儲器中，在傳感器內部檢測信號的處理過程中調用了校準系數。單線串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡單和快速。超小尺寸和低功耗使其成為應用的最佳選擇。產品為4針單排銷，方便連接。

根據DHT11溫濕度傳感器的主要特性通過Altium Designer 16軟件設計得到如圖5所示的溫濕度傳感器電路原理圖，其中DHT11溫濕度傳感器的DATA引腳接處理器輸入輸出引腳。

2.4 紅外遙控傳感器

紅外遙控是一種比較廉價的近距離遙控方式。它由發(fā)射模塊和接收模塊兩部分組成，編碼格式有脈沖寬度調制和脈沖相位調制兩大類。本節(jié)設計不考慮發(fā)射模塊而只研究接收端的解碼，本例以比較容易的脈沖寬度調制來介紹解碼原理。

發(fā)射端數據的編碼：當我們按下遙控器后，遙控器發(fā)出一幀數據。這一幀數據由前導碼、用戶碼高8位、用戶碼低8位、數據碼、數據反碼組成。其中前導碼為9ms高電平接著4.5ms低電平，標志數據幀的開始；用戶碼（共16位）為紅外接收器識別遙控器的身份的標志，不同的遙控器一般用戶碼不同，以防止不同電器設備之間遙控碼的干擾；數據碼為紅外接收器識別遙控器上不同的按鍵的標志，對同一遙控器來說，按不同的鍵所發(fā)出的二進制編碼具有相同的用戶碼，不同的數據碼。

通過Altium Designer 16設計出如圖6所示的紅外遙控接收頭電路原理圖，其中紅外遙控接收頭的INT0引腳必須接到處理器D1或D1引腳。

2.5 語音播報傳感器

SYN6288中文語音合成芯片是北京宇銀世界科技有限公司于2010年初推出的高端語音合成芯片。通過異步串行端口（UART）通信方法，接收合成的文本數據，實現文本轉換為語音（或TTS語音）。語音播報電路原理圖如圖7所示。

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件部分主要通過Linkboy圖形化編程軟件與Arduino庫編程軟件相結合進行編程。開機后，系統(tǒng)初始化，監(jiān)聽端口，傳感器采集環(huán)境數據，將數據傳送至單片機，判斷是否達到開窗要求，進而產生相應的動作。系統(tǒng)正常運行時，利用單片機對采集到的環(huán)境數據信息進行比較和判斷，來控制執(zhí)行結構的動作，從而智能控制窗戶的開關狀態(tài)，程序流程如圖8所示。

4 應用實施

智慧窗系統(tǒng)較常應用于一般的民用智能窗設計工程中，其能夠在一般的家庭常見窗戶基礎上予以升級改造，且改造結構相對較為簡便，性能穩(wěn)定、成木低廉，較適合于一般的家庭用戶。同時在這一基礎之上，還可依據客戶的實際需求，做一些個性化的功能設計。以下是基于本文做的實際應用。安裝示意圖和集成電路圖如圖9、圖10所示。

5 結語

智能化是人們生活發(fā)展的一個趨勢，本文設計的智慧窗系統(tǒng)是以ATmega328單片機為核心，結合紅外傳感器、溫濕度傳感器、可燃性氣體和煙霧傳感器、蜂鳴器、液晶顯示器和步進電機設計而成，集聲、光、機、電等技術于一體，自動化程度高，具有自動防雨、防盜、防可燃氣體等功能，且成本較低、可靠性高、操作方便，具有較高的經濟與應用價值。

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◇責任編輯 趙麗斌◇