王 賓

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，福建 漳州 363000）

自動(dòng)控制系統(tǒng)的不斷普及，使得智能家居的概念深入人心。智能家居系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信、大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)，將大量的新技術(shù)應(yīng)用到日常生活中，給人們的生活帶來(lái)了很多便利［1］。作為家居智能化的核心部分，智能控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)［2］。但對(duì)于普通家庭來(lái)說(shuō)，整體智能家居系統(tǒng)成本相對(duì)較高，智能家居的應(yīng)用還比較少。因此，開(kāi)發(fā)一款針對(duì)性較強(qiáng)的智能開(kāi)關(guān)窗系統(tǒng)具有實(shí)用價(jià)值，并且可與智能家居系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接［3］。

單立軍等［4］設(shè)計(jì)了一種基于STM32 單片機(jī)的智能窗控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)窗戶(hù)的智能化控制并提供了多種功能，但相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。申贊偉等［5］設(shè)計(jì)了基于STM32 的智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)提供了很好的研究思路。梁明遠(yuǎn)等［6］設(shè)計(jì)了基于樹(shù)莓派的智能家居系統(tǒng)，采用JavaScript 設(shè)計(jì)UI 圖形界面，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備。喬宇等［7］在智能家居系統(tǒng)方面也做了大量研究。綜上所述，目前對(duì)于智能家居系統(tǒng)的研究有較好的基礎(chǔ)，很多研究者對(duì)此方向做了探究，不過(guò)對(duì)實(shí)際居民窗戶(hù)應(yīng)用的介紹相對(duì)較少?，F(xiàn)有的門(mén)窗類(lèi)型豐富，本文主要針對(duì)常見(jiàn)的懸窗的自動(dòng)開(kāi)關(guān)窗進(jìn)行研究，如圖1所示：

圖1 常見(jiàn)的懸窗

對(duì)照研究方案的可行性，就控制核心器件單片機(jī)和PLC做以下比較分析：

1）單片機(jī)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制功能強(qiáng)、可靠性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、智能化設(shè)備等各個(gè)領(lǐng)域；針對(duì)單項(xiàng)工程或重復(fù)數(shù)極少的項(xiàng)目，采用PLC快捷方便，成功率高，可靠性好。

2）在成本價(jià)格方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)價(jià)格便宜，功能強(qiáng)大；PLC的價(jià)格昂貴，體積大，功能擴(kuò)展需要較多的模塊，并且不適合大批量重復(fù)生產(chǎn)的產(chǎn)品。

3）在工作性能方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)與其他元器件及軟件可以構(gòu)成各種各樣的應(yīng)用系統(tǒng)，使用范圍更廣，在數(shù)據(jù)采集、處理等方面，單片機(jī)也具有較好的性能［8］。

綜合以上，結(jié)合系統(tǒng)研究目標(biāo)及主要解決民用智能關(guān)窗系統(tǒng)的要求，本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為控制核心部件，可以滿(mǎn)足使用要求，且研究成本低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文提出的智能開(kāi)關(guān)窗系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 智能開(kāi)關(guān)窗系統(tǒng)

本系統(tǒng)以8051 單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器DTH11 檢測(cè)環(huán)境信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)達(dá)到開(kāi)關(guān)窗條件時(shí)，啟動(dòng)開(kāi)關(guān)窗機(jī)制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)電氣原理如圖3 所示。本系統(tǒng)采用AT89C51 單片機(jī)為控制芯片，其具有可嵌入性、實(shí)時(shí)控制、靈活選型和容易操控等優(yōu)點(diǎn)［9］。系統(tǒng)采用LCD1206 顯示器將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)直觀地展示出來(lái)，并且可以通過(guò)按鍵顯示內(nèi)容，便于根據(jù)實(shí)際環(huán)境設(shè)置不同的控制信號(hào)閾值。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電氣原理

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制框圖

系統(tǒng)選用目前比較常用的51 系列8 位單片機(jī)，MCS-51 是這一系列單片機(jī)的內(nèi)核代表，其在硬件結(jié)構(gòu)上相似，而且指令系統(tǒng)相互兼容［10］。許多生產(chǎn)公司在8051 的基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的性能，這一被稱(chēng)作“增強(qiáng)型51 單片機(jī)”的新機(jī)型在處理速度方面大大提高，各項(xiàng)功能得到增強(qiáng)，集成的資源也豐富了很多［11-12］。

單片機(jī)與外圍電路構(gòu)成硬件控制系統(tǒng)，主要包括復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、按鍵電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、指示燈電路、液晶顯示電路和溫濕度檢測(cè)電路?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 溫濕度傳感器模塊

本設(shè)計(jì)采用溫濕度傳感器DHT11 檢測(cè)信號(hào)。DHT11 應(yīng)用專(zhuān)用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，在檢測(cè)外接溫度和濕度時(shí)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性。該傳感器包括1 個(gè)電阻式感濕元件和1 個(gè)NTC測(cè)溫元件，采用單線制串行接口，外接只需加適當(dāng)?shù)纳侠娮?，檢測(cè)電路模塊如圖5所示。

圖5 DHT11 檢測(cè)電路

實(shí)現(xiàn)對(duì)DHT11 讀取數(shù)據(jù)的控制時(shí)序主要分為3 個(gè)部分：觸發(fā)采集數(shù)據(jù)、讀取數(shù)字0 和讀取數(shù)字1。

1）當(dāng)總線空閑狀態(tài)為高電平時(shí)，單片機(jī)把總線拉低，等待傳感器響應(yīng)。這一過(guò)程持續(xù)時(shí)間必須大于18 ms 才能保證起始信號(hào)被傳感器電路檢測(cè)到，隨后單片機(jī)發(fā)出開(kāi)始信號(hào)。DHT11 接收到開(kāi)始信號(hào)后，等待這一開(kāi)始信號(hào)結(jié)束，然后發(fā)出持續(xù)80 μs時(shí)長(zhǎng)的低電平響應(yīng)信號(hào)，開(kāi)始信號(hào)持續(xù)時(shí)間結(jié)束后，延時(shí)等待20～40 μs 切換為輸入狀態(tài)，等待DHT11 的80 μs 低電平信號(hào)結(jié)束。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到DHT11 發(fā)出持續(xù)80 μs 的高電平信號(hào)時(shí)，就可以開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。

2）如果單片機(jī)讀取到傳感器的信號(hào)先為50 μs的低電平，之后為26～28 μs 的高電平，那么說(shuō)明此時(shí)DHT11 輸出數(shù)字是0。

3）如果單片機(jī)讀取到傳感器的信號(hào)先為50 μs的低電平，之后為70 μs 的高電平，那么說(shuō)明此時(shí)DHT11 輸出數(shù)字是1。

根據(jù)以上工作情況，單片機(jī)控制DHT11 并讀取數(shù)據(jù)是通過(guò)時(shí)序控制并做出判斷實(shí)現(xiàn)的。首先觸發(fā)DHT11 采集數(shù)據(jù)，然后讀取數(shù)據(jù)并判斷0 或1。DHT11 輸出數(shù)字0 和數(shù)字1 的區(qū)別在于高電平的持續(xù)時(shí)間。因此，單片機(jī)可在讀取到高電平后，通過(guò)延時(shí)大于等于28 μs（可以設(shè)置30 μs）后，根據(jù)總線的電平狀態(tài)來(lái)判斷數(shù)據(jù)，高電平為“1”，低電平為“0”。

2.3 按鍵設(shè)置模塊

本系統(tǒng)設(shè)置了按鍵模塊用于設(shè)置控制系統(tǒng)參數(shù)，按鍵設(shè)置模塊如圖6 所示。

圖6 按鍵設(shè)置模塊

本系統(tǒng)功能按鍵采用機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，在機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用下，按鍵在閉合時(shí)不容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定接通，同樣在斷開(kāi)過(guò)程也會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。為了避免此類(lèi)不穩(wěn)定的抖動(dòng)現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響，通常要在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮按鍵消抖措施。

按鍵的機(jī)械特性決定了抖動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短，通常情況下為5～10 ms，對(duì)于很多按鍵控制場(chǎng)合來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)相當(dāng)重要的時(shí)間參數(shù)。另外，操作人員的按鍵動(dòng)作決定了按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長(zhǎng)短，通常情況下為零點(diǎn)幾秒到幾秒的時(shí)間。對(duì)于控制核心來(lái)說(shuō)，正常的控制邏輯為按鍵閉合一次，控制核心只能判定為一次。因此，需要對(duì)按鍵進(jìn)行去除鍵抖動(dòng)處理。按鍵消抖有硬件消抖和軟件消抖兩種方法。

硬件消抖可以采用由兩個(gè)“與非”門(mén)構(gòu)成的RS觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖7 所示。在RS 觸發(fā)器的作用下，如果因?yàn)榘存I的機(jī)械性能在閉合或者斷開(kāi)瞬間發(fā)生抖動(dòng)，那么只要按鍵不返回原始狀態(tài)，輸出狀態(tài)不改變，時(shí)鐘為0，則不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的波形。

圖7 按鍵去抖電路

軟件消抖是指通過(guò)軟件程序?qū)崿F(xiàn)按鍵去抖的操作，通常采用的軟件消抖方法是延時(shí)函數(shù)按鍵消抖，這種方法簡(jiǎn)單實(shí)用。軟件消抖程序編寫(xiě)思路：檢測(cè)出鍵閉合后，通過(guò)延時(shí)函數(shù)等待5～10 ms（這一時(shí)長(zhǎng)可以根據(jù)具體按鍵的機(jī)械特性進(jìn)行設(shè)定），一般可以執(zhí)行10 ms 以上的延時(shí)，讓前沿抖動(dòng)消失后再一次檢測(cè)鍵的狀態(tài)，如果仍保持閉合狀態(tài)電平，則確認(rèn)為真正有鍵按下；當(dāng)檢測(cè)到按鍵釋放后，也要給5～10 ms 的延時(shí)，待后沿抖動(dòng)消失后才能轉(zhuǎn)入該鍵的處理程序。

根據(jù)系統(tǒng)功能，本設(shè)計(jì)采用軟件延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵消抖，軟件去抖流程如圖8所示。

圖8 軟件去抖流程

2.4 開(kāi)關(guān)窗指示模塊

開(kāi)關(guān)窗指示電路如圖9所示。

圖9 開(kāi)關(guān)窗指示電路

單片機(jī)P2.4 口用于控制開(kāi)關(guān)窗指示電路，在自動(dòng)關(guān)窗或開(kāi)窗過(guò)程中，P2.4 口輸出高電平，驅(qū)動(dòng)NPN 管Q2 導(dǎo)通，從而控制繼電器RL1 得電，將開(kāi)關(guān)從常閉觸點(diǎn)調(diào)整到常開(kāi)觸點(diǎn)，指示燈被點(diǎn)亮。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示。

圖10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

該設(shè)計(jì)選用L293D 驅(qū)動(dòng)器，其易于控制，無(wú)需保護(hù)電路和散熱器，頻率為5 kHz，工作溫度范圍為0～70 ℃，可用于驅(qū)動(dòng)控制電壓在5～36 V 之間、電流高達(dá)600 mA的電機(jī)。

可以通過(guò)以下計(jì)算式選擇電機(jī)功率：

式中，P為計(jì)算功率；F為所需拉（推）力；v為工作機(jī)速度。

以常見(jiàn)懸窗為計(jì)算示例，其中取推力為300 N，運(yùn)行速度為10 mm/s，則電機(jī)功率為

電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)置邏輯如表1所示。

表1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)置邏輯

2.6 LCD液晶顯示模塊

該系統(tǒng)選擇LCD1206 液晶顯示器，其接口電路如圖11 所示。LCD 顯示器件功耗很低，在便攜式電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，能夠顯示的信息類(lèi)型包括文字、曲線、圖形等。對(duì)比數(shù)碼管顯示器件，LCD 顯示器件在性能上有了很大的提高。LCD 液晶顯示器主要類(lèi)型有筆段型、字符型和圖形點(diǎn)陣型。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施特點(diǎn)，系統(tǒng)主要顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等，選用字符液晶顯示器可以滿(mǎn)足項(xiàng)目顯示需求。

圖11 液晶顯示接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)窗程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)開(kāi)關(guān)窗軟件設(shè)計(jì)流程如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)開(kāi)關(guān)窗軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境信號(hào)，根據(jù)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)窗控制。如果空氣中濕度超過(guò)設(shè)定值，表明開(kāi)始有降雨，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，關(guān)閉窗戶(hù)，當(dāng)窗戶(hù)碰到行程開(kāi)關(guān)時(shí)，將信號(hào)傳輸給單片機(jī)，然后控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。室內(nèi)環(huán)境溫度信號(hào)控制的優(yōu)先級(jí)低于濕度信號(hào)控制，在空氣濕度未達(dá)到閾值情況下，如果室內(nèi)溫度超過(guò)閾值，啟動(dòng)電機(jī)控制開(kāi)窗，同樣通過(guò)行程開(kāi)關(guān)控制開(kāi)窗的極限位置。在開(kāi)窗或關(guān)窗過(guò)程中，系統(tǒng)通過(guò)指示電路進(jìn)行警示，防止人員誤操作以致被夾傷。

3.2 系統(tǒng)按鍵程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按鍵設(shè)置軟件流程如圖13 所示。

圖13 按鍵設(shè)置流程

按鍵14 分別接單片機(jī)P2.0~P2.3 口，按鍵1 用于設(shè)置顯示界面的切換，按鍵2 用于設(shè)置切換設(shè)置值，按鍵3和4用于設(shè)置參數(shù)閾值的加和減。每觸碰一次按鍵2，參數(shù)num值加1（num初始值為0），當(dāng)num=3時(shí)，再觸碰一次按鍵，num值回到0，根據(jù)num值的不同設(shè)置當(dāng)前的閾值類(lèi)型。

3.3 LCD液晶顯示軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行命令、數(shù)據(jù)的寫(xiě)入前，要對(duì)LCD液晶顯示進(jìn)行讀狀態(tài)操作，判斷液晶顯示是否為忙狀態(tài)。LCD液晶顯示基礎(chǔ)讀寫(xiě)流程如圖14所示。

圖14 LCD液晶顯示基礎(chǔ)讀寫(xiě)流程

通過(guò)讀LCD內(nèi)部狀態(tài)函數(shù)，根據(jù)返回的狀態(tài)字最高位的電平情況來(lái)判斷液晶顯示是否為忙，如果最高位為1，表示LCD正在忙；如果為0，則表示非忙。如果LCD一直處于忙狀態(tài)，那么繼續(xù)等待，直到進(jìn)入非忙時(shí)才繼續(xù)寫(xiě)入。查詢(xún)忙狀態(tài)的程序如下：

3.4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)系統(tǒng)按鍵進(jìn)行閾值設(shè)置，如設(shè)置濕度上限閾值RH為50，當(dāng)DHT11模塊檢測(cè)到濕度小于50時(shí)，指示燈不亮，電機(jī)不啟動(dòng)；當(dāng)DHT11模塊檢測(cè)到濕度不小于50時(shí)，指示燈亮，電機(jī)啟動(dòng)。

按鍵設(shè)置界面如圖15所示，仿真結(jié)果如圖16所示，系統(tǒng)實(shí)物圖及測(cè)試數(shù)據(jù)如圖17及表2所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

圖15 按鍵設(shè)置界面

圖16 仿真運(yùn)行結(jié)果

圖17 實(shí)物測(cè)試

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于單片機(jī)智能開(kāi)關(guān)窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案基于溫濕度傳感器DTH11，以51單片機(jī)為控制核心，研究并設(shè)計(jì)了一種智能開(kāi)關(guān)窗系統(tǒng)。首先系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境信號(hào)并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后將其傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行判斷，最后作出相應(yīng)的控制。該設(shè)計(jì)從系統(tǒng)硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行了介紹，對(duì)硬件電路各個(gè)功能子模塊進(jìn)行了分析，包括溫濕度傳感器模塊、按鍵設(shè)置模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和運(yùn)行指示燈模塊，并且根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求對(duì)軟件設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了分析。

本設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)proteus 軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并運(yùn)行軟件程序?qū)?shí)際情況進(jìn)行模擬，具有較好的參考意義。系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)用，嵌入性強(qiáng)，可以通過(guò)擴(kuò)展接入端口和傳感器模塊對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行增強(qiáng)，可以用于與智能家居系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。在此基礎(chǔ)上，筆者提出以下展望：

1）增加系統(tǒng)配電設(shè)計(jì)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)明供電問(wèn)題，在目前研究階段，可以通過(guò)家用市電進(jìn)行降壓整流，以提供系統(tǒng)用電需求。如果考慮系統(tǒng)的進(jìn)階功能，可以增加太陽(yáng)能供電，提高系統(tǒng)的可靠性。

2）充分考慮安裝配置問(wèn)題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)電路結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)做了闡述，針對(duì)不同的居家環(huán)境、使用場(chǎng)合，需要考慮系統(tǒng)的安裝問(wèn)題，這一情況要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)整。

3）長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮系統(tǒng)實(shí)施情況。智能家居的發(fā)展雖然已經(jīng)有幾十年的積累，但是全屋智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)仍然不成熟，各系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)要考慮今后的發(fā)展對(duì)接，要從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度考慮系統(tǒng)的實(shí)用性。