99宿舍四级查询-临清一中

第１８卷第１期　
西安文理学院学报：自然科学版　
Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．１　
２０１５年１月　
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉ’ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａ ｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　
Ｊａｎ．２０１５　
文章编号：１００８－５５６４ （２０１５）０１－００６３－０５　
智能窗户系统设计　
卢　锋，马　佳　
（西安文 理学院物理与机械电子工程学院，西安７１００６５）　
摘要：设计制作了一款智能型窗户系统，该系统 以单片机ＭＳＰ４３０Ｇ２５５３为核心，以环境温度、湿　
度以及振动作为判断条件，完成对窗户的自 动控制，主要由单片机数据处理模块，环境温湿度测量模块，　
振动检测模块，液晶显示模块，电机模块 和电源构成．该系统能通过其数据检测传感器电路不断循环检　
测室外湿度及温度，当室外温湿度达到一 定程度时窗户自动关闭，防止潮湿空气或雨水进入房间．　
关键词：智能型窗户系统；ｑＬ片机；传感器 检测　
中图分类号：ＴＰ２７３．５　文献标志码：Ｂ　
Ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　 Ｓｍａｒｔ　Ｗｉｎｄｏｗ　Ｓｙｓｔｅｍ　
ＬＵ　Ｆｅｎｇ，ＭＡ　Ｊｉａ　
（Ｄｅｐａｒｔ ｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ ｉｎｇ，Ｘｉ’ａｒｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ｎａ　７１００６５，Ｃｈｉｎａ）　
Ａｂｓｔ ｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｔｏ　ａｄｄｒｅｓｓ　ａ　ｓｍａｒｔ　ｗｉｎｄｏｗ　ｓｙｓｔｅ ｍ，ｗｈｉｃｈ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍ—　
ｐｕｔｅｒ　ＭＳ Ｐ４３０Ｇ２５５３　ＭＣＵ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｒｅ．Ａｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　 ｔｈｅ　ｗｉｎｄｏｗ　ｉｓ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｔｅ ｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｊｕｄｇｉｎｇ　ｃｏ ｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｍａｊｏｒ　ｃｏｍｐｏ—　
ｎｅｎｔｓ　ｃｏｎｓｉｓｔ　ｏｆ　ｓｉｎｇ ｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｄａｔａ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ，ｅｎｖｉｒ ｏｎｍｅｎｔａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　
ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　 ｍｏｄｕｌｅ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｕｌｅ，ｌｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　ｄ ｉｓｐｌａｙ　ｍｏｄｕｌｅ，　
ｍｏｔｏｒ　ｍｏｄｕｌｅ　ａｎｄ　ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔ ｅｍ　ｃａｎ　ｐｅｒｆｏｒｍ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ 　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　
ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｄａｔａ　ｓｅｎ ｓｏｒ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｈｅ　ｗｉｎｄｏｗ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｓｈｕｔ　 ｄｏｗｎ　
ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ 　ｒｅａｃｈｅｓ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｄｅｇｒｅｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｏｏｍ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｐｒｅ －　
ｖｅｎｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｏｕｔｄｏｏｒ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｏ ｒ　ｒａｉｎ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｍａｒｔ　ｗｉｎｄｏｗ　ｓｙｓｔｅｍ；ｓｉｎｇｌｅ　ｃ ｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；ｓｅｎｓｏｒ　ｔｅｓｔ　
现代社会生活节奏日益加快，生活中 我们难免会有一些细节上的疏漏，在下雨天气离家时忘记关窗，　
当我们懊恼自己的失误时，正需要这样 的一扇窗户：在无人控制时，窗户可自动进行自我调节，在隔离风雨　
的同时还可以完成防盗、报警的功 能．所以，像这样的窗户在当今社会上有很大的应用前景．本文设计的窗　
户与日常生活中的窗户有所不 同，是更加便捷与新型化的智能窗户，通过传感器对环境的监测可以实现完　
全的自动化，解放住户的双 手，并且可视为进一步的住宅智能化，为我们的生活提供便利．…　
收稿日期：２０１４－０９－０９　
基金项目：西安文理学院大学生创新创业训练计划研究项目（２０１３３４）　
作者简介：卢锋 （１９８２一），男，陕西城固人，西安文理学院物理与机械电子工程学院实验师，硕士，主要从事自动化　相关专业教学和研究．　

西安文理学院学报：自然科学版　第１８卷　
１系 统总体设计　
１．１设计任务及内容　
（１）自动防雨：平时上班或临时加班不能及时关窗、出 门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，　
温湿度传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机 动作，窗门自动关闭，使您的家用设备免遭雨　
水侵袭，解除您的后顾之忧．　
（２）自动关窗 ：当室内温度低于２０　ｃＣ或高于３Ｏ℃时，温度传感器检测到温度信息，单片机控制板　
控制电动机 动作，窗门自动关闭．１２』　
（３）自动防震：当窗户受到剧烈振动时，单片机通过判断窗户当前状态 ，若窗户关，则无反应；反之，　
窗户受电机控制实现关的状态．　
１．２设计方案　
温度传感器Ｉ　》　
该系统以单片机ＭＳＰ４３０Ｇ２５５３为核心，以环境温　
湿度传感器ｌ 　主　——　动力装置　
控　
度、湿度以及振动作为判断条件，完成对窗户的自动控　
制，主要由单片机控制模块，环境温湿度测量模块，振　
动检测模块，液晶显示模块，蜂鸣器和电源构成 ．　系　
统整体结构的结构框图如图１所示．　
振动传感器ｌ　
电源　
制　— —　
——＝　
蜂鸣器　
液晶显示屏　
》　系　
统　
图１系统 框图　
２机械结构设计　
该系统为嵌入式窗户控制系统，以滑轮为主要的　
可移动的窗 扇　
大　
不可移动的窗扇　
开　
动力系统嵌人窗户内于窗槽中，采用推拉式机 械驱动　
方式，不影响窗户外观，整体简洁美观大方．传感器置　
于窗户外以便采集数据（不影 响视觉效果），室内置有　
Ｍ　
液晶屏，以供察看数据、状态．窗户的模型结构如图２　
所示．　
开关　开关　
、］　ｒ１，，　
电机主轴　
定滑轮　
３硬 件电路设计　
３．１温湿度检测模块　
图２窗户模型　
采用数字温湿度传感器ＤＨＴ１ １．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．它应用专用的 数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高可靠性与卓越的　
长期稳定性．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 、反应超快、抗干扰能力强、性价比极高等优点．每个ＤＨＴ１１传感器都在极　
为精确的校验室中进行 校准．校准系数以程序的形式储存在ＯＴＰ内存中，传感器内在检测信号的处理　
过程中要调用这些校准 系数．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，信　
号传输距离可达２０ 　１ＴＩ以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择．产品为４针单排　
引脚装，连接 方便．　
综合来看ＤＨＴ１　１集温湿度检测于一体，反应快，单片机数字读取数据，利于数据采集，而 且其体积　
小，利于本次设计．　
ＤＨＴ１１工作原理：由于采用ＤＨＴ数字温湿度传感器，电 路不用考虑Ａ／Ｄ转换，只需设计指定Ｐ１．４　
与数字传感器相连．　
３．２震动检测模块　
采用ＳＷ一１８０２０Ｐ震动传感器，比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，超过１５　ｍＡ， 其工作电　
压３．３～５　Ｖ，输出形式是数字开关量输出（０和１）．其原理图如图３所示．　
（１）窗户不震动时，震动开关呈断开状态，输出端输出高电平，绿色指示灯不亮；　
（２）窗户震动 时，震动开关瞬间导通，输出端输出低电平，绿色指示灯亮；　

第１期　卢锋，等：智能 窗户系统设计　６５　
（３）输出端可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测环 境是否有震动，起　
到报警作用．【　
图３震动原理图　
３．３液晶显示设计　
显示部分采用ＬＣＤ１２８６４作为显示器件．ＬＣＤ１２８６４采用标准的２Ｏ脚（有背光带字库），其中， ＶＬ为　
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“ 鬼影”，　
使用时可以通过一个１０　Ｋ的电位器调整对比度．ＲＳ为寄存器选择，高电平时选择数据寄 存器，低电平　
时选择指令寄存器．Ｒ／ｗ为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作． 当Ｒｓ和Ｒ／Ｗ共　
同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当ＲＳ为低电平Ｒ／Ｗ为高电平时可以读 忙信号，当ＲＳ为高　
电平Ｒ／Ｗ为低电平时可以写人数据．Ｅ端为使能端，当Ｅ端由高电平跳变成低电 平时，液晶模块执行命　
令．Ｄ０～Ｄ７为８位双向数据线（图４）．　６　
Ｕ１　
图 ４液晶显示连接图　
在本系统当中，由于引脚有限，且显示屏使用串口方式连接简单、易查，所以采用了 串口连接方式．　
其具体接法为：管脚号１、１５、２０连ＧＮＤ；管脚号４、１７、１９连ＶＣＣ　３ ．３　Ｖ；管脚号５连Ｐ２．０；管脚号６连　
Ｐ２．２；管脚号２连ＶＣＣ＋５　Ｖ．需要注意的是， 在使用串口时一定要将ＬＣＤ１２８６４的ＰＳＢ引脚接地，也就　
是接到低电平．　
３．４电 机驱动电路设计　
步进电机２８ＢＹＪ４８型四相八拍电机，电压为ＤＣ　５～１２　Ｖ．当对步进电机 施加一系列连续不断的控　
制脉冲时，它可以持续地转动．每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相 绕组的通电状态改变一　
次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）．当通电状态的改变完成一个 循环时，转子转过一个齿　
距．四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有（单相绕 组通电）四拍（Ａ—Ｂ—Ｃ—　
Ｄ—Ａ…），（双相绕组通电）四拍（ＡＢ—ＢＣ—ＣＤ—ＤＡ—ＡＢ一 …），／　拍（Ａ—ＡＢ—Ｂ—ＢＣ—Ｃ—ＣＤ—Ｄ—　
ＤＡ—Ａ…　．　
由于单片机接口驱动 功率信号不够需要通过ＵＬＮ２００３放大再连接到相应的电机接口，具体电路如　

西安 文理学院学报：自然科学版　
图５所不．　
第１８卷　
３．５报警及按键电路设计　< br>当震动传感器工作时，蜂鸣器报警．我们的　
窗户系统控制面板上设了“三个键”“ｏｐｅｎ”　
“
ｃｌｏｓｅ”“ｒｅｓｅｔ”进行控制，它们是控制系统内部　
程序中优先级最高的 三个按键，“ｏｐｅｎ”和　
“
ｃｌｏｓｅ”是“用户按键”，便于用户根据自己的意　
愿对窗户进行开启或关闭，“ｒｅｓｅｔ”是重置按　
键，在用户希望恢复系统的自动化控制时起作　
用，这样，用户的意愿被放于首位，保证了用户　
足够的安全感，以及在紧急情况时的应急处理 ．　
此处电路较为简单易懂，就不再加以说明．　
４软件系统设计　
图５电机驱动原理 图　
４．１主程序设计　
本系统的ＭＣＵ使用了德州仪器公司的低功耗单片机ＭＳＰ４３０Ｇ２ ．主程序中仅完成了系统的初始化和　
开始的显示部分，然后就进入待机模式．其他功能模块都在中断服 务子程序中完成．当产生中断时，ＭＣＵ被　
唤醒并执行相应的中断服务子程序，从中断子程序返回后， 系统又进入到待机模式，并关闭显示设备，节省　
电量．整个程序的设计使系统在绝大多数时间都处于最 低功耗状态．整个程序全部用Ｃ语言编写，使用模　
块化的设计方法，把各个模块相关的程序放在一个文 件中，便于分块调试和管理，缩短了调试周期，增加了　
程序的可移植性和可剪裁性（图６）．　
在主程序中，首先关闭了看门狗和总中断，避免了在初始化过程中看门狗或其他中断导致单片机复　
位 ，使初始化无法完成．初始化过程分模块进行，增加了程序的可读性，而且便于分块调试，缩短了调试　
周期．　
整个系统软件需要对温度传感器ＤＨＴ１　１、蜂鸣器、窗户控制系统进行管理．温度传感器Ｄ ＨＴ１　ｌ为数　
字式温度传感器，直接与单片机的串口连接来读取温度．　
图６主程序流程图 　图７窗户控制系统流程图　

第１期　
４．２温湿度检测设计　
卢锋， 等：智能窗户系统设计　６７　
温湿度检测程序：ＤＨＴ１１子程序是结合它的用户使用资料编写，主要 完成的是初始化ＤＨＴ１１，从　
ＤＨＴ１１中读出１个字节的数据，向ＤＨＴ１１中写入９个字节的数 据，配置ＤＨＴ１１包括警报温度的上限和　
下限、温度转换的精度，读出Ｓｃｒａｃｈｐａｄ存储器中 的９个字节的数据，读出Ｒｏｍ中的６４位Ｃｏｄｅ值，对读　
出的Ｓｃｒａｃｈｐａｄ数据进行ＣＲＣ 校验，然后根据读出的数据得到测量出的十进制温度值．１８］　
４．３电机控制设计　
电机控 制系统：主要实现开关窗户的功能．夏天当温度传感器检测到室外温度高于３０℃时，Ｐ２．５＝　
１、 Ｐ１．１低电平，电机正转窗户关闭到限位点时，电机停止．温度传感器检测到室外温度低于２０℃时，　
Ｐ２．５＝０、Ｐ１．１高电平，电机反转窗户开启到限位点时，电机停止．程序执行流程如图７所示．　４．４液晶显示设计　
ＬＣＤ１２８６４显示程序设计：ＬＣＤ显示程序最主要的部分就在发送命令 和发送数据这两个基础程序．　
ＬＣＤ写操作包括写数据和写命令两个部分构成，当ＲＳ＝０时为写命令 ，当ＲＳ＝ｌ时为写数据．　
５　结语　
本系统通过传感器发出信号从而控制窗户的开关达到空 气流通等实际效果，具体为：当外界温湿度　
超过系统内置的适宜范围或者窗户发生震动时，则电机反转 工作，使窗户得以关闭；当外界温湿度满足　
设定的范围，则电机正转控制窗户开启．同时液晶屏显示实 时的温湿度，以便人们观察判断．另外，室内　
设有三个按键，人们可随个人意愿实行对窗户的开关控制 ．具有自动检测控制的功能及人机交互操作为　
生活提供一定的方便．采用温湿度传感器构建该系统，这 样感应的距离会比较理想，为家居安全提供一　
定的保障．本次设计已经完成了对智能窗户的基本功能实 现，完全可以作为一套简易系统投入使用，但　
也存在着一些问题，比如温度、湿度等采集点过于单一， 可能会有漏报或误报的情况；另外我们也可以在　
系统中加入振动检测等技术．在今后的研究中，将进一 步对系统进行改进、完善．　
［参考文献］　
［１］　韩磊．家居进入“智能窗时代”［Ｊ］． 环境与生活，２００８（２）：１７—１９．　
［２］　邓学欣．檀润华．智能窗的概念设计［Ｊ］．河 北工业大学学报，２００１（４）：２５—２９．　
［３］程良燕．基于环境检测的自动控制窗户系统研 究［Ｊ］．数字技术与应用，２０１３（１）：１９—２０．　
［４］赵负图．新型传感器集成电路应用 手册（下）［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００９．　
［５］　童诗白．模拟电子技术基础［Ｍ］． 北京：高等教育出版社，２００６：７９—８５．　
［６］孙晓云．接口与通信技术原理与应用［Ｍ］． 北京：中国电力出版社，２００７．　
［７］张毅刚．新编ＭＳＣ一５１单片机应用设计（第三版）［Ｍ ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，哈尔滨东林印务有限公　
司．２００８．　
［８］王煜东 ．传感器应用电路４００例［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００８．　
［责任编辑马云彤］