滑动式多功能自动窗的设计制作

【摘要】本项目的目的是设计一种滑动式的多功能自动窗，该窗户的一个主要特点就是能够在家中无人的时候，碰上下大雨，窗户能够自动关闭，辅助功能，如天黑自动关窗等。该项目的核心为相应的传感器、处理器和执行器，传感器采用了温湿度传感器DHT11、光敏电阻，处理器采用了STC12C5412AD，执行器为直流电机。传感器测量的数据，通过处理后，与预先在处理器中设定的值作比较，并做出相应的反应，电机作为执行者，通过齿轮和齿轮条带动窗户移动。

【关键词】DHT11；光敏电阻；单片机；电机；齿轮及齿轮条

1.项目背景及目的

在现代社会，对室内设计而言，窗帘不仅具有遮光作用，更有美化功能，它不仅可以协调居室的色彩搭配，而且能够柔化空间造型的线条，营造温馨惬意的环境。随着单片机芯片的集成度越来越高以及生产成本逐步降低，现在很多厂家生产的自动窗帘（含门帘）控制系统，都是由主机（以微电脑芯片为核心组成的智能控制中心）、各种传感器（红外线传感器、风雨信号传感器等、温度传感器、烟雾传感器等）、各种报警终端（警灯、警笛、电话报警器、接警指挥中心等）、遥控器以及一系列机械传动装置组成的一种具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。因此，本次设计的主要目的就是设计一个只能的自动窗，实际上可以归为智能家居的一个方面。

2.项目实现

2.1 自动窗的设计思想

自动窗的设计思想是：利用传感器对温度、湿度和光照强度进行实时检测，并通过检测值实现对自动窗电机组件的控制。以关窗避雨和及时通风。

整个设计共分6个阶段完成：前期调查--方案选择--硬件设计--软件设计--系统调试--撰写文档。第一阶段主要了解目前国际国内自动窗领域的现状和主要功能；第二阶段从技术方案角度充分了解目前自动窗一般采用那些方式实现，选出一种最佳方案，并针对该方案查找研究和论证各组成部分的可选方案和最佳方案；第三阶段学习并熟练掌握硬件设计过程中要用到的Altium Designer软件，设计并绘制选定方案的电路并做出样品；第四阶段学习并熟练掌握单片机程序开发软件Keil并编制自动窗控制程序，研究控制方法；第五阶段，调试前两个阶段完成的系统，在调试过程中掌握系统调试的方法和经验；第六阶段完成对整个设计的书面总结。

2.2 自动窗的总体框图

本次设计将要完成的系统主要实现4大功能：检测环境温度、检测环境湿度、检测环境光强、对自动窗驱动电机的控制。系统框图见图1所示。

2.3 系统工作原理

自动窗的工作原理是：对环境量进行实时采集，并根据预设值对自动窗进行调节。系统工作过程中不断对环境量进行采集，整个系统即是一个闭环控制系统。本次需要采集的环境量为温度、湿度和光照强度三项，而被控对象为滑动式窗户。自动窗系统的最主要的功能是避雨和保持室内白天在适当温度下通风。

2.4 主要器件选择

2.4.1 单片机的选择

由于本设计对控制器的要求并不是很高，只需要在51单片机上增加AD模数功能即可，而STC公司研发的STC12C54XX系列单片机，正是结合了AD转换功能的51单片机，结合课堂所学，本次设计最终选择STC公司的STC12C5412AD。

2.4.2 温湿度传感器的选择

温度传感器常用的主要有热敏电阻和专用的温度传感器。

采用专用的集成温度传感器（如AD590、LM35/LM45）和数字化温度传感器（DS18B20、DS1620）测温，数字化温度传感器具有接口简单、直接数字量输出、精确度高等优点。

湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

本项目中同时需要以上两个传感器，所以我们选择了市场上较为前沿的温湿度传感器：DHT11。

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉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，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。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、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型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米以上，使其成为给类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。产品为4针单排引脚封装，连接方便。

3.最终效果

最终展示出来的，就是一个完整的自动窗。通过预先程序中设定相应的温度、湿度、光照强度值，窗户能够做到：下雨自动关窗，低温自动关窗，天黑自动关窗，天气晴朗且温度适宜自动开窗。

窗户自动开关电路由5V电池供电，光敏电阻、温湿度传感器实时检测数据传送给单片机，单片机处理后与程序设定值比较，并做出反应，通过L298驱动直流电机正转或者反转以达到开关窗目的。

4.项目发展

该项目目前的设计只考虑了实现其基本功能，其发展前景还是很客观的。

测量方面，可以加入的有：风速仪、烟雾传感器，红外探头以及其他可能需要的传感器。

实现功能方面，可以扩展的有：测量风速，风速过大时，关闭窗户防止风沙进入；烟雾报警，着火时，通过添加蜂鸣器或者报警器等报警；防盗，小偷通过窗户进入时，通过窗外安置的红外探头检测；其他扩展功能。

智能家居方面，单片机可以通过无线模块连接家中的控制中心，通过中心编程改变设定值及控制方式。简单的也可以在窗户上添加设定按钮，用户自行设置预定值。

外观方面，可以加入12864等液晶显示当前温度、湿度、风速等，还可以加入各类指示灯，如当前窗户状态、传感器状态等。

参考文献

[1]倪天龙.单总线传感器DHT11在温湿度检测中的应用[J].Microcontrollers & Embedded Systems，2010，06.

[2]李新伟.智能家居监测与控制终端的研究与设计[J].山东大学，2010，05.

[3]宋健.基于L298的直流电动机PWM调速器[J].潍坊学院学报，2004，04.

注：2012年黑龙江省高等教育教学改革立项项目（项目编号：JG2012010126）。