基于单片机的智能窗设计
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摘 要： 追求生活的舒适度促使智能家居的出现，简单、方便的智能窗具有重要的研究意义和实用价值，因此，文中设计一种基于单片机的智能窗系统。该系统以单片机为控制核心，采用LCD显示器作为显示屏幕，使用按键设置温湿度与光照及PM2.5的上下限值，同时系统能够通过WiFi模块把采集到的温湿度以及光照强度值和PM2.5值发送到计算机，在LabVIEW上位机界面上实时显示出来。调试和实验结果表明，该智能窗能够根据环境参数变化自动驱动电机转动开关窗户，效果良好。
关键词： 智能窗; 单片机; 系统设计; 远程通信; 实时显示; 调试程序
中圖分类号： TN915?34; TP391.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2020）12?0130?03
Abstract： The pursuit of the life comfort promotes the emergence of smart home， for which the simple and convenient intelligent window has important research significance and practical value. An intelligent window system based on SCM is designed. In this system， the SCM is used as the control core， the LCD display is applied as the display screen， and the key is used to set the upper and lower limits of temperature?humidity， illumination intensity and PM2.5. Meanwhile， the system can send the collected temperature?humidity， illumination intensity and PM2.5 values to the computer through the WiFi module， and display them on the upper computer interface of LabVIEW in real time. The debugging and experiment results show that the intelligent window can automatically drive the motor to open or close the window according to the change of environment parameters， and has a good effect.
Keywords： intelligent window; SCM; system design; remote communication; real?time display; debugging program
0 引 言
科技改变人类的生活，现代社会的高速发展促使人们追求更加舒适便捷的生活，因此诞生了各式各样的与生活相关智能化家居。20世纪80年代末，美国出现了一种对住宅中各种通信、家电、安保设备等通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这个商用系统就是智能家居最早的原型。随后由于环保、节能等日益受到重视，能源的合理利用，节能产品的设计和研制，早期应用于采光系统的智能窗被提出来，随着科技不断发展，适应于各方面的智能窗被广泛设计和生产，例如日本的三菱、德国的HOPPE、韩国的LG等均有着成熟的自动化窗体产业[1?2]。市场上多数的智能窗基于外界环境的好坏，即是否晴天、光照是否充足等，未曾考虑空气质量，近几年我国对PM2.5极其关注，因此通过检测室外PM2.5的高低来决定是否开关窗户是新的考虑因素。本文研究的智能窗主要通过检测室外的光照强度、湿度以及PM2.5值来判断是否开关窗户，同时该系统能够将采集的室外温湿度、光照强度、PM2.5值等数据上传到上位机，采用LabVIEW进行显示监控。
1 系统总体方案
系统总体框图如图1所示。下位机采用单片机STC12C5A60S2作为控制芯片[3?11]，系统通过DHT11采集温湿度，通过光敏电阻采集光照强度，通过粉尘传感器采集PM2.5浓度。采集的光照强度与PM2.5浓度通过单片机内部A/D转换得到数字量，接着通过对电压值与其对应的数值的拟合曲线计算得到具体的数值，然后在LCD1602上显示并且通过串口发送将采集到的数值上传到上位机[12]。通过上位机能够实时监视室外的环境参数。设计三个按钮能够设置湿度、光照强度值及PM2.5的上下限，例如当光照高于设置的阈值时，1号电机正转开启窗户，当光照低于设置的阈值时1号电机反转关闭窗户。
2 系统硬件设计
本文硬件方面主要由如下4个部分组成：
1） 数据采集与显示部分由传感器和显示器组成，包括DHT11、光敏电阻传感器、红外传感器、粉尘传感器及LCD1602等;
2） 数据发送与上位机数据显示部分由WiFi模块及上位机构成;
3） 执行动作部分由步进电机、电机驱动模块等组成;
4） 电源模块包含一个插口用来接入5 V电源以及一个LM1117模块，将5 V电压降为3.3 V。 使用Altium Designer 软件画出电路图如图2所示，包括：温湿度采集电路、粉尘浓度采集电路、光照采集电路、按键电路、电源部分、LCD显示电路、系统复位电路、5 V/3.3 V电路、报警电路、电机驱动电路等部分。
3 系统软件设计
单片机控制部分的软件由7部分组成，包括：主程序、温湿度采集、光照强度采集、红外检测、显示、A/D转换以及电机转动等。所有的功能函数都写成子程序，在主程序中调用相应的子程序实现具体功能。系统主程序流程框图如图3所示。
子程序的设计过程基本相似，一般先画出程序框图，根据功能按照框图搭建程序框架，接着往框架里填内容，最后调试修改程序。例如，按键模块程序流程框图如图4所示，共有三个按键：第一个按键第一次按下就进入设置阈值界面，按下第二次则跳到湿度下限位置，按下第三次就跳到光照上限位置，以此类推，最后一次按下就返回至正常显示界面;第二个按键用来加数;第三个按键用来减数。
4 调试及实验结果
4.1 调试过程
先在开发板上测试各个模块是否能正确使用，然后设计各部分电路连接。焊接电路板时用电压表测电路板焊接是否存在虚焊、断点等问题。调试程序问题时可以用排除法排除各个可能出现问题的地方。
4.2 实验结果
制作完成的下位机硬件实物如图5所示。下位机负责温湿度、PM2.5、光照强度的采集、显示，以及设置以上参量的阈值和过限报警。
上位机通过虚拟仪器编程语言LabVIEW进行设计，通过WiFi模块接收下位机发送过来的温湿度、PM2.5和光照强度数据，并形成温湿度等参量的实时变化曲线[12]，其前面板如图6所示。
5 结 语
科技服务人类，而家居是人们生活、休息的场所，可以说是重中之重。在未来的生活中，智能家居会逐渐替代传统的生活家居，在这种情况下方便灵活、功能众多的智能窗就有着广阔的应用前景和市场范围。未来的智能窗市场将由质量与创新决定，只有具备开拓性思维，对智能窗的功能和性能进行创新和尝试，并在传统门窗中加入人工智能的科技性，才能够吸引广大消费者人群，才能够主导市场，在竞争中占据有利地位。
参考文献
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