摘要：為促進建筑智能化，設(shè)計了一種新型智能窗，討論了智能窗的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計方案。應(yīng)用壓力傳感器，濕度傳感器，光強傳感器，紅外遙控模塊等實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集，選用8051系列單片機進行信號處理，并控制步進電機調(diào)整智能窗扇葉張角。經(jīng)實驗測試，風(fēng)速感應(yīng)和控制精度優(yōu)于0．1 m／s，濕度感應(yīng)精度5％RH，光強感應(yīng)精度5lux。實現(xiàn)了測量顯示風(fēng)強、濕度、光強等信息并調(diào)整扇窗開合程度，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境?？梢酝ㄟ^嵌入式系統(tǒng)設(shè)定控制量值，適合對環(huán)境要求不同的用戶使用。
關(guān)鍵詞：8051單片機；多傳感器；嵌入式系統(tǒng)；環(huán)境控制；智能窗

    當(dāng)今世界建筑正朝著智能化方向發(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(xiàn)。但普通窗戶在起風(fēng)下雨時不能自動關(guān)閉，不能自動調(diào)整開合程度以適應(yīng)風(fēng)、雨、光等環(huán)境變化，給我們帶來了諸多不便，安裝智能窗已是大勢所趨。本文討論了一種智能窗系統(tǒng)設(shè)計方案。
    該智能窗由多個傳感器收集風(fēng)力大小、空氣濕度、光照強度等信號，經(jīng)處理后傳入單片機。單片機對信號進行運算，再輸出脈沖信號調(diào)整步進電機。智能窗可根據(jù)環(huán)境變化及使用者的意愿調(diào)整扇葉張角，控制室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，且具有一定的自適應(yīng)能力。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    智能窗由電子系統(tǒng)、相應(yīng)程序和機械部分組成。電子系統(tǒng)包括傳感器、處理器、顯示屏、步進電機及其他輔助電路。機械部分可根據(jù)使用場合的不同而進行設(shè)計。
    在電子控制系統(tǒng)中，傳感器起著重要的作用，它關(guān)系到控制的精度，合理選擇傳感器是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。此外，由于各種干擾存在，除了選用性能優(yōu)良的傳感器外，還需進行軟件上適當(dāng)?shù)臑V波算法，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。傳感部分是由多個傳感器收集環(huán)境各項參數(shù)的，為了快速準(zhǔn)確的采集數(shù)據(jù)，在接收傳感器采樣時要合理的設(shè)置巡檢優(yōu)先級，這可以通過程序?qū)崿F(xiàn)。出于實用性，人機交互和節(jié)能也是關(guān)鍵問題，因此，系統(tǒng)還配有便于用戶使用的遙控和顯示設(shè)施。所有的參數(shù)都可以通過遙控設(shè)置、改變，保存，運行過程中用戶也可以通過遙控改變開窗狀態(tài)。顯示屏可將系統(tǒng)運行狀態(tài)，測量的數(shù)據(jù)實時顯示。電子系統(tǒng)框圖如圖1所示。

    設(shè)計的扇窗利用步進電機調(diào)節(jié)葉片張角。扇窗結(jié)構(gòu)主要包括：窗框、多個葉片構(gòu)成的可轉(zhuǎn)動葉片組、一個用以調(diào)整該葉片組開和角度的拉繩。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 電子系統(tǒng)設(shè)計
2．1 傳感與輸入部分
2．1．1 風(fēng)速傳感器
    考慮到系統(tǒng)應(yīng)具有體積小，成本低的特點，氣象測量中使用的風(fēng)杯式傳感器無法滿足要求，因此將風(fēng)速信號轉(zhuǎn)化成壓力信號進行測量。選用的LAM—H4壓力傳感器采用應(yīng)變電橋原理，將作用在表面的微小壓力轉(zhuǎn)化為差分電壓。輸出的信號經(jīng)放大后再輸入單片機處理，經(jīng)換算即可表示風(fēng)力等級。傳感器精度等級0．05％R．O，輸出靈敏度0．6±20％mV／V，保證了測量風(fēng)速精度為0．1 m／s。
2．1．2 濕度傳感器
    濕度傳感器用于檢測空氣中的相對濕度，例如，當(dāng)相對濕度大于90％，可認(rèn)為有雨，智能窗將自動關(guān)閉。選用AH11濕度模塊作為濕度傳感器。模塊的供電為+5 V直流電壓，相對濕度通過電壓輸出進行計算。本模塊濕度檢測精度±5％RH，且已帶溫度補償，長期穩(wěn)定性好，滿足系統(tǒng)要求。
2．1．3 光強傳感器
    為便于用戶根據(jù)光強不同決定開窗狀態(tài)，設(shè)置了光強傳感器。利用光敏電阻GL5528自行設(shè)計了光強傳感器。光敏電阻是利用半導(dǎo)體光電效應(yīng)制成的一種阻值隨入射光強變化而改變的電阻器，入射光變強，電阻減小。使用時將光敏電阻與10 k；Ω的電阻R構(gòu)成測量電橋后接至5V電源，當(dāng)外界光照變強時，光敏電阻阻值變小，R分壓變大，取R上的電壓差值即可判斷光強變化。這種設(shè)計的優(yōu)點在于電路簡單。
2．1. 4 紅外遙控
    遙控設(shè)備在本系統(tǒng)內(nèi)起著至關(guān)重要的作用，它是人機交互的通道。系統(tǒng)采用紅外一體化接收頭HS0038將遙控信號的接收、放大、檢波、整形集于一身，并且輸出可以讓單片機識別的TTL信號，這樣大大簡化了接收電路的復(fù)雜程度和電路的設(shè)計工作。HS0038由黑色環(huán)氧樹脂封裝，不受日光、熒光燈等光源干擾，內(nèi)附磁屏蔽，功耗低，靈敏度高。在用小功率發(fā)射管發(fā)射信號情況下，其接收距離可達35 m。所使用的遙控器為WD6122型紅外遙控發(fā)射電路，最多可外接64個按鍵，并有3組雙重按鍵。
2．1．5 行程開關(guān)
    為了判斷窗子是否閉合，需要使用行程開關(guān)。利用單片機自帶的硬件中斷資源，設(shè)計了接觸式的中斷行程開關(guān)。當(dāng)窗體閉合時引發(fā)中斷，停止運行，進入節(jié)電待機狀態(tài)。
2．2 處理與輸出部分
2．2．1 單片機應(yīng)用
    隨著技術(shù)的發(fā)展，單片機的功能日益多樣化。以其具有價格便宜、體積小、技術(shù)成熟等特點而被廣泛應(yīng)用在各種控制場合。本系統(tǒng)使用STC12C5A60S2型單片機，由于其采用增強型8051內(nèi)核，速度比普通8051快8～12倍，滿足了程序運行對速度的要求。關(guān)窗后可切換到掉電模式(可由外部中斷喚醒)，以降低功耗。硬件看門狗功能可用于監(jiān)測程序是否運行正常。特別是芯片內(nèi)部自帶了8路10位AD轉(zhuǎn)換功能，能直接將輸入P1口的模擬量電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，大大節(jié)約了支持多個傳感器的AD硬件成本。端口輸出的數(shù)字信號可控制步進電機。
2．2．2 步進電機及驅(qū)動
    采用42BYG250B兩相混合式步進電機作為機械部分的驅(qū)動裝置，經(jīng)減速后帶動葉片轉(zhuǎn)動。選擇L298N作為步進電機的驅(qū)動芯片。L298N為雙全橋步進電機專用芯片(Dual Full-Bridge Driver)內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，兩個HBridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平，可驅(qū)動46 V，2 A以下的步進電機，且可直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，由單片機I／O端口來提供時序電壓。
2．2．3 顯示輸出
    系統(tǒng)中應(yīng)用1602液晶顯示屏顯示操作界面，通過不同的菜單選擇，即可顯示設(shè)定的控制參數(shù)，又可顯示測量值和系統(tǒng)的工作狀態(tài)。顯示屏在待機狀態(tài)下可以關(guān)屏，降低功耗。
2．3 電路設(shè)計
    圖3為電子系統(tǒng)主要部分的原理圖。在各芯片供電處接有濾波電容，以減少供電不穩(wěn)給系統(tǒng)帶來的影響。使用兩級差模前置放大器，放大傳感器的微弱信號，這種差模放大的接線方式可有效地減少噪聲干擾。此外，由于電機屬于感性負(fù)載，突然斷電會產(chǎn)生較高的反電勢，對電機和驅(qū)動芯片造成傷害，故需要在驅(qū)動回路接入續(xù)流二極管1N4007。單片機P1．0、P1．1、P1．2設(shè)為片內(nèi)AD，外接運放輸出端，P3．2、P3．3口分別接行程開關(guān)和紅外模塊，P3．5、P3．6接片外EEPROM的時鐘端和數(shù)據(jù)端。

3 軟件設(shè)計
3．1 程序流程
    開機時系統(tǒng)關(guān)窗復(fù)位，采集一組環(huán)境數(shù)據(jù)，判斷是否達到開窗要求。開窗后，調(diào)用歷史控制參數(shù)，之后按加權(quán)方式分步采集多個傳感器的數(shù)據(jù)，同時輸出顯示。發(fā)現(xiàn)風(fēng)強，濕度，光強不滿足要求時即可調(diào)整至合理狀態(tài)。系統(tǒng)運行時始終以中斷方式服從用戶的遙控。程序流程如圖4所示。

3．2 濾波算法
    由于室外環(huán)境的多變性、復(fù)雜性以及電磁干擾等諸多問題的存在，傳感器的信號中經(jīng)常帶有一定的噪聲。硬件低通濾波器并不能濾掉低頻成分。故在數(shù)據(jù)的采集和處理中使用滑窗法濾波，有效解決了傳感器數(shù)據(jù)抖動的問題。
3．3 控制算法
    控制算法是體現(xiàn)智能性的核心，合理的控制算法，可使系統(tǒng)具有“記憶性”和“學(xué)習(xí)性”。由于單片機的硬件資源十分有限，無法執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和Bayes法等大型程序。這里，設(shè)計了頻率加權(quán)統(tǒng)計的方法。在片外EEPROM中存有控制向量y=[W，R，L，A]，表示風(fēng)強、濕度、光強和所對應(yīng)的扇葉張角。遙控可以發(fā)出直接更改控制向量中參數(shù)的指令，也可以發(fā)出調(diào)整扇葉角度的信號。當(dāng)接收到調(diào)整角度的信號時，系統(tǒng)采集記錄當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，形成指令P=[kW，kR，kL，kA]?？刂葡蛄孔龀鱿鄳?yīng)調(diào)整，使成為新的控制向量。這樣，隨著使用次數(shù)的增加，窗子將適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和用戶的習(xí)慣。

4 結(jié)束語
    整個控制系統(tǒng)是基于多項傳感器采集信號，8位高速單片機運算處理的控制系統(tǒng)。采用經(jīng)典的軟件濾波、控制算法對信息進行處理，增強魯棒性。電機輸出控制扇葉轉(zhuǎn)角，屏幕實時顯示測量數(shù)據(jù)。經(jīng)實驗測試，風(fēng)速感應(yīng)和控制精度優(yōu)于0．1 m／s，濕度感應(yīng)精度5％RH，光強感應(yīng)精度5 lux，扇葉步進最小角度1．8°。這種智能窗實現(xiàn)了：同步顯示當(dāng)前環(huán)境風(fēng)強、濕度、光強等信息；支持人機對話、可以遠程遙控；具有硬件保護、可以智能調(diào)整窗體開合程度等功能。

    這種智能窗在一定程度上減少了外界環(huán)境給室內(nèi)帶來的不便。目前可以用作對環(huán)境有一定要求的實驗室的通風(fēng)窗和高檔建筑用窗。隨著人民生活水平的提高，它將被應(yīng)用到更廣泛的場合。