基于单片机的多功能智能窗户设计.doc

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1、摘 要随着电子技术发展与人民生活水平迅速提高，自动控制系统已经越来越多地被用到了现代智能化建筑中，为住户提供一个安全、方便环境。现在自动控制系统已经为我们生活提供了很多便利，在生活各个方面，人们迫切需要一种智能型家庭安全智能窗系统，不仅能可靠进行日常开关工作，以便人们能够更安心工作，还能识别盗情，发出警报，保证了居民生活舒适与生命财产不受损失。根据预计，在未来几年时间内，安装智能窗用户将不断增加。本次设计就是智能窗系统，本次设计主要采用单片机控制技术为核心，系统主要由温湿度检测模块、煤气泄漏检测模块、风力大小检测模块、雨天检测模块、人体红外检测模块、控制模块组成，其中，控制模块上包括液晶显示室

2、内温湿度，报警系统，与手动开关窗户按钮。共计5个传感器，集成使用。使本次设计智能窗户能识别各种天气状况，并且可以显示室内温度与湿度，根据温湿度来自动完成窗户开关，还能提醒住户突发煤气泄漏险情与盗情。利用单片机对各个模块控制，使其相互配合工作，并通过控制电机及丝杠配合完成自动开关窗目。关键词：实时控制；自动控制；温湿度传感器；单片机AbstractWith the development of electronic technology and peoples living standards rising rapidly, automatic control systems have incr

3、easingly been used in the modern intelligent building, and provide tenants with a safe and convenient environment. Now the automatic control system has been provided to our lives a lot of convenience, in all aspects of life, there is an urgent need for an intelligent home security smart window syste

4、m, not only can reliably switch routine work, so that people can more ease of work, but also identify Pirates of the situation, an alarm, to ensure the comfort and living life and property from damage. According expected in the next few years time, the installation of smart windows users will contin

5、ue to increase.The design is the smart window systems, this design is mainly using SCM control technology as the core, the system consists of temperature and humidity detection module, gas leak detection module, wind speed detection module, rain detection module, human infrared detection module, con

6、trol module , wherein the control module comprises a liquid crystal display indoor temperature and humidity, alarm systems, and the manual switch window button. A total of five sensors, integrated use.This design makes a smart windows can recognize a variety of weather conditions, and can display th

7、e indoor temperature and humidity, according to the temperature and humidity to automatically switch windows, but also to remind residents sudden gas leak danger and Pirates of the situation. The use of single-chip control of each module to work with each other, and by controlling the motor and lead

8、 screw with the completion of the purpose of automatic switch windows.Key words：real-time control; automatic control; temperature and humidity sensors; SCM目 录引言 11 任务要求及总体设计方案 2 设计任务要求 2 总体设计方案 2硬件设计方案 2软件设计方案 52 系统硬件电路设计 5 单片机主控制模块 52.1.1单片机方案选择 5 STC89C52芯片功能 6单片机主控电路设计 62.2 温湿度模块电路设计分析 72.2.1 DHT

9、11传感器内部结构及工作原理72.2.2 DHT11模块硬件电路 9 煤气检测模块电路设计分析 9 MQ5煤气检测模块结构及工作原理 10 MQ5煤气检测模块电路设计 10 风力检测模块电路设计分析 10霍尔传感器工作原理 11霍尔传感器模块电路设计 112.5 雨天检测模块电路设计及其功能介绍 12 人体红外传感器模块应用分析及工作原理 132.7 系统控制模块结构分析 14 动力模块设计分析 14L298N模块原理及电路设计 14动力传动部分设计分析 152.9 排风扇安装设计分析 15继电器工作原理及特性 152.9.2继电器电路设计 163 系统软件设计 173.1 主程序流程设计 1

10、73.2 执行功能模块 193.2.1温湿度控制模块 19LCD1602液晶显示模块 193.2.3霍尔传感器检测模块 204 机构设计 214.1 窗户设计 214.2 传动模块设计 215 系统调试 225.1 硬件电路调试 225.2 软件程序调试 246 结论 25谢辞 26参考文献 27附录 28第 25 页引言 20世纪80年代初，伴随着大量采用电子技术家用电器面市，住宅电子化出现。80年代中期，将家用电器、通信设备及安保防灾设备各自独立功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。80年代末，由于通信及信息技术迅速发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制及

11、管理商用系统，这在美国称为Smart Home，也就是现在智能家居原型。家庭可以说是人们每天生活温馨场所。而窗户无疑是人们日常生活中接触最频繁生活家具之一。通过对以往窗户调查分析，发现其存在较多弊端：1.窗户开关需要使用者自己到窗边执行动作，这无疑给使用者带来不便；2.窗户设计无法完成保证室内环境以及室内安全功能，无法响应外界环境变化而做出相应控制，特别。当室内无人时，无法因为外面突发下雨或者大风天气而紧急关闭窗户，平常人们都习惯晚上关窗睡觉，此时室内空气不流通，如果煤气泄漏，就会使人发生生命危险。同时，在防盗，防室内人员摔落等方面并没有实际作用。现在自动控制系统已经为我们生活提供了很多便利，

12、在生活各个方面，人们迫切需要一种智能型家庭安全自动控制系统，能可靠进行日常开关工作，在环境大风或下雨情况下，能自动识别大风或下雨天气，实现自动关窗动作，便于人们能够更安心工作，同时也保证了居民生活舒适与生命财产不受损失。于是有关家庭、办公室，仓库还有汽车等处自动关窗系统开发研制日益被科研单位与生产厂家所重视。现在市场上也出现了种种名目繁多关窗装置，但多由于可靠性较差、造价高或使用复杂而未能普及。随着电子通讯技术飞速发展，51单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比出众等突出优点已在各项领域如工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集信息以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。为此利用单片机与

13、一些简单外围器件配合来开发一种适合于家庭、仓库、银行，汽车等重要场所低价位、运行可靠、具有自动控制功能系统，对各种恶劣天气情况自动识别并作出关窗反应。本课题目是开发一种在普通窗基础上改进智能窗控制装置，根据作品实用性，稳定性，性价比，功能完备操作人性化等综合方面考虑后决定利用51单片机作为控制核心，配合多个传感器应用，使各种传感器相互配合工作，利用电机与丝杠配合带动窗户开关使其达到智能控制窗户目，该装置装有风速感应器，温湿度传感器，煤气泄漏感应器，雨滴传感器等。每当窗户在起开状态，但是又刮风下雨或有盗情时，窗户会自动关闭，使得屋内物品尽量少受到强风与雨水损害。室内温度与湿度高时，自动开窗换气，

14、优化室内空气。当室内关窗气流封闭并且煤气泄漏时，窗户会自动识别后报警并自动打开并开启排风扇，排除毒气，解除用户后顾之忧，给住户提供一个舒适，安全室内环境。1 任务要求及总体设计方案 设计任务要求智能窗户为住户提供一个安全、方便环境，该装置可不断循环检测室内温度与湿度，通过最高温湿度设置对窗户开闭控制，可优化室内空气与防止室内潮气过重；并可以时刻检测室外天气状况，通过对室外天气状况识别，控制窗户开闭，可防止雨水对室内物品损害；当遇到大风天时，窗户会自动关闭，防止沙尘等进入房间吹损屋内物品，吹乱屋内摆设等；并可检测室内有害气体，例如当室内发生煤（燃）气泄漏时，会自动开窗，并开启排风装置，防止煤气中

15、毒。 总体设计方案本次设计智能窗系统，主要采用单片机控制技术为核心，由温湿度检测模块、煤气泄漏检测模块、风力检测模块、雨天检测模块、人体红外检测模块、控制模块、动力模块组成，其中，控制模块上包括液晶显示室内温湿度，报警系统，与手动开关窗户按钮。共计5个传感器，集成使用。使本次设计智能窗户能识别各种天气状况，并且可以显示室内温度与湿度，根据温湿度来自动完成窗户开关，还能提醒住户突发煤气泄漏险情与盗情。利用单片机对各个模块控制，使其相互配合工作，并通过控制电机及丝杠配合完成自动开关窗目。系统原理框图如图1-1所示。电路图见附录1。单片机控制模块温湿度检测模块LCD显示模块煤气泄漏检测模块 风力检测

16、模块雨天检测模块动力模块人体红外检测模块图1-1 系统原理框图（1） 温湿度传感模块电路方案设计方案一：传统测温方式是采用热电偶或热电阻，一般用来测量中高温度，输出是电压信号，需要经过模/数转换，外围硬件电路较复杂，软件调试难度高，造价成本高。方案二：采用温湿度一体化传感器LTM8901，这款集成温湿度传感器包括温度检测湿度检测并连接有显示屏显示，精度与感应速度也达到一定要求，集成性高，但是价格也高，不符合性价比要求。 方案三：DHT11是一款含有已校准数字信号输出温湿度复合传感器，它应用专用数字模块采集技术与温湿度传感技术，确保产品具有极高可靠性与卓越长期稳定性。测量范围： 湿度20-90%

17、RH， 温度050 ，传感器包括一个电阻式感湿元件与一个NTC测温元件，并及一个高性能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传感器都在极为精确湿度校验室中进行校准。校准系数以程序形式存在OTP内存中，传感器内部在检测型号处理过程中要调用这些校准系数。 因此，在温湿度检测模块，采用具有稳定性高，响应快，抗干扰能力强，并且性价比极高DHT11温湿度传感器，此款传感器测量范围也符合此次设计测量室内温度要求，故采用方案三。（2） 煤气泄漏检测模块电路方案设计方案一：采用市面上各种各类煤气泄漏报警器或检测仪，这些产品集成检测煤气泄漏与报警为一体

18、，有不仅可以单独报警还能联网报警，但是这些产品普遍体积较大，价格较高，并且不方便集成在单片机上，只能直接接电源使用，不合适本系统设计要求。 方案二：MQ5液化气煤气传感器模块，它能迅速感应出周围有无煤气、天然气等可燃气体并迅速作出反应，它对环境液化气与城市煤气比较敏感，并且它具有较小体积，方便安装于窗体上，适合本系统设计要求。在本系统只采用其中测湿度功能。因此，在煤气泄漏检测模块中决定采用MQ5液化器煤气传感器模块，根据设计要求，此模块方便集成入单片机系统，可以通过把采集到信号传送到单片机，利用单片机来根据此模块输入信号来控制动力模块使得窗户与排风扇自动打开，排出有毒气体。功能完全达到设计所要

19、求条件，所以选择方案二。 （3） 风力检测模块电路方案设计 方案一：采用市面上面风速传感器，风速传感器是将空气流动速度变量转换成有一定对应关系输出信号装置。风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声波测风速与三杯式风速传感器测风速。这些传感器可以直接使用，准度也比较高。但是有几个缺陷：第一这些种类风速传感器体型普遍较大，若要固定于窗体上则会占用很大空间，会影响窗体整体外观。第二这些种类风速传感器风力测试仪价格都比较高，不符合设计初衷。方案二：采用霍尔传感器，将信号磁铁固定于排风扇扇叶上，并配合霍尔传感器。当室外天气为大风时，风吹动排风扇，扇叶转动会给霍尔传感器输

20、入信号，单片机根据霍尔传感器输入脉冲数量计算，当达到一定条件，识别为大风状况时，就自动起开自动关窗动作。霍尔传感器稳定性高，反应速度快，体积小，性价比高。经过霍尔传感器与排风扇配合，可以识别大风天气，满足设计条件。所以，在风力检测模块设计中，采用方案二。（4） 雨天检测模块电路方案设计本模块方案设计采用雨滴传感器模块，市面上雨滴传感器有两种，一种是集合式雨滴传感器模块，这种模块把雨滴采集部分与电路部分直接连接在一个板子上，缺点比较明显，采集范围小，而且容被雨水损坏电路。第二种是分离式雨滴传感器，就是雨滴采集部分与电路部利用导线连接使用，这样方式可以把电路部分放在室内不被雨水浸入，有效保护电路不

21、被雨水损害，并可以扩大雨水采集范围。对雨天识别效果比较明显。所以，这个模块就直接使用分离式雨滴传感器模块。（5） 人体红外检测模块电路方案设计 在系统中需要引入人体红外检测模块以保证智能窗具有防盗功能，为此，合适人体感应模块以及模块正确安装位置成为此部分关键。通过对市面上红外感应模块比较，最终选择了感应范围在2米左右，工作锥角在120左右HC-SR501人体红外感应模块。此传感器具有延时时间可调，触发方式可调，并可以调整检测灵敏程度，以防误报险情。输出TTL电平及单片机可直接相连等优点，能够较好满足我们要求。（6） 控制模块电路方案设计本模块集合了控制系统，显示系统，与报警系统。控制系统以51

22、单片机为控制核心，是整个系统控制中枢，接收传感器输入信号，经过处理，控制动力模块，使得窗户可以完成自动开关窗动作，设置有两个按钮，可以利用这两个按钮实现手动开窗关窗目。显示系统则使用了LCD1602液晶显示屏，此显示屏微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表与低功耗应用系统中，完全可以满足本设计显示温度与湿度要求。报警系统由蜂鸣器与一个红色LED灯组成，当有盗情或者煤气泄漏险情时，会启动报警系统，蜂鸣器与LED灯会同时工作，发出警报，提醒屋内人有特殊状况发生。（7） 传动方法方案设计方案一：利用凸轮二杆机构，将二杆机构置于凸轮机构上，再利用电机带动凸轮转动，将另一个杆固定于窗体

23、上，通过杆来回移动带动窗户开关。这种方法结构简单，但是严重影响窗户外观，而且会根据窗户大小在窗户旁边放置凸轮机构，占用空间大，而且人也不方便在窗户旁边，大大减少了窗户功能性。方案二：利用气缸推动窗户开关，将气缸置于窗户与窗户台上，利用气缸推动窗户开关，这种方法市面上比较常见，要使用电压，气压较大，大多只能用在推开式窗户上，局限性很高，并且造价也很高，没有性价比可言方案三：利用减速电机连接丝杠，利用丝杠上滑块及窗户通过金属片连接，从而带动窗户移动。这种方法可以在现在最广泛使用推拉式窗户上，并且结构简单，丝杠放置方法可以根据需求放置，可以放在窗户底下隐藏起来，不影响窗户外观与性能，并且价格不高，适

24、于广泛应用。综合以上各种方法优点与缺点，选用结构简单，放置方式多样，可以应用及推拉式窗户上方案三。（8）动力模块方案设计 方案一：直接采用单片机控制直流电机，这种方法比较简单，但是工作起来不太稳定，也只是能带动功率比较小，额定电压小小电机，并且不能很好带动功率高电机，带动窗户移动需要有一定扭矩电机，单片机5V电压普遍不能很好带动扭矩高电机。方案二：采用L298N驱动模块，L298N是一种高电压，大电流电机驱动芯片，这种驱动模块具有信号指示，转速可调，抗干扰能力强，并具有过电压与过电流保护功能，重要是次模块可以给电机单独供应高压电源，不需要单片机供电，及单片机配合使用可达到直流电机正反转并稳定运

25、行。满足本设计要求。所以，根据这两种方案特点，选择方案二可以更好满足设计要求，使系统正常运行，动力模块使用方案二进行设计。本系统软件设计采用是C语言编程，运用Keil uVision4软件平台进行编程及编程查错，再通过编程器下载程序。对于硬件模块设计方式，软件部分也采取分模块编程，再通过主程序调用子函数从而实现系统整个软件功能。使用模块化结构形式是为了使程序编写、调试及控制变得更方便，也为了便于推广到其他过程控制对象。程序控制共有6部分子程序，分别为温湿度控制程序、煤气传感器控制程序、液晶显示程序、霍尔传感器信号检测程序、雨滴传感器控制程序与人体红外检测控制程序。主程序在初始化完成后，循环执行

26、上述子程序，分别实现其相应功能。2 系统硬件电路设计2.1 单片机主控制模块方案一：选择Microchip公司PIC系列单片机PIC单片机是一种简单指令型单片机，指令数量比较少，如果使用汇编语言编写程序，在PIC中低档单片机中比较麻烦且需要翻页，而且性价比不高，价格昂贵。方案二：选择STC公司STC89C52RC单片机STC89C52RC是STC公司生产一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，可以使用C语言编写程序，是一款被广泛使用单片机，可查阅资料丰富，方便单片机开发者使用，并且工作稳定，响应速度快，价格便宜，性价比高。完全可以满足设计要求。因此单片机芯片选择方案二。2.1.2STC89C5

27、2RC芯片功能介绍STC89C52是STC公司生产一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典MCS-51内核，但做了很多改进使得芯片具有传统51单片机不具备功能。在单芯片上，拥有灵巧8 位CPU与在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统515向量2级中断结构）

28、，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚，功能强大微型计算机STC89C52RC为许多控制提供了高度灵活与低成本解决办法。引脚图如图2-1所示。 图2-1 STC89S52RC引脚图 单片机主控电路设计是以STC89C52RC为核心控制芯片，主控电路模块上连接控制系统、报警系统、温湿度显

29、示系统，外接温湿度传感器模块，煤气泄漏检测传感器模块，风力检测模块，人体红外感应模块、雨滴传感器模块、电源等硬件电路。STC89C52RC采用12MHZ频率晶振，采用+5V直流电源供电，根据单片机各个引脚功能，P0口与用于接LCD1602液晶屏；及用于连接限位开关；用于连接包括三极管蜂鸣器放大电路；为人体红外检测传感器数据接口；P1.4为雨滴传感器模块数据接口；为DHT11温湿度显示模块数据接口；为MQ5煤气传感器数据接口；为霍尔传感器模块数据接口；为报警灯接口；与分别是两个排风扇控制接口；与是L298N电机驱动模块数据接口。如图2-2为单片机主控电路图。图2-2 单片机主控电路图2.2 温湿

30、度模块电路设计分析2.2.1DHT11传感器内部结构及工作原理DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出温湿度复合传感器,传感器内部是由一个电阻式感湿元件与一个NTC测温元件组成。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小体积、极低功耗，其中信号传输距离可达20米以上。（1） DHT11引脚功能如图2-3所示：引脚1为VDD： 接3V-5.5V直流电源。引脚2为DATA：该引脚为单总线串行数据传输脚。引脚3为NC： 该引脚为空脚，悬空。引脚4为GND： 该引脚为接低端，接电源负极。 （2）DHT11时序原理分析 图2-3 DHT11引脚图 DHT11数字型温湿度传感器测量分辨率分

31、别为 8bit（温度）、8bit（湿度）。直接及微控制器端口P1.5连接。微控制器模拟传感器DHT11工作时序，读取其寄存器湿度值，微控制器是采取主动方式及传感器DHT11进行通信，并且DHT11传感器不需要进行相关寄存器设置。 DATA通讯方式DATA用于微处理器及DHT11之间通讯与同步、采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分与整数部分，小数部分用于扩展，在本系统读出为零。一次完整数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验与。数据传送正确时校验与数据等于“8bit湿度整数

32、数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果末8位。单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号送出40bit数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。在从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集, 如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。时序图如图2-4所示。图2-4 DHT11读时序图 DHT11写时序如图2-5所示总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测

33、到起始信号。DHT11接收到主机开始信号后，等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。如图2-5所示。图2-5 DHT11写时序图 DHT11结束时序图如图2-6所示总线为低电平,表明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平长短决定了数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常。当最后一bit数

34、据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。数字“0”信号表示方法如图2-6所示，数字“1”信号表示方法如图2-7所示。图2-6 DHT11结束时序图 DHT11信号表示时序图如图2-7所示图2-7 DHT11信号表示图本模块电路设计VCC端供电电压为3V-5.5V，数据连接线长度小于20米时，用4.7K上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适上拉电阻，通过上拉电阻使控制总线处在高电平状态。电源引脚（VCC,GND）之间加一个发光二极管，用于表示此模块正常接通电源。如图2-8所示。 图2-8 DHT11模块硬件接线电路图2.3 煤气检测模块电路设计分析在本模

35、块设计中，直接采用了MQ5煤气检测模块，气敏传感器MQ-5适用于家庭或工业上对液化气，天然气，煤气监测装臵。其具有对液化气、天然气、城市煤气有较好灵敏度；对乙醇，烟雾几乎不响应，具有优良抗干扰能力；有快速响应恢复特性；有长期使用寿命与可靠稳定性；测试电路比较简单等优点。MQ-5煤气检测模块由微型AL2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极与加热器构成敏感元件固定在塑料或不锈钢制成腔体内，加热器为气敏元件提供了必要工作条件。封装好气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，2个用于提供加热电流。首先，可燃性气体浓度信号通过MQ-5气体传感器将可燃性气体浓度信号转换成电压信号，经过A/D转换，输出

36、一个适合单片机接收电压信号，然后，送入STC89C52RC中，线性化数据处理后，将电压信号转化成对应十六进制浓度值。当检测到可燃性气体浓度超出上限报警设定值时，报警器发出声音与报警灯报警。在本次设计中只采用了数字信号来检测是否有可燃气体，并没有使用检测到模拟信号来输出可燃气体浓度，气体浓度检测可使用模块上灵敏度调节。MQ-5煤气检测模块内部结构图如图2-9所示。图2-9 MQ5内部结构图 本模块设计有4个接口，分别为电源接口VCC，GND。还有一个模拟信号接口，一个数字信号接口。可以选择向单片输入模拟量或输入数字量。另接一个10K可调电阻，用于调节检测可燃气体灵敏度。两个LED灯，绿色用于表示

37、电源正常接通，红色用于表示传感器检测到可燃气体。如图2-10所示。图2-10 MQ5煤气检测模块电路图2.4 风力检测模块电路设计分析市面上面风速传感器，风速传感器是将空气流动速度变量转换成有一定对应关系输出信号装置。风速传感器种类有采用毕托管测风速、热线热膜测风速、机械式传感器测风速、超声波测风速与三杯式风速传感器测风速。这些传感器可以直接使用，准度也比较高。但是有几个缺陷：第一这些种类风速传感器体型普遍较大，若要固定于窗体上则会占用很大空间，会影响窗体整体外观。第二这些种类风速传感器风力测试仪价格都比较高，不符合设计初衷。本设计风力检测采用霍尔传感器集成及单片机上，将信号磁铁固定于排风扇扇

38、叶上，并配合霍尔传感器。当室外天气为大风时，风吹动排风扇，扇叶转动会给霍尔传感器输入信号，单片机根据霍尔传感器输入脉冲数量计算，当达到一定条件，识别为大风状况时，就自动起开自动关窗动作。霍尔传感器稳定性高，反应速度快，体积小，性价比高。经过霍尔传感器与排风扇配合，可以识别大风天气。霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换一种传感器，它具有灵敏度高，线性度好，稳定性高、体积小与耐高温等特点，所以，在测量技术、自动化技术与信息处理等方面得到了广泛应用，通常被用来测量位移、压力、转速等物理量。使用霍尔传感器获得脉冲信号，其机械结构可以做得较为简单，只要在转轴圆周上粘上一粒磁钢，让霍尔开关靠近磁钢，就有信

39、号输出，转轴旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。如果在圆周上粘上多粒磁钢，可以实现旋转一周，获得多个脉冲输出。在粘磁钢时要注意，霍尔传感器对磁场方向敏感，粘之前可以先手动接近一下传感器，如果没有信号输出，可以换一个方向再试。这种传感器不怕灰尘、油污，在工业现场应用广泛。 本设计采用了3144霍尔元件作为检测风速主要元件，并接入74HC14六反相器及两个LED灯，形成一个风力检测模块。绿灯作为一个电源是指灯，红灯作为脉冲信号指示灯，接入电源后，霍尔元件并未靠近磁铁时，则红灯保持发光状态，当扇叶带动磁铁靠近霍尔元件，则红灯熄灭，此时霍尔元件向单片机输入一个脉冲信号，单片机通过记录在一定时间内接收到

40、脉冲信号判断是否达到关窗动作条件。风力测试模块电路图如图2-11所示。图2-11风力测试模块电路图2.5 雨天检测模块电路设计及其功能介绍（1）电路设计优点一般市面上雨滴传感器有两种，一种是集合式雨滴传感器模块，这种模块把雨滴采集部分与电路部分直接连接在一个板子上，缺点比较明显，采集范围小，而且容被雨水损坏电路。第二种是分离式雨滴传感器，就是雨滴采集部分与电路部利用导线连接使用，这样方式可以把电路部分放在室内不被雨水浸入，有效保护电路不被雨水损害，并可以扩大雨水采集范围。对雨天识别效果比较明显。所以，本次设计就直接使用分离式雨滴传感器模块。（2） 雨滴传感器原理介绍 本设计使用雨滴传感器控制核

41、心是LM393电压比较器，LM393是由两个独立、高精度电压比较器组成集成电路，失调电压低，最大为2.0mV。它专为获得宽电压范围、单电源供电而设计，也可以以双电源供电；而且无论电源电压大小，电源消耗电流都很低。它还有一个特性：即使是单电源供电，比较器共模输入电压范围接近地电平。主要应用于限幅器、简单模/数转换器、脉冲发生器、延时发生器、宽频压控振荡器、MOS时钟计时器、多频振荡器与高电平数字逻辑门电路。LM393被设计成能直接连接TTL与CMOS；当用双电源供电时，它能兼容MOS逻辑电路这是低功耗393相较于标准比较器独特优势。优势1.高精度比较器；2.减少由于温漂引起失调电压；3.可以单电

42、源供电；4.输入共模电压范围接近地电平；5.兼容逻辑电路。此传感器利用了水能导电原理，设置了一个雨滴采集部分，雨滴采集部分是将导电金属以条状平行形式镀及雨滴采集板上面，并引出两条导线连接至电路控制部分。由于导电金属属于平行状态，互不相交，所以平常状态是不连通，当有水滴进入雨滴采集板，由于水导电性，致使两条平行导电金属接通，改变了电压，经过LM393比较之后，将数据信息输入单片机，识别为雨天天气。（3） 雨滴采集模块电路雨滴模块电路设计如图2-12所示。图2-12 雨滴采集模块电路雨滴模块电路设计中，主要分成了两个部分，雨滴采集部分，信号输出电路部分，10K可调电阻用于调节雨滴采集部分灵敏度，两

43、个LED指示灯，绿色指示灯表示电源正常接通，红色指示灯表示采集部分感应到雨水，即采集部分有雨水滴入时，红灯就会发亮，以表示电路正常工作。本雨滴模拟模块可以将雨滴以模拟信号与数字信号两种方式输入到单片机，模拟量信号可以识别雨滴大小，便于分析雨情，但是编程复杂，调试困难。本次设计只采用了数字量信号输入，只要有一定量雨滴进入采集板导通了采集板上面导电金属线，则判断为雨天，自动执行关窗动作。2.6 人体红外传感器模块应用分析及工作原理本次设计需要用到人体红外传感器用于防盗系统，经过及市面上各种同类传感器表，基于安装位置，大小，与功能性考虑选择HC-SR501。HC-SR501是基于红外线技术自动控制模

44、块，采用德国原装进口LHI778探头设计，感应部分应用菲涅尔透镜对感应范围进行放大，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电气设备，尤其是干电池供电自动控制产品。通过将人体红外感应模块及单片机IO口相连，来实现人体红外检测：为高电平时，感当对应IO口应到有人，此时关闭窗户，防止室外人员进入室内。因此，系统中将此模块安装在窗体外侧。感应模块原理图如图2-13所示。图2-13 感应模块原理图热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射红外线而输出电信号传感器。早在1938年，有人提出过利用热释电效应探测红外辐射，但并未受到重视，直到六十年代，随着激光、红外技术迅速发展，才又推动了对热释电效应研究与对热释电晶体应用。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光一种较理想探测器。它目标正在被广泛应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多领域应用前景看好