【正文】 風(fēng)扇，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)給霍爾傳感器輸入信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)霍爾傳感器輸入的脈沖數(shù)量計(jì)算，當(dāng)達(dá)到一定條件，識(shí)別為大風(fēng)狀況時(shí)，就自動(dòng)起開自動(dòng)關(guān)窗動(dòng)作。經(jīng)過霍爾傳感器和排風(fēng) 扇的配合，可以識(shí)別大風(fēng)天氣。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)可以做得較為簡單，只要在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上一粒磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。在粘磁鋼時(shí)要注意 ，霍爾傳感器對(duì)磁場(chǎng)方向敏感，粘之前可以先手動(dòng)接近一下傳感器，如果沒有信號(hào)輸出，可以換一個(gè)方向再試。 本設(shè)計(jì)采用了 3144 霍爾元件作為檢測(cè)風(fēng)速的主要元件，并接入 74HC14 六反相 器與兩個(gè) LED 燈，形成一個(gè)風(fēng)力檢測(cè)模塊。風(fēng)力測(cè)試模塊電路圖如圖 211 所示。第二種是分離式的雨滴傳感器，就是雨滴采集部分和電路部利用導(dǎo)線連接使用，這樣的方式可以把電路部分放在室內(nèi)不被雨水浸入，有效的保護(hù)電路不被雨水損害，并可以擴(kuò)大雨水采集的范圍。所以，本次設(shè)計(jì)就直接使用分離式的雨滴傳感器模塊。它專為獲得寬電壓范圍、單電源供電而設(shè)計(jì)，也可以以雙電源供電；而且無論電源電壓大小，電源消耗的電流都很低。主要應(yīng)用于限幅器、簡單的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈沖發(fā)生器、延時(shí)發(fā)生 器、寬頻壓控振蕩器、 MOS 時(shí)鐘計(jì)時(shí)器、多頻振蕩器和高電平數(shù)字邏輯門電路。優(yōu)勢(shì) ； 調(diào)電壓 ； ； ； 。由于導(dǎo)電金屬屬于平行狀態(tài)，互 不相交，所以平常狀態(tài)是不連通的，當(dāng)有水滴進(jìn)入雨滴采集板，由于水的導(dǎo)電性，致使兩條平行的導(dǎo)電金屬接通，改變了電壓，經(jīng)過 LM393 比較之后，將數(shù)據(jù)信息輸入單片機(jī)，識(shí)別為雨天天氣。 圖 212 雨滴采集模塊 電路 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 13 頁 共 32 頁 雨滴 模塊 電路 設(shè)計(jì)中， 主要分成了兩個(gè)部分，雨滴采集部分，信號(hào)輸出電路部分，10K 的可調(diào)電阻用于調(diào)節(jié)雨滴采集部分的靈敏度，兩個(gè) LED 指示燈，綠色的指示燈表示電源正常接通，紅色指示燈表示采集部分感應(yīng)到雨水，即采集部分有雨水滴入時(shí) ，紅燈就會(huì)發(fā)亮，以表示電路正常工作。本次設(shè)計(jì)只采用了數(shù)字量信號(hào)的輸入，只要有一定量的雨滴進(jìn)入采集板導(dǎo)通了采集板上面的導(dǎo)電金屬線，則判斷為雨天，自動(dòng)執(zhí)行關(guān)窗動(dòng)作。 HCSR501是基于紅外線技術(shù)的自 動(dòng)控制模塊，采用德國原裝進(jìn)口 LHI778探頭設(shè)計(jì)，感應(yīng)部分應(yīng)用菲涅爾透鏡對(duì)感應(yīng)范圍進(jìn)行放大，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)感應(yīng)電氣設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。因此，系統(tǒng)中 將此模塊安裝在窗體外側(cè)。 圖 213 感應(yīng)模塊原理圖 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測(cè)器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測(cè)器。除了在我們熟知的樓道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng) 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 14 頁 共 32 頁 睡覺后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。結(jié)合攝影 機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等。 熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個(gè)表面做成電極，在傳感器監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)溫度有Δ T 的變化時(shí)，熱釋電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷Δ Q，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓Δ V。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷Δ Q 會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失， 即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，Δ T=0，則傳感器無輸出。所以這種傳感器檢測(cè)人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。 系統(tǒng) 控制 模塊的結(jié)構(gòu) 分析 系統(tǒng)控制模塊由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫濕度顯示系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、開關(guān)窗按鍵組成。 顯示系統(tǒng)使用了 LCD1602 液晶顯示屏，此顯示屏 微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中 ， LCD1602 可是顯示兩行字符， 完全可以滿足本設(shè)計(jì)的顯示溫度和濕度要求。開關(guān)窗按鍵可以讓使用者自行手動(dòng)開關(guān)窗，使產(chǎn)品更加人性化?；瑝K的有效行程為 190mm 足夠帶動(dòng)模型窗戶的開與關(guān)。 L298N 是一種高電壓，大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，這種驅(qū)動(dòng)模塊具有信號(hào)指示，轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強(qiáng)，并具有過電壓和過電流保護(hù)功能。 L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電 機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口提供信號(hào)；而且電路簡單，使用比較方便。 4 腳 VS 接電源電壓， VS 電壓范圍 VIH 為＋ 2． 5～46 V。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú) 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 15 頁 共 32 頁 引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。 EnA， EnB 接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 214 L298N 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 本次設(shè)計(jì)將 和 兩個(gè) I/O 接口用于控制 L298N 驅(qū)動(dòng)并控制直流減速電機(jī)正反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。 本次設(shè)計(jì)的傳動(dòng)部分由減速電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠連接組成。在滑塊的滑道上面安裝了兩個(gè)限位開關(guān)，以表示窗戶已經(jīng)完全打開或者完全關(guān)閉，連接單片機(jī)，當(dāng)限位開關(guān)被觸發(fā)，單片機(jī)會(huì)向 L298N驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)出信號(hào)，控制電機(jī)停止，給以免電機(jī)無止的運(yùn)行。 排風(fēng)扇的安裝設(shè)計(jì)分析 本次設(shè)計(jì)的智能窗戶系統(tǒng)中，安裝有兩個(gè)排風(fēng)扇，分別置于窗戶頂端的左側(cè)和右側(cè)，一號(hào)排風(fēng)扇用于當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有煤氣泄漏時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)將有毒氣體排 出，保證室內(nèi)人員的安全；二號(hào)排風(fēng)扇用于檢測(cè)風(fēng)速，扇葉上面固定用于霍爾傳感器檢測(cè)信號(hào)一小塊磁鐵。 電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)彈簧片等組成的。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）釋放。繼電器的“常開”、“常閉”觸點(diǎn)，可以區(qū)分為：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)靜觸點(diǎn)稱為“常閉觸點(diǎn)”。 ② 直流電阻：繼電器中線圈的直流電阻。在正常使用時(shí)，給定的電流必須略大于吸合電流，這樣繼電器才能穩(wěn)定地工作。當(dāng)繼電器吸合狀態(tài)的電流減小到一定程度時(shí)，繼電器就會(huì)恢復(fù)到未通電的釋放狀態(tài)。 ⑤ 觸點(diǎn)切換電壓和電流： 繼電器允許加載的電壓和電流。 本次設(shè)計(jì)中，繼電器模塊的使能端與 連接，排風(fēng)扇陽極與單片機(jī)的 VCC 連接，由單片機(jī)輸出電壓，排風(fēng)扇的陰極與繼電器的常開開關(guān)連接。本次設(shè)計(jì)中，直接使用了一個(gè)集成的繼電器電路模塊，此模塊的做工優(yōu)良，工作穩(wěn)定，體積較小，可以合理選擇要放置的位置，使用方便。繼電器模塊的外形如圖 215 所示。繼電器電路圖如圖 216 所示。主程序由一些狀態(tài)選擇語句組成，主要是在系統(tǒng)復(fù)位后重新檢測(cè)環(huán)境狀態(tài)，如 溫濕度 、風(fēng)力等因素。子程序的主要作用是 對(duì)所用的傳感器和 LCD 顯示屏的設(shè)置。 初始化完成后，按照優(yōu)先級(jí)的順序排列，最先優(yōu)先手動(dòng)按鈕開關(guān)窗的控制，即 、 兩個(gè) I/O 接口若沒有信號(hào)輸入，接下來到檢測(cè)屋內(nèi)是否存在有毒氣體，如果存在毒氣，窗戶還處于關(guān)閉狀態(tài)，將會(huì)自動(dòng)發(fā)生開窗動(dòng)作并同時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)扇，發(fā)出警報(bào)聲，警報(bào)燈工作。接著檢測(cè)窗外是否有人，即盜情檢測(cè)，若有盜情并且窗戶是關(guān)閉時(shí)，警報(bào)系統(tǒng)啟動(dòng)；若有盜情并且窗戶處于開窗狀態(tài)時(shí)，窗戶自動(dòng)關(guān)閉，并且警報(bào)系統(tǒng)啟動(dòng)；若無盜情，窗戶保持原狀態(tài)。若下雨，窗戶處于關(guān)窗狀態(tài)，則保持原狀態(tài)。最后是溫度和濕度的檢測(cè)反應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)到室內(nèi)的溫度或濕度其中一項(xiàng)或者兩項(xiàng)都超過了設(shè)定值，并且窗戶處于關(guān)閉狀態(tài)，則自動(dòng)啟 動(dòng)開窗動(dòng)作。例如，下雨天的時(shí)候窗戶關(guān)閉，但是同時(shí)屋內(nèi)煤氣泄漏，則系統(tǒng)會(huì)比較這兩個(gè)狀況的優(yōu)先級(jí)，煤氣泄漏優(yōu)先級(jí)比較高，這時(shí)即使下雨，窗戶也會(huì)自動(dòng)打開并啟動(dòng)排風(fēng)扇和報(bào)警系統(tǒng)，將可燃?xì)怏w排出后若雨還未結(jié)束，則會(huì)自動(dòng)關(guān)窗。程序詳情見附錄 3。具體的程序設(shè)計(jì)流程圖如圖 31 所示。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè) NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。濕度采集程序流程圖如圖 32 所示。 1602 液晶顯示模塊可與單片機(jī)接口直接連接，無需再加驅(qū)動(dòng)。 開始 初始化 DHT11 應(yīng)答脈沖 數(shù)據(jù)發(fā)送 數(shù)據(jù)接收 數(shù)據(jù)校驗(yàn) 是 否 返回 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 20 頁 共 32 頁 圖 33 LCD1602 液晶顯示程序流程圖 根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)，在非磁性的 扇葉 上 固定 一塊磁鋼，把霍爾傳感器的感應(yīng)面對(duì)準(zhǔn)磁鋼的磁極，并將其固定在機(jī)架上 .機(jī)器軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，固定在轉(zhuǎn)盤上的磁鋼隨之旋轉(zhuǎn)，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到傳感器的位置時(shí)，霍爾傳感器便輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，經(jīng)施密特觸發(fā)器整型，送到單片機(jī) ， 轉(zhuǎn)軸每轉(zhuǎn)一圈霍爾傳感器輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間，由此可計(jì)算出轉(zhuǎn)軸 的轉(zhuǎn)速 ?；魻杺鞲衅鳈z測(cè)工作流程圖如圖 34。窗戶整體尺寸為 50*30*10，窗體圖 如圖41 所示。傳動(dòng)絲杠圖如圖 42 所示。這種方式可以減少失誤，也可以把失敗率降到最低 。如果出現(xiàn)異常，應(yīng)立即切斷電源，待排除故障后才能再上電。 （ 1） 單片機(jī)最小系統(tǒng)的調(diào)試 單片機(jī)最小系統(tǒng)由： STC89C52RC，時(shí)鐘 電路 ，復(fù)位電路組成。然后檢測(cè)接入 12M 晶振的 X1， X2腳是否有 12MHz 方波信號(hào)輸出。 （ 2） 溫濕度 模塊調(diào)試 對(duì)于 DHT11 溫濕度模塊的調(diào)試時(shí)候要特別小心，因?yàn)?DHT11 如果一旦電源的 VCC和 GND 接反就會(huì)導(dǎo)致傳感器燒壞，首先要確保電源兩極是否正確的接入模塊，檢測(cè)已經(jīng)正確接通之后，再對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。進(jìn)而接入單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試，將 DHT11 的數(shù)據(jù)輸出端接到設(shè)定的 I/O 口，并接通電源，寫入程序后，啟動(dòng)單片機(jī)電源，看 LCD1602 上是否正常顯示溫濕度，并按周圍溫濕度的變化而變化。 （ 3） 煤氣傳感 模塊調(diào)試 由于煤氣傳感器模塊的電路設(shè)計(jì)比較人性化，并且本次設(shè)計(jì)只使用了煤氣傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)，所以此模塊的調(diào)試也比較簡單。經(jīng)過測(cè)試這兩項(xiàng)都正常，則視為煤氣傳感模塊正常工作。首先將模塊的數(shù)據(jù)輸入口接入設(shè)定的單片機(jī) I/O口，并接通 5V電源。若對(duì)著人體時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，則視為此模塊工作正常。首先將模塊接入 5V 電源，如果電源指示燈發(fā)光，則表示電源部分正常，接著在雨滴采集模塊上滴入水滴，如果此時(shí)感應(yīng)指示燈發(fā)光，則表示工作部分正常。 （ 6） 霍爾傳感器模塊調(diào)試 在給霍爾傳感器模塊接通電源后，看電源指示燈和感應(yīng)燈是否發(fā)光，電源燈和感應(yīng)燈要是都發(fā)光，表示電源正常， 把霍爾傳感器的感應(yīng)面對(duì)準(zhǔn)磁鋼的磁極 ，此時(shí)感應(yīng)燈熄滅，再把磁鋼移開，感應(yīng)燈恢復(fù)發(fā)光。 （ 7） 顯示系統(tǒng)調(diào)試 把 LCD1602 液晶顯示屏接入控制模塊，并把測(cè)試程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，接入電源，啟動(dòng)單片機(jī)，看顯示屏上是否按照測(cè)試程序所要求輸出的字符顯示，則可測(cè)試得出顯示系統(tǒng)是否正常。接著用直尺測(cè)量絲杠的導(dǎo)程能否滿足窗戶完全開關(guān)的行程。最后將直流電機(jī)與絲杠利用聯(lián)軸器連接，并給電機(jī)接入12V 電源，若電機(jī)可以帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，則動(dòng)力模塊可以正常工作。若系統(tǒng)工作正常，表明硬件調(diào)試成功。 41 硬件系統(tǒng)實(shí)體圖正面 桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )說明書 第 24 頁 共 32 頁 42 硬件系統(tǒng)實(shí)體圖背面 軟件程序調(diào)試 單片機(jī) 程序 的 編寫 通常有兩種方法，一是 匯編語言 ，二是 C 語言。 C 語言 編寫的程序比較簡潔明了 ， 應(yīng)用廣泛，有利于開發(fā) 者的使用和編寫，減少了在開發(fā)過程中的編寫錯(cuò)誤， 程序移植性好。 程序編寫完成之后，將程序通過燒錄軟件寫入單片機(jī)，將所有模塊連接完成之后啟動(dòng)系統(tǒng)，測(cè)試各個(gè)模塊是否正常工作，溫濕度是否正常采集之后在顯示屏上顯示；霍爾傳感器是否在一定時(shí)間內(nèi)輸出足夠的脈沖量會(huì)使窗戶自動(dòng)關(guān)閉；煤氣傳感器感應(yīng)到可燃?xì)怏w后是否會(huì)啟動(dòng)自動(dòng)開窗和排風(fēng)并且啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；人體紅外檢測(cè)傳感器感應(yīng)有 人的時(shí)候，電機(jī)是否轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)窗戶關(guān)閉同時(shí)報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)。 仿真詳情見附錄 4。本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)多功能系統(tǒng)集成在窗戶上， 在 整個(gè)設(shè)計(jì) 中 用到了五個(gè) 傳感器相互配合工作，實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)各種狀況的發(fā)生，當(dāng)兩種或多種狀況同時(shí)發(fā)生時(shí)，會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)智能分析，并作出相應(yīng)的動(dòng)作。 總體性能具有較強(qiáng)的實(shí)用性和智能性，也有一定的改善空間。在窗戶的選 型上，選擇了現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的推拉式窗戶；再研究對(duì)比了并推翻了好幾個(gè)傳動(dòng)方案之后，才確認(rèn)直流電機(jī)加絲杠傳動(dòng)是最合適的選擇；每一個(gè)所選用的傳感器模塊都是經(jīng)過對(duì)比同類產(chǎn)品，并綜合考慮了其性能，大小，以及性價(jià)比才確定選用。以此達(dá)到 智能控制窗戶，方便觀察溫濕度，險(xiǎn)情報(bào)警等功能