單片機(jī)在智能窗控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、引言

　　隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展， 家庭中的許多電器設(shè)備如彩電、冰箱、空調(diào)等都已貼上了智能化的標(biāo)簽， 為提高人們的生活質(zhì)量做出了貢獻(xiàn)。但遺憾的是， 居室的眼睛---窗戶， 卻遲遲未跟上時(shí)代的步伐。即使是在眾多的智能化生活小區(qū)， 我們都可以發(fā)現(xiàn)， 幾乎所有的窗戶的管理仍然處在原始管理方式， 與電子技術(shù)毫不沾邊， 更不用說智能化了。如果使窗戶具有一定的智能， 如下雨則自動(dòng)關(guān)、室內(nèi)有害氣體超標(biāo)則自動(dòng)開、有盜賊入內(nèi)則自動(dòng)報(bào)警等， 就會(huì)給人們的居家生活帶來諸多方便， 從而進(jìn)一步提高人們的生活質(zhì)量。

　　沿著這樣的思路， 我們?cè)O(shè)計(jì)了以AT89C51 單片機(jī)為中央控制器的智能窗控制系統(tǒng)。

　　該控制系統(tǒng)能通過其數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路不斷循環(huán)檢測(cè)室內(nèi)溫度、濕度、有害氣體（如媒氣） 濃度等環(huán)境參數(shù)，然后與由控制鍵盤預(yù)置的參數(shù)臨界值相比較， 從而作出開/關(guān)窗、轉(zhuǎn)動(dòng)/停止換氣扇、降/升溫（濕） 等判斷， 再結(jié)合窗狀態(tài)檢測(cè)電路所檢測(cè)到的窗狀態(tài)， 發(fā)出一系列的控制命令， 完成下雨則自動(dòng)關(guān)窗、室內(nèi)有害氣體超標(biāo)則自動(dòng)開窗（同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)換氣扇） 、恒溫（濕） 等自動(dòng)控制功能。人們還可通過控制鍵盤， 直接控制窗戶的開/關(guān)、換氣窗的轉(zhuǎn)/停、溫（濕） 的升/降、選擇所顯示參數(shù)的種類等。

　　二、系統(tǒng)組成和部分電路設(shè)計(jì)

　　本控制系統(tǒng)主要由AT89C51 單片機(jī)組成的中央控制器， 數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路， A/D 轉(zhuǎn)換器， 窗驅(qū)動(dòng)控制接口電路、窗驅(qū)動(dòng)電路等組成。其系統(tǒng)框圖如圖一所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

　　中央控制器

　　中央控制器以美國(guó)ATMEL 公司的AT89C51 單片機(jī)為核心。

　　1. AT89C51 單片機(jī)系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能可靠、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。它為用戶預(yù)留下足夠的軟、硬件資源， 可供用戶進(jìn)行再開發(fā)應(yīng)用。該系統(tǒng)除內(nèi)部已有的4K Flash 存儲(chǔ)器外， 還可以擴(kuò)展選址64KROM區(qū)和64KRAM區(qū)， 供用戶使用。用戶在系統(tǒng)開發(fā)時(shí)， 可以將自己的數(shù)據(jù)塊和程序段、數(shù)據(jù)表， 以若干控制子程序、數(shù)據(jù)塊形式存放于AT89C51 單片機(jī)的擴(kuò)展ROM或RAM區(qū)中， 以便系統(tǒng)工作時(shí)重復(fù)使用和反復(fù)調(diào)用。由于本應(yīng)用系統(tǒng)主要用于溫度、濕度、有害氣體識(shí)別、防盜安全的定點(diǎn)和多點(diǎn)測(cè)試， 片內(nèi)4K Flash 存儲(chǔ)器已能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

　　2. AT89C51 單片機(jī)機(jī)有三級(jí)程序存儲(chǔ)器加密。利用該功能可防止別人非法復(fù)制程序， 從而保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

　　3. AT89C51 單片機(jī)還為用戶預(yù)置了P0、P1、P2、P3 四個(gè)并行I/O 口， 為該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制提供了足夠的端口資源。

　　4. AT89C51 單片機(jī)還為用戶提供一組全雙工串行數(shù)據(jù)傳輸端口， 可用于單片機(jī)系統(tǒng)間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)信息交換。

　　本系統(tǒng)采用P0 數(shù)據(jù)采集、控制端口， 完成控制信息的采集和控制功能。

　　P110~P113 作為窗狀態(tài)檢測(cè)端口， 完成對(duì)窗狀態(tài)（即窗是否移到邊框） 的檢測(cè)。

　　數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路

　　數(shù)據(jù)檢測(cè)傳感電路由四個(gè)部分組成： 1） 溫度傳感電路； 2） 濕度傳感電路； 3） 有害氣體傳感電路； 4） 紅外防盜傳感電路。

　　為了討論問題方便， 我們以溫度傳感電路為例進(jìn)行分析。通常， 在自然情況下， 窗戶的開關(guān)與生活環(huán)境和人體的舒適度有關(guān)， 溫度的測(cè)試是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。為了較好地測(cè)出溫度參數(shù)， 我們選用集成溫度傳感器AD590（可測(cè)-55~+150 ℃） , 其溫度檢測(cè)完全可以滿足要求。基本電路如圖二所示。

圖2 基本電路A/D 轉(zhuǎn)換器 #e#

　　A/D 轉(zhuǎn)換器

　　為了便于與AT89C51 單片機(jī)相連接， 同時(shí)又有利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)， A/D 轉(zhuǎn)換器選用了ADC0809.其分辨率為8 位，不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。單一電源（ + 5V） 供電， 模擬量輸入范圍0 -5V.轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。

　　時(shí)鐘頻率范圍為10 -500KHZ.ADC0809 有八路模擬量輸入， 在本系統(tǒng)中只用4 路輸入， 即可完成溫度等4 種被測(cè)模擬量的A/D 轉(zhuǎn)換。利用單片機(jī)對(duì)FOH口的數(shù)據(jù)寫啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換器， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束ADC0809 的EOC 向AT89C51 發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)， CPU 再響應(yīng)中斷請(qǐng)求信號(hào)， 通過對(duì)FOH 口的讀操作， 讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果并送到被測(cè)量的相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)。

　　在重新選擇被測(cè)量（修改各相關(guān)指針） , 并再次啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換后中斷返回。A/D 轉(zhuǎn)換器電路如圖三所示。

圖3 A/D 轉(zhuǎn)換器電路

　　窗驅(qū)動(dòng)電路

　　我們可以根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)與所控對(duì)象的關(guān)系， 將窗驅(qū)動(dòng)電路分解為： 移窗驅(qū)動(dòng)電路； 換窗驅(qū)動(dòng)電睡； 窗鎖驅(qū)動(dòng)電路； 溫度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路； 濕度調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路； 換氣扇驅(qū)動(dòng)電路； 報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路等， 分別用它們?nèi)タ刂? 個(gè)對(duì)象。

　　窗狀態(tài)檢測(cè)電路

　　可考慮采用4 個(gè)開關(guān)型磁敏器件。外窗、內(nèi)窗所對(duì)應(yīng)的左、右墻框各1 個(gè)。在外窗、內(nèi)窗的左、右邊上與磁敏器件相對(duì)應(yīng)的地方各貼上一小片磁鐵。當(dāng)小磁鐵隨窗戶的移動(dòng)而移近相對(duì)應(yīng)的磁敏器件時(shí)， 該磁敏器件的輸出信號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖剑?表示窗戶已移到相應(yīng)邊上。

　　鍵盤輸入及顯示電路

　　可采用Intel 公司生產(chǎn)的8279 通用可編程鍵盤顯示器接口芯片。利用8279 , 可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤顯示器的自動(dòng)掃描，并識(shí)別鍵盤上閉合鍵的鍵號(hào)， 大大節(jié)省單片機(jī)對(duì)鍵盤顯示器的操作時(shí)間， 從而減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。該鍵盤輸入及顯示電路具有顯示穩(wěn)定， 程序簡(jiǎn)單， 不會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。

　　對(duì)于控制鍵盤， 可考慮采用微動(dòng)開關(guān)制作并安裝在窗戶的固定邊框上。通過控制鍵盤， 用戶不但可設(shè)置各環(huán)境參數(shù)的臨界值， 還可隨意選擇所顯參數(shù)的種類， 并直接控制窗戶的開/關(guān)、換氣扇的轉(zhuǎn)/停、溫（濕） 的升/降等。

　　三、軟件設(shè)計(jì)

　　該控制系統(tǒng)的軟件主要由一個(gè)主程序和兩個(gè)中斷服務(wù)程序等所組成。

　　主程序

　　主程序的主要作用是在系統(tǒng)復(fù)位后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化， 如設(shè)置8279、ADC0809 等的工作方式和初始狀態(tài)， 設(shè)置各中斷的優(yōu)先級(jí)別并開中斷， 以及首次啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換等， 然后向8279 循環(huán)送顯示字符。

　　讀鍵值中斷服務(wù)程序

　　讀鍵值中斷服務(wù)程序的主要作用是在AT89C51 響應(yīng)

中斷（有鍵按下則產(chǎn)生該中斷） 后， 讀出鍵值， 并根據(jù)鍵值從P0 口依序發(fā)出相應(yīng)的控制命令字， 完成相應(yīng)的控制功能。該中斷應(yīng)設(shè)為高優(yōu)先級(jí)。

　　循環(huán)檢測(cè)及A/D 轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序

　　該中斷服務(wù)程序的主要作用是在AT89C51 響應(yīng)

中斷（A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)EOC 引腳輸出高電平， 從而產(chǎn)生該中斷） 后， 將A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果送相應(yīng)存儲(chǔ)區(qū)， 然后判斷該轉(zhuǎn)換結(jié)果是否在上、下限值之間， 并根據(jù)判斷結(jié)果依序發(fā)出相應(yīng)的控制命令字， 完成相應(yīng)的控制、報(bào)警功能。然后重新選擇被轉(zhuǎn)換量， 再次啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換后返回主程序。

　　該中斷應(yīng)設(shè)為低優(yōu)先級(jí)。并設(shè)為電平觸發(fā)方式。

　　程序流程圖如下：

圖4 程序流程圖