金珍珍 周佳敏

（台州职业技术学院，浙江 台州 318000）

1 引言

随着人们生活水平的日益提高，人们在追求舒适温馨的同时也追求房屋的智能化。人们对智能型家庭自动关窗系统的需求越来越大。在此大背景下，智能窗户应运而生。现在市场上的智能窗控制器往往采用单片机控制，能实现较复杂的功能，但价格昂贵，可靠性和寿命受单片机控制电路影响，有待提高，而且很多功能在实际使用中用不到，造成很大的浪费，对于普通百姓来说，经济上也不许可。因此，设计一种性能可靠、成本低廉、安装方便的智能窗控制器很有必要。本设计研究一种在普通窗基础上改进的智能窗控制器，该控制器通过光、风速和湿度感应，能遇到刮风、下雨时使窗户自动闭合，白天会自动打开窗户通风。该设计功能简单、价格低廉、性能可靠，能满足普通百姓对智能窗的需求。

2 智能窗结构和控制器原理

2.1 智能窗结构

图1 窗户结构图

窗户结构如图1，1、左窗户；2、右窗户；3、电机；4、开窗限位；5、关窗限位；6、齿条；7、窗框。

当电机正转时，电机拖动右窗户沿着齿条向左移动，当右窗户碰触到开窗限位时，电机停止。当电机反转时，电机3拖动窗户2向右移动，当右窗户碰触关窗限位时，电机停止。

2.2 控制器原理

智能窗控制器要通过光、湿度和风力感应，对风、雨、光进行感应，并发出相应的电信号，然后通过逻辑电路的控制使窗户自动关闭和打开。人们还可通过按键,直接控制窗户的开/关等。在功能上，包括：

（1）自动开关窗：阳光明媚的早上光敏电阻感光通过逻辑控制电路自动打开窗户，更新室内空气；傍晚太阳落下时窗户自动关闭；

（2）自动防风：当风速超过8m/s时，风速传感器检测信号，通过控制电路使窗户自动关闭。即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为人们营造一个干干净净的环境。

（3）自动防雨：平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，逻辑控制电路控制电动机动作，窗门自动关闭，使家用设备免于遭雨水侵袭，解除后顾之忧。

实现的电路原理框图如图2所示。检测模块主要是风、雨、光强的信号拾取，采用专用传感器来实现。逻辑控制电路主要由数字电路来实现，而不采用单片机，一是硬件电路比软件执行更加可靠，二是成本更加低廉，可以由简单的门电路或可编程芯片来实现。电机驱动电路由单电源供电可实现电机正反转的H桥电路来实现。手动开关是为了便于根据用户的需要实现实时开关。

图2 智能窗控制器的原理框图

3 控制电路设计

3.1 检测电路设计

（1）光强检测

光检测电路主要采用光敏电阻和双电压比较器LM324N构成。光敏电阻阻值随入射光强变化而改变，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大，电路如图3。白天时，光敏电阻阻值减小，U1A的3脚电位增加，当它大于2脚的电位时，U1A输出高电平。当晚上光线变暗，光敏电阻阻值增加，U1A的3脚电位减小，当高于2脚的电位时，U1A输出低电平。通过图3电路，可以实现有光时输出高电平，无光时输出低电平的光信号检测。

图3 光检测电路

（2）湿度检测模块

使用HG38湿敏电阻，安装检测模块原理同图3，只需把光敏电阻改成湿敏电阻。

（3）风速检测模块

风传感器的设计实现了自动防风的功能,它能实时检测风速,将其转换为电信号传输给逻辑控制电路。主要装置有风轮、传感器电路。其主要原理是在窗户打开的情况下当室外起风时风带动风轮转动计数器记录每分钟风轮所转过的圈数并将数据传输给控制电路，控制电路根据设置的风轮转动圈数下限值决定是否需要启动电机,以带动窗户转动将其关闭,当风速有所减弱,带动风轮每分钟所转圈数小于之前的下限值时,发出命令启动电机再次带动窗户开启的方向转动。

利用小型风力发电马达，将它发出的低电平通过非门使它输出高电平，然后用LM353做一个比较电路，当电压随小型发电马达的转速上升而上升到达一定值时输出，从而达到控制的效果。

3.2 主控制电路设计

图4所示设计图中，该设计主要通过光强、湿度、风速三个感应模块（L/R/W）来感应外界的环境变化，当外界环境发生变化时，能灵敏地产生一定的电信号（数字信号），通过控制逻辑电路输出K1、K2、K3、K4四路控制信号，电机驱动电路根据逻辑控制电路输送的控制信号控制电机正转、反转或者停止，为了表示窗户已关闭或已打开，在窗框上装2个限位开关，当触碰限位开关时，发出限位信号，电机停止。同时，为了能方便用户的操作，在设计中增加了手动开、关按钮，可以优先控制窗户的开和关。为了能形象阐述控制器的控制功能及过程，采用真值表的形式加以描述。表1中用L、R、W分别表示光、雨、风信号，1表示有光、有雨、有风，0表示无光、无雨、无风；O表示手动开按钮，C表示手动关按钮，1表示按下，0表示未按；FC、FO分别表示已关上限位开关和已全开限位开关，1表示已到限位点，0表示未到限位点。K1、K2、K3、K4表示驱动电机的正转、反转和停止的4个数字逻辑信号。开窗电机正转，用1001表示，关窗电机反转，用0110表示，电机不动用0000表示。

图4 智能窗控制电路设计图

表1 智能窗控制器的功能表

根据表1的智能窗控制器的功能表，可得出K1、K2、K3、K4与输入信号之间的逻辑关系，根据此逻辑关系得到主控制电路原理图，见图5。

3.3 电机驱动电路设计

由于电机需要正反转来实现窗户的开启和闭合，电机驱动电路的设计中使用由4个场效应管组成的H桥电路，为了有效隔离弱电和强电部分的干扰，通过集成芯片IR2110来驱动场效应管的导通或截止来实现PWM调速。为了实现电机的过流保护，在设计时加入了R5来检测电机电流，当R5电流过高时，R5电压升高，运放的同相输入端电位升高，导致运放输出高电平，IR2110的SD端为1，4个场效应管截止，从而使得电机速度急速下降，见图6。

4 结论

智能窗控制器主要针对普通百姓对智能窗的基本功能而设计，它可以在普通窗的基础上进行改进，结构简单，性能可靠，成本低廉，适用于一般家庭。在此基础上，还可以根据客户的需求，增加其它的功能（如防盗、温度检测）等，设计思路与上类同，不再一一阐述。

图5 逻辑控制电路

图6 电机控制电路

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