赵旭

摘 要：电子开窗机控制器主要通过检测外界物理量的变化根据设置参数来控制开窗机开启和关闭的电子装置，这种装置具有多种传感器如温湿度传感器、风速传感器、可燃性气体传感等，通过微控制器实时处理传感器输入信号控制或者用户通过WIFI连接到互联网远程控制开窗机动作。

关键词：电子；开窗机；控制器；设计

中图分类号： TP27 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）11-144-2

0 引言

我国自动化水平发展较快，人们的生活质量也逐渐提高，人们对生活环境的舒适性要求越来越高，作为智能家居的一部分，开窗机逐渐进入到人们生活当中，开窗机是一种通过电动机带动机械装置控制窗户打开和关闭的执行机构，目前应用在智能公寓、高位窗户（靠人力难以触及的高处）、有消防联动或者通风需求的窗户。但是在市面上，与开窗机配套的开窗控制器一般都是由性价比较低且功能较为单一的开关或者价格较高而功能较多的智能家居控制系统构成，缺少单独功能较多的控制器。本文设计的电子开窗机控制器包含多种物理量传感器，如温湿度传感器、风速传感器、可燃性气体传感器、空气质量传感器，根据用户设定参数来控制开窗机的工作。

1 电子开窗机控制器的设计要求

基于多种传感器的电子开窗机控制器能够根据外界或者室内的物理量变化控制开窗机选择开启或者关闭窗户，开窗机开启角度也不同。另外，不同的建筑、不同的安装高度及气候条件对开窗的要求也不一样，另外除太阳能公寓外，都使用市电200V、50Hz交流电供电。根据以上的要求，需要设置一套人机交互装置便于用户参数设置。本设计中共有两套控制方案，一是自动调节，各类参数出厂前设置好，对开窗机的控制按照默认值进行控制，如室内温度保持在20℃以上、相对湿度保持在30%以上、空气质量保持在良以上（空气质量传感器出厂标定），此时系统控制开窗机开窗，角度最大值，当检测低于以上参数或风速超过5米/秒则关窗。但是如果检测到可燃性气体，则不论以上传感器的参数是多少，立刻控制开窗机开窗。另一套方案是用户控制，将开窗和关窗控制交给用户控制，这种控制是用户通过WIFI模块连接到互联网将指令发送到开窗机控制器中，由控制器内置的WIFI模块接收到指令后完成开窗和关窗动作，但是拥有最高处理优先级的仍是可燃性气体检测，即不论何种控制方案，何种传感器的参数达到了关窗阈值，一旦检测到可燃性气体，都会执行开窗动作。

根据以上的设计要求，可以看出，系统对不同传感器检测的信号的响应时间是不同的，优先级最高且响应速度最快的是可燃性气体传感器检测的信号，其次是风速传感器检测的信号，最后是三个舒适性指标的温湿度传感器和空气质量传感器检测的信号。响应的优先级也和上面一致。

2 电子开窗机控制器的硬件结构

根据设计要求，本设计中主要采用一种处理速度快、外部设备资源丰富的微控制器方案，意法半导体的Cortex-M3微控制器STM32F103RBT6。由于本设计中涉及到的传感器信号由A/D转换器处理并不需要那么极其精确，所以，STM32F103RBT6内部集成的12位A/D转换器已足够满足设计要求。此外，电源设计需要从市电220V、50Hz取电，并且供开窗机的直流电动机使用，所以需要设计2种电源供电电路，一种是采用大功率开关电源将市电转换成直流12V10A输出，供开窗机的直流电机使用，另一种是由直流12V通过DC-DC转换电路输出直流5V1A供控制电路使用，控制电路中除可燃性气体传感器功耗较高外，其他模块电路功耗较低。

传感器采集电路是本设计的重点，首先温湿度传感器采用国产DHT11数字温湿度传感器，精度和可靠性和进口SHT11相差无几，但是单价很低，对于整个产品的性价比和市场竞争力有所提升。空气质量传感器采用夏普公司的GP2Y1010AU0F，这种传感器的检测原理是根据光学原理检测，传感器中有一个红外发光二极管和光敏管构成，两种半导体布置成对角方式，检测空气中的灰尘反射光大小转换成电流值，由于内部有高精度的基准，可以转换成A/D转换器能够识别的电信号。风速传感器采用传统三杯式传感器，虽然测量角度单一，测量精度不如超声波风速传感器高，但是满足本设计的设计要求，更能降低本设计的总成本。可燃性气体传感器采用MQ-N5传感器，同时也能检测到烟雾浓度，通过高增益放大电路和滤波电路后，检测灵敏度和精确度很高，满足设计要求。

输出控制单元采用固态继电器单元，这是由于当检测到环境可燃性气体浓度升高时要立刻开窗，普通继电器吸合和断开过程中极容易产生电弧引发爆炸，所以需要设计防爆措施。固态继电器是一种新型的电力电子器件，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能，特别在防爆和防止臭氧污染的工作环境中性能良好，输入功率较小，灵敏度较高，电磁兼容性较高。

在远程控制方面，加入了WIFI模块，通过通用异步收发传输器（UART）方式与STM32F103RBT6微控制器交换数据，WIFI模块采用德州仪器（TI）公司低功耗CC3200方案，它支持二次开发，拥有高速的波特率，具有高性能低功耗的特点，通过电路设计，它拥有AP/STA/AP+STA共存工作模式，大大提高其接受效果，通过TI公司强有力的技术支持，这种WIFI模块稳定性要强于联发科MT7681和高通AR4004方案，特别是在支持二次开发方面更有优势。

相对于市面上的功能单一的控制器，本设计的控制器还具备模块化特点，即以上的传感器单元都可以剪裁，根据用户需求增加减少传感器数量和种类，通过一定的控制方法设计响应速度和响应优先级。

3 电子开窗机控制器的软件设计

由于检测对象较多，被控对象都是由检测信号处理后做出动作指令，所以软件工作量较大，本设计中采用库函数开发设计，软件设计环节中减少了大量的寄存器设置工作，使得设计更加便捷和快速。由于近些年ST公司不停优化库函数、微控制器的处理能力和性能不断提高，相对于寄存器操作的编程方式，库函数损失的效率可以忽略不计。

需要注意的是，启动文件STM32F10x.s里面定义了堆栈大小以及各种中断的名字及其入口函数，采用汇编语言编写，但是本设计中采用的STM32F103RBT6的启动文件中只定义了3个串口、4个定时器，而同类的STM32F103ZET6配备5个串口，更多的定时器，如果要移植，则需要修改启动文件才能正常使用增加的内部资源。

另外，实时性和优先级是本设计中重要的软件设计要求，由于检测对象多，任务量大，所以本设计采用实时操作系统来完成这些任务的调度和控制。

实时操作系统（RTOS）是一种在微控制器中运行的系统内核，由集成开发环境和调试器组成，能够及时响应外部事件或者数据产生，处理结果又能在规定的时间内完成并生成一系列控制规则来控制被控对象，合理调度任务使任务之间切换通信等。本设计中采用较为稳定和先进的μC/OS-II实时操作系统，它支持多优先级的抢占式多任务控制。

移植μC/OS-II实时操作系统至STM32F103系列控制需要经过创建μC/OS-II实时操作系统文件夹、复制核心文件、修改代码等步骤，总体移植难度不大，需要注意修改代码部分分别是修改中断代码：

Startup_stm32f10x_d.s中的 DCD OSPendSV

OSPendSV PROC ； EXPORT OSPendSV

及时间基准：

SysTick初始化函数：

#include “uCOS_include.h” INT32U cnts；

最后根据本设计的实际情况，修改任务切换时间：

Os_cfg.h中的#define OS_TICKS_PER_SEC 10

4 结论

电子开窗机控制器能够很好的协调各个传感器输入的信号，并及时处理它们，随着人们生活条件的提升，这种控制器将会普及，种类更加繁多。通过实际测试发现，控制器能够准确可靠的工作，另外成本控制的很好，后期进入市场会有很强的市场竞争力。

参 考 文 献

[1] 沙春芳.基于STC15F104E的开窗机控制器的设计[J].电子科技，2012，25（12）：73-75.

[2] 商联红.智能开窗机控制器的制作[J].电子制作，2008（12）：69-70.