一、引言

隨著電子技術的不斷發(fā)展， 家庭中的許多電器設備如彩電、冰箱、空調(diào)等都已貼上了智能化的標簽， 為提高人們的生活質(zhì)量做出了貢獻。但遺憾的是， 居室的眼睛---窗戶， 卻遲遲未跟上時代的步伐。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， 如下雨則自動關、室內(nèi)有害氣體超標則自動開、有盜賊入內(nèi)則自動報警等， 就會給人們的居家生活帶來諸多方便， 從而進一步提高人們的生活質(zhì)量。

沿著這樣的思路， 我們設計了以AT89C51 單片機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)檢測傳感電路不斷循環(huán)檢測室內(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置的參數(shù)臨界值相比較， 從而作出開/關窗、轉動/停止換氣扇、降/升溫(濕) 等判斷， 再結合窗狀態(tài)檢測電路所檢測到的窗狀態(tài)， 發(fā)出一系列的控制命令， 完成下雨則自動關窗、室內(nèi)有害氣體超標則自動開窗(同時轉動換氣扇) 、恒溫(濕) 等自動控制功能。人們還可通過控制鍵盤， 直接控制窗戶的開/關、換氣窗的轉/停、溫(濕) 的升/降、選擇所顯示參數(shù)的種類等。

二、系統(tǒng)組成和部分電路設計

本控制系統(tǒng)主要由AT89C51 單片機組成的中央控制器， 數(shù)據(jù)檢測傳感電路， A/D 轉換器， 窗驅動控制接口電路、窗驅動電路等組成。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ATMEL 公司的AT89C51 單片機為核心。

1. AT89C51 單片機系統(tǒng)具有設計簡單、性能可靠、功耗低等優(yōu)點。它為用戶預留下足夠的軟、硬件資源， 可供用戶進行再開發(fā)應用。該系統(tǒng)除內(nèi)部已有的4K Flash 存儲器外， 還可以擴展選址64KROM區(qū)和64KRAM區(qū)， 供用戶使用。用戶在系統(tǒng)開發(fā)時， 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 單片機的擴展ROM或RAM區(qū)中， 以便系統(tǒng)工作時重復使用和反復調(diào)用。由于本應用系統(tǒng)主要用于溫度、濕度、有害氣體識別、防盜安全的定點和多點測試， 片內(nèi)4K Flash 存儲器已能滿足系統(tǒng)設計要求。

2. AT89C51 單片機機有三級程序存儲器加密。利用該功能可防止別人非法復制程序， 從而保護知識產(chǎn)權。

3. AT89C51 單片機還為用戶預置了P0、P1、P2、P3 四個并行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， 可用于單片機系統(tǒng)間的遠程數(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)檢測端口， 完成對窗狀態(tài)(即窗是否移到邊框) 的檢測。

數(shù)據(jù)檢測傳感電路

數(shù)據(jù)檢測傳感電路由四個部分組成： 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行分析。通常， 在自然情況下， 窗戶的開關與生活環(huán)境和人體的舒適度有關， 溫度的測試是該系統(tǒng)設計的關鍵。為了較好地測出溫度參數(shù)， 我們選用集成溫度傳感器AD590(可測-55~+150 ℃) ， 其溫度檢測完全可以滿足要求?；倦娐啡鐖D二所示。

圖2 基本電路

A/D 轉換器

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

時鐘頻率范圍為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 種被測模擬量的A/D 轉換。利用單片機對FOH口的數(shù)據(jù)寫啟動A/D 轉換器， A/D 轉換結束ADC0809 的EOC 向AT89C51 發(fā)出中斷請求信號， CPU 再響應中斷請求信號， 通過對FOH 口的讀操作， 讀取轉換結果并送到被測量的相應存儲區(qū)。

在重新選擇被測量(修改各相關指針) ， 并再次啟動A/D 轉換后中斷返回。A/D 轉換器電路如圖三所示。

圖3 A/D 轉換器電路

窗驅動電路

我們可以根據(jù)驅動信號與所控對象的關系， 將窗驅動電路分解為： 移窗驅動電路; 換窗驅動電睡; 窗鎖驅動電路; 溫度調(diào)節(jié)驅動電路; 濕度調(diào)節(jié)驅動電路; 換氣扇驅動電路; 報警驅動電路等， 分別用它們?nèi)タ刂? 個對象。

窗狀態(tài)檢測電路

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

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 ， 可實現(xiàn)對鍵盤顯示器的自動掃描，并識別鍵盤上閉合鍵的鍵號， 大大節(jié)省單片機對鍵盤顯示器的操作時間， 從而減輕單片機的負擔。該鍵盤輸入及顯示電路具有顯示穩(wěn)定， 程序簡單， 不會出現(xiàn)誤動作等優(yōu)點。

對于控制鍵盤， 可考慮采用微動開關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、換氣扇的轉/停、溫(濕) 的升/降等。

三、軟件設計

該控制系統(tǒng)的軟件主要由一個主程序和兩個中斷服務程序等所組成。

主程序

主程序的主要作用是在系統(tǒng)復位后對系統(tǒng)進行初始化， 如設置8279、ADC0809 等的工作方式和初始狀態(tài)， 設置各中斷的優(yōu)先級別并開中斷， 以及首次啟動A/D 轉換等， 然后向8279 循環(huán)送顯示字符。

讀鍵值中斷服務程序

讀鍵值中斷服務程序的主要作用是在AT89C51 響應中斷(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)出相應的控制命令字， 完成相應的控制功能。該中斷應設為高優(yōu)先級。

循環(huán)檢測及A/D 轉換中斷服務程序

該中斷服務程序的主要作用是在AT89C51 響應中斷(A/D 轉換結束時EOC 引腳輸出高電平， 從而產(chǎn)生該中斷) 后， 將A/D 轉換結果送相應存儲區(qū)， 然后判斷該轉換結果是否在上、下限值之間， 并根據(jù)判斷結果依序發(fā)出相應的控制命令字， 完成相應的控制、報警功能。然后重新選擇被轉換量， 再次啟動A/D 轉換后返回主程序。

該中斷應設為低優(yōu)先級。并設為電平觸發(fā)方式。

程序流程圖如下：

圖4 程序流程圖