基于单片机的智能窗户系统设计（51基础版）-设计说明书
电子校园网 编号：
M22015-01C-LW
设计摘要：
本次设计的基于单片机的智能窗户系统旨在实现自动化控制和监测功能。系统通过检测风速、雨量和温度等环境参数，以确保窗户的安全和舒适性。首先，系统会通过风速检测模块监测当前的风速，当风速超过用户所设置的最大值时，系统会自动判断当前环境不适宜开窗，从而自动关闭窗户，避免强风对室内造成影响。其次，系统利用雨量传感器检测当前的雨量情况。当雨量超过用户设定的最大值时，系统会自动判断正在下雨，并立即关闭窗户，以防止雨水进入室内。此外，系统还会监测当前的温度。当温度低于用户设置的最小温度时，系统会判断室外温度过低，自动关闭窗户以保持室内温暖舒适。为了实现周期性的自动换气功能，系统允许用户设置时间，系统将按照预定时间间隔自动打开和关闭窗户，以促进室内空气流通，提供新鲜空气。另外，系统还提供了灵活的设置功能。用户可以根据需求设置温度最小值、雨量最大值以及风速最大值，以适应不同的环境条件和个人喜好。
总之，基于单片机的智能窗户系统设计通过风速、雨量和温度等传感器的监测，实现了自动化控制功能，保障了室内的舒适性和安全性。同时，用户还可以根据个人需求进行灵活的设置，以满足不同的环境要求。通过这些功能，该系统为用户提供了便利和舒适的居住体验。但是，该设计仍然有改进的空间，例如可以引入更多的传感器来监测更多的环境参数，以提升系统的智能化水平。
关键词：单片机；智能窗户；自动控制
字数：13000+
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内容预览：
摘 要
ABSTRACT
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
1.2 国内外研究现状
1.3 课题主要内容
2 系统设计方案
2.1 系统整体方案
2.2 单片机的选择
2.3 电源方案的选择
2.4 显示方案的选择
2.5 温度检测方案的选择
3系统设计与分析
3.1 整体系统设计分析
3.2 主控电路设计
3.2.1 STC89C52单片机
3.2.2 晶振电路和复位电路
3.3 液晶屏显示模块
3.4 风速检测模块
4 系统程序设计
4.1 编程软件介绍
4.2 主程序流程设计
4.3 按键函数流程设计
4.4 显示函数流程设计
4.5 处理函数流程设计
5 实物调试
5.1 电路焊接总图
5.2 相关参数检测实物测试
5.3 模式切换实物测试
5.4 不同模式下实物测试
5.5设置相关参数阈值实物测试
6 仿真调试
6.1仿真总体设计
6.2显示屏显示测试
6.3阈值设置测试
6.4手动开关窗户测试
结 论
参考文献
致 谢
1 引 言
1.1 选题背景及实际意义
当今社会,大家普遍使用传统窗户,采取人工方式闭合,而传统窗户不具有自动检测户外温湿度、空气质量的功能,更无法做到根据外部环境情况,自动开关窗的人性化功能.所以当人们外出又忘记关闭窗户,适逢雨雪天气,家居就要饱受雨水的摧残,给生活带来很多麻烦[1]。为了满足现代人对居住环境舒适性和便捷性的需求。随着科技的不断进步，人们对居住环境的要求也越来越高，希望能够通过智能化系统来实现自动控制和监测，提升生活品质。在这个背景下，基于单片机的智能窗户系统设计应运而生。
该设计的目的是通过利用单片机技术和传感器模块，实现智能化的窗户控制系统。通过自动检测环境参数，如风速、雨量和温度等，系统能够自动判断是否需要开关窗户，以保持室内的舒适性和安全性。同时，用户还可以根据个人需求进行灵活的设置，以适应不同的环境条件和个人喜好。通过这样的设计，旨在提供一个智能化、便捷化的窗户管理系统，为用户创造更加舒适和智能化的居住体验。该设计具有重要的意义。首先，智能窗户系统可以提高居住环境的舒适性。通过自动检测和控制窗户的开关状态，系统能够及时响应环境变化，避免强风、大雨或低温等不利因素对室内环境产生负面影响。其次，智能窗户系统还具有节能和环保的优势。系统可以根据环境条件自动调整窗户状态，有效控制室内外温度差异，减少能源消耗，提高能源利用效率。此外，智能窗户系统的设立还可以提高居住安全性。通过自动判断和关闭窗户，可以防止外部危险物进入室内，避免窃贼等安全风险。此外，智能窗户系统还具备便捷和个性化的优点。用户可以通过手机连接蓝牙模块，随时随地进行远程控制，无需亲自到现场操作窗户。系统还提供了灵活的设置功能，用户可以根据个人需求调整温度最小值、雨量最大值和风速最大值等参数，以符合不同的环境要求。这种个性化的设计使得智能窗户系统更加符合用户的使用习惯和需求。
综上所述，基于单片机的智能窗户系统设计旨在提供一种智能化、便捷化和个性化的窗户管理系统，通过自动检测和控制窗户开关状态，实现室内舒适性、节能环保和居住安全性的提升。该设计的意义在于满足人们对智能家居的需求，提高居住环境的舒适性和便捷性，创造更加智能化和人性化的居住体验。同时，通过节能减排和安全管理等方面的优势，也具备一定的社会和环境意义。
1.2 国内外研究现状
智能窗户系统在国内市场上的发展呈现出快速增长的态势。随着智能家居概念的普及和消费者对生活品质要求的提高，智能窗户系统逐渐成为人们关注的焦点。目前，国内众多科技公司纷纷加大研发和生产智能窗户系统的力度。这些系统往往具备更加智能化的特点，可以通过语音控制、手机APP等方式进行远程操作和监测。同时，一些房地产开发商也开始将智能窗户系统作为房屋装修的标配，以提升项目的竞争力。
潘玉玥,梁凤严,黄月霞等（2022）以STM32单片机为主要的控制系统,根据雨滴传感器,大气压强传感器,光照传感器和温湿度传感器采集数据,以步进电机作为驱动器设计的一款智能窗户.利用光照传感器,窗户可根据室内外光照强度,从而控制窗帘的开关;遇到下雨天气时,雨滴传感器接收到信号,反馈给单片机,利用数模转换,控制电机转动,窗户做出相应的动作.当大气压强传感器采集到的气压值低于限值时,即判断有降雨趋势,则控制电机转动,窗户关闭.此外,通过OLED显示屏实时显示雨水状态,窗户窗帘开关状态及环境数据[2]。
潘立言，李奕凡等（2022）基于现代物联网技术设计了一种多功能智能窗户.该智能窗户以STM32F103ZET6作为核心处理器,在传统窗户上搭建传感器局域网,并通过ESP8266 WiFi模块访问互联网,搭载3.5寸LCD触摸显示屏,LD3320语音识别模块,GY-39光照温湿度传感器,PM2.5粉尘传感器,HC-06蓝牙模块,电机驱动模块等多种电子器件模块;同时结合调光玻璃,涡卷弹簧,棘轮棘爪,同步带等其他机械构件的应用,设计了一款机电一体化的集局域网和广域网数据互通,智能控制,远程遥控访问,语音助手,智能调光,自动开关窗,安全安防,隐形纱窗等多种功能的智能窗户[3]。
刘梓硕，曹智杰，刘文龙（2023）介绍了基于STM32单片机的智能窗户设计.该设计采用了光强传感器,温湿度传感器,烟雾传感器和红外传感器来感知环境并收集数据,根据环境的变化自动控制窗户的开启和关闭.此外,该系统还具备手动控制,语音控制,实时显示功能,可通过手机APP进行监控和控制.系统的核心部分是STM32单片机,通过编程实现了各种功能.该设计不仅实用,而且具有一定的智能化水平,能够提高生活质量和舒适度[4]。
在国外市场上，智能窗户系统的发展也取得了显著进展。欧美地区的消费者对智能家居的需求较高，智能窗户系统作为其中的重要组成部分受到了广泛的应用。一些知名科技公司如Google、Amazon和Apple等，推出了自己的智能家居生态系统，智能窗户系统也成为其中的重要一环。一些先进的系统具备人工智能技术，可以学习用户的偏好和习惯，实现更加智能化的控制和管理。此外，智能窗户系统在国际上的一些研究领域也取得了重要的突破。学术界和科研机构不断致力于提升智能窗户系统的性能和功能，开展了大量的前沿研究。例如，利用光伏技术将窗户玻璃材料转化为太阳能发电面板，实现能源的自给自足；利用智能传感器和数据分析技术，提供更加精准的环境监测和控制。这些研究的成果不仅推动了智能窗户系统的发展，也为相关领域的创新提供了有力支持。
2020年 Brown S C提供了智能窗口的连接器。智能窗口可能包含可光学切换的窗格。在一个方面，窗户单元包括包括光学可切换窗格的中空玻璃单元。导线组件可以连接到中空玻璃单元的边缘，并且可以包括与光学可切换窗格的电极进行电气通信的导线。浮动连接器可以连接到导线组件的远端。浮动连接器可以包括法兰和鼻端，法兰上有两个孔，用于将浮动连接器固定到第一框架上。鼻子可能包括一个末端面，该末端面呈现两个相反极性的暴露触点[5]。
有效利用有限的能源资源是防止因严重能源损失而造成的重大停电的核心方法。智能窗户可调节从入射阳光传递的热能，作为替代技术，通过抑制不必要的能源使用（例如建筑物内的空调或供暖）来解决快速接近的能源危机，引起了极大的兴趣。在这里，2020年Kang S K , Dong H H , Chang H L , et al展示了一套双重响应智能窗户的材料和设计理念，这些材料和设计理念有效地减少了我们有限的能源储备的消耗。所提出的智能窗口基于热响应聚合物水凝胶的较低临界溶解温度与石墨烯基柔性加热器的电驱动相结合的概念;这种组合有助于主动控制被动式移动热响应智能窗口。所提出的智能窗户表现出高于90%的高度可调透明性，这相当于从入射光的高透射到在热或电刺激下穿透的完全阻断的几乎瞬时的变化。特别是，当模型房屋的窗户被开发的柔性智能窗户所取代时，白光照射下室内温度的增量率急剧降低。这种类型的主动光控制系统有望创造一个新的机会，通过管理传输到房屋内部的光能来实现加热，冷却和照明成本的节省[6]。
与上述几种设计方案相比，该设计方案更加方便易懂，便于实际操作，价格低廉，在集成电路的选择上更易于使用和精巧。
1.3 课题主要内容
本设计基于单片机的智能窗户系统设计。系统软件由STC89C52最小单片机，DS18B20测温控制模块，风速和雨量检测模块，步进电机模拟窗户和LCD1602显示模块显示设计，并具有功能键单独方式控制模块一起形成。主要设计内容如下：
1、通过检测风速大于设置的风俗会自动关窗；
2、通过检测雨量大于设置的雨量会自动关窗；
3、通过检测温度小于最小温度会自动关窗；
4、可以设置时间，周期性的自动换气。
5、可以设置温度最小值，雨量最大值以及风速最大值。
