基于STM32智能窗户的设计与实现

第２期（总第２１３期）

２０１９年４月机械工程与自动化

ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＮｏ．２

Ａｐ

ｒ．文章编号：１６７２－６４１３（２０１９）０２－０１０５－０

２基于ＳＴＭ３２櫜

智能窗户的设计与实现

胡　钰，杨应洪，刘　欣，王　勇

（西南科技大学工程技术中心，四川　绵阳　６２１０１０

）摘要：以ＳＴＭ３２单片机为智能窗户的控制核心，设计了一款由窗户本体结构、各种传感器及附属装置等组成的智能窗户系统。该系统能够对室外环境的温湿度、雨滴、室内的烟雾与火焰等进行监控，并通过数据采集及处理控制电机的运转，进而实现窗户的打开与关闭。该智能窗户设有手动模式和自动模式，功能简单实用，成本低廉，具有广阔的市场前景。关键词：ＳＴＭ３２；设计；传感器；智能窗户中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：櫜Ａ

国家级大学生创新创业训练计划项目（

２０１７１０６１９０１９）收稿日期：２０１８－０９－１９；修订日期：２０１９－０１－３

０作者简介：胡钰（１９９７－）

，女，四川德阳人，在读本科生，专业为生物医学工程。０　引言

随着信息技术的飞速发展，智能家居逐渐走进人们的视野，并迅速成为物联网时代的代表产物。智能家居使家变得智能化，将现今的科技融入家中，让科技服务于大众，创造一个更为舒适、更为安全的居住环境，这也是当下社会智能化发展的趋势。智能窗户是智能家居的重要组成部分之一，通过其相应的功能，实现对室内外环境（如风速、烟尘密度、空气质量等）的监测，并根据信息处理结果实现窗户的开关，进一步实现智能家居

［１］

。本文主要介绍一种基于ＳＴＭ３２的智能

窗户的设计与实现。

１　智能窗户的总体设计

该系统是以ＳＴＭ３２单片机为控制核心，

系统总体结构框图如图１所示。其主要由机械结构模块、主

控模块（ＣＰＵ）、无线通信模块、环境监测模块、显示模块、窗户位置检测模块、电源模块等组成。环境监测模

块准确检测到环境的温度和湿度信息、室内光线变化，探测室内的液化气、丁烷、丙烷、烟雾等气体的泄漏，光线传感器可与烟雾传感器配合检测室内是否有火苗，当发现有火灾隐患时，便启动报警装置发出警报；窗户

位置检测模块能及时检测到窗户的位置信息［２－

３］，通过无线通信模块（型号为ＮＲＦ２４Ｌ０１

）对窗户的开关进行遥控，并对工作模式进行切换。２　硬件设计２．１　窗体机械结构

该窗体主要由窗框、窗户、电机及传动装置等构

成［

４－

５］。通过电机的正反转带动丝杠转动，进一步实现窗户的开关，窗体结构如图２所示。

图１　

智能窗户系统的总体结构框图

图２　窗体结构

２．２　主要模块的设计

本文所研究的智能窗户采用ＳＴＭ３２最小系统作为主控制器，选用ＭＰ１５８４ＥＮ型号的ＤＣ－ＤＣ降压电源模块。

２．２．１　电机及传感器模块

采用ＤＨＴ１１数字温湿度传感器，

它能输出数字信号的温湿度。传感器包括电阻式感湿元件和ＮＴＣ测温元件，与高性能８位单片机相连接。湿度检测电路模块实现的功能是：当系统检测到室外下雨时，系统

能够驱动电机，实现关闭窗户的功能，从而避免对室内的电器、摆设等物品造成不必要的损害［６］。

ＭＱ－２型烟雾传感器采用二氧化锡半导体气敏材料，能够对环境中的烟雾浓度进行检测。

雨滴传感器可用于各种天气情况的检测，并将其转化为数字信号和ＡＯ输出。设计中采用高品质的ＦＲ－０４双面材料雨滴传感器，超大面积为５．０ｃｍ×４．０ｃｍ，并用镀镍处理表面，具有抗氧化、导电性以及寿命较长的优越性能。在工作时，电源指示灯点亮，当感应板上没有雨滴时，ＤＯ输出为高电平，开关指示灯熄灭，滴上一滴水，ＤＯ输出为低电平，开关指示灯点亮。

火焰传感器可以检测火焰或者波长在７６０ｎｍ～１　１００ｎｍ范围内的光源，且灵敏度可调，采用比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强。采用火焰传感器作为本系统中的火灾检测模块，当检测到火灾时窗户开启且报警。

在该智能窗户系统中，主要由电机带动窗体运动，实现开关窗功能。２．２．２　遥控模块的设计

结合模拟环境，因通信距离较短，通信数据量较小，所以采用无线通信模块ＮＲＦ２４Ｌ０１来实现无线通信的功能。遥控板分别设置了“开窗”、“关窗”、“模式选择”按钮，通过采集开关电平变化，由ＮＲＦ２４Ｌ０１与主控板进行通信，从而实现远程遥控功能。无线通信模块原理图如图３所示。

图３　无线通信模块原理图（部分）

３　系统软件设计

本系统以Ｋｅｉｌ为编程软件，以Ｃ语言为编程语言，以ＳＴＭ３２为控制中心，结合各类传感器检测数据，通过控制电机转动以实现窗户的自动开启与关闭功能。该系统拟采用两种工作模式，即自动模式与遥控模式，用户可通过遥控器切换工作模式。自动模式工作流程如图４所示，遥控模式工作流程如图５所示。

图４　自动模式工作流程

图５　遥控模式工作流程

４　智能窗户的调试

本款智能窗户以ＳＴＭ３２单片机为主控板，结合相应传感器及时获取室内外环境的相应情况，通过将信息传回主控板处理，得出室内环境的相关信息，同时，根据其具体情况做出应对措施，并用ＯＬＥＤ屏幕显示相关信息。利用无线通信模块实现自动模式与遥控模式的切换，完成遥控模式下对窗户打开与闭合的操作。智能窗户系统实物及运行情况如图６所示。

图６　智能窗户总系统实物图及运行情况

（下转第１０９页）

·

６

０

１

·机械工程与自动化 ２０１９年第２期　

采用ＡＮＳＹＳ软件对专用剥线装置总体结构进行力学分析，如图６所示。经实际使用，剥线装置应变完全在理论值范围内，并且完全不伤害线缆绞线层。

图６　１０ｋＶ配电网架空导线剥线装置力学分析

３　结论

基于１０ｋＶ高压带电作业机器人专用剥线装置

结构简单、轻巧、重量轻、更换方便、适应不同线缆规格

的１０ｋＶ配网需求，可一次性快速完成线缆绝缘层剥除，并且保证剥除绝缘层的１０ｋＶ配网绞线完整不被

剥伤，完全可以配合１０ｋＶ高压带电作业机器人的使

用，具有很大的实用价值和推广价值［

５］

。参考文献：

［１］　孙迪生．机器人控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１

９９７．［２］　戚晖．

高压带电作业机器人及其跟踪装配系统的研究［Ｄ］．天津：天津大学，２００３：８１－８４．［３］　赵玉良，

戚晖，陈凡明，等．高压带电作业机器人专用遥控剥皮器的研制［Ｊ］．微计算机信息，２０１０，２６（３２）：１４６－

１４７．［４］　胡毅．

配电线路带电作业技术［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００２．［５］　李健，

李端明，戚晖，等．高压带电作业机器人自动剥皮器的研制［Ｊ］．制造业自动化，２０１１（７）：１１１－

１１４．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｗｉｒｅ　Ｓｔｒｉｐｐｅｒ　ｏｆ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｌｉｖｅ　Ｗｏｒｋｉｎｇ　

ＲｏｂｏｔＢａｓｅｄ　ｏｎ　１０　ｋＶ　Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇ

ｅＱ

Ｉ　Ｈｕｉ　１，ＨＡＮ　Ｌｉ－ｃｈａｏ２，ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ１，ＧＥＮＧ　Ｍｅｉ－ｘｉａｏ１

（１．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｆｏｒ　Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００３０４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｂｉｎｈａｉ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｕｐｐｌｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｏｆ　ｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｒｉｄ　Ｃｏｒｐ，Ｔｉａｎｊ

ｉｎ　３０００１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅ　ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｗｉｒｅ　ｏｆ　１０ｋＶ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｆｏｒ　ａ　ｌｏｎｇ　ｔｉｍｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅｅｘｔｅｒｎａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｕｔｅｒ　ｓｋｉｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｂｌｅ　ｉｓ　ｔｈｉｃｋｅｒ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｕｓｅｓ　ｔｈｅ　ｏｕｔｅｒ　ｃａｂｌｅ　ｓｋｉｎ　ｔｏ　ｂｅ　ｈａｒｄ　ｓｔｒｉｐｐｅｄ　ｏｆｆ．Ｉｎ　ｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｍａｎｕａｌ　ｐｅｅｌｉｎｇ　ｉｓ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ，ａｎｄ　ａ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｓｔｒｉｐｐｅｒ　ｆｏｒ　１０ｋＶ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｉｖｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　

ｒｏｂｏｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｉｓｋ，ｈｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｈｉｇｈ　ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　ｌｅｖｅｌ，ａｎｄ　ｈａｓ　ａｃｈｉｅｖｅｄ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ｔｈｒｏｕｇｈｐｒａｃｔｉｃａｌ　ａｐｐ

ｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｌｉｖｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ；ｗｉｒｅ　ｓｔｒｉｐｐｅｒ；櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆櫆

ｏｖｅｒｈｅａｄ　ｗｉｒｅ（上接第１０６页）５　结语

以现有的实体窗户为基础，将单片机控制技术和传感器应用技术等有机地融合到一起，共同构建了智能窗户平台。通过该智能窗户的实践，达到了预期的效果。智能窗户的应用越来越广泛，该装置的研究对后续同类产品的研究具有重要意义。

参考文献：

［１］　范振全，

侯晓霞．智能窗户的设计与研究［Ｊ］．山西电子技术，２０１６（３）：８８－

８９．［２］　倪青青，周源源．基于ＡＴ８９Ｓ５２单片机的智能窗户的设计［Ｊ］．科技视界，２０１５（１８）：１１５－

１１６．［３］　吴雪松，潘崇煜，牛轶峰．基于ＳＴＣ８９Ｃ５１单片机的智能窗户启闭器［Ｊ］．科技与创新，２０１５（１）：２１－２２．［４］　濮良贵，纪名刚．机械设计［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６．［５］　孙桓，

陈作模，葛文杰．机械原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２

０１０．［６］　卢锋，

马佳．智能窗户系统设计［Ｊ］．西安文理学院学报，２０１５，１８（１）：６３－

６７．Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇ

ｅｎｔ　Ｗｉｎｄｏｗ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳＴＭ３２ＨＵ　Ｙｕ，ＹＡＮＧ　Ｙｉｎｇ－ｈｏｎｇ，ＬＩＵ　Ｘｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｙｏｎｇ

（Ｔｈｅ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉａｎｙａｎｇ　

６２１０１０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＳＴＭ３２ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｏｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｗｉｎｄｏｗ，ａ　ｓｍａｒｔ　ｗｉｎｄｏｗ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄｏｗ　ｂｏｄｙ　

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｖａｒｉｏｕｓ　ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　ａｃｃｅｓｓｏｒｙ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｔｈｅ　ａｂｉｌｉｔｙ　ｔｏ　ｍｏｎｉｔｏｒ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔｄｏｏｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｒａｉｎｄｒｏｐｓ，ｓｍｏｋｅ　ａｎｄ　ｆｌａｍｅｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｏｍ，ａｎｄ　ｔｏ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄａｔａ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅｒｅｂｙ　ｏｐｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｃｌｏｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｗｉｎｄｏｗ．Ｔｈｅ　ｓｍａｒｔ　ｗｉｎｄｏｗ　ｉｓ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ　ｗｉｔｈ　ａ　ｍａｎｕａｌ　ｍｏｄｅ　ａｎｄ　ａｎ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｍｏｄｅ．Ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｓｉｍｐｌｅａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ，ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｉｓ　ｌｏｗ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ　ｓｐａｃｅ　ｉｓ　ｂｒｏａｄ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ＳＴＭ３２ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ；ｄｅｓｉｇｎ；ｓｅｎｓｏｒｓ；ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｗｉｎｄｏｗ·９０

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