河南省挑战杯获奖作品卧室迷你智能窗户.doc

1、 编码： 甲 4B02502B 第十一届“挑战杯”河南省大学生课外学术科技作品竞赛作 品 申 报 书作品名称： 卧室迷你智能窗户 学校全称： 个人申报者姓名（集 体 名 称）： 指导老师姓名： 类别：自然科学类学术论文哲学社会科学类社会调查报告和学术论文科技制作小发明创造卧室迷你智能窗户0摘要:智能家居又称智慧家居/智能住宅，在国外常用 Smart Home 表示。自从美国康乃迪克州哈特佛市出现了首栋的“智能型建筑”后，全世界的人们开始争相致力于研究智能家居相关产品。而智能窗户作为智能家居的其中一种产品模型，也在不断的被创新与改造。智能窗户采用人工控制与智能控制相结合，利用综合布线、网络通信、

2、安全防范、自动控制、新材料应用等技术，融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体的创新型产品。本系统用到了单片机、光照传感器、温度传感器等各类检测传感器、新型复合材料和数模转化器等重要设备，以达到对智能窗户的自动控制。该系统通过各类传感器采集测量信息，采用中值滤波算法实现测量信息的有效处理，经过数模转换器把模拟信号转化为数字信号，输入到单片机中，并与控制信息进行比对，输出转机转动信息，以此控制窗口状态，实现智能监测与调节的功能。考虑到人们的临时特殊需求，此次设计使用模式互换功能来屏蔽智能控制信息，响应用户的临时设置信息，以满足用户的特殊需要。本项目创新之处是使用多传感器采集测量信息

3、，采用非线性中值滤波算法分析测量数据，数据更加的合理精确,使用模式互换功能能够自动调节窗户颜色以及。智能窗户的设计还融入了绿色生活的概念，通过太阳能板将太阳能转化为电能，为智能窗的电路提供必需的电源，减少了人工电能的消耗。综合考虑温度、通风、照明等情况，智能窗设计为两层，上层为单扇，下层分多扇，更大程度的保证室内的通风、采光和温度等需要。可拆卸式植物花盆的特有设计和节能小夜灯的装载，不仅改善了生活环境，而且省去了很多不必要的麻烦，为卧室主人提供一个良好的居住和睡眠环境。智能窗设计融入科技、装饰、节能、绿色、便利等特点，很好的体现了“科技改变生活” “绿色生活” “节能降耗”等时代主题。关键字：

4、智能窗 多传感器 STC89C52 单片机 绿色生活 卧室迷你智能窗户1目 录摘 要 .11 绪论 .31.1 卧室智能窗设计的背景及意义 .31.2 卧室智能窗研究的市场现状及发展趋势 .31.2.1 市场现状 .31.2.2 存在缺陷 .41.2.3 发展趋势 .41.3 卧室智能窗设计实现的功能 .41.4 卧室智能窗设计的创新之处 .52 卧室智能窗的整体结构 .52.1 手工模型展示 .52.2 手绘图片展示 .63 卧室智能窗的设计与制作 .63.1 所需部件（列举部分） .63.2 系统总体设计 .63.3 窗户材料选取 .73.4 STC89C52 单片机 .83.5 传感器

5、.83.5.1 传感器模块 .83.5.2 传感器测试工具 .103.6 太阳能电池板 .113.7 LED 显示屏 .114 功能实现过程 .124.1 数据采集与发送 .124.2 数据处理 .144.3 数据发送及控制 .154.4 人工遥控操作 .165 卧室智能窗的创新装饰与环保 .175.1 节能小夜灯 .175.2 可拆卸式花盆 .176 结束语 .18参考文献 .19卧室迷你智能窗户21 绪论1.1 卧室智能窗设计的背景及意义雾霾、百年一遇的大风等这些环境的剧烈变化对人们的生活提出了越来越多的挑战；严重的室外污染、室内的装潢气体累积不散等等严重危害了我们的生活质量。随着科技的不

6、断发展，我们对自己的生活质量提出更高的要求，开始不断地向绿色化、自动化、智能化的家居生活迈进。而卧室迷你智能四叶窗（以下简称为卧室智能窗）是在市场现有的模型基础上进行改造与创新，利用物联网的相关技术和生活经验对智能窗户加入一些人工智能与美化，使之能够达到自动控制窗户的开关、自动检测雨天、自动对室内的温度与室外温度进行均衡调节、自动对室内的光线强弱程度进行调节、自动根据室外风力的强弱程度进行调节窗户的展开角度以及自动对室内外的空气浓度进行检测并报警等等，这些都给卧室主人高要求的室内生活带来了极大的便利和安全保障。1.2 卧室智能窗研究的市场现状及发展趋势图 1-1 市场智能窗户1.2.1 市场现

7、状通过调查现有智能窗的现状以及翻阅资料，我们可以了解到如今市场上已经存在的一种智能窗户主要是以两片玻璃间夹有带电粒子，通过控制电流让玻璃在透明与不透明之间转换，它还可以手动转换“夏季模式”和“冬季模式” ，但造价高、耐久性差，生产过程还会产生对人体有害的物质。另一种是韩国电卧室迷你智能窗户3子技术研究所的相关研究人员利用光的折射和反射原理研究出来的智能窗户，它可以随着光的强弱程度的变化自动改变玻璃的透明度，从而实现在“夏季模式”与“冬季模式”间智能转换。但我们不难发现，这种靠改变温度而进行的转换是通过窗户自身感光变化来实现的，因此需要大量时间关闭窗户，而全封闭的窗户就不能够为我们的卧室提供新鲜

8、空气和适时适量的通风。1.2.2 存在缺陷通过调查和仔细分析市场上现存的智能窗户，可以得出以下几点明显缺陷：（1）大部分智能窗户的制作材料有待进一步检验，在过高的阳光温度下可能产生有毒气体。（2）大部分智能窗户没有考虑到温度、通风程度等相关因素的舒适度是因人而异的，不能够进行人工调节与自动调节相结合。（3）大部分智能窗户都是一整块玻璃，既不美观，又不能够同时满足室内光线强度和室内通风量的要求。（4）大部分智能窗户的研发只是单纯的考虑了市场需求，并没有考虑到节能环保概念的引用等等。1.2.3 发展趋势在这个高谈绿色环保但又饱受环境污染煎熬的年代，我们既需要舒适的生活，又需要新鲜的空气和对资源的节

9、约。因此，智能窗户的发展将会进一步朝着节约成本、绿色环保的理念去发展。譬如：可以利用太阳能转换成电能为智能窗户的所有电路提供必需的电源等等。1.3 卧室智能窗设计实现的功能（1）当室外刮风下雨时，能够通过风雨传感器进行检测，并根据风力的强弱和雨点的大小来调节窗户展开的角度，既能防止雨水进入室内导致物品损坏，又能保持室内良好通风。（2）通过红外线传感器监测分析，当室外碳氧化合物等气体浓度超过房间设定浓度标准时，及时关闭窗户。（3）选取的窗户材料可以在“夏天模式”和“冬天模式”中进行智能转换，窗户的玻璃颜色程度随着温度进行调节，与温度传感器相结合，时刻保证室内卧室迷你智能窗户4的温度。夏天通过反射

10、散失热能；冬天通过折射最大化的吸收热能。（4）在窗户上加载涂层之后变成太阳能电池板，美观且实现对整个窗户系统电路提供电源，达到节约电能的概念。（5）在窗户上进行植物花盆的安装，白天安装有植物花盆的一面适时朝外，可以使它接受阳光；夜晚朝内，加之适当的小夜灯照射可以进行光合作用，进而对室内空气进行调节，既能节省力气又能达到绿色环保的概念。1.4 卧室智能窗设计的创新之处通过对市场上的智能窗户仔细研究和分析，我们在市场上现有的技术和理论的支持上，以智能控制为主线，侧重产品的节能、环保以及人工控制三大模块进行添加与设计。（1）可拆卸式植物花盆的特有设计，既省略了我们每天将植物花盆搬来搬去的麻烦，又提供

11、了室内必然的新鲜空气和绿色概念。（2）装载节能小夜灯，利用太阳能提供的电源，既节约了用电，又能够为卧室主人提供必要的睡眠工具，还可以为植物夜间的光合作用提供光源。（3）窗户的整体设计将一整块改为上下层，上层玻璃为上下 180 度旋转式，下层玻璃为左右 360 度旋转式。两者之间相结合，更大程度的保证室内的通风、采光和温度问题，另外也便于主人清洁窗户。（4）通过整体绿色、节能的概念设计，增加人工红外线遥控控制与自动控制相结合，产品在安装之后，卧室主人可以根据自己喜好进行一定设定，然后智能窗在满足主人设定条件的情况下进行工作，这样使产品显得更加美观实用。2 卧室智能窗的整体结构2.1 手工模型展示

12、卧室迷你智能窗户5图 2-1 手工模型下的窗户几种状态2.2 手绘图片展示图 2-2 手绘图形下的窗户几种状态3 卧室智能窗的设计与制作3.1 所需部件（列举部分）STC89C52 单片机；太阳能节能板；LM324 运算放大器；LM317 稳压芯；LM386 功率放大器；L298 驱动芯片；7805，7806 稳压芯片；电阻；电容；电位器；11.0592MHz 晶振；ZigBee 节点；红外式传感器等等。3.2 系统总体设计烟雾传感器水浸传感器风力传感器温度传感器红外传感器光照传感器C C 2 4 3 0收发模块开关 / 复位电路滤波及A / D转化中央控制器S T C 8 9 C 5 2 单

13、片机I / O数据滤波窗户状态显示器电机控制I / OI / OC C 2 4 3 0收发模块C C 2 4 3 0收发模块模式控制控制状态I / O数据比对存储器信号输入模块人机交互模块数据融合遥控器卧室迷你智能窗户6图 3-1 系统总体结构图该智能窗户系统由电子系统、相应程序、新材料应用和机械部分组成。电子系统包括温度、雨天、风力等相关传感器、处理器、显示屏、及其他辅助电路。机械部分可根据使用场合的不同而进行设计；在电子控制系统中，传感器起着重要的作用，它关系到控制的精度，合理选择传感器是系统成功的关键。此外，由于各种干扰存在，除了选用性能优良的传感器外，还需进行软件上适当的滤波算法，以保

14、证数据的可靠性；传感部分是由多个传感器收集环境各项参数的。为了快速准确的采集数据，在接收传感器采样时要合理的设置巡检优先级，这可以通过程序实现，出于实用性，人机交互和节能也是关键问题。因此，系统除了能够自动控制调节之外，还配有便于用户使用的遥控和显示设施。所有的参数都可以通过遥控设置、改变、保存，运行过程中用户也可以通过遥控改变开窗状态。电子系统框图如图 3-1 所示。3.3 窗户材料选取根据韩国研究人员研制的新型智能窗户中使用的一种特殊聚合体，它是一种带电粒子，名为“抗衡离子” ，同时以甲醇为溶媒。这种窗户能够达到在“夏季模式”与“冬季模式”间智能转换。夏季室外温度高，智能窗户会变暗，以“反

15、射大部份太阳光，防止建筑内部受阳光照射而过热”;冬季室外温度低，智能窗户的玻璃会变得透明，以接收太阳带来的免费热量， “通过吸收太阳能，让房间保持温暖” 。智能窗户由完全不透明状态转变成几乎完全透明状态用时很短，只需要几秒钟时间。新型智能窗户无论是造价还是毒性都比现有市场最常见的智能窗户大大降低，因此智能窗户应选用此种材料。依据标准 参考标准GB/T7106-2008 抗风压变形能力为第 9 级（5KPa）GB/T7106-2008 空气渗透性为第 7 级GB/T7106-2008 雨水渗透性为第 6 级（1200Pa）GB/T8484-2008 保温性能为 K=1.5W/M2.KGB/T84

16、85-2002 隔声性能为三级（31dB）卧室迷你智能窗户7表 3-1 窗户选材依据标准3.4 STC89C52 单片机STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。图 3-2 STC89C52 单片机具有以下标准功能： 工作电压：5.5V-3.4V（5V 单片机） ；工作频率范

17、围：0-40 MHz,实际工作频率可达到 48MHz；工作温度范围：-40-+85 摄氏度；8k 字节 Flash；512 字节 RAM；32 位 I/O 口线；看门狗定时器；内置 4KB EEPROM，MAX810 复位电路；3 个 16 位定时器/计数器；4 个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构） ；全双工串行口；另外 STC89X52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式;空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工

18、作停止，直到下一个中断或硬件复位为止;最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选。3.5 传感器3.5.1 传感器模块作为传感器模块部分是该系统中不可缺少的部分，窗户外界的条件通过各个相关传感器进行感应，感应之后的结果会经过单片机进行数据处理，窗户会卧室迷你智能窗户8做出相应的角度变化。此传感器模块包括：温度传感器、红外线传感器、光强传感器、风速传感器、雨点传感器等。以下是对各自传感器的介绍。（1）温度传感器因为测试的是非接触式物体温度，所以选用非接触式温度传感器。热敏电阻体积小是优点，它能快速稳定感受温度变化，不会造成热负载。不过也因此很不结实，大电流会造成自热。由于热敏电阻是一种电阻性器件，任何电流源都会在其上因功率而造成发热。功率等于电流平方与电阻的积。因此刚好能适配所选用的小电流源的电路。（2）红外线传感器通过红外线传感器对气体的分析与检测电路，当窗外碳氧化合物等气体浓度超过所设定的标准后，由系统控制自动关闭窗户。图 3-3 红外线传感器原理图（3）光强传感器为便于用户根据光强不同决定开窗状态，设置了光强传感器。利用光敏电阻 GL5528 设计了光强传感器。光敏电阻是利用半导体光电效应制成的一种阻值随入射光强变化而改变的电阻器，入射光变强，电阻减小。使用时将光敏电