1、实验室自动开关窗系统的设计及应用The design and application of the laboratory automatic switch window system（信息科学与工程学院自动化系电自 091 班 10093389）摘要：人们希望工作在一个方便舒适而又绿色的环境中，为保障室内空气清新，适时开关窗换气很必要。很多地方都需要适时通风，但有需要适时关闭门窗，但人为进行开关窗又显得单调而枯燥，本文结合课程内容及专业知识，分析并设计了一个自动开关窗系统，来实现开关窗自动化的目的。关键词：适时通风；开关窗；自动化引 言高校实验室负担着学校教学、科研等重要任务,实验室的功能也由
2、单一走向多元化 1。但目前落后的管理体制及管理方式大大制约了实验室效益的充分发挥 2,同时高校实验室安全管理面临许多新的问题和挑战 3，因而实行科学的现代化管理手段尤其重要。由于各种化学实验室里会有各种类型的污染出现，会严重影响实验室内工作人员的身体健康，所以保持通风换气必不可少，除了实验室要具备换气设备以外，通过窗户通风换气也是必不可少的。窗户的开关关系到室内环境的清新，与室内人员的身体健康有着很大的联系。保持开窗通风固然重要，但是有的同学离开实验室时忘记关窗碰到刮风下雨天会给实验室带来损失，因此设计开发一个自动开创系统非常必要。刮风下雨、夜晚离开，窗户会自动关闭；室内长时间封闭，空气污浊，
3、影响身体健康时，窗户自动打开通风换气。因为风的大小可以通过风速仪检测其风速来确定，是否下雨以及是否潮湿可以通过湿敏传感器检测其湿度来确定，是白天还是黑夜可以通过光敏传感器来确定，实验室里是否有高浓度的污染气体可以用气敏传感器进行检测。所以我们可以利用检测与转换技术，来实现实验室的开关窗自动化，这样不仅保证了室内空气的清新，减小了污染气体对人体健康造成的影响，而且也使实验室效益得到了的更充分发挥。此外，在其他地方也同样需要适时通风与适时关闭门窗，但人为进行这些单调的工作又显得很枯燥，而且目前世界的发展趋势正是逐步实现自动化，用智能化的产品来为我们服务。因此，研究实验室自动开关窗系统具有重要的意义
4、。1 系统工作原理白天天气很好时，各检测元件将检测信息送到控制器中，控制器指挥直流电机工作，打开窗口；当风速、湿度、光照等任意一个因素要求关窗时，控制器便执行关窗任务。所以执行开窗或关窗任务的前提是以上因素同时满足开窗或关窗的要求。但是如果化学气体浓度大，同时外面又有大风或大雨怎么办？这就要求再设置一个提醒的装置，当化学气体浓度大时，就闪亮红灯，并伴有“滴滴”的声音，提示人们进行认为操作处理。其工作原理图如图1所示，其工作原理的流程图如图2所示。风速湿度正转/反转 开/关亮度 M化学气体浓度 亮/暗图1 系统工作原理图是否是否图 2 系统工作原理的流程图控制器里包含以单片机为主体的大规模集成块
5、，可以将风速仪的转速转换成数字信号，风速仪湿敏传感器气敏传感器光敏传感器控 制 器 窗户供电电源红灯 响铃开始检测化学气体浓度气体污染是否严重？开窗条件是否满足？红灯闪亮、响铃发声开窗并停止闪灯和响铃保持该状态等待新命令关窗结束通过内部 R-f 变换器将传感器输出的特征量（即电阻值）转换为相应的频率 f，进而转换为数字信号，再通过单片机进行信息处理，随后进行数模转换，进而控制电动机的正转或反转，最终实现开关窗的目的。2 系统的主要部件及性能由图1可以看出，该自动开关窗系统主要分为检测元件、控制器和直流电机三个部分，而本文涉及的元器件又主要由以下七个部分组成：（1）控制器：它是自动开关窗的指挥中
6、心，通过内部编有指令程序的大规模集成块。当接收到传感器送来的信号后，立刻处理这些信息，并发出相应指令，指挥直流电机工作，实现开关窗的功能。（2）风速仪：负责检测风速的大小，当风很大时，其风速也很大，通过信号传送到主控制器，从而控制直流电机运转，关闭窗户；当风很小，并且其他条件也符合开窗条件时，主控制器控制直流电机运转，打开窗户。（3）湿敏传感器：负责检测室外空气中水蒸气浓度，当湿度很大时，湿敏传感器通过信号传到主控制器，控制直流电机运转，关闭窗户；当湿度很小，并且其他条件也符合开窗条件时，主控制器控制直流电机运转，打开窗户。（4）光敏传感器：负责检测光的亮度，到了夜晚，光敏传感器将信号传给主控
7、制器，通过控制直流电机运转，关闭窗户；天亮后，并且其他条件也符合开窗条件时，主控制器控制直流电机运转，打开窗户。（5）气敏传感器：负责检测实验室化学气体浓度，当浓度很大，则会闪亮红灯，并伴有“滴滴”的响铃声，如果其他开窗条件满足时，则通过控制器使直流电机运转，而实现自动开窗，同时停止闪灯和响铃；如果其他开窗条件不满足时，则会持续闪灯和响铃，提醒人们进行人为操作，直到浓度降低到标准以下，才停止闪灯和响铃。 （6）直流电机：受控制其指挥，进行正转反转，从而为开窗与关门窗提供动力。（7）红灯与响铃：实验室内化学气体浓度大而又不能有效地进行自动处理时，红灯开始持续闪光，响铃同时不断地发出“滴滴”的响声
8、，提示实验室里的人进行人为操作处理。3 系统的软件设计系统软件设计可以采用单片机进行汇编来实现各项功能，设风速、湿度、亮度、化学气体浓度的大小转换位数字信号如表1所示。表1 所测物理量大小所对应的数字信号大小 小 大风速 0 1湿度 0 1亮度 0 1化学气体浓度 0 1表2 寄存器R2低四位所对应的信号来源R2高四位 风度 湿度 亮度 气浓0 0 0 0 0/1 0/1 0/1 0/1假设风速仪、湿敏传感器、光敏传感器、气敏传感器所检测的信息经转换为数字信号后存储在寄存器R2的低四位， R2的高四位设为0，如表2所示。再根据其工作原理，开窗的条件为R2=00000010B=02H和R2=00
9、000011B=03H，其他条件下则均需保持关窗状态。但R2的最低位为1时，红灯会闪亮，响铃会“滴滴”的响，如果发现R2=00000011B=03H时，开窗的同时停止闪亮和响铃，否则继续闪灯和响铃，直至收到人为操作的命令或浓度降低至标准以下时才停止。先设计输出系统流程图，如图3所示。YN YNYN图 3 系统软件程序流程图设输出的开关窗数字信号存于R0，闪灯和响铃数字信号存于R7 ，R0=1为开窗信号，开始(A) (R2)(R2)=03?(R0) 1(R0) 0结束A01H（A）=0?(R7) 01(R2)=02?(R0) 1(R7) 0R0=0为关窗信号；R7=1 为闪灯和响铃，R7=0 为
10、停止闪灯和响铃。则系统程序如下：MAIN:MOV A,R2ANL A,#01HJZ L0MOV R7,#1MOV A,#03HMOV 30H,R2CJNE A,30H,L1MOV R0，#0SJMP MAINL0：MOV A,#02HMOV 30H,R2CJNE A,30H,L1MOV RO,#0SJMP MAINL1：MOV R0，#1MOV R7,#0SJMP MAIN4 克服干扰信号问题对于个完美的检测与转换控制系统来说，必须能够克服干扰信号问题，缩小系统误差，保证系统数据的可靠性，避免系统的误操作。所以在控制过程中，要采用PID与反馈控制相结合，以此来减小系统干扰与偏差。其自动控制原理
11、框图如图4所示。-给定信号 +-图4 自动控制系统原理框图5 总 结本文结合检测与转换技术 、 AT89C52 单片机原理与接口技术和自动控制原理三门课程知识，对实验室自动开关窗系统进行了系统的分析，本系统以单片机为主体，通过检测信息、处理信息、转换信息等多项操作来实现自动开关窗功能。在很多地方比较常见的就是自动门了，而自动开关窗系统却很少见，与自动门相比，其本质大同小异，最大的区别就是在检测环节，因此只要懂得如何设计自动门系统，那么自动开关窗系统可以在其基础上改进即可。而自动开关窗系统存在着潜在的市场价值，因为太多地方需要适时通风，同时又需要适时关闭，而人为进行开关窗，又显得单调而枯燥，所以未来的发展趋势检测信号PID 驱动电路 直流电机 窗户反馈信号便是越来越多的地方将会使用自动开关窗系统。参考文献1 石义芳，李志文，张皓明. 高校实验室智能门禁系统的分析与设计 J. 自动化技术与应用，2009,28（4）：3234.2 冯燕, 冯广. 浅谈高校实验室资源管理系统建设J. 中国现代教育装备. 2008,67（9）：102103.3 刘春柱. 高校实验室安全现状与管理对策J. 实验室科学，2006， （4）：9596.
