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摘 要：本文设计一种基于ATmega328单片机控制的智慧窗系统，提出了硬件与软件系统设计方案。该系统通过各监测传感器模块对室内环境数据进行采集，经由单片机将信号分析和处理，来控制执行机构的动作，可实现对窗户的智能控制，也可用手机APP进行手动控制。
关键词： 单片机 ATmega328 传感器 智慧窗系统
引言
2012年颁布的《智能制造装备产业“十二五”发展规划》将智能制造装备明确定义为“具有感知、决策、执行功能的各类制造装备的统称”。随着社会的进步和科技的发展，当今世界建筑也正朝着智慧化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。智慧家居系列产品正慢慢进入人们的生活，智能窗帘逐渐走入人们的视野。然而，目前传统的窗帘多为手动式，而自动窗帘大多只能实现对光线的检测。随着科技的进步，嵌入式技术已成功应用在社会生活的各个领域中，使用嵌入式技术实现专用功能的控制系统已成为现实。
本设计提出了一种基于ATmega328单片机的智慧窗系统。该系统使用各种传感器对周围环境的湿度、温度、可燃气体、窗外是否有人等因素进行信号采集并传人单片机，经过单片机对数据进行分析和处理，发出动作指令，控制步进电机执行开、关窗动作，通过开关窗户等调节环境参数，从而保证舒适的家居环境。
1 智慧窗系统总体设计
智慧窗系统由电子系统、软件部分（相应程序）以及机械部分组成。电子系统包括传感器、单片机、扬声器、显示屏、电机以及其他辅助电路组成；软件部分主要通过Linkboy图形化编程软件与Arduino库编程软件相结合进行编程；机械部分可根据实际需求来进行相关的具体设计。该系统充分融合了单片机、多传感器技术，综合运用软件编程技术，电路设计技术，智能控制技术等，利用扫描的方式，对可燃气体、雨雪天气、室内温度、室外湿度等元素进行分别检测，检测完成后将信号传递给单片机，单片机对各个元素所传递的信息进行处理，實现了对窗户开关的如下控制功能。
（1）当湿度检测器检测到下雨时，可立即自动判断风雨大小来进行自动开关窗户，防止雨水进入室内损坏室内物品和家具。
（2）当气体传感器检测到室内有可燃气体或烟雾超过设定浓度时，语音报警系统会进行报警来提醒主人危险存在并打开窗户，系统自动打开排气风扇。
（3）当红外检测器检测到有人驻留窗外时，窗口将立即关闭并打开报警装置发出高分贝声音报警。
（4）当室内温湿度超过设定值时，可以打开窗户通风换气，保持室内空气新鲜。
（5） 电源应急功能，家里停电或发生意外断电时自动窗户可正常工作8～12小时。
该系统整体结构框图如图。
2 电子系统设计
2.1 最小化硬件系统设计
最小化系统由电源电路、复位电路、时钟电路、存储器、处理器构成。由于本次设计直接用arduinonano（处理器采用ATmega328）开发板，所以已经自带最小化硬件系统arduinonano开发板如图2、图3所示。
2.2 气体传感器
气体传感器选用MQ-2和MQ-7，可以探测到各种可燃气体，液化石油气（丙烷）和一氧化碳气体。该传感器所使用的气敏材料是清洁空气中空气的低导电性。当检测气体存在于传感器的环境中，传感器的导电性随着空气中有害气体浓度的增加而增加。一个简单的电路可以用来将传导性的变化转换成与气体浓度相对应的输出信号。气体传感器由四个引脚分别为VCC接电源正极，GND接电源负极，AO模拟输出口，DO数字输出口。由于控制系统需要实时检测室内气体浓度，所以气体传感器输出给系统的应该是模拟信号，模拟信号需要处理器通过AD转化后再得到数字信号，所以AO口必须接到处理器AD转化口。通过Altium Designer 16软件绘制得到如图4所示的气体传感器电路原理图。
2.3 温湿度传感器
DHT11数字温度和湿度传感器是一种复合传感器，经过校准数字信号输出温度和湿度，专用数字模块采集技术和温度和湿度传感器技术，确保产品具有很高的可靠性和良好的长期稳定性。该传感器包括一个电阻传感元件和一个NTC温度测量元件，它与高性能的8位单片机相连，该产品具有高质量、快速响应、抗干扰能力强、性价比高的特点。每个DHT11传感器都在极其精确的湿度校准室中进行校准。校准系数是以程序的形式存在的。在OTP存储器中，在传感器内部检测信号的处理过程中调用了校准系数。单线串行接口，使系统集成变得简单和快速。超小尺寸和低功耗使其成为应用的最佳选择。产品为4针单排销，方便连接。
根据DHT11温湿度传感器的主要特性通过Altium Designer 16软件设计得到如图5所示的温湿度传感器电路原理图，其中DHT11温湿度传感器的DATA引脚接处理器输入输出引脚。
2.4 红外遥控传感器
红外遥控是一种比较廉价的近距离遥控方式。它由发射模块和接收模块两部分组成，编码格式有脉冲宽度调制和脉冲相位调制两大类。本节设计不考虑发射模块而只研究接收端的解码，本例以比较容易的脉冲宽度调制来介绍解码原理。
发射端数据的编码：当我们按下遥控器后，遥控器发出一帧数据。这一帧数据由前导码、用户码高8位、用户码低8位、数据码、数据反码组成。其中前导码为9ms高电平接着4.5ms低电平，标志数据帧的开始；用户码（共16位）为红外接收器识别遥控器的身份的标志，不同的遥控器一般用户码不同，以防止不同电器设备之间遥控码的干扰；数据码为红外接收器识别遥控器上不同的按键的标志，对同一遥控器来说，按不同的键所发出的二进制编码具有相同的用户码，不同的数据码。 通过Altium Designer 16设计出如图6所示的红外遥控接收头电路原理图，其中红外遥控接收头的INT0引脚必须接到处理器D1或D1引脚。
2.5 语音播报传感器
SYN6288中文语音合成芯片是北京宇银世界科技有限公司于2010年初推出的高端语音合成芯片。通过异步串行端口（UART）通信方法，接收合成的文本数据，实现文本转换为语音（或TTS语音）。语音播报电路原理图如图7所示。
3 软件系统设计
软件部分主要通过Linkboy图形化编程软件与Arduino库编程软件相结合进行编程。开机后，系统初始化，监听端口，传感器采集环境数据，将数据传送至单片机，判断是否达到开窗要求，进而产生相應的动作。系统正常运行时，利用单片机对采集到的环境数据信息进行比较和判断，来控制执行结构的动作，从而智能控制窗户的开关状态，程序流程如图8所示。
4 应用实施
智慧窗系统较常应用于一般的民用智能窗设计工程中，其能够在一般的家庭常见窗户基础上予以升级改造，且改造结构相对较为简便，性能稳定、成木低廉，较适合于一般的家庭用户。同时在这一基础之上，还可依据客户的实际需求，做一些个性化的功能设计。以下是基于本文做的实际应用。安装示意图和集成电路图如图9、图10所示。
5 结语
智能化是人们生活发展的一个趋势，本文设计的智慧窗系统是以ATmega328单片机为核心，结合红外传感器、温湿度传感器、可燃性气体和烟雾传感器、蜂鸣器、液晶显示器和步进电机设计而成，集声、光、机、电等技术于一体，自动化程度高，具有自动防雨、防盗、防可燃气体等功能，且成本较低、可靠性高、操作方便，具有较高的经济与应用价值。
参考文献：
[1]程晨.Arduino开发与实战指南[M].北京：工业出版社，2015.
[2]张东庆，朱虹.基于单片机的测温电路设计[J].科技视界，2012（16）：196-197.
[3]王海燕，杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2012（5）：88-91.
[4]张超，周克，何威等.基于STC单片机多传感器的智能窗设计[J].现代机械，2014（1）：84-87.
◇责任编辑 赵丽斌◇
关键词： 单片机 ATmega328 传感器 智慧窗系统
引言
2012年颁布的《智能制造装备产业“十二五”发展规划》将智能制造装备明确定义为“具有感知、决策、执行功能的各类制造装备的统称”。随着社会的进步和科技的发展，当今世界建筑也正朝着智慧化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。智慧家居系列产品正慢慢进入人们的生活，智能窗帘逐渐走入人们的视野。然而，目前传统的窗帘多为手动式，而自动窗帘大多只能实现对光线的检测。随着科技的进步，嵌入式技术已成功应用在社会生活的各个领域中，使用嵌入式技术实现专用功能的控制系统已成为现实。
本设计提出了一种基于ATmega328单片机的智慧窗系统。该系统使用各种传感器对周围环境的湿度、温度、可燃气体、窗外是否有人等因素进行信号采集并传人单片机，经过单片机对数据进行分析和处理，发出动作指令，控制步进电机执行开、关窗动作，通过开关窗户等调节环境参数，从而保证舒适的家居环境。
1 智慧窗系统总体设计
智慧窗系统由电子系统、软件部分（相应程序）以及机械部分组成。电子系统包括传感器、单片机、扬声器、显示屏、电机以及其他辅助电路组成；软件部分主要通过Linkboy图形化编程软件与Arduino库编程软件相结合进行编程；机械部分可根据实际需求来进行相关的具体设计。该系统充分融合了单片机、多传感器技术，综合运用软件编程技术，电路设计技术，智能控制技术等，利用扫描的方式，对可燃气体、雨雪天气、室内温度、室外湿度等元素进行分别检测，检测完成后将信号传递给单片机，单片机对各个元素所传递的信息进行处理，實现了对窗户开关的如下控制功能。
（1）当湿度检测器检测到下雨时，可立即自动判断风雨大小来进行自动开关窗户，防止雨水进入室内损坏室内物品和家具。
（2）当气体传感器检测到室内有可燃气体或烟雾超过设定浓度时，语音报警系统会进行报警来提醒主人危险存在并打开窗户，系统自动打开排气风扇。
（3）当红外检测器检测到有人驻留窗外时，窗口将立即关闭并打开报警装置发出高分贝声音报警。
（4）当室内温湿度超过设定值时，可以打开窗户通风换气，保持室内空气新鲜。
（5） 电源应急功能，家里停电或发生意外断电时自动窗户可正常工作8～12小时。
该系统整体结构框图如图。
2 电子系统设计
2.1 最小化硬件系统设计
最小化系统由电源电路、复位电路、时钟电路、存储器、处理器构成。由于本次设计直接用arduinonano（处理器采用ATmega328）开发板，所以已经自带最小化硬件系统arduinonano开发板如图2、图3所示。
2.2 气体传感器
气体传感器选用MQ-2和MQ-7，可以探测到各种可燃气体，液化石油气（丙烷）和一氧化碳气体。该传感器所使用的气敏材料是清洁空气中空气的低导电性。当检测气体存在于传感器的环境中，传感器的导电性随着空气中有害气体浓度的增加而增加。一个简单的电路可以用来将传导性的变化转换成与气体浓度相对应的输出信号。气体传感器由四个引脚分别为VCC接电源正极，GND接电源负极，AO模拟输出口，DO数字输出口。由于控制系统需要实时检测室内气体浓度，所以气体传感器输出给系统的应该是模拟信号，模拟信号需要处理器通过AD转化后再得到数字信号，所以AO口必须接到处理器AD转化口。通过Altium Designer 16软件绘制得到如图4所示的气体传感器电路原理图。
2.3 温湿度传感器
DHT11数字温度和湿度传感器是一种复合传感器，经过校准数字信号输出温度和湿度，专用数字模块采集技术和温度和湿度传感器技术，确保产品具有很高的可靠性和良好的长期稳定性。该传感器包括一个电阻传感元件和一个NTC温度测量元件，它与高性能的8位单片机相连，该产品具有高质量、快速响应、抗干扰能力强、性价比高的特点。每个DHT11传感器都在极其精确的湿度校准室中进行校准。校准系数是以程序的形式存在的。在OTP存储器中，在传感器内部检测信号的处理过程中调用了校准系数。单线串行接口，使系统集成变得简单和快速。超小尺寸和低功耗使其成为应用的最佳选择。产品为4针单排销，方便连接。
根据DHT11温湿度传感器的主要特性通过Altium Designer 16软件设计得到如图5所示的温湿度传感器电路原理图，其中DHT11温湿度传感器的DATA引脚接处理器输入输出引脚。
2.4 红外遥控传感器
红外遥控是一种比较廉价的近距离遥控方式。它由发射模块和接收模块两部分组成，编码格式有脉冲宽度调制和脉冲相位调制两大类。本节设计不考虑发射模块而只研究接收端的解码，本例以比较容易的脉冲宽度调制来介绍解码原理。
发射端数据的编码：当我们按下遥控器后，遥控器发出一帧数据。这一帧数据由前导码、用户码高8位、用户码低8位、数据码、数据反码组成。其中前导码为9ms高电平接着4.5ms低电平，标志数据帧的开始；用户码（共16位）为红外接收器识别遥控器的身份的标志，不同的遥控器一般用户码不同，以防止不同电器设备之间遥控码的干扰；数据码为红外接收器识别遥控器上不同的按键的标志，对同一遥控器来说，按不同的键所发出的二进制编码具有相同的用户码，不同的数据码。 通过Altium Designer 16设计出如图6所示的红外遥控接收头电路原理图，其中红外遥控接收头的INT0引脚必须接到处理器D1或D1引脚。
2.5 语音播报传感器
SYN6288中文语音合成芯片是北京宇银世界科技有限公司于2010年初推出的高端语音合成芯片。通过异步串行端口（UART）通信方法，接收合成的文本数据，实现文本转换为语音（或TTS语音）。语音播报电路原理图如图7所示。
3 软件系统设计
软件部分主要通过Linkboy图形化编程软件与Arduino库编程软件相结合进行编程。开机后，系统初始化，监听端口，传感器采集环境数据，将数据传送至单片机，判断是否达到开窗要求，进而产生相應的动作。系统正常运行时，利用单片机对采集到的环境数据信息进行比较和判断，来控制执行结构的动作，从而智能控制窗户的开关状态，程序流程如图8所示。
4 应用实施
智慧窗系统较常应用于一般的民用智能窗设计工程中，其能够在一般的家庭常见窗户基础上予以升级改造，且改造结构相对较为简便，性能稳定、成木低廉，较适合于一般的家庭用户。同时在这一基础之上，还可依据客户的实际需求，做一些个性化的功能设计。以下是基于本文做的实际应用。安装示意图和集成电路图如图9、图10所示。
5 结语
智能化是人们生活发展的一个趋势，本文设计的智慧窗系统是以ATmega328单片机为核心，结合红外传感器、温湿度传感器、可燃性气体和烟雾传感器、蜂鸣器、液晶显示器和步进电机设计而成，集声、光、机、电等技术于一体，自动化程度高，具有自动防雨、防盗、防可燃气体等功能，且成本较低、可靠性高、操作方便，具有较高的经济与应用价值。
参考文献：
[1]程晨.Arduino开发与实战指南[M].北京：工业出版社，2015.
[2]张东庆，朱虹.基于单片机的测温电路设计[J].科技视界，2012（16）：196-197.
[3]王海燕，杨艳华.Proteus和Keil软件在单片机实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2012（5）：88-91.
[4]张超，周克，何威等.基于STC单片机多传感器的智能窗设计[J].现代机械，2014（1）：84-87.
◇责任编辑 赵丽斌◇