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1、题 目： 自动关窗控制系统设计 学 院： 机械与电子控制工程学院 专 业： 测控技术与仪器 1.1课题的研究背景我国的改革开放，经济的飞速发展，使得人民物质生活水平不断提高，人们对其住宅和汽车的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所和汽车，而且对其安全性、智能性等方面也提出了更高的要求。现在的自动控制系统已经为我们的生活提供了太多的便利，在生活的各个方面，人们迫切需要一种智能型的家庭安全自动关窗系统，能可靠的进行日常的开关工作，在环境大风或下雨的情况下，自动识别大风或下雨天气，实现自动关窗动作，以便人们能够更安心的工作，同时也保证了居民生活的舒适和生命财产不受损失。于是有关家庭、办
2、公室，仓库还有汽车等处的自动关窗系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视。现在市场上也出现了各种名目繁多的关窗装置，但多由于可靠性较差、造价高或使用复杂而难于普及。随着电子通讯技术的飞速发展，单片微机以其具有体积小、价格低、集成度高、性价比高等突出优点已在工业控制、智能仪表、数控机床、数据采集以及各种家用电器等方面得到了广泛应用。因此利用单片机和一些简单的外围器件来开发一种适合于家庭、仓库、银行，汽车等重要场所的低价位、运行可靠、具有自动关窗功能的系统，对恶劣的天气情况自动发出报警信息 1。 另外自动关窗系统也广泛应用于汽车。汽车是现代生活中不可缺少的交通工具，随着人们生活水平的提高，人们
3、对汽车的安全性、 舒适性都有着更高的要求。中央门锁和电动车窗给驾驶员和乘客带来了很大的方便。驾驶员通过它可以方便的对所有车门的开闭进行控制。电动车窗使得驾驶员也可通过设在驾驶员旁边的控制开关对各车窗实现集中控制。但是在有些时候也会出现一些其他的麻烦。比如：当汽车停车熄火，锁好门后，有时会忘记将车窗玻璃升到位，及时发现的，要重新打开车门，按动开关将其升到位；而一旦疏忽，不但会造成重要文件、物品丢失，甚至会导致车辆失窃、 雨天驾驶室进水等 ,给用户带来不必要的经济损失和精神负担。鉴于以上情况，可以设计在中央门锁和电动车窗的基础上加装的汽车自动关窗控制器。其工作情况是：当汽车熄火后 ,锁上门锁时 ,
4、汽车自动关窗控制器会自动关好开着的所有车窗玻璃。如果汽车附有遥控装置 ,下车后只需轻轻一按遥控器就可以放心地离开了 ,再不用担心物品丢失、 车辆失窃、 雨天驾驶室进水等问题2。不管是什么样的自动控制系统，选用清洁的能源是非常重要的。人类目前的主要能源来自于煤炭和石油，但是其储量在逐渐下降，而消耗量却逐年攀升，所以研究利用其他的清洁又实用的能源迫在眉睫。而太阳能作为一种新的清洁能源，它与常规能源相比有三大特点：第一：它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地球人类再使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。第二：地球上，无论何处都有太阳
5、能，都可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三：太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡，绝对不会造成污染和公害。所以研究和开发利用太阳能势在必行3。1.2智能门窗的国内外研究现状智能门窗一般是指安装了先进的防盗、防劫、报警、自动关窗等系统的门窗。 智能门窗在一些公共场所、高档商品房、商场中运用广泛，现在正向普通家庭普及。 智能门窗控制系统由无线遥控器、智能主控器、门窗控制器、门窗驱动器等组成，现在的智能门窗系统集现代声、光、机、电、通讯为一体，是智能居家的理想选择。另一种智能窗是由玻璃
6、或透明塑料等基材和调光材料所组成的具有调光功能的器件， 在一定的物理条件( 如电场、 温度)下，这种器件可以改变自身的透明度或颜色，从而选择性地吸收和反射外界热辐射和阻止内部热扩散，达到调节光强度或室内温度的目的。一般智能窗材料根据激励方式可以分为三种：光致变色型、电致变色型、热致调光型。随着能源危机、污染、全球变暖等问题的日益严峻，智能窗( Smart Window ) 迅速成为各国研究的热点4。自从世界上第一幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。这种“未来之
7、家”门窗智能化系统，市场真正启动尚需时日。目前在新加坡也有近30个社区(住宅小区)近5000户的家庭采用了“门窗智能化系统”，美国已有近四百万户家庭安装了这一类的“门窗智能化系统”，相信到了21世纪将会有更多的住宅安装上这一类高科技智能化系统产品。目前美国有一种占据市场主流的产品X-10，销售已超过1亿个，设计户型为单体别墅，应用多为旧房改造。但这些产品技术限制较多，并不适合在我国原样照搬使用应用。三星从今年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的，面向宽带互联网的家居控制网络。 根据美国该行
8、业之专业顾问公司PARKS的统计资料显示：2010年，美国一个家庭要安装家庭自动化设备的平均费用在7000至9000美元之间。 2010年美国家庭已使用先进家庭自动化设备的比率为0.53，看来市场真正启动尚需时日。预计这五年内，家庭自动化的市场年平均增长率为8。 PARKS公司的资料亦显示：到2015年，家庭网络市场总额可达57亿美元。据国际专家预测，到2013年底国际智能家居的产品销售额可达24亿美元。 2020年可达148亿美元。智能家居是住宅智能化的核心部分，目前我国的智能家居市场有三个特点：一是市场潜力大，现在的房地产业在全国的发展都很火爆，作为其下游产业，智能家居市场前景还是非常乐观
9、的。第二点就是产品多，厂家多，大部分集中在上海、北京、深圳、广州等地。但到目前为止还没有一家形成规模化。第三，就是目前国家对智能家居行业还没有实施统一的行业标准，使得很多中小企业各自为政，按自己对市场的理解来开发产品，相互间的产品不具备兼容性，这种局面有点春秋战国时代诸侯争霸的感觉。因此，今后几年智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现几家规模比较大，品牌影响力好的厂家。从产品角度来讲，以后的智能家居产品会朝着实用化、傻瓜化（操作简单）、模块化的方向发展，所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成模块化的，可以根据用户的实际需求任意搭配。这样不仅可满足不同层次用户的需要,而且可以节约
10、成本，也可以节约不必要的端口模块的浪费。近几年来，我国建筑业的良好发展势态极大促进了智能门窗行业的全面发展，我国的建筑门窗行业正在进入一个崭新的发展阶段，在技术和管理方面，正在走向正规化，成熟化和智能化。国内多功能智能门窗企业为了获得更大的投资收益，在生产规模和产品质量上不断提高。但是受国际金融危机、外部政策环境、产业上下游需求等众多因素的影响，多功能智能门窗行业在未来几年的市场状况及价格走势备受关注。随着高科技和信息技术的广泛应用，安全、舒适、便利的生活环境已经不再是一个遥远的梦想。由于智能家居系统能够为人们提供更加轻松、有序、高效的现代生活环境，因此已经成为房地产商追逐的热点。在未来，没有
11、智能家居系统的住宅将像今天不能上网的住宅那样不合潮流。相信不远的将来，智能家居一定会更好地造福人类5。1.3课题的研究目标和意义随着我国经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，人们对健康的重视程度也日渐增强 保持室内空气新鲜，经常通风换气也成为人们共同的生活习惯 然而在当今快节奏生活中，人们常常会忘记关窗，每逢刮风下雨，便担心不已。现在的智能关窗装置虽然品种功能都很多，但主要应用在高档建筑和各种公共场所，而且主要是和窗户一起定做，价格也比较高 同时无论是老的还是新建的民房预先安装的以手动推拉窗居多，很少有人愿意把已安装好的窗户废掉，更换成多功能智能窗。由于以上原因，本课题希望开发一种在普通窗
12、的基础上改进的智能关窗装置，该装置装有风速传感器，温湿度传感器，每当刮风下雨，窗户便自动关闭，解除用户的后顾之忧。系统主要由各传感器元件6、电子控制元件7、机械执行机构以及储能元件等部分组成，安装维护方便，功能简单实用，不影响用户正常手动开关窗。本智能关窗装置主要是针对普通居民用户开发的一种简单实用的产品，更贴近普通老百姓的生活需求，其市场前景非常看好。本系统的主要特点是其实用性和便捷性，待机状态下，不影响用户正常手动开关窗；能自动感知雨、雪天气，并完成自动关窗；有缓冲装置，工作平稳，无冲击；并且本课题采用太阳能电池供电，不用其它能量供应便可实现正常工作；待机状态下无能量损耗。工作过程：安装后
13、首次开启太阳能电池为系统储存关窗能量，装置处于待机状态；当各传感器测得天气变化，电子控制元件开始发出关窗指令，电机运行开始关窗；天气转好，只需手动再次打开窗子，并可使设备恢复待机状态8。1.4论文的主要研究内容本论文需要研究的内容主要有以下几个方面：1、分析目前市面上的家用智能窗的发展现状；2、根据系统功能要求并且考虑产品的性价比，进行系统的整体方案设计，该方案采用模块化设计方法，方便系统的调试、维护和升级；3、系统硬件设计，包括芯片的选型、所选芯片的功能、芯片外围电路的合理设计等，具体有：电源电路设计、风向风速传感器连接电路设计9 10、温湿度传感器连接电路设计11、系统整体电路设计等；4、
14、系统软件设计，包括系统主程序、风向风速传感器子程序12、温湿度传感器子程序13 14、电机控制子程序的软件设计；5、系统硬件抗干扰技术和软件抗干扰技术的研究与实现15。根据本课题欲实现的功能和所要研究的内容，应采取以下研究步骤来实现：1、进行系统整体方案设计与可行性研究、合理的将整个系统划分成各个功能模块16；2、各个功能模块的电路原理设计、元器件(芯片)选择与特性测试；3、各个功能模块的软硬件调试、各个功能模块的整体调试、系统整体电路调试、系统整体软件调试、最后进行联机调试17。主要参考文献：1 姚健，陶卫东智能窗及其研究进展D 宁波大学理学院20092 娄云，李清林，刘双成汽车自动关窗控制
15、器的设计研究D20053 强薇太阳能电池的现状和展望J 科海故事博览科教创新2009 (5)4 高素萍，李旭斌，钟德永，陈桂兴智能窗控制系统的设计与实现D 深圳职业技术学院2010 5 薛春虎国外节能门窗现状及发展趋势D中国工业大学20056 郁红CMOS兼容的风速传感器和系统电路的设计J兰州大学 ，2007：77-787 晏剑辉，温怀玉基于AT89C51单片机的智能仪表设计与实现D泸州职业技术学院20088 薛文法，李峰雨天智能自动关窗装置J技术与市场Technology and Market2009（07）9 杨度城风速传感器介绍D哈尔冰工程大学200710 何云武风向风速传感器的原理及其
16、检测昆明空管中心技术保障部气象设备室J 2004(01)：1711 张为民温湿度测控系统中的智能控制器研制 J西北民族大学学报(自然科学版) 2004（02）：32-3312 郁红CMOS兼容的风速传感器和系统电路的设计J兰州大学 ，2007：77-7813 刘丽由AT89C51/55构成的温湿度自动监测系统D200514 英国Radio-tech公司Ecosense温湿度传感器J传感器世界2010（1）15 杨维，吕振，于健，周立风窗自动监测与调节系统PID参数的整定及有关性能的研究阜新矿业学院电气工程系D199516 徐本财，鲍宇基于威驰轿车电动车窗自动关窗装置的设计J 黑龙江工程学院汽车
17、系200832-3417 王晓栋一种教学实验用风速测量系统的设计 D浙江理工大学信息与电子学院2008研究方案：2.1系统设计思想对于单片机系统来说，要想其能够可靠的工作，具有良好的性能，硬件设计是最为关键的地方之一。硬件就好比系统的骨架，只有硬件具有了高可靠性，才能支撑起软件良好实现系统所要达到的功能。正是由于硬件系统的这种特殊地位，所以在硬件的设计过程中必须有一个可靠的设计原则。针对本系统的功能特点、应用范围和市场需要，在本系统的设计中的基本设计原则如下：1、可靠性高高可靠性是系统应用的前提。在系统设计的每一个环节，都应该将高可靠性作为首要的设计准则，系统一旦失去了可靠性也就失去了产品的生
18、命力。因此，针对系统在具体使用过程中可能存在的情况根据理论原理对系统的设计方案深刻论证严格把关。2、性能价格比高此自动关窗系统具有体积小、速度快、功耗低等特点，并且集成了丰富的硬件资源，具有很高性价比。在设计硬件时，尽量地做到简化设计，减少元器件的使用数量，提高复用度。3、功能完备，操作简便，高度人性化强大、完备的功能将受到更多用户的欢迎，显著增加产品在市场上的竞争力。实现功能完备的同时，系统的操作使用上，尽量做到简单、方便，高度的人性化。比如说设防时只需要拨动一个按键就可以，系统状态全面直观，一目了然。4、功能可扩展一个有广泛使用性和强大市场生存力的系统必须在系统设计时考虑以后系统的可扩展性
19、。能够实现不用改变或者改变很少即可用于其它的场合，或者根据要求能够增加系统的处理能力，使系统具有良好的可升级能力。只有具备可扩展性，产品才能够在市场上长时间的存在下去，否则会很快的被市场所淘汰。因为这样的产品属于阶段性产品，只能满足社会某个特定时期的要求。本系统的设计充分考虑到了以后的系统升级需要。 5、模块化设计根据本系统是用于自动关窗的这一应用目的，系统尽量使用模块化设计，实现模块化积木式组合与拆分的功能，便于以后的升级换代，减少二次投资，可以满足家庭使用的重要性和复杂度以及使用对象对功能和价格的选择。2.2自动关窗系统的总体构成根据系统拟达到的总体功能，自动关窗系统划分为以下功能模块：前
20、端信息采集模块、核心控制模块、执行功能模块和太阳能供电模块。系统组成框图如图1所示。图1 系统方框图单元模块的组成及功能如下：1、前端信号采集模块由两个传感器和其调理电路组成。作为整个系统的最前端，完成采集天气温湿度和风速信号的工作。风速传感器和温湿度传感器将接收到的模拟信号通过A/D转换变成数字信号送入信息处理模块中，即单片机。（1）TF-A1电流输出风速传感器 （如图2）图2 TF-A1电流输出风速传感器产品特点为：体积小巧，携带方便，安装简捷，测量精度高，量程宽，稳定性好，结构设计合理，外观质量佳，数据信息线性度好，信号传输距离长，抗外界干扰能力强，外型小巧轻便，便于携带和组装，三杯设计
21、理念可以有效获得外部环境信息。 （2）温湿度传感器BR-500HT（图3）图3 温湿度传感器BR-500HT产品特点:测量范围宽、精度高、线性好、反应快、安装方便、外型美观。2、核心控制模块（图4）采用单片机AT89C51与各模块之间进行数据交换和过程控制。它是整个系统的“心脏”，由它来接收环境信号并控制、协调各功能模块的正常工作，考虑到系统的功能性、经济性等因素，采用的是低端的、性价比较高的AT89C51单片机。图4 AT89C51单片机3、执行功能模块本系统采用一般的小型电机配合齿条或者丝杠模拟执行行关窗动作，小型电机收到单片机发出的控制信号后驱动丝杠旋转，带动关闭窗户。4、太阳能供电模块
22、(1) 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本直接决定整个系统的质量和成本。(2) 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。(3) 电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出
23、来。2.3系统的预期效果系统的温湿度传感器实时采集窗外的湿度和温度以判断是否是下雨天，或者天气温度太低，安装在窗外的风速传感器可以判断风速大小，主机安装在窗内，当系统正常工作时，一旦采集信号大于设定值，主机立即向电机执行机构发送信号，接到信号后，经过步进电机控制器控制电机旋转指定转，蜂鸣器发出声响，指示灯点亮，系统自动实现关窗动作。整个系统利用太阳能电池进行供电节能又环保。毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注1开题报告2月23日3月18日2硬件的选择和论证3月19日3月25日3硬件电路的设计3月26日4月1日4硬件的制板和组装4月2日4月15日5硬件的调试4月16日4月22日6软件的设计4月23日4月29日7软件的调试4月30日5月14日8综合调试5月15日5月21日9论文完善和答辩准备5月22日答辩指导教师意见：查阅资料比较全面，思路清晰，同意开题，请抓紧时间实现各部分的功能。指导教师签名： 审核日期： 2010 年 3 月 18 日
