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基于嵌入式系统的智能门窗设计

时间:01-25 来源:现代电子技术 点击:

引言

  随着21世纪信息化时代的到来,社会信息化和家居智能化也呈现出了蓬勃发展的趋势,越来越多的家庭开始追求高质量、高科技舒适安全的家居生活,充分享受由信息时代带来的生活上的便利。作为智能家居系统的子系统--智能门窗,是在传统住宅的基础上,综合利用传感器技术、计算机技术、现代通讯技术和自动控制技术等,实现了门窗各种信息的采集、传输、处理和控制。安全舒适的家居环境是实现家居智能化的基础和前提,而门窗作为家庭与外界互通的门户,起着尤为关键的作用,实现门窗的智能化是智能家居的第一步,也是非常重要的一步。

  1 系统的总体设计

  智能门窗属建筑领域的附件,它包括智能控制系统和门窗开关装置以及报警系统。该智能门窗实现的主要功能是当室内燃气泄露,CO和CO2含量过高,甲醛、苯等有毒物质超标时,能够控制窗户自动打开,让空气形成对流,并启动排风扇向室外排出有害气体,当室外环境不允许开窗时(比如风雨和沙尘天气)由风光雨传感器传输信号到主控系统,使其发出指令关闭窗户,同时整个系统将以排风扇工作为主。如果状况仍未缓解,则启动警报装置。

  整个系统由主控芯片、各种传感器、报警器终端,以及机械传动装置组成,控制芯片和传感器等直接固定在门窗上,而报警终端则可固定在室内墙壁或容易引起主人警觉的地方。系统结构如图1所示。

  1.1 LPC2136微控制器概述

  LPC2136是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU微控制器,它带有256 KB嵌入的高速片内FLASH存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。

  P0.27~P0.30为LPC2136的A/D转换器输入端,作为风光雨模拟信号、温度模拟信号和有害气体检测信号等的模拟输入端,分时段扫描查询这几个模拟量,并将风光雨模拟信号、有害气体模拟信号等做A/D转换后显示在LCD显示单元上。风光雨传感器输出的信号非线性误差较大,并对温度敏感,本文设计了专用的放大、处理和补偿电路对其信号进行处理和补偿,使其输出的模拟量基本达到线性。实测证明可达到5%的误差,这对于一般的监控已可以满足要求。

  1.2 感应系统硬件设计

  该部分主要以传感器为采集信号手段,经转换元件将采集到的信号进行加工,使采集到的模拟信号能够被主控制芯片识别,结构框图如图2所示。

  1.3 有害气体检测模块

  居室里的空气是由多种气体混合而成的,对人体有害的物质主要是CO2、CO、煤气、有害化学物质(如甲醛、苯类等)以及可吸入颗粒及附着在其上的病菌等,这些有害物质的浓度过高时会对人体造成危害。

  有害气体检测电路,如图3所示。在该电路中主要用气敏传感器实现"气-电"转换,在正常情况下,气敏传感器不接触有害气体或有害气体浓度很低时,气敏传感器两端呈现高阻状态,检测到的信号小,不能驱动后级电路而使其工作。反之,检测信号变大,从而驱动开窗器和排风扇工作,及时报警,并尽可能地排除有害气体。

  (1)一氧化碳传感器。选用深圳富安达公司的CO/MF-500型电化学传感器,当环境的CO浓度发生变化时,电化学方程的平衡产生移动,输出的电流发生相应的变化。该传感器量程为0~500 ppm,分辨率为1 ppm,线性输出,并且过滤了H2S和SO2气体,测量精度较高。

  (2)甲醛传感器。选用深圳市富安达公司的S-10电化学传感器,测量范围为0~10 ppm,最大负载为50 ppm,输出信号为800 nA/ppm,分辨率为0.05 ppm,响应时间小于50 s,可在高湿度等恶劣环境下工作。

  (3)烟雾传感器。选用深圳市商斯达公司的离子室烟雾传感器,电源电压为直流6.0~18.0 V,输出电压为(5.6±0.4)V,灵敏度为(0.6±0.1)V,温度为-10~+60℃。

  气体传感器需要用导线引出,同时控制器需要一组12 V(DC,500 mA)的电源供电。由于气体传感器需要电源预热,功耗较大,+5 V电源下约需150 mA电流。本文采用一个LM7805三端稳压器供电,同时加上适当的散热器,以保证长时间可靠稳定的工作。实践证明,它对温度和湿度测量是准确和迅速有效的,对气体的检测也十分敏感,遇到有危险气体时能可靠地发出报警和自动接通风扇排风,为人员的安全起到高灵敏度的检测和保护作用。

  1.4 风光雨感应系统设计

风光雨传感器是一种集多种传感器于一身的多功能传感器,它可以自动检测风力、光线强度、雨量大小,为窗户的开启控制提供依据,这里选用深圳卓灵公司的ZF-WRR型风光雨传感器,其工作电压为直流12 V;工作电流为0.1 A;风感器可设定风速值为1~4级,范围为3~20 km/h;雨感器可设定范围为1~5 mm/

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