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基于MSP430的智能窗户设计

2020-03-04 23:27智能家居 人已围观

简介本文讨论了一种基于MSP430 的智能窗户设计方案,利用各种传感器感知外界环境的变化并收集数据,用ZigBee 组网的方式传送数据,MSP430 处理接收到的数据以智能控制窗户的开关,该智能...

  本文讨论了一种基于MSP430 的智能窗户设计方案,利用各种传感器感知外界环境的变化并收集数据,用ZigBee 组网的方式传送数据,MSP430 处理接收到的数据以智能控制窗户的开关,该智能窗户能够实现防风雨、防强光、防气体中毒和反馈调节控制等功能。
  
  1总体设计方案
  
  本设计是以 MSP430 为控制核心,并与各种传感器相配合工作的智能窗户。系统的主要模块包括:核心控制模块即MSP430、传感器模块、通信模块,此外还有限位开关和步进电机以控制窗户的开关,同时还可以显示相关温度、湿度、光照强度等数值,达到设置的设定的阈值还可以进行报警提示。
  图 1 系统总体结构框图
  图 1 系统总体结构框图
  
  2硬件设计
  
  2.1核心控制模块
  
  本设计采用 MSP430 作为核心控制模块。它具有丰富的寻址方式、简洁的 27 条内核指令、大量的模拟指令和寄存器以及片内数据存储器,片内资源丰富,可参加多种运算, 这些特点保证了可编制出高效率的源程序,因而有很强的处理能力,同时,16 位的数据宽度、40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合,使得其运算速度快,还有值得一提的是,其独特的时钟系统设计使其超低功耗,这些相比于STC89C51 都是很大的优势,因此选用 MSP430 作为控制模块更优。
  
  2.2传感器模块
  
  2.2.1温湿度传感器
  
  本设计选择 HTU21D 温湿度传感器,其具有多样化的输出方式、较宽的工作电压范围、很高的温度精度和湿度精度, 是一款品质良好、响应速度较快、抗干扰能力强、性价比高、低功耗小体积的传感器。该传感器把外界环境中的温度、湿度通过敏感元件,测量到温湿度后,转换元件将敏感元件的测量信息按照一定的规律转换为适于传输和测量的电信号输出,输出经过标定的数字信号、标准 I2C 格式,使再采集到的温度湿度与所设定的参考值对比,外界环境的温湿度过高或者过低时,主控芯片就会发出指令控制限位开关和步进电机,从而使窗户适当的开关以营造一个舒适的环境条件。
  
  2.2.2光照强度传感器
  
  本设计采用具有线性度好、防水性能好、可靠性高、抗干扰能力强等特点的 GY-30 光照传感器,可以由该传感器感知光照强度强弱,当外界光照过强时候便自动关闭窗帘,或者在自己设定的一定时间内若室内光照强度太低也可以拉开窗帘让室内变得明亮。
  
  2.2.3风雨传感器
  
  风雨传感器可以实时监测室外风速、雨量的变化,当监测到的风感、雨感达到所设定的风速或降雨量时才发出感应信号传递给主控模块产生关窗指令使窗户自动关闭,风感部分采用不锈钢双轴承结构,灵敏度高,风光雨强度调节精度高且反应灵敏、准确度高。
  
  2.2.4燃气探测器、烟感探测器
  
  燃气探测器采用的是高质量的气体传感器、微处理器并结合精密的温度传感器,烟感探测器是一种技术先进、工作稳定可靠的离子式烟雾传感器,两种传感器环境适应范围宽, 工作稳定,采用吸顶安装方式,简单方便,使用广泛。当环境中可燃气体浓度或烟雾浓度达到所设定阈值时,燃气探测器或烟感探测器在发出报警信号的同时也把数据传送给主控模块进行处理,从而控制窗户的开关,这样可以有效的降低安全事故的发生率,减少损失。
  
  2.3通信模块
  
  目前已有的通信模块有 WiFi 模块、ZigBee、GPRS、无线透传模块。本设计采用 ZigBee 作为通信模块,ZigBee 技术是一种短距离、自组织、低功耗、低数据速率和低成本的双向无线通信技术。主要运用于短距离、低功耗且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用,非常适用于家用电器和小型电子设备的无线控制指令传输,而WiFi 模块适合大数据量,稳定性相对较差,因此此处选用 ZigBee。
  
  3软件设计
  
  本设计的思路是通过各个传感器检测周围环境的变化, 将检测到的数据输入 MSP430 单片机内,由该单片机判断并执行相应操作以控制外部设备。整个程序的过程分模块进行, 让程序的可读性得到增加,能够实现分块调试。
  
  接通电源后,MSP430 单片机开始工作,不断对接收到的数据进行分析处理。温湿度传感器、光照强度传感器、风雨传感器、燃气探测器、烟感探测器等传感器模块将检测到的温度、湿度、光照强度、烟雾和可燃气体浓度等信号利用ZigBee 技术传入到单片机中,作为控制窗户和窗帘的开关、报警的参考数据,并且显示具体数值,同时窗框的限位开关通过控制步进电机正向和反向旋转,智能的实现窗口的切换。烟雾传感器检测到烟雾浓度超过设置的一定值,电机自动转动打开窗户直到房间内烟雾低于设定值为止,同样的原理, 风雨传感器检测天气有无明显变化,红外检测模块检测光照是否过强或者过弱,即检测到不正常数据才能执行开窗或者关窗命令,其他传感器也与之类似的工作流程。
  图 2 软件流程图
  图 2 软件流程图
  
  4总结
  
  为了改善人们的周围环境,更好的生活工作与学习,本设计以普通的窗户为基础,通过传感器实现对外部环境变化的监测,利用ZigBee 传输数据到核心控制板,由单片机控制电机和开关的运动从而实现对窗户的控制,最终达到窗户智能化的效果,使其具有较高的实用价值和广阔的应用前景。

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