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                    單片機節能窗的自動控制功能的研發

                    添加時間:2020/07/02 來源:浙江工商大學 作者:嚴彩娟
                    本論文主要針對湖州旭偉節能門窗有限公司早期產品遇到的問題,如節能保溫效果較差、控制方式比較單一,不能實現遠程控制及成本過高等,設計一種能實現自動控制、手動遙控和手機短信控制的節能窗控制系統。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      本論文主要針對湖州旭偉節能門窗有限公司早期產品遇到的問題,如節能保溫效果較差、控制方式比較單一,不能實現遠程控制及成本過高等,設計一種能實現自動控制、手動遙控和手機短信控制的節能窗控制系統。本文主要完成了如下工作:

                      1. 采用 ATmega8 芯片開發了節能窗主控制器,設計了節能窗主控制電路、溫濕度和光照度采集電路、百葉窗卷簾電機驅動電路、百葉窗步進電機控制電路,研究了一種模糊控制方法以調節百葉窗翅片開度,編寫了節能窗控制程序,實現了節能窗自動控制功能。

                      2. 采用 STC15W201S 單片機設計了遙控電路,編寫了 433MHZ 射頻通信和控制程序,實現了節能窗卷簾的手動遙控功能。

                      3. 采用 MiniSTM32 單片機開發板、SIM900A GSM 通訊模塊,編寫了短信收發程序和人機界面程序,結合節能窗主控制器實現節能窗手機短信控制功能,以及密碼設置,模式設置和控制設置等功能。

                      4. 最后對節能窗進行了性能測試,對節能指標和節能性能進行了分析;并對本設計進行了總結和展望。

                      關鍵詞:節能窗,單片機,模糊控制,GSM,射頻通信

                    單片機節能窗

                    ABSTRACT

                      This thesis is mainly aimed at the problems encountered in the early products of Huzhou Xuwei Energy-saving Doors and Windows Co., Ltd., such as poor energy saving and heat preservation effect, simple control mode, unrealizable remote control and high cost. In this thesis, it aims to design an energy-saving window control system that can realize automatic control and remote manual control, and meanwhile a control system of energy-saving doors and windows based on GSM remote mobile phone text message control. The main contributions are as follows.

                      1. The main controller of energy-saving window was developed by using ATmega8 chip. The main control circuit of energy-saving window, temperature and humidity acquisition circuit, illumination acquisition circuit, shutter motor drive circuit and shutter motor control circuit were designed for it. A fuzzy control method was proposed to adjust the opening of louvered fin. The control program of energy-saving windows was written to realize the automatic control function.

                      2. The remote control circuit was designed by STC15W201S single-chip microcomputer, and also the 433MHZ radio frequency communication and control program were written to realize the manual remote control function of the energy-saving window roller blind.

                      3. Using MiniSTM32 MCU development board, SIM900A GSM communication module, writing SMS(Short Messaging Service) sending and receiving program and man-machine interface program. It combined with energy-saving window main controller to realize energy-saving window SMS control function, password setting function, mode setting and control setting function, etc.

                      4. Finally, the performance test of energy-saving windows was carried out, and the energy-saving indicators and energy-saving performance were analyzed. And also a conclusion and expectation were made in the last part of this thesis.

                      KEY WORDS: energy saving window, single chip microcomputer,fuzzy control, GSM, radio frequency communication

                    目 錄

                      第一章 緒 論

                      1.1 課題研究的背景

                      隨著工業和科技的日益發展,如今日人類社會和環境、能源的矛盾也日益突出。環境污染,能源緊張,都讓我們不得不更加地重視節能減排,并且將之視為貫穿社會生活方方面面必須做好的工作任務[1].

                      現階段,在我國社會的總能耗中,其中有很大一部分能耗是建筑能耗,占了很大比例。根據第十一屆科學技術協會公布的數據,這個比例已經高達 27%[2],占了近三分之一,而建筑能耗一半以上是采暖、空調的能耗。根據調查,將建筑的能耗主要分成七類,統計如圖 1-1 所示。在建筑的圍護結構中,各部件的傳熱系數數據相比較,窗的熱損耗占建筑總熱損耗 24%[3],幾近總能耗的四分之一。窗既是熱量散失的敏感部位,又關系著采光、通風、隔聲、立面造型。在目前的建筑物中,追求更好的通風和采光效果,更好地打造建筑的造型和特色,現代建筑運用了大量的玻璃窗設計,以至窗的熱損失占建筑的總熱損失比重更大[4].因此窗節能是建筑節能的關鍵,這就對窗的節能提出了更高的要求。

                      窗不僅是建筑物的重要組成部分,承擔采光、通風、圍護、觀景等重要功能,也直接影響著建筑室內的環境,是重要的家居之一。窗融入人們的生活中,時刻關系和影響著人們。再加上快速發展的現代科技,不斷提高的生活水平,促使人們追求更高的生活品質,渴望更健康的生活、更舒適安全的環境,F有窗在保證基礎功能的同時,也存在很多的不便和不足,比如出門在外,突降大雨,沒法及時趕回家關窗等等。隨著大數據[5]、物聯網、云技術、4G 技術等科技的快速發展,移動終端如智能手機、平板電腦等的應用和廣泛普及[6],讓人們的工作和生活越來越便捷。人們也迫切希望能解放人力、改善生活品質的節能窗。

                      該課題來源于湖州旭偉節能門窗有限公司,為貫徹國家環保方針政策,實現節能減排目標,滿足人們的生活需求。該公司致力于窗戶在節能技術上的改進,引領我國的窗戶行業加速邁入"節能時代",提高人民的生活質量水平。

                      1.2 國內外關于節能窗研究的現狀

                      現在節能環保越來越受重視,人們在節能產品的研發方面也有了很大的突破。

                      Dr.Th.Krass 等研究者通過把氧化鎢薄膜沉積在半透明的金屬層(Cr,Ag)上,在1953 年發現了稀硫酸溶液中陰極著色現象[7].這是人們在節能窗材料研究方面取得的重大突破,從此人們開始了對節能窗材料的研究。初期的西方建筑,其門窗主要以通風、采光為主,追求美觀,大多使用單層玻璃,隔熱、保溫等熱工性能比較差[8].隨著能源危機的爆發,人們也越來越關注環保節能問題,門窗的設計也越來越注重熱工性能。表1-1是二十世紀國外節能門窗功能性能要求和技術變化[9].

                      西方發達國家對節能窗的研究比較早,我國近幾年才開始這方面的研究,很多節能技術相對比較落后,先進的技術需要從國外引進。但是無論是在西方發達國家還是在國內,在節能窗的設計中,都會突出考慮窗的功能性和節能性,以求窗的傳熱系數、窗墻比、氣密性等方面的最佳平衡。就窗的保溫性能而言,一般用傳熱系數(UtValue) K 表示:K 值越小,傳熱就越;K 值越大,則傳熱越大[10].

                      從上世紀九十年代至今,國內外節能窗就傳熱性能效果的發展進度做了個橫向比較,具體如表 1-2 所示[11].

                      通過上表的數據對比,國外從上世紀七十年代開始節能門窗研究,比我國早了十多年,經過三四十年的發展和改進,國外窗的傳熱系數有了很大的提升。國外發達的物聯網技術,可以自動防風和防雨,這也讓節能門窗進一步推廣到家庭終端成為了可能。雖然目前因為節能門窗價格高昂,家庭的使用量還很小,并未普及。我國的節能門窗發展相對緩慢,雖然較九十年最初時期有了顯著進步,但與歐美國家還是有很大差距,就傳熱系數 K 值而言,只達到歐美的發展中期水平。

                      此外,發達國家節能窗企業對節能窗的檢測方法也比較先進,如北美使用監控箱法和標定箱法[12],還研發出了更新型的節能智能玻璃:通過低電壓的輔助控制,可以自動調節玻璃顏色的深淺的節能玻璃。利用玻璃不同顏色對光的透過率和吸收率不同,改變室內太陽光的入射量,影響采光和隔熱,同時也使得它在不同的季節都能取得更佳的節能效果[13].而且發達國家節能窗企業已生產有兼具防熱與保溫的多功能節能窗,這在一定程度上解決了采光、通風、防熱、保溫等功能的兼顧。節能窗作為智能家居的一種,發達國家對它的控制方法也進行了相應的研發并形成一定的控制系統,如美國的 X-10 控制系統,德國的 EIB 控制系統[14]

                      都已經應用到實際中去。

                      我國從事節能窗研究和生產的企業不多,中小企業為主,缺少龍頭企業。企業的規模和實力,一定程度上制約了研究和創新的進一步深入。我國現階段節能窗在功能、技術、安全、壽命等各方面的不足,而且控制方式較單一且沒有統一的控制系統。使得其沒法普及到家庭市場,僅局限于高檔住戶、寫字樓和賓館等特定場所。

                      1.3 課題研究的意義

                      隨著節能窗等概念的推廣和深入,人們對節能窗的認知和需求也越來越深入和迫切,這將是一個非常有前景的市場。

                      節能窗,不僅要兼具窗的基本功能:通風、采光等,還需要實現智能化控制,以及舒適性、靈活性、節能性甚至是個性化等,因此節能窗的設計很重要很復雜,制作成本高,價格昂貴,F有的節能窗功能尚不完善,性能也不穩定,還不能完全做到安全、舒適、節能、便捷。目前節能窗只用于部分高檔住戶、高級賓館等少數場所,并未惠及普通家庭。

                      人們不斷探索節能窗新的邊界,也不斷嘗試新的設計和更優化的方案,在提高節能窗的性能、增加穩定性、降低成本以及更廣的應用性等方面一直在努力。

                      本文希望設計一款基于單片機的節能窗?刂葡到y可以運用光照、溫度、濕度等條件的變化,讓窗自動開關閉合,實現窗的自動控制、手工控制以及遠程控制。

                      此控制系統成本低廉,結構簡單,性能穩定,如果能實現和推行,可以大大提高節能窗的實用性,并可應用于普通家庭,讓人們真正享受到節能窗帶來的舒適、便捷和安心,既提高生活品質,又高效節能。

                      1.4 論文的主要研究內容

                      本文以公司實際背景展開工作,主要以節能窗為控制對象,綜合應用了自動化控制技術的相關專業知識,研究一套基于單片機的節能窗控制系統設計。在本論文中,對具體的章節和內容做以下安排:

                      第一章:概述本課題研究的起始,了解目前國內外在節能窗的發展技術和現狀,并對國內外節能的效果進行比較,確定本文研究的必要性和意義。

                      第二章:本章首先對公司現有節能窗存在的問題進行了分析,得出本系統節能窗設計需求,在對窗體結構需求和節能材料的選擇進行確定后,設計了節能窗控制系統的方案,并分別對其中硬件系統的主要模塊進行分析與選型,對軟件系統的主要平臺進行介紹。

                      第三章:本章主要對自動模式下百葉窗的模糊控制的基本原理進行了詳細的介紹。首先,介紹了節能窗的自動控制策略系統。系統采用的是模糊控制電路,從模糊控制器的輸入輸出變量設計、模糊化方法的確定、確定模糊規則及去模糊處理,得出光照度與百葉窗開度的關系。其次,介紹了人工模式控制策略,分析了遙控器控制方式的通信技術選擇和手機短信 GSM(全球移動通信系統 GlobalSystem for Mobile Communication)通信系統的特點和 ATK-SIM900A 控制協議進行介紹。最后,PWM 工作原理的分析和對百葉窗卷簾位置控制設計。

                      第四章:本章主要是對硬件系統的具體實現,對節能窗系統硬件模塊電路進行詳細的分析,分別對電機驅動電路的設計、電源模塊的設計、溫濕度采集模塊的設計、光照度采集模塊的設計和人機交互通訊模塊的設計進行了介紹。

                      第五章:本章主要是設計了節能窗的軟件控制系統,分別通過了自動控制、遙控控制和手機短信控制三方面程序的設計,并進行了詳細的分析。

                      第六章:本章主要對節能窗系統硬件和軟件控制系統進行了性能的測試,主要進行了節能窗的智能性能檢測、遙控性能檢測、人際交互測試和保溫及節能性能測試。經過測試后,有效實現了系統設計方案。最后,還與節能窗知名品牌墅標同類節能窗在性能和技術方面進行了對比,也可得出本設計的節能窗達到預期的效果。

                      第七章:本章對本設計節能窗取得的實踐結果進行總結,并提出系統設計中的創新點和不足,以及對未來的展望。


                      第二章 節能窗的設計目標與內容
                      2.1 企業現有節能窗控制系統存在的問題
                      2.2 系統設計要求
                      2.3 節能窗窗體結構設計目標
                      2.3.1 窗戶節能因素分析
                      2.3.2 節能窗電機結構需求
                      2.3.3 節能窗窗體結構設計
                      2.3.4 節能材料選擇

                      2.4 節能窗總體設計
                      2.4.1 節能窗控制系統硬件設計
                      2.4.2 節能窗控制系統軟件設計
                      2.4.3 控制系統硬件主要模塊選型
                      2.4.4 控制系統軟件主要平臺介紹
                      2.5 本章小結

                      第三章 節能窗的控制策略研究
                      3.1 自動模式下百葉窗模糊控制策略
                      3.1.1 百葉窗工作環境設計
                      3.1.2 模糊控制基本原理
                      3.2 自動模式下百葉窗模糊控制器的設計
                      3.2.1 模糊控制器輸入輸出變量設計
                      3.2.2 模糊化方法的確定

                      3.2.3 確定模糊規則
                      3.2.4 去模糊處理
                      3.3 人工模式下百葉窗卷簾控制策略
                      3.3.1 遙控通信方式選擇
                      3.3.2 GSM 手機短信控制
                      3.3.3 百葉窗卷簾電機調速控制
                      3.4 本章小結

                      第四章 節能窗控制系統硬件設計
                      4.1 主控制器硬件設計
                      4.1.1 Atmega8 單片機引腳及功能介紹
                      4.1.2 卷簾電機驅動電路的設計
                      4.1.3 百葉窗步進電機控制電路設計
                      4.1.4 電源模塊的設計
                      4.1.5 環境參數采集模塊設計

                      4.2 人機交互及短信通訊電路設計
                      4.2.1 觸摸屏顯示控制設計
                      4.2.2 短信通訊電路設計
                      4.3 遙控電路設計
                      4.4 433MHZ射頻通訊模塊接口電路設計
                      4.5 本章小結

                      第五章 節能窗軟件控制系統設計
                      5.1 軟件主程序設計
                      5.2 主控制器自動控制程序設計
                      5.3 節能窗遙控器控制程序設計
                      5.4 節能窗人機交互程序設計
                      5.5 本章小結

                      第六章 節能窗控制系統實驗測試
                      6.1 樣機的制作
                      6.2 節能窗實物測試
                      6.2.1 智能性能的測試
                      6.2.2 遙控控制測試

                      6.2.3 觸摸屏顯示測試
                      6.2.4 手機短信測試
                      6.2.5 保溫和節能性能測試
                      6.2.6 節能窗性能技術與同類系統比較
                      6.3 本章小結

                    第七章 結論與展望

                      7.1 結論

                      本次設計了節能窗的控制系統,主要是解決湖州旭偉節能門窗有限公司早期產品遇到的問題,而進行了整個節能窗的方案設計。通過對節能窗的控制策略的研究,論證了控制方案的可行性。最后,通過節能窗的系統的硬件設計制作,以及節能窗控制系統的控制程序設計與編寫,對節能窗從窗體的設計到性能進行了測試,初步驗證了該系統智能性能的穩定性和可靠性。主要研究成果如下:

                     。1)能實現通過傳感器模塊對環境溫度、濕度和光照度的數據采集,運用了模糊控制方法,驅動百葉窗步進電機控制百葉窗翅片的開度,實現自動化控制。

                     。2)利用 433MHZ射頻通信技術,通過無線遙控器來控制百葉窗卷簾整體的上升、下降和模式的切換的功能,實現手動控制。

                     。3)通過手機短信實現遠程控制,手機發送指令就可以控制百葉窗卷簾整體的升降狀態和模式的切換功能,而且能把執行的結果以短信方式回復到手機上,實現人機交互通訊。

                      7.2 展望

                      本設計具有良好的保溫、隔音性能,控制多樣化,其技術水平達到國內領先水平,超出國家節能標準,滿足人們對于自動控制產品的需求,適用于房地產新開發房產和舊建筑物窗戶替換等。本設計產品成本在 200 元/平方米左右,預計市場銷售可達 300-400 元/平方米左右,因此具有很好的市場應用前景、經濟效益和社會效益。

                      在本設計研究結果的基礎上,我們將繼續進行研究新型節能窗技術的研究。

                     。1)在技術方面的研究方向如何降低玻璃輻射(比如研發出低輻射的窗玻璃),如何提高中空玻璃的絕緣性(比如發現更適合中空玻璃的惰性氣體),如何利用自然條件實現節能(比如暖邊技術和陽光控制膜玻璃),窗體的每個部位都是有節能點,整窗考慮是重點。

                     。2)在自動控制方面的研究方向如何自動監控燃氣(比如能自動檢測煤氣等有害氣體,一旦檢測到,智能控制臺中的處理器會對窗戶做出指令,讓其窗戶開窗并開啟風扇排氣,同時向主人和物業發出警報);如何自動檢控火災(比如萬一發生火災,傳感器能及時檢測到煙霧訊號,智能控制器能自動開啟門窗,發出警報,及時將險情傳報給主人和 119消防系統);如何防止小孩墜樓(比如傳感器自動檢測人體信息,如有小孩靠近非安全區,窗戶自動關閉,確保孩子的人身安全)。

                      參考文獻
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                    致 謝

                      在浙工大這短短的幾年學習時間里面,不僅收獲了知識,也收獲了友情和快樂;叵肫鹧芯可碚搶W習和畢業設計的道路上得到了老師和同事的幫助,我要誠摯地向他們表示感謝。

                      首先感謝我的導師徐建明老師,徐老師為人和藹,平易近人,在論文選題、系統設計、論文寫作方面給與了我很多幫助。在書寫論文期間,有問題向徐老師提問,徐老師都會及時且詳盡的向我解釋和幫助,傾注了大量的心血和汗水。他嚴謹研究的研究態度和一絲不茍的精神使我終身受益,而他廣博的知識和深厚的學術素養則是我接下去學習的目標。在這里,讓我再一次對徐老師表示感謝!

                      其次要感謝浙江信息工程學校的領導和同事,特別是姚志恩老師,姚老師在系統設計和論文思路上給與了我很大幫助,及時解決了論文寫作上的難題。還有在系統軟件設計時,司杰老師給了很大的支持和幫助。衷心的感謝你們的幫助!

                      還要感謝我的家人為我的付出,感謝你們這段時間對我的包容和支持,讓我能專心學習和研究,并最終完成系統。

                      最后向論文評審的專家和老師們致敬,感謝你們的指導與批評!

                    (如您需要查看本篇畢業設計全文,請您聯系客服索。

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