基于单片机的节能窗控制系统设计

序号（学号）：

XX 大 学

毕 业 设 计（论 文）

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

┊ ┊

基于单片机的节能窗控制系统设计

姓 名 学 院 专 业 班 级 指导教师

2020 年 5 月 29 日

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

基于单片机的节能窗控制系统设计

摘要：本论文主要针对一些节能门窗遇到的问题，如节能保温效果较差、控制方式比较单一，不能实现远程控制及成本过高等，设计一种能实现自动控制、手动遥控和手机短信控制的节能窗控制系统。本文主要完成了如下工作： 首先是采用 ATmega8 芯片开发了节能窗主控制器，设计了节能窗主控制电路、温湿度和光照度采集电路、百叶窗卷帘电机驱动电路、百叶窗步进电机控制电路，研究了一种特殊控制方法以调节百叶窗翅片开度，编写了节能窗控制程序，实现了节能窗自动控制功能。然后采用 STC15W201S 单片机设计了遥控电路，编写了 433MHZ 射频通信和控制程序，实现了节能窗卷帘的手动遥控功能。最后采用 MiniSTM32 单片机开发板、SIM900A GSM 通讯模块，编写了短信收发程序和人机界面程序，结合节能窗主控制器实现节能窗手机短信控制功能，以及密码设置，模式设置和控制设置等功能。

关键词：节能窗；单片机；控制；GSM；射频通信

i

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

Design of energy saving window control system based on

single chip microcomputer

Abstract: This paper mainly aims at some problems of energy-saving doors and windows, such as poor energy-saving and thermal insulation effect, single control mode, unable to realize remote control and high cost, and designs an energy-saving window control system which can realize automatic control, manual remote control and SMS control. The main work of this paper is as follows: firstly, ATmega8 is used The main controller of energy-saving window is developed. The main control circuit of energy-saving window, the collection circuit of temperature, humidity and illumination, the drive circuit of shutter rolling motor and the control circuit of shutter stepping motor are designed. A special control method is studied to adjust the opening of shutter fins, and the control program of energy-saving window is compiled to realize the automatic control function of energy-saving window. Then, the remote control circuit is designed with stc15w201s single chip microcomputer, and 433MHz RF communication and control program is compiled to realize the manual remote control function of energy-saving window roller shutter. Finally, using ministm32 single chip development board and sim900a GSM communication module, the short message receiving and sending program and human-machine interface program are compiled. The main controller of energy-saving window is used to realize the short message control function of energy-saving window, as well as the functions of password setting, mode setting and control setting. Key words: Energy saving window, MCU, Control, GSM, RF communication

ii

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

目录

第1章 绪论 ................................................................................................................ 1 1.1课题研究的背景 ................................................................................................ 1 1.2国内外关于节能窗研究的现状 ........................................................................ 2 1.3有关节能窗窗体结构的设计 ............................................................................ 3 1.3.1窗户节能因素分析 ..................................................................................... 3 1.3.2节能窗电机结构需求 ................................................................................. 3 1.3.3节能窗窗体结构设计 ................................................................................. 4 1.4课题研究意义 .................................................................................................... 4 1.5主要研究内容 .................................................................................................... 5 第2章 总体设计方案 ................................................................................................ 6 2.1系统设计要求 .................................................................................................... 6 2.2节能材料选择 .................................................................................................... 6 2.3节能窗总体设计 ................................................................................................ 7 2.3.1节能窗控制系统硬件设计 ......................................................................... 7 2.3.2节能窗控制系统软件设计 ......................................................................... 8 2.3.3控制系统硬件主要模块选型 ..................................................................... 9 2.3.4控制系统软件主要平台介绍 ................................................................... 13 第3章 节能窗控制系统硬件设计 .......................................................................... 15 3.1主控制器硬件设计 .......................................................................................... 15 3.1.1 Atmega8 单片机引脚及功能介绍 .......................................................... 15 3.1.2卷帘电机驱动电路的设计 ....................................................................... 17 3.1.3步进电机控制电路设计 ........................................................................... 17 3.1.4电源模块的设计 ....................................................................................... 18 3.1.5温湿度及光照采集模块设计 ................................................................... 19 3.2人机交互及短信通讯电路设计 ...................................................................... 24 3.2.1触摸屏显示控制设计 ............................................................................... 24 3.2.2 短信通讯电路设计 .................................................................................. 24 3.3遥控电路设计 .................................................................................................. 25 3.4 433MHZ射频通讯模块接口电路设计 ........................................................... 26 3.5本章小结 .......................................................................................................... 27

I

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

第4章 节能窗软件控制系统设计 .......................................................................... 28 4.1软件主程序设计 .............................................................................................. 28 4.2主控制器自动控制程序设计 .......................................................................... 29 4.3节能窗遥控器控制程序设计 .......................................................................... 30 4.4节能窗人机交互程序设计 .............................................................................. 31 4.5本章小结 .......................................................................................................... 32 第5章 环境保护与社会经济效益 .......................................................................... 33 5.1系统选材对环境的影响 .................................................................................. 33 5.2系统设计对社会可持续发展的影响 .............................................................. 33 5.3系统的经济效益分析 ...................................................................................... 33 第6章 结论与展望 .................................................................................................. 34 6.1结论 .................................................................................................................. 34 6.2展望 .................................................................................................................. 34 致 谢 .......................................................................................................................... 35 参考文献 .................................................................................................................... 36 附录 ............................................................................................................................ 37 原理图 .................................................................................................................... 37

II

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图1. 1 建筑物热量损失比例示意图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

第1章 绪论

伴随着人类社会工业和科技的日益发展壮大，如今人类对环境以及能源的的重视也日渐加强。环境污染，能源紧张，都让我们不得不更加地重视节能减排，并且将之视为贯穿社会生活方方面面必须做好的工作任务。现阶段，在我国社会的总能耗中，其中有很大一部分能耗是建筑能耗，占了很大比例。根据第十一届科学技术协会公布的数据，这个比例已经高达27%，占了近三分之一，而建筑能耗一半以上是采暖、空调的能耗。根据调查，将建筑的能耗主要分成七类，统计如图1-1所示。在建筑的围护结构中，各部件的传热系数数据相比较，窗的热损耗占建筑总热损耗24%，几近总能耗的四分之一。窗既是热量散失的敏感部位，又关系着采光、通风、隔声、立面造型。在目前的建筑物中，追求更好的通风和采光效果，更好地打造建筑的造型和特色，现代建筑运用了大量的玻璃窗设计，以至于在整个建筑总热损失中窗的比重越来越大。因此窗节能是建筑节能的关键，这就对窗的节能提出了更高的要求。

1.1课题研究的背景

窗不仅是建筑物的重要组成部分，承担采光、通风、围护、观景等重要功能，也直接影响着建筑室内的环境，是重要的家居之一。窗融入人们的生活中，

共 38 页 第 1 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

功能要求 窗户结构 传（特点 热系数） 隔绝传热的性能绝热效果明显隔绝传热性好、采光较差 隔绝传热、采光性能有改善 年代 XX 大 学 毕业设计（论文）纸

时刻关系和影响着人们。再加上快速发展的现代科技，不断提高的生活水平，促使人们追求更高的生活品质，渴望更健康的生活、更舒适安全的环境。现有窗在保证基础功能的同时，也存在很多的不便和不足，比如出门在外，突降大雨，没法及时赶回家关窗等等。随着大数据、物联网、云技术、4G 技术等科技的快速发展，移动终端如智能手机、平板电脑等的应用和广泛普及，让人们的工作和生活越来越便捷。人们也迫切希望能人力、改善生活品质的节能窗。

1.2国内外关于节能窗研究的现状

现在节能环保越来越受重视，人们在节能产品的研发方面也有了很大的突破。国外的一众研究者通过把氧化钨薄膜沉积在半透明的金属层（Cr，Ag）上，偶然发现了稀硫酸溶液中阴极着色现象。而这将是人们在节能窗材料研究方面取得的一重大突破，从此人们开始了对节能窗材料的研究。初期的西方建筑，其门窗主要以通风、采光为主，追求美观，大多使用单层玻璃，隔热、保温等热工性能比较差。随着能源危机的爆发，人们也越来越关注环保节能问题，门窗的设计也越来越注重热工性能。表 1-1 是早期国外节能窗功能要求和技术变化。

表1- 1 国外节能窗的功能要求和技术变化 20世纪70年代以前 挡光、挡风遮雨 能耗 单玻 5.4-6.4 单框双玻璃 3.0-4.4 节能、舒适 窗户构造 2.3-2.8 高效节能舒适 单玻 1.8 20世纪70年代 20世纪80年代 20世纪90年代 较差消耗能量大 增强 西方发达国家对节能窗的研究比较早，我国近几年才开始这方面的研究，很多节能技术相对比较落后，先进的技术需要从国外引进。但是无论是在西方发达国家还是在国内，在节能窗的设计中，都会突出考虑窗的功能性和节能性，以求窗的传热系数、窗墙比、气密性等方面的最佳平衡。就窗的保温性能而言，一般用传热系数K表示：K越小，传热越小，能耗越低；K越大，传热越大，能耗越高。从上世纪九十年代至今，国内外节能窗就传热性能效果的发展进度做了个横向比较，具体如表1-2所示。

共 38 页 第 2 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

表1- 2 国内外节能门窗发展进度对比

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

欧洲门窗 年份 77年 84年 2001年 2012年 传热系数 K≤3.5 K≤2.8 K≤1.9 K≤1.0 国内门窗 年份 1993年 1998年 2005年 2012年 传热系数 K≤4.5 K≤3.5 K≤2.7 K≤2.3 1.3有关节能窗窗体结构的设计

1.3.1窗户节能因素分析

在建筑外围结构中，窗的保温性能是最低的。窗的每个部位对窗的节能效果都会有影响。影响窗户节能效果的主要首要原因首先是制窗的型材，不同的型材，热传导系数不同，制成窗后所达到的节能效果也不同。各种型材都有自己的材质特性，能达到的截面设计也不尽相同，截面设计也很大程度上影响着窗的节能效果。影响窗节能效果另一重要因素是玻璃，玻璃占窗体的绝大部分面积，对窗的节能起很大的作用。最后还要考虑窗的密封性，密封性的好差主要取决于密封条的材质和设计。 窗的保温性能由传热系数K 表示，用 K 值的大小来衡量窗户的传热性能，K 值越小，则传热越少。 根据建筑节能门窗工程技术规范要求，节能门窗要求如下：

K≤2.7 W/M2·K（≥4 层建筑） K≤2.5 W/M2·K（≤3 层建筑）

通过上述分析可知，要提高窗户的节能性，必须要提高窗的密闭性能，以及改善材料的保温隔热性能。 1.3.2节能窗电机结构需求

节能窗就是希望它能给人们提供一个舒适的室内环境，给人们的生活带来便捷，所以我们要求节能窗能自动控制，自动控制窗的开度来调节室内的空气流通和室内温度，遇到恶劣的天气能自动控制窗的开和关。这时候我们就需要窗体自带电机来实现。由于窗户本身体积不大，我们对电机结构要尽量简化以及节省空间。窗户是直接关系到人们的生活的质量，因此我们要求该电机能承受过载能力高，可靠耐用、节能高效、振动小和噪音低。

根据上述需求，本设计选用的两个电机进行控制，一个电机用来窗的开度，另一个电机是用来直接控制窗的开和关，这两个电机都需要隐藏于窗体内，不增加窗帘箱的体积，减少力传动的环节，增强直接受力，又可以隐蔽电机，减少电机受外界的干扰，增加整体结构的稳定性和可靠性。

共 38 页 第 3 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

1.3.3节能窗窗体结构设计

窗户和我们的生活息息相关，它不仅为房间提供采光，还装饰房间和环境，提高视觉的美学效果。因此，我们设计节能窗时要考虑实际的采光效果、方便开关和清洁等问题。本设计的节能窗是以普通窗为基础进行的改良窗，具有不占地面面积、结构紧凑坚固、操作简单耐用、启闭灵活方便和刚性强、密封性好、美观新颖等特点。 窗的形状简称窗型，是影响节能窗性能的重要因素。根据实际使用经验和测试，固定窗节能性最好,其次为平开窗，最差的为推拉窗。根据意大利、德国等新推出的概念节能门窗进行本土化设计，本设计节能窗的机械结构采用机械联动的结构进行开启方式的切换，联动执手使得窗户可开可关还可以内倒。内倒能很好地通风和抗风，还能节省空间，方便挂窗帘，对窗户内部结构的磨损也比较小，可以让窗户更耐用。而内开时，可以最大范围地进行空气流通，通风效果好，并且清洗窗户玻璃时

为了更好地提高窗户的保温性，本设计还采用了铝合金保温卷帘，以便实现多重隔热和灵活方便调节叶片角度，减少窗户内外热量交换，达到理想的遮阳采光效果。为实现室内温度的保持稳定，百叶窗的链条的传动装置也被放置于铝合金框架中。

1.4课题研究意义

门窗作为建筑结构中不可缺少的部件，是室内与室外联系的重要环节。这对门窗的使用性能提出极高要求，既要满足防晒遮阳，又要达到采光照明；既需满足防水隔音，又能实现通风换气，同时还需具有一定装饰作用，以提高室内外视觉美感。门窗不仅是调节室内环境舒适度的关键工具，而且也是影响建筑节能的重要因素[1]。在建筑外围护结构中，门窗系统所占其总表面积为，但通过门窗损失的能量是墙体的倍、屋面的倍、地面的多倍，约占建筑围护部件总能耗的。表列出了建筑围护结构中主要部件的传热系数。可见，虽然所占面积比重不大，但门窗却是建筑节能中的薄弱环节，门窗节能巳成为建筑节能的重要组成部分[2]。

本文希望设计一款基于单片机的节能窗。控制系统可以运用光照、温度、湿度等条件的变化，让窗自动开关闭合，实现窗的自动控制、手工控制以及远程控制。此控制系统成本低廉，结构简单，性能稳定，如果能实现和推行，可以大大提高节能窗的实用性，并可应用于普通家庭，让人们真正享受到节能窗带来的舒适、便捷和安心，既提高生活品质，又高效节能。

共 38 页 第 4 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

1.5主要研究内容

本文主要以节能窗为控制对象，综合应用了相关专业知识，研究一套基于单片机的节能窗控制系统设计。在本论文中，对具体的章节和内容做以下安排：

第一章：概述本课题研究的起始，了解目前国内外在节能窗的发展技术和现状，并对国内外节能的效果进行比较，确定本文研究的必要性和意义。

第二章：本章首先对现有节能窗存在的问题进行了分析，得出本系统节能窗设计需求，在对窗体结构需求和节能材料的选择进行确定后，设计了节能窗控制系统的方案。

第三章：本章主要对自动模式下百叶窗的模糊控制的基本原理进行了详细的介绍。

第四章：本章主要是对硬件系统的具体实现，对节能窗系统硬件模块电路进行详细的分析。

第五章：本章主要是设计了节能窗的软件控制系统，分别通过了自动控制、遥控控制和手机短信控制三方面程序的设计，并进行了详细的分析。

第六章：本章主要对节能窗系统硬件和软件控制系统进行了性能的测试，主要进行了节能窗的智能性能检测、遥控性能检测、人际交互测试和保温及节能性能测试。经过测试后，有效实现了系统设计方案。

第七章：本章对本设计节能窗取得的实践结果进行总结，并提出系统设计中的创新点和不足，以及对未来的展望。

共 38 页 第 5 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

第2章 总体设计方案

2.1系统设计要求

本项目主要是现有节能门窗产品遇到的一些问题，结合一些意大利、德国等新推出的概念节能门窗进行本土化设计和改造，在确保性能稳定可靠的前提下，以低成本，易安装为宗旨，设计出一款节能的改进式的具有智能功能的窗控制器。经过学校师生团队和企业讨论确定以下改进的要求：

（1）节能保温方面

主要是通过窗体机械结构密封设计、窗户的双层玻璃和保温百叶窗卷帘三重设计有效隔离室内室外热量的切换从而实现室内保温达到节能功能。

（2）控制多样化 ①自动模式

自动模式是通过传感器模块对室外的环境进行数据采集（温度、湿度和光照度），通过调节百叶窗的角度来达到我们自定义的室内舒适环境。这种模式的两个极限条件为：当湿度超过某一程度的时候，认为室外为下雨状态，则百叶窗直接关闭。当室内温度超过舒适温度 25℃时，我们认为室内的温度已经过高了，则百叶窗直接关闭，除此之外百叶窗通过光照度的和太阳光高度对百叶窗进行模糊控制实现自动控制。

②人工模式

人工模式又分为遥控控制和手机短信远程控制。人们可以通过遥控器或者手机短信对百叶窗进行上升与下降控制，多方面无死角的控制百叶窗，做的真正的便于人们，方便生活。

2.2节能材料选择

（1）窗框材料

目前我国使用最广泛的是塑钢窗、木质窗和铝合金窗等节能窗。以前的门窗以木料材质为主，承受力差，不保温，而且易老化，现代建筑中已经很少使用。塑钢窗不耐火，防火性差，一旦燃烧会释放毒气，老化、开裂、色变等等，使用时间不长。在强光照或防火条件差的环境下，塑钢都不是门窗的理想材质。而铝合金型材它具有以下优点，

①结构特殊：多空腔的结构，便于减少金属热传导引起热量散失，提高空气容积，增强保温效果和减轻重量。

共 38 页 第 6 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

②强度大：具有超高强度，即使在大风情况下，抗压变形性也很好。 ③连接方便：在型材搭接窗户框架时，能方便使用辅助结构进行连接固定。 ④制造方便：可以通过铝合金型材生产线，快速地批量生产。 因此本设计的节能窗采用的是铝合金窗，即采用断热空腔铝型材框架，用加密封条增强密闭性，达到更好的保温隔热效果。

（2）玻璃材料

窗户的玻璃是窗的主要热交换区域，因此窗玻璃的材质直接影响窗能耗的大小，好的节能窗玻璃可以阻隔紫外线、可见光和红外线等。目前市面上节能窗玻璃品种繁多，节能效果也差异较大，被广泛使用的主要有四类：镀膜玻璃、LOW-E玻璃、玻璃隔热贴膜和中空玻璃。通过光学透过率测试，隔热计算公式为：隔热率＝53%的红外线阻隔率＋3%的紫外线阻隔率＋44%的可见光阻隔率。

2.3节能窗总体设计

本设计节能窗的控制系统，尽力满足大众的需求，且低成本，易安装，好操作，不仅性能可靠稳定，还能有更好地节能效果。

（1）通过对室外环境主要参数，温度、湿度和光照度的采集进行融合计算，由处理器进行比较，实现节能窗的自动功能。

（2）通过超外差技术进行无线控制，为了避免节能窗因自动控制出现故障或者因人为因素而须强制开关节能窗的一种人工控制。

（3）通过手机短信实现远程控制，解决人不在家也能控制节能窗的状态，更加灵活方便的监控窗的状态，解决生活给我们带来的后顾之忧。 2.3.1节能窗控制系统硬件设计

本设计控制系统主要由自动控制、遥控器控制、手机短信和触摸屏控制三部分组。自动控制首先由 ATmega8 单片机作为的处理器，由温度采集电路、湿度采集电路和光照度采集电路组成环境检测系统，这些传感器对室内外环境进行采集信号。再控制电机驱动电路，433MHZ 超外差模块是射频通讯技术，对手机短信和遥控器信号的收发作用。手机短信和触摸屏控制是由 SM900A 手机模块、STM32 开发板、液晶显示屏 TFTLCD 和 433MHZ超外差模块四大部分组成，由GSM 模块为通信核心部件，可以实现远程控制。遥控器控制由 STC15W201S 单片机、按键和 433MHZ超外差模块组成，采用无线网络技术进行短距离的一种控制方式。节能窗整控制系统的硬件结构框如图 2.1所示。

共 38 页 第 7 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图2. 2 节能窗控制程序框图

遥控控制

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

自动控制

短信和触摸屏控制

图2. 1 节能窗控制系统硬件结构图

2.3.2节能窗控制系统软件设计

根据要求，我们设计了如图2.2所示节能窗控制系统的控制流程，系统正常工作在自动模式下，人工控制是在自动控制出现故障或者因人为因素而强制去控制窗的打开和关闭的一种辅助控制方式。从控制源头就考虑了可能出现的多种问题，提供了出现故障的相应解决措施，做到控制无死区的状态，让人们更方便、灵活地控制窗户，实现系统设计目标，满足用户需求。

共 38 页 第 8 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图2.3 百叶窗卷帘电机

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

2.3.3控制系统硬件主要模块选型

（1）执行机构（电机）选型

窗帘的拉动主要靠电机带动，电机输出动力的大小关系窗帘能否被拉动，因此电机的选择很关键。如果电机动力太小，就拉不动窗帘；如果动力太大，会损害窗帘，使整个窗帘系统过早劳损。 本系统节能窗采用了两个电机，一个电机是用来控制节能窗百叶窗卷帘的上升和下降。百叶窗卷帘整体在上升过程中最小需要 50 N 的提拉动力，综合多方面因素将动力源选型为直流减速电机，输出转矩可达 80 N，采用 24 V 直流电压供电，空载转速 45 r/min，旋转限位开关和电机一体化的设计结构方便控制，百叶窗卷帘电机如图2.3所示。

第二个电机是控制百叶窗翅片的开度自动调节，该电机选用步进电机。通过给步进电机增加脉冲信号，调节电机转动的步距角，从而输出动力。这样，在不超载前提下，电机的转动和转速不受负载变化等影响，只由脉冲信号的频率和冲数决定。选用步进电机的开环控制元件，如图2.4所示。其参数如表 2.3 所示。

共 38 页 第 9 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图2.4 百叶窗自动控制步进电机

表2- 1 步进电机参数

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

（2）控制处理器模块

2002 年，ATMEL 公司推出了新产品 ATmega8。这款新型单片机的芯片不仅集成了超大容量的存储器，还接入了丰富的硬件接口电路，更是继承了MEGE 系列的各种优点。因为用的是 DIP28 和 TQFP/MLF32 等小引脚封装，这款全新的 AVR高档单片机的价格却接近低端单片机。ATmega8 单片机有着以下优点：内部芯片存储器多，有数据存储器、工作存储器以及非易失性程序，有着丰富的外部接口，这使得其性能十分强大。这款单片机选用的RISC精简指令集性能好、功耗低、结构先进。它的参数指标如表2-2所示

共 38 页 第 10 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

表2- 2 ATmega8 主要参数指标

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

ATmega8 与 MiniSTM32 相比功能虽远不如后者，但是 ATmega8 具有体积小，成本低等特点。而且在本项目中主要是用于控制百叶窗卷帘的上升、下降和接收无线控制信号，需要嵌入节能窗窗体内，这也是为了生活中使用的方便，故处理器选择 ATmega8。

（3）液晶显示模块选型

本设计采用的是 ALIENTEK MiniSTM32 开发板的液晶屏模块，这款32开发板十分小巧，但是它迷你却不简单，它的结构如图 2.10 所示。这款 MiniSTM32 开发板，结合了 STM32 的优缺点，参考了使用中的实践经验，着重从产品功能和制造成本角度出发设计而成。最终的成品开发板，不仅设计精良，而且结构小巧。

共 38 页 第 11 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图2.4 ALIENTEK MiniSTM32 开发板

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

以上可以看出，MiniSTM32 开发板自带丰富的板载资源，而且设计非常灵活，让使用者的开发更简单。 ALIENTEK MiniSTM32 V3 具有以下特点：

（1）结构小巧。8*10*2（单位/cm） 的板子尺寸，包括液晶屏幕在内，整块板子的体积只有 160 平方厘米。

（2）设计灵活。开发板除了晶振外所有的 IO 口全部引出，而且GPIOA 和 GPIOB 的 IO 口还可以按顺序引出 ，这让开发者扩展和使用都及其方便。而开发板特有的一键下载功能，让开发者可以直接在电脑上下载，无需再重复设置 B0、B1。

（3）资源丰富。开发板芯片上集成的外设和接口多达十多种，让开发者能充分利用板子，不受局限。

（4）质量过硬。定制全铜镀金排针/排座+沉金 PCB+全新优质元器件+电源TVS 保护，使得其坚如磐石。

（5）布局精简。每个接口都精心安排，而且用丝印标注，资源相互搭配，让使用者方便明了，充分开发。

（6）短信接收及解码模块

短信接收及解码模块由 SM900A手机模块、STM32开发板和ASK信号发射模块三大部分组成，其中SM900A手机模块负责接收用户的手机控制口令（短消息），并提醒STM32单片机接收到新的短消息。单片机和手机模块通过AT指令进行信息交互，当收到短消息时单片机会读取短消息内容，并根据相应内

共 38 页 第 12 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图2.6 ATK-SIM900A模块背面图

图2.5 ATK-SIM900A模块资源图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

容作出以下反应：

A：非控制口令删除短消息

B：根据控制口令执行相应的 ASK 信号发射 最终达到按照用户的短信口令控制节能窗的目的。

ATK-SM900A模块支持5V-24V 的超宽工作范围,便于和其他的控制模块进行对接，其上还有RS232 串口和 LVTTL 串口，并带硬件流控制。如图 2.5、2.6 所示为 ATK-SIM900A 模块资源图以及其背面图。

2.3.4控制系统软件主要平台介绍

本系统使用 C 程序语言，采用模块化程序，程序结构清晰，便于功能扩展。系统软件采用 RealView MDK 嵌入式软件开发环境。u Vision ID 平台可以支持 51、166、251 及 ARM（一种微处理器，英文全称为 Advanced RISC Machine）

共 38 页 第 13 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

等近 2000款微控制器应用开发。窗口的管理非常灵活，不仅可以在多个显示器上展示窗口，还原视图并进行调试，还可以同时创建和保存数个调试窗口，分别进行多个项目的工作，还能在视图内任意拖放窗口，简化了工作窗，大大提高了开发人员的工作效率，让整体开发进程变的更快捷、更高效。

ARM 公司发布的产品 Keil 5，提供了最新的集成开发环境。RealView MDK 提供了最新的开发工具版本，无论是编译器还是调试工具，都能与 ARM 器件完美匹配。具软件开发分以下几步：

（1）创建工程。在 KEIL 软件中创建一个工程文件，从 Project 菜单中进入“New ”，在弹出的对话框里选择要新建的 Project 的存储位置，输入 Project 新建名字。之后鼠标左键单击保存。进入选型号界面，选取 STM32F030F4P6 型号单片机。

（2）单片机型号选择。单击\"Atmel\"前的方框+，显示下拉菜单，找到并选中 ATC51。之后鼠标左键单击确定。

（3）新建 C 程序。点击 blob.png 后点左上角的保存按钮，输入文件名。 （4）编写程序。调试完后将程序烧录至单片机。

共 38 页 第 14 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3. 1 主控制器硬件功能框图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

第3章 节能窗控制系统硬件设计

在控制系统硬件设计方面分别对主控制器硬件设计、人机交互及短信通讯电路设计、遥控电路设计和 433MHZ射频通讯模块接口电路设计四大部分进行了介绍。

3.1主控制器硬件设计

本章主要是对节能窗硬件控制系统的设计，即各种电路模块的设计，包括电源电路、光照采集电路、温度采集电路、湿度采集电路、电机驱动电路和人机交互通讯电路等。如图 3.1 所示为主控制器硬件功能框图。

3.1.1 Atmega8 单片机引脚及功能介绍

ATmega8 芯片存储器的容量非常大而且硬件接口电路非常丰富。它有着32 个引脚，并且用 TQFP 方式封装，是一个很特殊的单片机。ATmega8 芯片的引脚及其分布，如图 3.2 所示。

共 38 页 第 15 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3. 2 ATmega8芯片

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

ATmega8 芯片内置各引脚的功能介绍： （1）VCC

引脚 4 和 6，是电路的电源。 （2）GND

引脚 3、5 和 21接地。 （3）PortB 端口

引脚 7、8 和 12~17 所代表的 PB0~PB7，是 8 位端口 B，各管脚内部都带上拉电阻，而且电阻可控制。端口 B 是双向 I/O 口，既能输出也能吸收大电流。当端口 B在输出状态，上拉电阻发生作用，引脚被拉低，电流从B端口输出。系统时钟选择位设定，两个 PB7 端口可以利用振荡放大器和外部晶振输入，还可以输入外部时钟脉冲信号。

（4）PortC 端口

①引脚 23~28 的 PC0~PC5，是 7 位端口 C，各管脚内部都带上拉电阻，而且电阻可控制。端口 C 和端口 B 一样，都是双向 I/O 口，既能输出也能吸收大电流。当端口在 C 输出状态，上拉电阻发生作用，拉低引脚，电流从端口 C 输出。

②引脚 29 的 PC6/RESET，有两种功能：在编程 RSTDISBL 位时，它是双向I/O 端口 C；在非编程位时，它是引脚 RESET，可以复位输入。当引脚 RESET 上的低电平超过两个时钟周期，它会发出系统复位信号，让其复位。

（5）PortD 端口

引脚 30~32、1~2 以及 9~11 的 PD0~PD7，是 8 位端口 D，既是双向 I/O 口，又是复用端口。它的各管脚内部都带上拉电阻，而且电阻可控制，能吸收和输出大电流。当端口 D 在输出状态，上拉电阻开始作用，拉低引脚，电流从端口D 输出。同时它还为 ATmega8 单片机提供各种特殊接口。

（6）AVCC

共 38 页 第 16 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3. 3 百叶窗卷帘电机驱动电路

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

引脚 18 的 AVCC，为端口 C、ADC和 A/D 转换器提供电源。当使用 ADC时，它可以通过低通滤波器和 VCC 链接；而不使用时，它会直接链接 VCC。

（7）AREF

引脚 20 的 AREF ，是输入引脚，它模拟 A/D 的基准输入。 3.1.2卷帘电机驱动电路的设计

人工模式下，百叶窗整体的升降是通过百叶窗卷帘电机进行控制的，该电机的驱动电路采用的是典型 H 桥直流电机控制，电路如图 3.3 所示。

该电路由三极管 Q6、Q7、Q11、Q12 及百叶窗卷帘电机组合而成。要使电机运转，只有通过 Q6、Q7、Q11、Q12 分别的导通和截止来控制电机运转。当三极管 Q7和 Q10 都导通时，电流从电源的正极从左至右经过 Q7 并穿过电机，然后通过 Q10 回到电源的负极，此时百叶窗卷帘电机正向转动。而当三极管 Q8和 Q11 都导通时，电流从电源的正极右至左通过 Q8 再穿过电机，并经过 Q11 流回电源负极，带动百叶窗卷帘电机反向转动。因此通过该电路实现了百叶窗卷帘的整体收放。

3.1.3步进电机控制电路设计

在自动控制模式下，驱动电路采用的是与步进电机配套的型号为 DV860H 的驱动器，具体参数如表 3-1所示。DV860H 的驱动器实物，如图 3.4 所示。

共 38 页 第 17 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3.5 步进电机控制系统 图3. 4 DV860H 驱动器 表3- 1 DV860H 驱动器参数

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

百叶窗的步进电机要正常工作离不开控制器和驱动器。控制器和驱动器分别可以控制脉冲信号，将其按环形进行分配、放大功率，以及按序给电机通电，带动电机的转动，控制系统如图 3.5 所示。

3.1.4电源模块的设计

如果没有一个良好的稳压电源的提供，系统中的各个模块就不能正常发挥它们各自的作用，因此电源模块采用的是稳压器件。电源模块由变压器、整流器、滤波电路和稳压电路组成。电路通过变压器给交流电降压。之后交流电经过整流器转变为直流电，最后不稳定的直流电经过滤波和稳压器变成稳定直流电并输出[3]，如图 3.6 是电源电路图。ASM1117 是线性稳压器，和普通 78 系

共 38 页 第 18 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3.6 电源电路

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

列或者 LM317 稳压器原理相同，采样输出电压，通过调节电路，达到对输出级调整管阻抗的调整。输出电压偏低，就将输出级的阻抗变小，减小调整管的压降；当输出电压偏高，就将输出级的阻抗变大，增大调整管的压降。因此保持稳定的输出电压[4]。图 3.6 电路中的 C9 和 C10 都是输出滤波电容，它们的作用是抑制 ASM1117的自激振荡并使输出电压纹波减小。C9 作为电路的低频滤波电容，C10 是高频滤波电容，电解电容主要滤除低频纹波，一般从几十 HZ 到 200HZ，无极性电容，容量比较小，主要用滤除高频纹波，常见的有瓷片电容[2]。AM1117 集成内部集成了限流电路，还设计了过热保护，是便携式计算机的首选，因此本设计稳压电源采用的就是 ASM1117 系列的稳压器。

3.1.5温湿度及光照采集模块设计

（1）湿度传感器信号采集电路设计

温湿度采集模块主要用于检测室外的温湿度以采集数据。温度是比较的单一的被测量，数据采集较为简单。然而湿度在环境测量中因为要受到温度，大气压强等因素影响，测量来要比温度难度大。作为最简单的湿度传感器湿敏元件主要以湿涨式和电阻电容式为主。除此之外，还有集成和节能式的湿度传感器，和湿敏元件相比虽然它们优点很多但是价格贵了很多，性价比不高。为了降低制造成本，所以本设计选用湿敏元件 HS1101 作为湿度采集传感器。 HS1101 传感器与其他传感器比较，它有较为显著的优势：

①强大的兼容性：正常环境下，无需校正，全互换 ②快速的脱湿能力：在饱和条件下能快速脱湿 ③稳定的性能：稳定性强，性能可靠 ④精巧的结构：采用固态专利聚合物结构

⑤广泛的使用：线性电压或频率输出回路也可以使用 ⑥快速的反应：反应更快速，时间更短

HS1101 对环境进行测量。通常情况 HS1101 的电容值 CRH（t）会随着所测的环境湿度 RH(t)的升高而增大。经过测验结果得出，HS1101 的电容值 CRH（t）随着湿度 RH(t)的变化曲线如图 3.7 所示。经试验测定，当环境湿度 RH(t)∈[0%，90%]时，湿敏电容 HS1101 的电容值CRH(t)随RH(t)的升高而增

共 38 页 第 19 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图 3.8 湿度采集模块

图3.7 HS1101 的电容值 CRH（t）-RH(t)变化曲线

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

大，从而可以得出 RH(t)与 CRH(t)成正比的关系，也可以从上面的的特性曲线中看出，HS1101 的线性输出是非常好的，因此在测量的过程中，只需采集电容值即可。又因为环境湿度的变化会影响到电容的大小，因此在自动测试环境下，我们要采集到有效的数据，需要把电容值的变化值进行转换，将其转换成受湿度影响小的电压或频率的变化值。本设计的振荡电路由 555 集成电路组成，振荡电容由 HS1101 湿度传感器构成，进而把湿度转换成频率。本设计中的湿度采集模块电路如图 3.7 所示。

NE555 芯片接电阻 R4，R2 与 HS1101，对 HS1101 构成一个充电回路。由 7 引脚 和芯片内部的晶体管对地短路对 HS1101 构成了一个放电回路，并将 2、6 引脚一同引 入到片内比较器，构成一个多谐振荡器[5]。 一般规定 R4 要比 R2 小得多，它必须高于一个最小值要求，所以不是越小越好，电路中防止短路保护作用是电阻 R3。HS1101 一脚与引脚 6 和 2 相连，引脚 7 也是 R2

共 38 页 第 20 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3.10 DS18B20的初始化时序 图3.9 DS18B20 的封装与引脚图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

的短路引脚，由于 HS1101 是也是一个可变电容，所以可以通过 R2 和 R4 对 HS1101 进行充电。当 HS1101 的等效电容达到了上限电压，当引脚 3 处于低电平，R2 开始放电，而此时 R4 正与 7 引脚连接进行短路接地，因此放电只能达到触发界线，NE555 芯片的 3 引脚这时候转变为高电平[5]。湿敏电容被电阻 R2 和 R4 不断地充电和放电，则输出矩形波。输出端口 SD 与单片机的 12 引脚 PB0 进行连接。

（2）温度传感器信号采集电路的设计

DS18B20 是本系统使用到的温度采集传感器，如图 3.9 所示为它的封装和引脚。它的特点是：体积小、精度高，数字化特点，使用方便、能够简化电路设计，而且性价比高，应用十分广泛。DS18B20 数字温度传感器，就可以通过简单的编程获得。

DS1820 芯片采用的协议示单线协议，信号的接受和传输由单线接口完成。DS18B20 一般是由初始化、ROM 操作指令、存储器操作指令和数据传输四部分组成。通过初始化、写入和读取完成操作的工作时序。

在初始化过程中，总线控制器拉下总线并保持480us（修改后的延迟可以在480us到960us之间，但总线需要在480us内释放），发出复位脉冲，然后释放总线并进入接收状态（等待DS18B20响应）。总线释放后，将单总线从上拉电阻器拉至高电平。当DS18B20检测到I/O引脚上的上升沿时，等待15-60us，然后发出一个由60-240US 低电平信号构成的存在脉冲[6]。到目前为止，初始化序列已经完成，如图3.10所示。

共 38 页 第 21 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3.11 DS18B20读时序

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

主机发起读时序时，DS18B20仅被用来传输数据给控制器。因此，总线控制器在发出读暂存器指令[0xBE]或读电源模式指令[0xB4]后必须立刻开始读时序，DS18B20可以提供请求信息。除此之外，总线控制器在发出发送温度转换指令[0x44] (或召回EEPROM指令[0xB8])之后读时序，详见DS18B20 的芯片手册上的功能指令。所有读时序必须最少60us,包括两个读周期间至少1us的恢复时间。当总线控制器把数据线从高电平拉到低电平时，读时序开始，数据线必须至少保持1us,然后总线被释放。DS18B20 通过拉高或拉低总线上来传输”1”或”0”。当传输逻辑”0”结束后，总线将被释放，通过上拉电阻回到上升沿状态[7]。从DS18B20输出的数据在读时序的下降沿出现后15us 内有效。因此，总线控制器在读时序开始后必须停止把I/O口驱动为低电15us,以读取I/O口状态如图3.11所示。

DS18B20的接线非常简单，但是当传感器与单片机连接时，需要注意应增加一个4.7千欧的上拉电阻并通过单片机的PD3口，控制 DS1820 实现温度的检测。温度传感器接口电路图。如图 3.12 所示。

图3.12 DS18B20的温度检测模块原理图

（3）光照度传感器信号采集电路设计

本设计光照度采集模块采用的是光敏电阻，它作为光照度采集模块的核心元器件。该元器件具有性能稳定可靠、体积小、高灵敏度、反应速度快、价格便宜等优点，被大量运用到自动控制和家电中。光敏电阻又称光导检测器，是一种能随入射光强度改变电阻值的电阻。它是由半导体光电导效应制成的。当入射光较强时，电阻减小；当入射光较弱时，电阻增大。光敏电阻可用于光测量、光控制和光电转换等方面[8]。图3.13给出了光敏电阻的工作原理图。在电

共 38 页 第 22 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图 3.14光照度采集电路 图 3.13 光敏电阻的工作原理图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

路中，当电压V施加到光敏电阻的两端时，如果光敏电阻被照亮，光子能量激发受约束的电子成为自由电子，留下一个空穴。在外加电场的作用下，自由电子和空穴共同导电，便使得光敏电阻的导电性发生改变。

光敏电阻的导电率随着光强度的增加而变大，电阻值减小，通过电流量增大。反之则减小电导率和光电流，则其用下产生的光电流为：

qNViq2(np) L (3.1)

式中，qN 表示光电子形成的内部电流； V：代表光敏电阻两端电压；

L：代表光电导体的长度；

n ：表示单位时间内通过光辐射作用产生 N 个电子—空穴对的各自寿命；

p： 代表空穴和电子的迁移率。

本电路采用的光照度采集电路如图 3.14 所示，该电路是利用 LM358 运算放大器与光敏电阻进行光控的。

共 38 页 第 23 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

LM3580 内部能进行频率补偿，而且有高增益，具有两个运算器能力的运算放大器。电路中光敏电阻 RG 与电阻 R7 串联分压得到一个基准电压经过 LM358D 一级运算放大器进行放大。再通过二级电压跟随器输出电压，输出端口 LIGHT 与单片机的 23 引脚 PC0 口进行连接。

3.2人机交互及短信通讯电路设计

3.2.1触摸屏显示控制设计

本系统中触摸屏采用的是 ALIENTEK MiniSTM32 开放板的液晶屏模块，它包含了很多通用的液晶显示模块的接口和兼容性特色接口，不仅支持 ALIENTEK 各种尺寸（2.4、2.8、3.5、3.3、7 寸等）的 TFTLCD，还支持 OLED 显示器。同时，该接口支持电阻触摸屏以及电容触摸屏等不同类型的触摸屏接口。

TFT_LCD 是通用一个通用的液晶模块接口。OLED 是给显示模块供电的接口，一般和 TFT_LCD 连接在一起。在用 TFT_LCD 时，我们接到 TFT_LCD 上（靠右插）就可以了，一般是靠右插。用 OLED 模块时，需连接 OLED 排针，同时会连接到TFT_LCD上的部分管脚(靠左插),从而实现OLED与MCU的连接[9]，由此连接 OLED 和 MCU。而ALIENTEK MiniSTM32 的 LCD 接口可以和上一代产品的 TFT_LCD 模块兼容。包括：2.4 寸(320*240，电阻屏)、2.8（320*240，电阻屏）、3.5 寸（480*320，电阻屏）、3.3 寸（800*480，电容屏）、7 寸（800*480，电容屏）等，同时还兼容 ALIENTEK的 0.96 寸 OLED 模块。本设计核心器件采用四导线触摸屏控制器 XPT2046，这款控制器 1.5 V~4.25 V低电压的开关接口，它具有125KHz的12位分辨率，转换速率接近A/D转换器。你可以进行两次A/D转换，找出触摸屏的位置和压力. 3.2.2 短信通讯电路设计

本设计的手机通讯模块选用的是 SIM900A GSM 通讯模块，它是通过 AT 指令传输文本数据的协议与主芯片之间进行数据传输。 SIM900A是一个双频GSM/GPRS模块。其包装形式为SMT，是SIMCOM推出的一种新型紧凑型产品。ATK-SM900A模块支持RS232串行口和LVTTL串行口，硬件流量控制，支持5V-24V超宽工作范围，方便与其他控制模块对接，接口采用工业标准。SIM900A工作频率1800MHz/1900MHz，可实现短信、传真、音频、数据等大容量信息传输，主要特点：

（1）双频：900 MHz/1800 MHz

（2）通信接口有RS232 串口以及LVTTL 串口

（3） AT 命令控制（GSM 07.07，07.05 以及 SIMCOM 增强 AT 命令集）

共 38 页 第 24 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图 3.15 手机通讯模块原理图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

（4）SIM 卡接口：支持 1.8 V/3 V SIM 卡 （5）供应电压范围：3.1 V~3.8 V （6）操作温度范围：-40 °C ~ +85 °C （7）尺寸：24mm*24mm*3mm （8）重量：3.4 g

设计原理图如图 3.15 所示：

3.3遥控电路设计

本设计的遥控控制电路的主要核心控制器采用 STC15W201S 单片机，摈并且用433MHz 射频模块作为收发器，以此实现室内近距离的遥控，使用方便而且价格便宜。 STC15W201S 单片机，使用了第九代 STC 加密技术，隐私性很强，很难以被破解，这种单片机抗干扰性很强，稳定可靠，而且能耗还很低，是新一代宽电压 8051 单片机，兼容老版 8051 的所有指令和代码，而且速度提高了 8~12倍。此单片机集成了 RC 时钟源和复位电路，不仅让温漂范围从常温范围（-20 ℃~+65 ℃）上下各扩展 20（-40 ℃~+85 ℃）。还省去了外部复位电路和高价的晶振。1组高速异步串行端口可在2组管脚之间切换，而分时复用可用于2组穿孔进行串行端口通信、电机控制和强干扰场合。它的内置比较器，功能更强大，具体遥控电路如图 3.16 所示。

共 38 页 第 25 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图3.17 433MHz射频模块接口电路

图3.16 遥控电路电路图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

3.4 433MHz射频通讯模块接口电路设计

433MHz 射频通讯模块是本系统通信最重要的部分，节能窗的遥控器控制，手机短信控制和主控电路之间都是通过 433MHZ 射频通讯模块，实现数据的无线传输和节点之间的通信。本系统的 433MHZ 射频模块的数据发送接收端口是串口，通信方式和数据输出电路相同。采用 TTL 电平信号串口协议，无需通过芯片转换电平信号，可以直接与微处理器相连接。 433MHZ 射频模块中的 M0 和 M1 设置为普通输出模式，连接普通 IO 引脚，用来设置模块的工作模式；AUX 引脚连接输入引脚，通过上升下降沿唤醒微处理器，对收到的路由信息进行处理和后续操作；RX 和 TX 交叉连接单片机串口 2 的TX 和 RX[10]。433MHZ 射频模块接口电路如图 3.17 所示。

共 38 页 第 26 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

3.5本章小结

本章主要是对硬件系统的具体实现，对节能窗系统硬件模块电路进行详细的分析，分别对主控制器硬件、人机交互及短信通讯电路、遥控电路和 433MHZ 射频模块接口电路设计行了介绍。

共 38 页 第 27 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图4. 1 主程序流程框图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

第4章 节能窗软件控制系统设计

节能窗的软件控制系统通过对软件总程序设计进行分析，以模块化的方式分别对主控制器自动控制程序、节能窗遥控器控制程序和节能窗人机交互程序进行详细的分析。

4.1软件主程序设计

软件主要实现以下功能：

（1）开启节能窗，节能窗根据室外环境进行自动调节百叶窗翅片的开度。 （2）当按下遥控器按钮时，节能窗执行按钮指令，进行百叶窗卷帘整体的升降动作。

（3）GSM 手机短信控制（远程控制），可以对百叶窗卷帘整体的升降状

共 38 页 第 28 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图4. 2 节能窗自动控制流程框图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

态进行控制，并能进行模式的转换。如图 4.1 所示是本设计软件系统的主程序流程框图。以模块化的方式进行系统软件设计。在单片机上电后，首先对系统进行串口模块、LCD 模块、GSM 模块、遥控模块、液晶显示模块和电机的状态进行初始化。这步骤完成后进入第二步循环部分，完成系统各个分支子系统。系统初始化完成之后，进入模式判别：在自动模式控制下，系统进入各传感器子系统，判断是否需要执行窗动作。在模式键按下时，系统进入遥控模式状态，系统不仅会自动检测是否按键，还会识别区分不同键值，按不同键值完成不同的程序，实现各种预定好的不同功能。在遥控模式未收到信息时，系统进入 GSM 手机短信模式，如果收到短信信息是节能窗开启，系统执行开窗，如果收到信息是节能窗关闭，系统则执行关闭，如果收到信息是自动模式，系统则跳转到自动模式。

4.2主控制器自动控制程序设计

数据采集，首先确认湿度是否达到最大极限值。如果是 Y，则判断室外为下雨状态，百叶窗直接关闭，如果是 N，则判断温度是否达到 25℃，如果是 Y，

共 38 页 第 29 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图4. 3 遥控控制程序流程框图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

则室内温度已经达到舒适状态，百叶窗直接关窗，如果是 N，则判断室内光照度是否达到设定值，如果是 Y，初始百叶窗开度 U 保持，再通过外界天空参数采集，经过太阳高度模糊控制器，得出百叶窗开度修正量∆U，与百叶窗开度输出 U 进行叠加得 U+∆U，输出百叶窗开度 Uo，如果是 N，则参数更新，经过光照度模糊控制器，初始百叶窗开度 U 也在不断更新，百叶窗开度输出为 U，最后输出百叶窗开度 Uo，百叶窗的开度随环境改变而改变。

4.3节能窗遥控器控制程序设计

遥控器控制是近距离控制的一种方式，它总共有三个功能：切换模式、节

共 38 页 第 30 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

图4. 4 人机交互程序流程框图

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

能窗开启、节能窗关闭，如图 4.3 所示遥控控制程序流程框图。先初始化，再判断是否按键，如果数据是 N，则没有按键指令，返回到初始化等待下一个指令。如果数据是 Y，进行下一步——“遥控按键的识别”：如果信号指令是 0x5153，执行开窗动作；如果是 N，则判断信号是否为 0x5253，如果是 Y，则执行关窗；如果示是 N，继续判断是否为 0x5353，如果示是 Y，则进入自动模式状态；如果示是 N，则返回到初始状态下再进行以上循环操作。按键识别码分别以 0x5153、0x5253、0x5353 对应的是节能窗开启 KEY_UP、节能窗关闭 KEY_DW 和节能窗模式的转换 KEY_MD，如果当遥控器发出其中一种发射信号，系统就去执行对应的操作。

4.4节能窗人机交互程序设计

如图 4.4 所示节能窗人机交互程序的流程图，首先初始化，对串口、GSM、LCD、433 MHz 进行初始化，再进行判断是否有短信，如果是 Y 就会对收到

共 38 页 第 31 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

的短信进行识读，首先判断节能窗的当前位置，如果是 Y 则已经是当前位置则返回初始化等待下一个指令，如果是 N 则根据短信内容执行相关的动作。如果短信息是节能窗开启，则执行开窗动作并把执行的结果发送到对应的手机上；如果短信息是节能窗关闭，则执行关窗动作并把执行的结果发送到对应的手机上；如果短信息是自动模式，节能窗跳转到节能窗自动模式并把执行的结果发送到对应的手机上。如果是 N，则没有短信指示，将跳转到初始化状态，再进行以上循环操作。远程短信控制首先是要将 unicode 字符转换为 gbk 码再进行发送，具体程序如下：

sim900a_unigbk_exchange(src1,p,1)；//将 unicode 字符转换为 gbk 码“节能窗开启”

sim900a_unigbk_exchange(src2,pp,1)；//将 unicode 字符转换为 gbk 码“节能窗关闭”

sim900a_unigbk_exchange(src3,m1,1)；//将 unicode 字符转换为 gbk 码“节能窗智能”

sim900a_unigbk_exchange(src4,m2,1)；//将 unicode 字符转换为 gbk 码“节能窗人工”

4.5本章小结

本章通过对软件总程序设计进行分析并以模块化的方式进行系统软件设计。通过分模化分别对节能窗自动控制流程框图、遥控控制程序流程框图和节能窗人机交互程序流程框图的进行详细的分析。

共 38 页 第 32 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

第5章 环境保护与社会经济效益

5.1系统选材对环境的影响

随着工业和科技的日益发展，如今日人类社会和环境、能源的矛盾也日益突出。环境污染，能源紧张，都让我们不得不更加地重视节能减排，并且将之视为贯穿社会生活方方面面必须做好的工作任务。在建筑的围护结构中，窗的热损耗占建筑总热损耗24%，几近总能耗的四分之一。窗既是热量散失的敏感部位，又关系着采光、通风、隔声、立面造型。在目前的建筑物中，追求更好的通风和采光效果，更好地打造建筑的造型和特色，现代建筑运用了大量的玻璃窗设计，以至窗的热损失占建筑的总热损失比重更大。

因此窗节能是建筑节能的关键，这就对窗的节能提出了更高的要求，而基于对环境保护的基础，本系统在选材上经过精心挑选，各个环节的取材皆是选取对环境影响较小的材料，大多是选择一些节能减排的材料用于实验。

5.2系统设计对社会可持续发展的影响

本设计节能窗的控制系统，尽力满足大众的需求，且低成本，易安装，好操作，不仅性能可靠稳定，还能有更好地节能效果，对于推动社会可持续发展有着卓越影响。节能系统正在努力提高人们的生活质量，节能建筑将会使得人们的生活变得更加便捷、绿色和健康。而我们的节能窗系统能够更好地做到建筑节能，这意味着责任和商机。新型节能门窗将会推动我国开启节能门窗新时代。

5.3系统的经济效益分析

随着节能窗等概念的推广和深入，人们对节能窗的认识和需求越来越深入和迫切，因为人们发现节能窗能够给大家的生活带来许多的便捷，它能够让人们享受到更加健康更加舒适更加绿色环保的生活环境。而且节能门窗还能使得人们在能源节约方面做得更好。因此对于人们来说这是一个更好地选择，而对于社会而言这将是一个非常有前景的市场

共 38 页 第 33 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

第6章 结论与展望

6.1结论

本次设计了节能窗的控制系统，主要是为了解决节能门窗遇到的一些问题，而进行了整个节能窗的方案设计。通过对节能窗的控制策略的研究，论证了控制方案的可行性。主要研究成果如下：

（1）通过传感器模块对环境温度、湿度和光照度的数据采集，采用模糊控制方法驱动步进电机控制百叶窗的开度，实现自动控制。

（2）利用 433MHZ 射频通信技术，通过无线遥控器来控制百叶窗卷帘整体的上升、下降和模式的切换的功能，实现手动控制。

（3）通过手机短信实现远程控制，手机发送指令就可以控制百叶窗卷帘整体的升降状态和模式的切换功能，而且能把执行的结果以短信方式回复到手机上，实现人机交互通讯。

6.2展望

本设计具有良好的保温、隔音性能，控制多样化，其技术水平达到国内领先水平，超出国家节能标准，满足人们对于自动控制产品的需求，适用于房地产新开发房产和旧建筑物窗户替换等。在本设计研究结果的基础上，我们将继续进行研究新型节能窗技术的研究。

（1）在技术方面的研究方向

如何降低玻璃辐射（比如研发出低辐射的窗玻璃），如何提高中空玻璃的绝缘性（比如发现更适合中空玻璃的惰性气体），如何利用自然条件实现节能（比如暖边技术和阳光控制膜玻璃），窗体的每个部位都是有节能点，整窗考虑是重点。

（2）在自动控制方面的研究方向

如何自动监控燃气（比如能自动检测煤气等有害气体，一旦检测到，智能控制台中的处理器会对窗户做出指令，让其窗户开窗并开启风扇排气，并向主人和物业报告险情）；如何自动检测和控制火灾（如发生火灾时，传感器能及时检测到烟雾信号，智能控制器能自动打开门窗报警，并及时向业主和119消防系统报告险情）；如何防止小孩坠楼（比如传感器自动检测人体信息，如有

小孩靠近非安全区，窗户自动关闭，确保孩子的人身安全）。

共 38 页 第 34 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

致 谢

非常感谢指导老师，感谢老师的细心且耐心的指导，很感激他在工作繁忙的同时，抽出大量时间来审核指导我们漏洞百出的各种文档以及项目，同时感谢学校提供了一个良好的学习环境，我感谢学校四年的细心栽培。感谢长春大学四年中，几十门课不同领域教导我们的优秀的老师们，在他们的指导下，我顺利的毕业了。在这里，我还要感谢我来自各地的同学们，感谢你们的宽容，宽容我四年中所犯下的种种不堪和错误，感谢你们的帮助，在我遇到困难的时候给予我支持和鼓励，也感谢你们的友情，是你们的友情让我度过了这个美好而充实的四年，在长春大学四年里学到了很多东西，不论是以后赖以谋生的专业知识，还是为人处世的技巧，都为我走向社会打下了扎实的基础。

在毕业设计的这一段时间里，不仅有导师的指导，还有同学的帮助；毕业设计即将结束，我要感谢我的导师，正因为有导师的不断的指导，才能完成这个毕业设计以及毕业论文的书写。同时，在平常的上课时，每位老师都对我们严格要求，让我们按时完成老师留下的任务，课堂上，老师不仅教会我们如何学习、教会我们新的知识，在课下，又能和老师打成一片，教会了我很多道理。让我意识到先做人、后做事，感谢大学里教过我的每一位老师。

在这里还得感谢我的战友们，也就是同学，正是有你们的不断鼓励，还有我们每一天都熬到很晚，在不断的调试着我们的程序、测试，我们在一起交流、谈论，这些都将是我们在通往未来道路上的宝贵财富，在此，衷心的谢谢您们

共 38 页 第 35 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

[1] 杨闯. 节能门窗的材料性能、热工计算及模拟研究[D].浙江大学,2013.

[2] 杨闯 郭兴忠 杨庭贵. 建筑节能门窗及技术研究现状[J]. 新型建筑材料,

2012(09):90-95.

[3] 付蔚 刘成涛 王平. 基于LTC4357的工业用冗余电源的设计[J]. 工矿自动化,

2009(06):7-10.

[4] 程亚杰,李新娥.超级电容作为电源在电子测压器中的应用[J].自动化与仪

表,2018,33(12):93-97+102.

[5] 方玉鑫. 基于单片机的温湿度控制系统的研究与应用[D].哈尔滨工程大学,2012. [6] 宁洁. 基于ZigBee的通信机房温度监测系统[D].西安电子科技大学,2012. [7] 王启明,刘冬梅,周艳艳.基于单片机的智能风扇的设计与实现[J].科技视

界,2019(16):11-13.

[8] 蔡程程. 智能化LED补光灯的设计[D].杭州电子科技大学,2013.

[9] 孙标. 基于ARM和吸光度法的糖化血红蛋白分析仪的设计[D].江苏科技大

学,2015.

[10] 王荣. 基于433MHz无线自组传感器网络系统的研究与设计[D].天津理工大

学,2018.

[11] Jian Qu,Jianrong Song,Jie Qin,Zhongnan Song,Weidong Zhang,Yunxing Shi,Tao

Zhang,Hongqiang Zhang,Rongpu Zhang,Zhongyu He,Xiao Xue. Transparent thermal insulation coatings for energy efficient glass windows and curtain walls[J]. Energy & Buildings,2014,77.

[12] Zhiyong Wang,Zhenyu Shi,Xirui Wang,Jianqu Chen,Honghai Liu,Xiaodan Yu. Chinese

Children's Emotional Response Research Based on the Visual Stimulation of IAPS[J]. Science Publishing Group,2019,7(5).

[13] Lei Jin,Peizhong Li,Haibin Zhou,Wei Zhang,Guodong Zhou,Chun Wang.Improving

thermal insulation of TC4 using YSZ-based coating and SiO_2 aerogel[J].Progress in Natural Science:Materials International,2015,25(02):141-146.

[14] Francesco Asdrubali,Francesco D’Alessandro,Giorgio Baldinelli,Francesco Bianchi.

Evaluating in situ thermal transmittance of green buildings masonries—A case study[J]. Case Studies in Construction Materials,2014,1.

[15] Mark Bomberg. Glows and shadows of thermal insulation[J]. Frontiers of Architectural

Research,2013,2(2).

XX 大 学 毕业设计（论文）纸

参考文献

共 38 页 第 36 页

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

线

┊

┊

┊

┊

┊

订

┊

┊

┊

┊

┊

装

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

┊

0 0000000 0000000主控制器电路原理图：

光照信号整形000000000 00000XX 大 学 毕业设计（论文）纸

共 38 页 第 37 页

┊

超外差接受模块下载口┊

串口调试口┊

┊

┊

温度光照度采集接口采集基准电路原理图

模块间阻抗匹配处理器模块00温度信号整形000附录

0000000000000报警提示卷帘位置检测电机供电电源电源

┊ ┊ ┊ ┊ 序号（学号）：

0210813

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

长 春 大 学

毕 业 设 计（论 文）译文

在WiFi频率范围内最小化节能窗的屏

蔽效果

姓 名 顾锟 学 院 电子信息工程学院 专 业 测控技术与仪器 班 级 测控108班 指导教师

王晓丽（副教授）

2020 年 5 月 29

日

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

长 春 大 学 毕业设计（译文）纸

在WiFi频率范围内最小化节能窗的屏蔽效果

摘要：从实验和理论两方面研究了节能双层玻璃窗的屏蔽效能与其纵向尺寸（镀金玻璃和未镀金玻璃的厚度以及两者之间的间隙）的关系。结果表明，通过改变窗口的纵向尺寸，可以将屏蔽效能的最小值移到理想的频率范围内。将此方法应用于WiFi频率范围，我们证明，与普通节能双层玻璃窗相比，2.4GHz WiFi连接的屏蔽效率可降低7–9dB，5GHz连接的屏蔽效率可降低14–17dB。通过实验研究了玻璃板间隙对屏蔽效能的影响，证实了理论上的考虑。

关键词：节能窗；屏蔽效能；微波传播；WiFi；法布里-珀罗共振

一、介绍

在过去的十年中，节能建筑变得非常流行，尤其是在北方国家，那里40%的能源用于建筑供暖[1，2]。为了增加隔热性能，人们采用了各种方法。在旧建筑中，使用玻璃棉对墙壁进行隔热是提高能效的最简单方法之一。考虑到隔热，最大的挑战是在大多数办公楼和现代公寓建筑中，由于基本窗户的绝缘体很差，窗玻璃覆盖的面积很大。因此，为了提高这些现代建筑的能源利用率，有必要开发具有高隔热性能的窗玻璃。为此，研制了低辐射（low-E）玻璃涂层。它由几层金属和金属氧化物组成，形成数十纳米厚的导电层[3]。这一层反射了大部分的红外辐射，在冬季防止热量散发，同时在夏季防止热量进来[4]。只有采用Low-E窗户，供暖和空调成本才能大大降低[5]。后来人们认识到，金属涂层不仅反射红外辐射，而且还影响电磁波在微波频段的传播。Schulz等人对单屏蔽、双屏蔽和叠层屏蔽进行了深入的理论分析。1988年[6]。研究发现，这些涂层可以在1到12ghz的频率范围内衰减高达50db的微波[7-9]。这意味着移动通信频率，GPS和WiFi，可以被Low-E窗口高度衰减[2，10，11]。该值与E.Bilotas等人使用的墙体材料相当。/利思。J、 菲斯。58246–253（2018）247建筑施工[12]。木墙对微波辐射的衰减可达10db，而钢筋混凝土墙的衰减可达70db。已有研究分析了金属晶粒尺寸和分布[13]或表面导电性[14]对屏蔽效能（SE）、光学和近红外传输性能的影响。介绍了频率选择表面（FSS）作为降低低E窗口SE[4，15，16]的一种可能方法。为了实现FSS，在形成特定几何图形的特定位置移除导电层，该几何图形充当期望频率的带通滤波器[11，17]。另一种控制SE的方法是

共 7 页 第 1 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

长 春 大 学 毕业设计（译文）纸

改变玻璃板的厚度或它们之间的距离。对这一问题进行了一些理论研究，分析了未涂覆双层和三层窗玻璃中硒的变化[18]。本文讨论了WiFi频率下SE最小化的可能性。这是通过改变带有一层镀膜玻璃的双层玻璃窗玻璃的纵向尺寸（玻璃板的厚度和它们之间的距离）来实现的。我们调查了最常见的2.4和5 GHz WiFi频段。对商业化生产的Low-E玻璃进行了计算和实验，并将其与双层玻璃窗玻璃进行了组合。本文的结构如下。下一节介绍了样品的测量技术和结构。在第3节中，简要描述了计算任何数量的覆盖有薄导电层的电介质的SE的矩阵乘法方法。随后，向读取器提供了针对窗口的不同纵向尺寸的建模和测量的SE特性。在此基础上，提出了在WiFi频率下具有最佳纵向尺寸的最低SE的窗玻璃，并与频率选择结构进行了比较。最后对节能窗节能控制的可行性进行了总结。

二、测量装置和样品设计

为了估计SE与玻璃板之间间隙的关系，在消声室中进行了Low-E窗口的测量。还有其他几种测量SE的方法，包括近距离实验[7，10]或混响室中的测量[7，19]。前一种方法的测量误差很大，因为相互之间十分之一厘米的天线之间会发生多次反射。后一种方法只能同时测量电磁辐射各入射角的平均值。这意味着不可能测量特定辐射角的共振。因此，在我们的情况下，最好的结果可以通过在一个暗室中测量，在一个正常的入射角。实验装置如图1所示。消声室金属壁上的孔径用来传送微波信号。它从外面被测试的窗户所覆盖。孔径为28×18cm，样品用导电和粘着铝箔贴在边缘。导电箔只覆盖了样品的几毫米，防止了样品和壁面之间微波的泄漏。发射天线放置在距孔径约130厘米的地方。它被连接到一个安捷伦E8257D微波发生器，由计算机控制。发射天线、发生器和计算机均位于消声室内。PC还连接到Rohde&Schwarz NRP-Z24功率传感器，该传感器连接到位于腔室外部的接收天线上。发射天线和接收天线均为宽带喇叭天线LB-10180，频率范围为1-18ghz。在1至10ghz的频率范围内进行测量。选择此范围是为了覆盖2.4和5 GHz WiFi频段。评估传输降低的最佳方法是使用称为SE的参数，该参数描述了功率下降到被测对象上和通过被测对象传输的功率的对数比率。它可以表示为：

（1）

其中Pair是微波辐射在没有样品的情况下通过孔径传输的功率，Pglass是通过孔径和样品传输的功率。从式（1）我们可以看出，为了测量SE，应该进行两次测量：一次测量有样品，另一次测量没有样品。测量样品采用圣戈班玻璃板，所

共 7 页 第 2 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

长 春 大 学 毕业设计（译文）纸

有样品的介电常数均为ε=6.5。其中一块玻璃板有一层导电涂层，其表面导电性σ=0.094 S（为避免误解，有时称为siemens per square）。用四探针法测定了玻璃的表面电导率。此外，通过将计算得到的镀膜玻璃透射率随频率的依赖关系与测量值拟合，确定了镀膜玻璃的表面电导率。这些玻璃板的尺寸为30×20cm，这意味着它们完全覆盖了消声室的孔径。Low-E或双层玻璃窗是通过在两个玻璃窗之间放置一块泡沫塑料板，并使用胶带将所有东西固定到位而制成的。之所以使用胶带，是因为它不会衰减微波，也不会影响测量结果。构造的窗格玻璃的示意图如图2所示。此外，在本文件中，任何双层玻璃窗的标签如下：“4m-10-4”。这里，第一个和最后一个数字显示玻璃材质窗格玻璃的厚度，单位为mm，这意味着，在本例中，两个玻璃材质窗格玻璃的厚度都为4 mm。字母“m”表示沉积薄金属层的界面，因此它表示金属涂层位于窗格玻璃的内侧。中间数字表示玻璃材质窗格玻璃之间的间隙，单位为mm，在我们的示例中为10 mm。（a）镀膜玻璃，（b）泡沫塑料板，（c）玻璃板之间的气隙，（d）未镀膜玻璃和σ导电层。

图1。消声室中的测量布局。

共 7 页 第 3 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

长 春 大 学 毕业设计（译文）纸

图2。双层玻璃窗的示意图：

三、文献

从理论上考虑了单一金属化介质的问题，导出了描述电磁波反射和传输的解析公式。上述金属层具有无限小的厚度和相应的薄板电导率σ。考虑了导电板与电磁波的相互作用作为导致磁场切向分量破裂的边界条件[20]。同样的方法也适用于垂直落在多层介质结构上的电磁波，在这种结构中，每个界面都可能覆盖一层薄的金属层[21]。每个介质的特性阻抗ηi由方程iεηη0=定义，其中η0是自由空间的阻抗，εi是介质的相对介电常数。层的厚度为li，传播常数为λ-επ/2i ik=，其中λ是自由空间中的波长。每个界面都具有表面导电性σi。要计算通过导电表面的透射波振幅，可以使用标准匹配和传播矩阵法[22]。考虑到第i个界面上的导电层，匹配矩阵将具有以下形式：

（2）

这里αi是导电界面的影响，ρi和τi是界面的基本反射系数和透射系数。这些系数用不同介质的上述特性阻抗表示如下：

描述电磁波在双层玻璃窗的三种不同

介质中传播的三种传播矩阵以通常的方式记录下来[22]：

（4）

因此，例如，要计算通过双层玻璃窗的透射波的振幅，

只需乘以7个2×2矩阵，其中4个矩阵匹配，3个矩阵传播。关于如何在电磁波入射的斜角度下计算SE的更详细的解释，见[21，22]。

四、结果和讨论

硒对玻璃板间隙的依赖性：理论和实验商用Low-E窗通常由两块玻璃板组成，x1=4mm和x2=4mm，间隙d=16mm。它们显示了在微波频率范围内硒的一些极小值。在频率范围内移动它们的最简单方法是改变玻璃面板之间的间隙d。因此，我们用一块金属化玻璃和一块简单的玻璃制作了不同尺寸的窗户。我们还使用第2节中简要描述的矩阵乘法方法计算了此类窗口的SE。实验结果和理论计算数据如图3（a）所示，其中WiFi频率由垂直线标记。通过将图3（a）的结果与[21]中所示的商用双层玻璃的结果进行比较，可以看出我们的玻璃的表面导电性比典型的商用玻璃低几倍。由于这个原因，商用窗口显示的SE比我们实验中使用的自制窗口大约大10db。应注意的是，σ的增加并不影响最小值的位置，它只会在所有频率中均匀地增加一定数量的SE值。从图3（a）所示的结果可以看出，仅通过改变d，在2.4ghz时SE减少了几dB，在5ghz时SE减少了大约12db。实测结果与计算结果吻合较好，在优化过程中还需要进行数值

共 7 页 第 4 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

长 春 大 学 毕业设计（译文）纸

计算。我们试图阐明玻璃板的厚度和它们之间的间隙是如何影响窗户的SE的。我们从SE对间隙d的依赖性开始。图3（b）显示了玻璃窗格玻璃之间间隙的一些值的计算结果。可以看到，通过扩大玻璃面板之间的间隙d，最小SE移向较低的频率。当间隙等于5mm时，出现在3.5ghz处的最小值在25mm间隙处移动到1.5ghz。当d=10 mm时，获得2.4 GHz的最小屏蔽。应该注意的是，第二个最小值出现在增大间隙的同时，当d增大时，它也会转移到较低的频率。

五、结论

对节能窗的屏蔽效果进行了理论和实验研究。SE的实测值与计算值吻合良好，验证了矩阵乘法法在金属化玻璃节能窗SE计算中的适用性。在WiFi频率下，我们找到了最小SE值时节能窗的最佳纵向尺寸。我们证明，通过改变镀膜和未镀膜玻璃板的厚度以及它们之间的间隙，可以显著降低WiFi频率的SE。与普通节能窗相比，我们实现了2.4GHz的SE降低7-9dB，5GHz的SE降低14-17dB。所得的硒还原值与用频率选择表面在金属化玻璃板上获得的硒还原值的顺序相同。这证实了在大批量生产窗玻璃时，纵向尺寸的变化是降低SE含量的一种透视方法。

共 7 页 第 5 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

[1] European

Commission.

Energy

Saving,

https://

长 春 大 学 毕业设计（译文）纸

参考文献

ec.europa.eu/energy/en/topics/energyefficiency/ buildings

[2] A. Asp, Y. Sydorov, M. Valkama, and J. Niemelä, Radio signal propagation and attenuation

measurements for modern residential buildings, in: Proceedings of the 2012 IEEE Globecom Workshops (IEEE, 2012) pp. 580–584.

[3] M.D’Amore, D. Lampasi, M. Sarto, A. Tam bur rano, V. De Santis, and M. Feliziani,

Optimal design of multifunctional transparent shields against radio frequency electromagnetic fields, in: Proceedings of the 2009 Electromagnetic Compatibility Symposium Adelaide (IEEE, 2009) pp. 81–86.

[4] G.I. Kiani, A. Karlsson, L. Olsson, and K.P. Esselle, Glass characterization for designing

frequency selective surfaces to improve transmission through energy saving glass windows, in: Proceedings of the 2007 Asia-Pacific Microwave Conference (IEEE, 2007) pp. 1–4. [5] H. Tommerup, J. Rose, and S. Svendsen, Energyefficient houses built according to the

energy performance requirements introduced in Denmark in 2006, Energy Build. 39(10), 1123–1130 (2007).

[6] R.B. Schulz, V. Plantz, and D. Brush, Shielding theory and practice, IEEE Trans.

Electromagn. Compat. 30(3), 187–201 (1988).

[7] P. Ängskog, M. Bäckström, and B. Vallhagen, Measurement of radio signal propagation

through window panes and energy saving windows, in: Proceedings of the 2015 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC) (IEEE, 2015) pp. 74–79.

[8] M. D’Amore, S. Greco, D. Lampasi, M. Sarto, and A. Tamburrano, A new structure of

transparent films for heat control and electromagnetic shielding of windows, in: Proceedings of the 2009 International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC Europe (IEEE, 2009) pp. 1–4.

[9] P. Ragulis, R. Simniškis, and Ž. Kancleris, Shift and elimination of microwave Fabry-Perot

resonances in a dielectric covered with a thin metal layer, J. Appl. Phys. 117(16), 165302 (2015).

[10] H.-Y. Chen and T.-H. Lin, Dual-band frequency selective surface for improving the

transmission

[11] of Bluetooth and WLAN signals through an energy-saving glass, J. Chin. Inst. Eng. 39(3),

共 7 页 第 6 页

┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊

331–336 (2016).

[12] G.I. Kiani, A.R. Weily, and K.P. Esselle, A novel absorb/transmit FSS for secure indoor

wireless networks with reduced multipath fading, IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. 16(6), 378–380 (2006).

[13] T. Frenzel, J. Rohde, and J. Opfer, Elektro magnetische Schirmung von Gebäuden (BSI,

Bonn, 2007).

[14] D.A. Lampasi, A. Tamburrano, S. Bellini, M. Tului, A. Albolino, and M.S. Sarto, Effect of

grain size and distribution on the shielding effectiveness of transparent conducting thin films, IEEE Trans. Electromagn. Compat. 56(2), 352–359 (2014).

[15] Y. Corredores, P. Besnier, X. Castel, J. Sol, C. Dupey rat, and P. Foutrel, Adjustment of

shielding effectiveness, optical transmission, and sheet resistance of conducting films deposited on glass substrates, IEEE Trans. Electromagn. Compat. 59(4), 1070–1078 (2017). [16] M. Gustafsson, A. Karlsson, A.P. Rebelo, and B. Wi den berg, Design of frequency selective

windows for improved indoor outdoor communication, IEEE Trans. Antennas Propag. 54(6), 17– 1900 (2006).

[17] S. Habib, M.F.U. Butt, and G.I. Kiani, Parametric analysis of a band-pass FSS for double

glazed soft-coated energy saving glass, in: Proceedings of the 2015 International Symposium on Antennas and Propagation (IEEE, 2015) pp. 1–4.

[18] B. Widenberg and J.V.R. Rodríguez, Design of Energy Saving Windows with High

Transmission

[19] at 900 MHz and 1800 MHz, Technical Report LUTEDX/(TEAT-7110/1-14/(2002), Vol.

TEAT7110 (Lund Institute of Technology, 2002).

[20] S.I. Sohail, G. Kiani, and K. Esselle, Parametric analysis of RF and microwave transmission

through single and multiple layers of float glass, in: Proceedings of the Asia-Pacific Microwave Conference 2011 (IEEE, 2011) pp. 1454–1457.

[21] B. Foulonneau, F. Gaudaire, and Y. Gabillet, Measurement method of electromagnetic

transmission loss of building components using two reverberation chambers, Electron. Lett. 32(23), 2130–2131 (1996).

[22] Ž. Kancleris, G. Šlekas, and A. Matulis, Modeling of two-dimensional electron gas sheet in

FDTD method, IEEE Trans. Antennas Propag. 61(2), 994–996 (2013).

长 春 大 学 毕业设计（译文）纸

共 7 页 第 7 页