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摘 要
本論文主要針對湖州旭偉節能門(mén)窗有限公司早期產(chǎn)品遇到的問(wèn)題，如節能保溫效果較差、控制方式比較單一，不能實(shí)現遠程控制及成本過(guò)高等，設計一種能實(shí)現自動(dòng)控制、手動(dòng)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(kāi)發(fā)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(dòng)電路、百葉窗步進(jìn)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(kāi)度，編寫(xiě)了節能窗控制程序，實(shí)現了節能窗自動(dòng)控制功能。
2. 采用 STC15W201S 單片機設計了遙控電路，編寫(xiě)了 433MHZ 射頻通信和控制程序，實(shí)現了節能窗卷簾的手動(dòng)遙控功能。
3. 采用 MiniSTM32 單片機開(kāi)發(fā)板、SIM900A GSM 通訊模塊，編寫(xiě)了短信收發(fā)程序和人機界面程序，結合節能窗主控制器實(shí)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(jìn)行了性能測試，對節能指標和節能性能進(jìn)行了分析；并對本設計進(jìn)行了總結和展望。
關(guān)鍵詞：節能窗，單片機，模糊控制，GSM,射頻通信
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(zhù)工業(yè)和科技的日益發(fā)展，如今日人類(lèi)社會(huì )和環(huán)境、能源的矛盾也日益突出。環(huán)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(huì )生活方方面面必須做好的工作任務(wù)[1].
現階段，在我國社會(huì )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(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )公布的數據，這個(gè)比例已經(jīng)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(lèi)，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(guān)系著(zhù)采光、通風(fēng)、隔聲、立面造型。在目前的建筑物中，追求更好的通風(fēng)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(guān)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(fēng)、圍護、觀(guān)景等重要功能，也直接影響著(zhù)建筑室內的環(huán)境，是重要的家居之一。窗融入人們的生活中，時(shí)刻關(guān)系和影響著(zhù)人們。再加上快速發(fā)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(zhì)，渴望更健康的生活、更舒適安全的環(huán)境。現有窗在保證基礎功能的同時(shí)，也存在很多的不便和不足，比如出門(mén)在外，突降大雨，沒(méi)法及時(shí)趕回家關(guān)窗等等。隨著(zhù)大數據[5]、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)、4G 技術(shù)等科技的快速發(fā)展，移動(dòng)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(lái)越便捷。人們也迫切希望能解放人力、改善生活品質(zhì)的節能窗。
該課題來(lái)源于湖州旭偉節能門(mén)窗有限公司，為貫徹國家環(huán)保方針政策，實(shí)現節能減排目標，滿(mǎn)足人們的生活需求。該公司致力于窗戶(hù)在節能技術(shù)上的改進(jìn)，引領(lǐng)我國的窗戶(hù)行業(yè)加速邁入"節能時(shí)代",提高人民的生活質(zhì)量水平。
1.2 國內外關(guān)于節能窗研究的現狀
現在節能環(huán)保越來(lái)越受重視，人們在節能產(chǎn)品的研發(fā)方面也有了很大的突破。
Dr.Th.Krass 等研究者通過(guò)把氧化鎢薄膜沉積在半透明的金屬層（Cr,Ag）上，在1953 年發(fā)現了稀硫酸溶液中陰極著(zhù)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(kāi)始了對節能窗材料的研究。初期的西方建筑，其門(mén)窗主要以通風(fēng)、采光為主，追求美觀(guān)，大多使用單層玻璃，隔熱、保溫等熱工性能比較差[8].隨著(zhù)能源危機的爆發(fā)，人們也越來(lái)越關(guān)注環(huán)保節能問(wèn)題，門(mén)窗的設計也越來(lái)越注重熱工性能。表1-1是二十世紀國外節能門(mén)窗功能性能要求和技術(shù)變化[9].
西方發(fā)達國家對節能窗的研究比較早，我國近幾年才開(kāi)始這方面的研究，很多節能技術(shù)相對比較落后，先進(jìn)的技術(shù)需要從國外引進(jìn)。但是無(wú)論是在西方發(fā)達國家還是在國內，在節能窗的設計中，都會(huì )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，傳熱就越小；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(fā)展進(jìn)度做了個(gè)橫向比較，具體如表 1-2 所示[11].
通過(guò)上表的數據對比，國外從上世紀七十年代開(kāi)始節能門(mén)窗研究，比我國早了十多年，經(jīng)過(guò)三四十年的發(fā)展和改進(jìn)，國外窗的傳熱系數有了很大的提升。國外發(fā)達的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以自動(dòng)防風(fēng)和防雨，這也讓節能門(mén)窗進(jìn)一步推廣到家庭終端成為了可能。雖然目前因為節能門(mén)窗價(jià)格高昂，家庭的使用量還很小，并未普及。我國的節能門(mén)窗發(fā)展相對緩慢，雖然較九十年最初時(shí)期有了顯著(zhù)進(jìn)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(fā)展中期水平。
此外，發(fā)達國家節能窗企業(yè)對節能窗的檢測方法也比較先進(jìn)，如北美使用監控箱法和標定箱法[12],還研發(fā)出了更新型的節能智能玻璃：通過(guò)低電壓的輔助控制，可以自動(dòng)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(guò)率和吸收率不同，改變室內太陽(yáng)光的入射量，影響采光和隔熱，同時(shí)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(fā)達國家節能窗企業(yè)已生產(chǎn)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(fēng)、防熱、保溫等功能的兼顧。節能窗作為智能家居的一種，發(fā)達國家對它的控制方法也進(jìn)行了相應的研發(fā)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(jīng)應用到實(shí)際中去。
我國從事節能窗研究和生產(chǎn)的企業(yè)不多，中小企業(yè)為主，缺少龍頭企業(yè)。企業(yè)的規模和實(shí)力，一定程度上制約了研究和創(chuàng )新的進(jìn)一步深入。我國現階段節能窗在功能、技術(shù)、安全、壽命等各方面的不足，而且控制方式較單一且沒(méi)有統一的控制系統。使得其沒(méi)法普及到家庭市場(chǎng)，僅局限于高檔住戶(hù)、寫(xiě)字樓和賓館等特定場(chǎng)所。
1.3 課題研究的意義
隨著(zhù)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(lái)越深入和迫切，這將是一個(gè)非常有前景的市場(chǎng)。
節能窗，不僅要兼具窗的基本功能：通風(fēng)、采光等，還需要實(shí)現智能化控制，以及舒適性、靈活性、節能性甚至是個(gè)性化等，因此節能窗的設計很重要很復雜，制作成本高，價(jià)格昂貴。現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(hù)、高級賓館等少數場(chǎng)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(yōu)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。控制系統可以運用光照、溫度、濕度等條件的變化，讓窗自動(dòng)開(kāi)關(guān)閉合，實(shí)現窗的自動(dòng)控制、手工控制以及遠程控制。
此控制系統成本低廉，結構簡(jiǎn)單，性能穩定，如果能實(shí)現和推行，可以大大提高節能窗的實(shí)用性，并可應用于普通家庭，讓人們真正享受到節能窗帶來(lái)的舒適、便捷和安心，既提高生活品質(zhì)，又高效節能。
1.4 論文的主要研究?jì)热?/strong>
本文以公司實(shí)際背景展開(kāi)工作，主要以節能窗為控制對象，綜合應用了自動(dòng)化控制技術(shù)的相關(guān)專(zhuān)業(yè)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(fā)展技術(shù)和現狀，并對國內外節能的效果進(jìn)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(wèn)題進(jìn)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(jìn)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(jìn)行分析與選型，對軟件系統的主要平臺進(jìn)行介紹。
第三章：本章主要對自動(dòng)模式下百葉窗的模糊控制的基本原理進(jìn)行了詳細的介紹。首先，介紹了節能窗的自動(dòng)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(kāi)度的關(guān)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(shù)選擇和手機短信 GSM（全球移動(dòng)通信系統 GlobalSystem for Mobile Communication）通信系統的特點(diǎn)和 ATK-SIM900A 控制協(xié)議進(jìn)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(shí)現，對節能窗系統硬件模塊電路進(jìn)行詳細的分析，分別對電機驅動(dòng)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(jìn)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(guò)了自動(dòng)控制、遙控控制和手機短信控制三方面程序的設計，并進(jìn)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(jìn)行了性能的測試，主要進(jìn)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(jīng)過(guò)測試后，有效實(shí)現了系統設計方案。最后，還與節能窗知名品牌墅標同類(lèi)節能窗在性能和技術(shù)方面進(jìn)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(shí)踐結果進(jìn)行總結，并提出系統設計中的創(chuàng )新點(diǎn)和不足，以及對未來(lái)的展望。
第二章 節能窗的設計目標與內容
2.1 企業(yè)現有節能窗控制系統存在的問(wèn)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(hù)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(dòng)模式下百葉窗模糊控制策略
3.1.1 百葉窗工作環(huán)境設計
3.1.2 模糊控制基本原理
3.2 自動(dòng)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(dòng)電路的設計
4.1.3 百葉窗步進(jìn)電機控制電路設計
4.1.4 電源模塊的設計
4.1.5 環(huán)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(dòng)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(shí)驗測試
6.1 樣機的制作
6.2 節能窗實(shí)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(shù)與同類(lèi)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(mén)窗有限公司早期產(chǎn)品遇到的問(wèn)題，而進(jìn)行了整個(gè)節能窗的方案設計。通過(guò)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(guò)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(xiě)，對節能窗從窗體的設計到性能進(jìn)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(shí)現通過(guò)傳感器模塊對環(huán)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(dòng)百葉窗步進(jìn)電機控制百葉窗翅片的開(kāi)度，實(shí)現自動(dòng)化控制。
（2）利用 433MHZ射頻通信技術(shù)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)遙控器來(lái)控制百葉窗卷簾整體的上升、下降和模式的切換的功能，實(shí)現手動(dòng)控制。
（3）通過(guò)手機短信實(shí)現遠程控制，手機發(fā)送指令就可以控制百葉窗卷簾整體的升降狀態(tài)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(shí)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(shù)水平達到國內領(lǐng)先水平，超出國家節能標準，滿(mǎn)足人們對于自動(dòng)控制產(chǎn)品的需求，適用于房地產(chǎn)新開(kāi)發(fā)房產(chǎn)和舊建筑物窗戶(hù)替換等。本設計產(chǎn)品成本在 200 元/平方米左右，預計市場(chǎng)銷(xiāo)售可達 300-400 元/平方米左右，因此具有很好的市場(chǎng)應用前景、經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
在本設計研究結果的基礎上，我們將繼續進(jìn)行研究新型節能窗技術(shù)的研究。
（1）在技術(shù)方面的研究方向如何降低玻璃輻射（比如研發(fā)出低輻射的窗玻璃），如何提高中空玻璃的絕緣性（比如發(fā)現更適合中空玻璃的惰性氣體），如何利用自然條件實(shí)現節能（比如暖邊技術(shù)和陽(yáng)光控制膜玻璃），窗體的每個(gè)部位都是有節能點(diǎn)，整窗考慮是重點(diǎn)。
（2）在自動(dòng)控制方面的研究方向如何自動(dòng)監控燃氣（比如能自動(dòng)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(huì )對窗戶(hù)做出指令，讓其窗戶(hù)開(kāi)窗并開(kāi)啟風(fēng)扇排氣，同時(shí)向主人和物業(yè)發(fā)出警報）；如何自動(dòng)檢控火災（比如萬(wàn)一發(fā)生火災，傳感器能及時(shí)檢測到煙霧訊號，智能控制器能自動(dòng)開(kāi)啟門(mén)窗，發(fā)出警報，及時(shí)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(dòng)檢測人體信息，如有小孩靠近非安全區，窗戶(hù)自動(dòng)關(guān)閉，確保孩子的人身安全）。
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致 謝
在浙工大這短短的幾年學(xué)習時(shí)間里面，不僅收獲了知識，也收獲了友情和快樂(lè )。回想起研究生理論學(xué)習和畢業(yè)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(xiě)作方面給與了我很多幫助。在書(shū)寫(xiě)論文期間，有問(wèn)題向徐老師提問(wèn)，徐老師都會(huì )及時(shí)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(tài)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(xué)術(shù)素養則是我接下去學(xué)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(xué)校的領(lǐng)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(shí)解決了論文寫(xiě)作上的難題。還有在系統軟件設計時(shí)，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(shí)間對我的包容和支持，讓我能專(zhuān)心學(xué)習和研究，并最終完成系統。
最后向論文評審的專(zhuān)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(yè)設計全文，請您聯(lián)系客服索取）