基于STC15F104E的开窗机控制器的设计

摘要 针对一般家庭对自动开窗机的实际需要，利用单片机STC15F104E设计了一种开窗机控制器。文中阐述了系统组成及各模块的功能，并给出了具体的电路图，讨论了程序的设计方法。实际测试表明，电机开／关窗动作、堵转检测、行程检测正常，运行可靠。
关键词 开窗机；STC15F104E；TA849H；TOP225

    自动化窗体作为楼宇自动化的一个重要组成部分，逐渐受到重视，越来越多的自动窗体被应用到各种建筑中。大型楼宇中若干个开窗器构成一个智能网络，驱动百叶、窗户、消防门等设备，承担起遮阳、开窗、通风、排烟、消防隔离等任务。而对于一般家庭用户来讲，窗户数量有限，通常也无组网的必要，所需的是一种具有一定智能化、工作可靠且成本低廉的开窗机。针对此需求，利用单片机STC15F104E设计了一种智能开窗机控制器。

1 硬件电路设计
    设计的智能开窗机控制器结构框图如图1所示。系统由开关电源模块、电机驱动(TA8429H)模块、控制模块(STC15F104E)及开关状态检测、堵转检测、位置检测等构成。

1．1 开关电源模块
    该模块输出24 V／2 A和5 V／0．5 A两组直流电源，如图2所示。该电路是基于TOP225的开关电源的典型应用电路，电路中S1是电源开关及开／关窗控制开关，打到“3”处定义为开窗操作，打到“1”处定义为关窗操作，打到中间位置电源断开，触点“3”与开关状态检测电路相连，以实现开关S1状态检测。

1．2 开关状态检测
    开关状态检测电路如图3所示。只有开关S1打到“3”，光耦TLP521才不断输出近似于方波的脉冲信号给单片机STC15F104E的P34脚，利用程序实现开关S1状态的检测。

1．3 控制及电机驱动模块
    控制及电机驱动模块主要由单片机STC15F104E及TA8429H构成，如图4所示。图中STC15F104E是宏晶公司生产的单片机，指令系统与MCS-51兼容，价格低廉、体积小，仅有8个引脚，其中有6个I／O脚，满足系统控制要求。TA8429H是东芝公司推出的一款全桥驱动电路，适合直流有刷电机的控制，可以实现电机的正转、反转、制动和停止控制，其工作电压为+27 V，平均工作电流可达3 A，完全可以满足24 V／40 W直流电机的驱动要求。设计中电机控制信号经单片机(MCU)的P31、P32输出，经光耦PC817隔离后送到TA8428H的输入端，实现电机运行状态的控制；TA8429H的“GND”与+24 V电源的“地”之间串接一个1 Ω／3 W的电阻实现电机电流检测，在关窗到位后，电机将堵转，电机电流增大，因而电阻两端电压因而升高。调节电位器R18，使得Q1导通，光耦U9输出低电平，从而实现电机堵转检测。通过调节R18可以设定电机堵转电流，从而实现开窗机负荷轻重的设定。当开窗到位时，行程开关S2闭合，MCU的P30引脚变为低电平，MCU将控制电机停转。电路中LED0为电机堵转指示，以方便堵转电流设定，P2为单片机的在线编程接口。

2 软件设计
    系统软件的主要任务是检测开关S1的状态、检测堵转及行程开关、控制电机的运行。MCU的P34引脚上脉冲情况反映了开关S1状态，检测方法是：定时50 ms，在50 ms内如果P34为高电平，变量就加1，最大加至200，50 ms后判断该变量的值，如果大于某个值，就认为S1打到触点“3”。实测证明这种检测方法简单、可靠。P30、P35两脚上电平的情况分别反映了开窗到位及电机堵转情况。系统软件流程图如图5所示。

3 实验测试
    将控制器应用于采用SL-123F链轮式直流减速电机的开窗机中，实验在测试架上进行，悬吊45 kg负载，电机电流为1．1 A，开窗速度约为10mm／s。实际测试表明，电机开／关窗动作、堵转检测、行程检测正常、运行可靠。

4 结束语
    智能开窗机作为楼宇自动化的配套设备将得到不断的发展和完善，为人们提供安全、舒适、便利的生活环境。文中给出的基于单片机的智能开窗机控制器，成本低廉、工作可靠，满足一般家庭的门窗控制需要。