基于单片机的窗帘、灯光、空调智能家居控制系统设计

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1 系统功能介绍

本系统旨在构建一个集智能照明控制、电动窗帘管理、家庭安全监控与空调温度自动调节于一体的智能家居综合控制平台。通过单片机作为核心控制器，结合多种传感器、执行器以及显示与报警模块，实现家庭环境的自动化调节与安全保障。系统整体功能涵盖自动化管理、人性化操作以及多场景联动控制，提升家居环境的舒适度、安全性和能源使用效率。

系统主要功能如下：

智能照明控制功能

结合光照度传感器与红外人体感应模块，系统可根据当前环境亮度及是否有人活动，自动判断是否开启灯光。在光线不足且检测到人员活动时，自动开灯；无人活动超过一分钟或环境光线充足时，将自动关闭灯光，从而达到节能效果。白天即使检测到人员经过，只要光照度足够，也不会开启灯光，避免不必要的能耗。
窗帘智能控制功能

电动窗帘可根据用户事先设定的定时程序自动开合，也支持手动遥控切换模式，以适应不同的生活场景，如晨间自动开窗帘提升自然采光，夜间自动关闭以保障隐私。
家庭防盗与防灾报警功能

在门窗位置安装磁控开关传感器，实时监测是否存在非法开启。当发生异常开关动作时，会立即触发报警系统。与此同时，系统集成烟雾探测器与可燃气体探测器，可在发生烟雾扩散或 combustible gas 泄漏时及时报警并联动声光提示，提高家庭安全等级。
空调温度智能调节功能

系统通过温度传感器实时监测室内温度，根据预设阈值自动开启制冷或制热模式，保持室内温度恒定与舒适。不仅提升居住舒适度，还能显著减少能源损耗。

以上功能通过单片机协调控制各模块的运行，并结合用户设置实现自动与手动模式的灵活切换。整个设计兼顾稳定性、实用性、节能性以及安全性，是现代智能家居体系的重要组成部分。

2 系统电路设计

系统整体电路由主控单片机、光照传感器、人体红外感应模块、磁控开关、烟雾与可燃气体检测模块、温度传感器、电动窗帘驱动模块、空调控制继电器、显示与报警模块、电源模块等部分组成。各模块通过合理布局形成一个稳定可靠的智能家居控制终端。下面分别介绍各模块的具体设计思路与工作原理。

2.1 单片机主控模块

本系统选用 STC89C52 单片机作为主控制器，其具备处理速度快、接口丰富、结构稳定等特点，可满足多传感器采集、多执行器驱动以及逻辑判断需求。

主要设计内容包括：

**提供多路IO口：**用于接收传感器数据、输出控制信号给继电器、驱动窗帘电机等。
**串行通信接口：**可与遥控模块或外部通信设备进行数据交换。
**定时器：**用于实现窗帘定时功能、灯光延时时间控制等。
**中断系统：**用于处理紧急报警事件，如可燃气体或烟雾浓度超标。

通过编写相应程序，单片机控制系统的整体逻辑，包括自动控制模式、手动模式切换和多功能协调处理。

2.2 光照度传感器模块

光照检测模块使用光敏电阻或光照度传感器模块，例如 BH1750 或光敏电阻与分压电路组合。其输出的模拟电压随环境光照强度变化，并通过 ADC 转换为数字信号输入单片机。

功能主要包括：

判断当前是否为光照充足状态；
提供灯光自动开关判断依据；
在智能照明模式下与人体感应模块联合工作。

2.3 红外人体感应模块（PIR）

人体红外感应模块基于热释电红外传感器设计，能够探测周围人体运动。当检测到有人经过时输出高电平，无人时为低电平。

在智能照明功能中其作用包括：

判断室内是否有人活动；
触发灯光自动开启；
实现无人延时熄灯功能。

系统通过单片机对 PIR 信号进行逻辑处理，实现智能节能控制。

2.4 电动窗帘驱动模块

电动窗帘的设计基于直流电机或步进电机，通常配备 H 桥电机驱动芯片（如 L298N）实现正反转控制。

主要功能：

单片机输出方向控制信号，完成窗帘开启与关闭；
支持定时器实现自动定时开/关；
可接入红外遥控接收模块实现手动控制。

电动窗帘模块是提高家居自动化程度的重要部分，可实现每日固定时间段操作，提高生活便捷性。

2.5 防盗磁控开关模块

磁控开关安装在门窗的位置，当门窗关闭时磁铁使其触点闭合，形成正常状态；当门窗被打开时触点断开，输出信号给单片机，触发报警功能。

作用包括：

提供门窗实时状态信号；
触发声光报警模块；
可联动灯光或空调进入安全保护模式。

系统通过读取磁控开关状态判断是否有非法入侵，实现家庭安防功能。

2.6 烟雾与可燃气体检测模块

本系统采用常见 MQ-2 或 MQ-5 可燃气体传感器及烟雾传感器，其输出模拟电压随气体浓度变化。通过 ADC 采样后送入单片机进行判断。

作用主要包括：

检测厨房、客厅等区域是否存在烟雾；
检测可燃气体泄漏；
当浓度超过阈值时联动报警模块，并可控制空调停止运行以增强安全性。

在智能家居系统中，该模块可大幅提升家庭防灾能力。

2.7 温度传感器模块

温度检测模块常用 DS18B20 数字温度传感器 或热敏电阻电路，通过单总线通信方式向单片机提供实时温度数据。

功能包括：

检测室内温度；
根据温度阈值自动控制空调冷暖模式；
可实现温度智能调节，提高舒适度并减少能源消耗。

2.8 空调控制继电器模块

通过继电器或电平控制模块实现对空调的模式切换和开关控制。单片机输出对应逻辑信号，经驱动电路控制继电器动作，从而开关空调电源或调节模式。

功能包括：

温度偏高时自动开启制冷；
温度偏低时自动开启制热；
在异常情况下可自动关闭空调，以确保安全。

2.9 声光报警模块

报警模块包括蜂鸣器与高亮 LED，通过单片机控制实现报警提示。

功能如下：

在烟雾、煤气泄漏或非法入侵出现时立即报警；
可支持持续报警模式或间歇模式；
通过控制灯光闪烁强化提示效果。

2.10 电源模块

提供稳定的 5V/12V 电源，满足传感器、电机驱动及单片机工作的需求。常用稳压芯片如 7805 与 DC-DC 降压模块。

3 系统程序设计

程序设计采用模块化结构，将系统划分为主程序、光照检测模块、人体感应模块、窗帘控制模块、报警模块、温度控制模块、按键模块以及显示模块等部分。每一模块独立工作并由主程序协调，实现整体功能。

3.1 主程序结构设计

主程序负责初始化系统与循环监测各模块数据，协调自动控制逻辑。

复制代码

#include <reg52.h>
#include "sensor.h"
#include "curtain.h"
#include "light.h"
#include "air.h"
#include "alarm.h"

void main()
{
    System_Init();

    while(1)
    {
        Read_LightSensor();
        Read_PIR();
        Read_Temperature();
        Read_SmokeGas();
        Read_MagnetSensor();

        Auto_Light_Control();
        Auto_Curtain_Control();
        Auto_Air_Control();
        Check_Alarm();
        Key_Scan();
        LCD_Update();
    }
}

3.2 智能照明控制程序设计

智能照明控制逻辑基于光照度与人体红外感应信号。

复制代码

void Auto_Light_Control()
{
    if(light_value < LIGHT_THRESHOLD && pir_flag == 1)
    {
        Light_On();
        delay_count = 60;   // 延时关灯计时
    }
    else
    {
        if(pir_flag == 0)
        {
            if(delay_count > 0)
                delay_count--;
            else
                Light_Off();
        }
        else if(light_value > LIGHT_THRESHOLD)
        {
            Light_Off();
        }
    }
}

3.3 电动窗帘控制程序

窗帘支持自动定时开关与手动遥控。

复制代码

void Auto_Curtain_Control()
{
    if(current_time == open_time)
        Curtain_Open();

    if(current_time == close_time)
        Curtain_Close();
}

void Manual_Curtain_Control(u8 key)
{
    if(key == KEY_OPEN)
        Curtain_Open();
    else if(key == KEY_CLOSE)
        Curtain_Close();
}

3.4 空调智能调节程序

空调模式根据温度值自动切换。

复制代码

void Auto_Air_Control()
{
    if(temperature > TEMP_HIGH)
        Air_Cool_On();
    else if(temperature < TEMP_LOW)
        Air_Heat_On();
    else
        Air_Off();
}

3.5 防盗与防灾报警程序设计

复制代码

void Check_Alarm()
{
    if(smoke_value > SMOKE_THRESHOLD || gas_value > GAS_THRESHOLD)
    {
        Alarm_On();
    }

    if(magnet_state == OPEN)
    {
        Alarm_On();
    }
}

3.6 传感器采集程序

传感器模块负责各种模拟或数字数据的采集。

复制代码

void Read_LightSensor()
{
    light_value = ADC_Read(0);
}

void Read_PIR()
{
    pir_flag = PIR_PIN;
}

void Read_Temperature()
{
    temperature = DS18B20_Read();
}

void Read_SmokeGas()
{
    smoke_value = ADC_Read(1);
    gas_value = ADC_Read(2);
}

void Read_MagnetSensor()
{
    magnet_state = MAGNET_PIN;
}

3.7 LED 与蜂鸣器报警程序

复制代码

void Alarm_On()
{
    Buzzer = 1;
    AlarmLED = 1;
}

void Alarm_Off()
{
    Buzzer = 0;
    AlarmLED = 0;
}

3.8 显示模块程序

复制代码

void LCD_Update()
{
    LCD_Clear();
    LCD_Print("Temp:%dC", temperature);
    LCD_SetCursor(1,0);
    LCD_Print("Light:%d PIR:%d", light_value, pir_flag);
}

4 系统特点与优势分析

本系统集照明、窗帘、空调与家庭安全监控于一体，具有以下显著特点：

高度智能化：通过传感器自动判断环境条件，自动调节灯光、温度与窗帘状态，实现真正的智能家居体验。
节能与舒适兼顾：光照--人体联动控制、温度自动调节极大提高家庭能效利用。
安全防护能力强：防盗磁控开关、烟雾传感器、可燃气体检测器构成三重安全防护体系，确保家庭安全。
模块化结构：电路设计与程序均采用模块化结构，便于扩展更多智能家居设备，如智能门锁、智能音响等。
操作方式多样化：支持自动、定时、手动等多种模式，用户体验灵活便利。

5 总结

基于单片机的窗帘、灯光、空调智能家居控制系统通过多传感器融合、自动控制逻辑设计，实现了家庭照明控制、电动窗帘自动与手动管理、空调温度调节以及家庭安防报警四大功能模块。系统整体结构简洁可靠，程序逻辑清晰，具有实用性与扩展性。该设计不仅提升了家居智能化水平，还有效改善家庭能源使用效率，是现代智能家居系统的重要实现方案。