論文基于單片機的多功能智能窗的設計.doc

1、福州大學至誠學院本科生畢業(yè)設計（論文）題 目： 基于單片機的多功能智能窗的設計 姓 名： 趙立 學 號： 211214636 系 別： 電氣工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 年 級： 2012級 指導教師： 俞珊 2016年1月15日獨創(chuàng)性聲明本畢業(yè)設計（論文）是我個人在導師指導下完成的。文中引用他人研究成果的部分已在標注中說明；其他同志對本設計（論文）的啟發(fā)和貢獻均已在謝辭中體現(xiàn)；其它內(nèi)容及成果為本人獨立完成。特此聲明。論文作者簽名： 日期： 關于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解福州大學至誠學院有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學院有權(quán)保留送交論文的印刷本、復印件和電子版本，允許論文被查閱

2、和借閱；學院可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其他復制手段保存論文。保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定。論文作者簽名： 指導教師簽名： 日期： 基于單片機的多功能智能窗的設計摘要在現(xiàn)代家居中，窗戶是一個重要的組成部分，可以起到通風透氣和擋風避雨的作用，但大部分的窗戶設計不夠完善，只能簡單的人工開關窗戶，沒有安防報警功能，盜賊進入房間時無法第一時間通知主人，而且在意外情況發(fā)生時，使用者完全沒有發(fā)現(xiàn)的意識，無法及時的解決。本設計基于STC89C52RC單片機為控制終端，通過傳感器檢測環(huán)境的溫濕度、煙霧值、關照強度。當房間內(nèi)的可燃氣體泄漏時，窗戶便會自動開啟通風，并且發(fā)出警報來提

3、醒主人環(huán)境異常，如在下雨天，系統(tǒng)檢測環(huán)境濕度，能自動關窗，避免雨水濺到室內(nèi)造成不必要的損失。如有小偷要進入房間則會碰觸傳感器，關閉窗戶同時發(fā)出警報，第一時間提醒主人有小偷進入房間。光敏電阻放在窗外通過檢測亮度，判斷白天還是夜晚，可以控制自動關開窗。可以解決無人在室內(nèi)時，隨著環(huán)境的變化，多功能智能窗會做出相應判斷，自動開關閉窗戶的作用，使室內(nèi)的財產(chǎn)和安全不會因為環(huán)境的變化而造成一定的損失。同時，具備了傳感監(jiān)測環(huán)境的功能隨時可以知道環(huán)境的變化。顯示窗戶的智能化。從而，大大的改善了生活質(zhì)量。 關鍵詞：單片機，智能家居，傳感器Design of Multi-functional Intelligent

4、 Window Based on MCU AbstractThe smart home In the modern home, the window is an important part of the can to ventilation and wind and rain, but most of the windows design but perfect, only a simple manual switch windows, no alarm function, the thieves entered the room cannot first time to inform th

5、e owner and at the time of the accident, users no sense of discovery, not timely solve.This design is based on STC89C52RC microcontroller as the control terminal, through the sensor to detect the temperature and humidity of the environment, smoke value, care strength. When the leakage of combustible

6、 gases inside the room, windows will automatically open ventilation, and sounds the alarm to remind the owner environmental anomalies, such as on a rainy day, system to detect environmental humidity, automatically closing a window, to avoid the rain splashed to the interior caused by unnecessary los

7、ses. If a thief to enter the room will touch the sensor, close the windows at the same time issued a warning, the first time to remind the owner of a thief into the room. Photosensitive resistor through the detection of brightness, to determine the day or night on the window, can control the automat

8、ic closing window. Can solve unmanned in the interior, with the change of environment, the multifunctional intelligent window will make the corresponding judgment, automatic switch closing window, indoor property and security are not because of changes in the environment caused by a certain degree o

9、f loss. At the same time, it has the function of sensing and monitoring environment at any time to change the environment. Make windows intelligent, greatly improving the quality of lifeKey words: single chip microcomputer, smart home, sensor 目 錄第1章 緒論11.1 研究背景及意義11.2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 國外的發(fā)展現(xiàn)狀21.4 研究的課題內(nèi)容

10、21.5 論文的介紹21.6 本章小結(jié)3第2章 方案的設計42.1 系統(tǒng)的方案架構(gòu)42.2 控制芯片42.2.1 控制芯片的選擇42.2.2 STC89C52RC芯片的介紹52.3 溫濕度傳感器模塊62.3.1 溫濕度傳感器模塊的選擇62.3.2 SHT11溫濕度傳感器62.4 電機模塊72.4.1 電機模塊的選擇72.4.2 芯片ULN2003的介紹82.5 顯示器模塊82.5.1 顯示器模塊的選擇82.5.2 液晶顯示器LCD1602的介紹92.6 A/D的轉(zhuǎn)化模塊102.7 軟件設計方案112.8 系統(tǒng)特點132.9 本章小結(jié)13第3章 硬件電路的設計143.1 單片機的最小系統(tǒng)143.

11、1.1 介紹單片機的接口143.1.2 復位電路153.1.3 振蕩的時鐘電路153.2 步進電機模塊接口163.3 A/D轉(zhuǎn)化模塊的接口163.4 本章小結(jié)17第4章 軟件設計184.1 系統(tǒng)軟件設計方案184.1.1 單片機計算機系統(tǒng)簡介184.1.2 單片機計算機系統(tǒng)的客戶端應用194.2 溫濕度傳感器程序設計194.3 LCD1602模塊的設計204.4 電機模塊的程序設置214.5 本章小結(jié)22第5章 系統(tǒng)的調(diào)試235.1 系統(tǒng)主程序設計235.2 系統(tǒng)軟硬調(diào)試235.3 本章小結(jié)25結(jié)論26參考文獻27謝辭28附錄1 部分關鍵源碼及解釋29基于單片機的多功能智能窗的設計第1章 緒論

12、1.1 研究背景及意義隨著今天科學技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，人們的生活水平也隨之不斷提高，比如：醫(yī)院的醫(yī)療設備、家庭的家用設備、私人交通設備等等，所有的這些變化讓人們的生活更加便捷。在現(xiàn)代家居中，窗戶不但具有良好的裝飾和采光等功能，而且還可以阻止灰塵和空氣流通。雖然很多家庭現(xiàn)在用鋼結(jié)構(gòu)加強防盜網(wǎng)用于防止盜竊，這樣子似乎起到了安全功能，但是在火災等突發(fā)的事件中，防盜網(wǎng)的窗戶卻讓人沒有機會逃跑，所以改善窗戶的功能性是十分重要的。在現(xiàn)代工藝中大多數(shù)窗口的制作在一定程度上是不完美的，而且沒有安全檢測功能，一旦發(fā)生事故只能靠人工打開或關閉窗口，用戶完全沒有意識到有些產(chǎn)品沒有提供通風的系統(tǒng)，房間一氧化碳或煙霧超過

13、時，不能最快通知主人室內(nèi)的空氣情況，而有些產(chǎn)品沒有傳感器開關的安全特性，即便小偷入侵也不知道。而智能的窗戶控制系統(tǒng)，不但可以通過檢測環(huán)境濕度自動關閉窗戶，而且室內(nèi)如果有有害氣體窗戶會自動，有賊侵入房間便會自動報警，室內(nèi)溫度和濕度太高或太低便會自動開關窗，自動監(jiān)測和調(diào)整環(huán)境使窗戶真正的智能化，給人們的生活帶來了很多的舒適，大大提高了人們的生活質(zhì)量。1.2 國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀在中國通用的智能化裝置發(fā)展相對而言較晚，而歐洲國家和其他發(fā)達國家的智能化早已廣泛應用。10年前電動窗簾已經(jīng)進入中國，由于沒有得到大力推廣，電動窗簾一直沒有得到相應的發(fā)展。而在這兩年，隨著電子控制技術(shù)的不斷發(fā)展和價格的下降，智能化開

14、始飛快發(fā)展。今天，在中國多功能智能窗戶系統(tǒng)快速發(fā)展，在同等的行業(yè)中成為佼佼者，也恰恰說明了多功能智能是科技進步的產(chǎn)物，它也將成為我國未來窗戶發(fā)展的主流。據(jù)報道，在2004年在中國房地產(chǎn) 有1億9000萬出售，如果平均每30平方都需要這樣的產(chǎn)品，這就可以近幾年數(shù)百萬套這樣的新產(chǎn)品需求。在新的市場下，智能家居多功能智能窗戶系統(tǒng)產(chǎn)品將不少于5000萬套。假如多功能智能窗銷售額只占3%的市場，它至少可以實現(xiàn)年產(chǎn)值上百萬元。1.3 國外的發(fā)展現(xiàn)狀在歐美一些國家為 了能夠更有效地保障居民的生命安全和財產(chǎn)安全，在很早就引入了樓宇智能化，其中在通訊防盜智能窗裝置最為常見。國外許多國家試過運用遠程通訊 的方法進

15、行監(jiān)控，實現(xiàn)遠程警 訊傳輸。但是這些方式往往受各種客觀條件的限制，比如造價昂貴、信號不穩(wěn)、易受破壞等，一直無法從 根本上解決問題。集中起來，其缺陷 主要有一下幾點：(1) 產(chǎn)品配置成本昂貴，一次性的資金投入較大；(2) 可靠 性較低；(3) 后期 的維護費用偏高。1.4 研究的課題內(nèi)容本課題的研究內(nèi)容如下：(1) 紅外傳 感器模塊的軟硬件設計，進行信息的探測，從而觸發(fā)單片機；(2) 步進電機模塊 的軟硬件設計，通過單片機發(fā)出指令 到驅(qū)動芯片ULN2003來驅(qū)動步進電機的工 作，利用紅外接收來實現(xiàn)遙控的控制；(3) 顯示器模塊 的選擇和設計，顯示溫濕度傳感器 上探測到的信息；(4) 整個系統(tǒng)的

16、軟硬件調(diào)試及完善。1.5 論文的介紹根據(jù)系統(tǒng)需求，本文完成如下工作：第1章：介紹了系 統(tǒng)的研究和設計的背景及意義，調(diào)查并簡述了 當前國內(nèi)多功能智能窗的系統(tǒng)的現(xiàn)狀，設計了符 合時代發(fā)展需要的多功能智 能的窗戶系統(tǒng)方案；第2章：介紹了系 統(tǒng)硬件電路，包括核心控制器、檢測 部分和無線紅外接收部分；第3章：設計了多功 能智能窗的系統(tǒng)功能模塊；第4章：介紹了Keil4開發(fā)環(huán)境下的軟件編程技術(shù)，根據(jù)實際需求 編寫一系列實現(xiàn)手動和自動化的應用程序；第5章：介紹了對系統(tǒng)進行軟 硬件聯(lián)合調(diào)試，以達到系統(tǒng)功能的主要要求。1.6 本章小結(jié)多功能智能 化窗戶系統(tǒng)的設計能夠 更好地解決現(xiàn)代家庭一系列的安全隱患問題，簡單

17、易操作，保證反應動 作的及時性和穩(wěn)定性。本章是在了解國內(nèi)外 家居智能的現(xiàn)狀，分析了市場上 一般的家居智能窗的優(yōu)缺點的基礎上，給出 了單片機的多功能智能窗簾 系統(tǒng)設計的思路和要求。第2章 方案的設計本課題的研究內(nèi) 容是基于單片機的多功能 智能窗戶系統(tǒng)的研究和設計，整個系統(tǒng)的設計 是基于目前一般智能家居系統(tǒng)的國內(nèi) 外現(xiàn)狀，通過調(diào)查和實際研究 設計更好的多功能窗簾系統(tǒng)，方法上則是 通過采用煙霧及溫濕度傳感模塊，紅外傳感器模塊和紅外遙控接收模塊 來實現(xiàn)窗簾的智能化運行。2.1 系統(tǒng)的方案架構(gòu)系統(tǒng)架構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)多功能智能窗的機械部分的動力由步進電機模塊提供，根據(jù)現(xiàn)實生活窗戶

18、的位子和大小來設計傳動部件和窗架。根據(jù)傳感器將 探測到的環(huán)境變化反映到單 片機口，由單片機I/O信號的變 化(即電平的高低)反應出外界環(huán)境的變化，發(fā)出指令驅(qū)動電機產(chǎn)生動作。 2.2 控制芯片2.2.1 控制芯片的選擇方案1：STM32 系列芯片處理器。該系列芯片采用了基于ARM嵌入式架構(gòu)中的Cortex-M3 內(nèi)核的處理器，STM32F103為 中等“增強型”系列，是屬于低功耗的嵌入式 處理器。時鐘頻率為 72MHz，可以通過JTAG接口 進行編程與仿真，擁有IC、SPI等主要 接口，內(nèi)置RTC實 時鐘、GPIO及終端。方案2： STC52系列的芯片的選擇。該系列芯片是一類高性價比、而且性能比

19、較好 的微處理器，其中的STC89C52RC由 內(nèi)置8位中央 處理單元和512字節(jié)RAM以及8K片內(nèi)的 程序存儲器，外部有32個的 雙向I/O口、36位定時/計數(shù)器 和四個外部中斷的 結(jié)構(gòu)，全雙工串行通信也是其中的一個特點，還有時鐘的振蕩電路，以及多樣 的封裝外型也是單片機的重要組成部分，使其能夠適應 各種應用場合。選定方案：通過仔細比較，認為STC系列的 單片機具有處理功能強、性價比高等 優(yōu)勢，適合本設計要求的特點，故采用STC89C52芯片作為多功能智能窗的系統(tǒng)的主要控制器。2.2.2 STC89C52RC芯片的介紹 89C52RC單片機不但具備價格低廉、便于上手，而且系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，高性能

20、的8位單片機是采用的CMOS技術(shù)制造，這種工藝不僅可靠，而且集成了更多的功能，如時鐘輸出、向上或向下計數(shù)器等。89C52RC內(nèi)嵌有8位中央處理單元、0.5KB的RAM、8KB的ROM、3個16位的T0，T1，T2、中斷有4個外部中斷和一個4級中斷結(jié)構(gòu)以及32個通用輸入/輸出口。該塊單片機的工作電壓為5V，其內(nèi)核的工作電壓則為3.3V，總體而言，芯片工作的功耗很小，滿足系統(tǒng)的需求，即低功耗、低成本。89C52RC單片機處理器作為系統(tǒng)的核心，主要配合其他傳感模塊的檢測做出處理1。如圖2-2為STC89C52RC芯片的實物圖。圖2-2 單片機實物圖2.3 溫濕度傳感器模塊2.3.1 溫濕度傳感器模塊

21、的選擇方案1：接觸式溫濕度傳感器。接觸式溫濕度傳感器通過和待測物體接觸來測量的原理，被測物體發(fā)生變化傳感器也發(fā)生相應變化，接觸式的傳感器在工業(yè)和生活中使用比較廣泛2。方案2：數(shù)字溫濕度傳感器。智能溫濕度傳感器是基于微電子學技術(shù)、計算機控制技術(shù)和自動化測試技術(shù)，該項產(chǎn)品在集成傳感器的領域中是最有發(fā)展前途的。傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器（或寄存器）和溫濕度傳感器、接口電路等模塊組成。它具有三個比較顯著的特點：第一個特點；對被測對象的溫濕度數(shù)據(jù)及相關的一些溫濕度控制量的輸出；第二個特點；高性能、以最簡單的方式 構(gòu)成溫濕度測控系統(tǒng)；第三個特點；能夠通過硬件的基礎上使用軟件來實現(xiàn)測試的功能。選

22、定方案： 因為系統(tǒng)測量環(huán)境的濕度值的精度要求較高，在加上在測量過程中其他的因數(shù)對測量的結(jié)果干擾比較大，所以，為了測量的準確性本次設計采用智能的溫濕度傳感器芯片，來實現(xiàn)更加智能化的測量。2.3.2 SHT11溫濕度傳感器SHT11是一款新型的用于測溫濕度的數(shù)字芯片。7.652.5mm是這款SHT11芯片的尺寸，它的體積值只有常用的橡皮擦的體積一半大小。在出廠之前，廠商對每個傳感器都做過精密標準測試。芯片的標準系數(shù)都會被編成相應的程序并且存入校準的存儲器里面，它在測量過程中可以對相對濕度進行自動校準在測量工程中3。SHT11廣泛應用于電子、汽車、冷暖空調(diào)、自動控制等領域。SHT11的抗干擾能力 極

23、強，因為芯片采用數(shù)字 信號輸出，SHT11芯片 廣泛的應用在溫濕度監(jiān)測、自動控制等領域。該芯片的特性總結(jié)出如下幾點：相對溫濕度值輸出可全校準；具有長期的穩(wěn)定性；輸出功能帶有露點值的計算；有體積?。?.655.0823.5mm）,可在表面進行貼裝；在測量時電流消耗為五百五十毫安在休眠時電流消耗為三毫安；傳輸校驗功能帶有可靠的CRC數(shù)據(jù)；電源的工作范圍為2.4-5.5V；如圖2-3為傳感器實物圖。圖2-3 傳感器的實物圖2.4 電機模塊2.4.1 電機模塊的選擇方案1：采用步進電機。由步進電機的驅(qū)動原理可知，步進電機的運行是通過接收驅(qū)動器施加的脈沖來轉(zhuǎn)化成電機的腳位移，多個連續(xù)的角位移銜接在一起形

24、成電機的運行。可以通過給驅(qū)動脈沖數(shù)量來控制步進電機在一個周期內(nèi)控制角位移量，從而達到想要的控制角度。通過控制給脈沖的速度來控制電機轉(zhuǎn)動的速度還有加速度，這就是調(diào)速的原理4。ULN2003芯片可以用來驅(qū)動小型的步進電機：每個脈沖都可以通過轉(zhuǎn)化成電機轉(zhuǎn)動精確的角度，并且能持續(xù)地將電脈沖轉(zhuǎn)換成特定的旋轉(zhuǎn)運動。方案2：采用普通的直流電機。直流電機的工作電流比步進電機要比大的多，L298N這類的驅(qū)動芯片用于驅(qū)動相對比較小型直流電機，普通直流電機成本較低并且不占用單片機I/O口，節(jié)約了單片機CPU資源，滿足本系統(tǒng)設計要求，使用起來更加便捷。直流電機采用單片機輸出PWM波控制來控制。綜合以上，考慮到整體設計

25、的供電，簡化系統(tǒng)電路，因此采用方案1。2.4.2 芯片ULN2003的介紹步進電機原理設計如下：通過單片機產(chǎn)生脈沖信號傳遞到驅(qū)動芯片上來驅(qū)動步進電機，脈沖信號的占空比為0.2到0.6左右，信號分配是按規(guī)定的順序發(fā)送脈沖序列是通過某種控制給出的順序 ，便可實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)。按照設計要求，步進電機工作節(jié)拍的通電順序是AABBBCCCDDDAA。正反轉(zhuǎn)的控制原理：用單片機輸出的四個接口的為一組控制位。本設計中，步進電機的四項繞組分別接單片機的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3。采用ULN2003芯片驅(qū)動模塊，原理圖如圖2-4所示。圖2-4 ULN2003原理圖2.5 顯示器模塊2.5.1 顯

26、示器模塊的選擇方案1：LCD1602液晶的顯示屏。LCD1602又名1602字符型液晶，它的功能可以顯示數(shù)字、字母以及一些特殊的符號等的液晶模塊。它是有兩種型號，一種是由若干個57，一種是由511的點陣字符位組成5。LCD1602的屏幕顯示由多個點陣組成的，每個點陣對應一個字符，在每個字符之間還存在間隔，而這些間隔為一個點距，上下兩行之間也有點距，其作用是為了隔開字符和隔開行距。方案2：LCD12864 液晶顯示屏。LCD12864是能夠顯示圖像的液晶顯示模塊。它的體積大小為手機屏幕的一半，能夠顯示1616點陣的漢字。操作簡便。主要運用在工業(yè)儀器儀表方面，比如可利用該模塊實現(xiàn)全中文的人機交互圖

27、形界面。 選定方案： 綜上所述，LCD12864液晶顯示屏的價格相對比較高一些，而LCD1602液晶的顯示屏滿足本設計對顯示器模塊功能的要求，且簡單易行，故采用LCD1602液晶顯示屏多功能智能窗的顯示器模塊。2.5.2 液晶顯示器LCD1602的介紹LCD1602字符液晶顯示器屏幕類似SMT89C52RS芯片體積大小，是點陣型的顯示模塊。該模塊在出廠之前就已經(jīng)把160個字符字模固化在控制模塊和驅(qū)動模塊中。用戶 只要將需要顯示字符的ASC-II的數(shù)據(jù) 送入顯示數(shù)據(jù)庫自動生成其對應的字符字模。 LCD1602特性：(1) 帶有的數(shù)據(jù)存儲器DDRAM有80字節(jié)；(2) 內(nèi)建有字符發(fā)生器CGROM；

28、(3) 提供多種控制命令；(4) 工作電壓在3.3V或5V，對比度可通過電位器調(diào)節(jié)；(5) 用戶自定義的5X7的字符發(fā)生器有八個；(6) 系統(tǒng)自帶復位電路。1602液晶顯示器的外觀如圖2-5所示。圖 2-5 液晶顯示器1602管腳說明表如表2-1所示。表2-1 1602管腳說明表引腳符號功能說明1VSS一般接地2VDD接電源（+5V）3V0液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。4RSRS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。續(xù)表2-1 1602管腳說明表5R/WR/W為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。6E

29、E(或EN)端為使能(enable)端，下降沿使能。7DB0低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線0位（最低位）8DB1低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線1位9DB2低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線2位10DB3低4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線3位11DB4高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線4位12DB5高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線5位13DB6高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線6位14DB7高4位三態(tài)、 雙向數(shù)據(jù)總線7位（最高位）15BLA背光電源正極16BLK背光電源負極2.6 A/D的轉(zhuǎn)化模塊A/D轉(zhuǎn)換即把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后做出相應的輸出。在進行A/D轉(zhuǎn)換時要注意：第一點是要 確定A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)，在一般情況下是運用八位A/D

30、轉(zhuǎn)換器，本芯片就是采用八位的；第二點是要測量控制的范圍 和精度有密切的關系，因為系統(tǒng)精度 涉及到傳感器 的變換精度和信號預處理電路的精度A/D轉(zhuǎn)換器還有 輸出電路6。當A/D芯片的CS口輸入低電平 時，ADC0832開始工作，同時單片機向時鐘輸入端CLK提供 脈沖，此時，DI端有效，使用DI的輸入通道功能選擇數(shù)據(jù)信號，在時鐘脈沖 下沉之前DI端口都是高電平直到時鐘脈沖 下沉之前。在第2個時鐘脈沖下沉之前DI端口應輸入兩位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能7。而當CS輸入高電平時，ADC0832處于未工作的狀態(tài)。如表2-2為ADC0832芯片引腳說明表。表2-2 ADC0832型號芯片管腳說明表引腳符號功能說

31、明1CS_低電平芯片使能，片選使能。2CH0作為IN+/-使用，模擬輸入通道0。3CH1作為IN+/-使用，模擬輸入通道1。4GND芯片的參考零電位（地）。表2-1 1602管腳說明表5D1數(shù)據(jù)信號輸入。6D0數(shù)據(jù)信號輸出。7CLK芯片的時鐘輸入。8REF /VCC參考電壓輸入。2.7 軟件設計方案本系統(tǒng)的軟件設計采用分塊設計，有89C52RC芯片、溫濕度傳感模塊、步進電機模塊、煙霧光敏傳感模塊等組成的。軟件設計分成各個模塊的程序，有主程序控制需要是通過調(diào)用的方式顯現(xiàn)其功能。軟件主程序如圖2-6所示。圖2-6 軟件主程序圖2.8 系統(tǒng)特點從整體上看，多功能智能窗的系統(tǒng)主要是通過采集溫濕度的模塊

32、進行模擬量傳遞，通過時間設定和無線遙控手動開關來實現(xiàn)開關窗，使用戶體會到智能化的生活，而且通過觸動紅外傳感模塊報警保證私有財產(chǎn)的安全。創(chuàng)新性：窗戶的開或關是通過外部的多個傳感器和單片機的配合實現(xiàn)的，當有物體碰觸紅外傳感器時，環(huán)境異常蜂鳴器發(fā)出警報來提醒室內(nèi)的主人環(huán)境異常，及時作出處理，這樣使人們能夠在更加安全的環(huán)境下生活?？茖W性：在過去，家里的窗戶都是通過人工去開啟或是關閉，在主人外出的情況下，像煤氣泄漏或有濃煙、下雨、有小偷等等其他意外發(fā)生時，則無法及時開啟或自動的關閉窗戶，可能給用戶造成損失，而現(xiàn)在多功能智能窗戶就能及時的解決這一類困擾人們很久的問題，它可以符合客戶的很多需求，而且當意外出

33、現(xiàn)時，也能夠過應付自如。先進性：能夠通過各個傳感器對環(huán)境模擬進行檢測，同時單片機作出處理，屏幕顯示環(huán)境參數(shù)，結(jié)合檢測模塊，窗戶實現(xiàn)自動開啟或自動關閉的功能。而且可以通過遙控控制器開關窗。不同的芯片相互通信。 單片機是該系統(tǒng)的核心控制器，該芯片相對而言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，且可靠性高，處理能力快，簡單好用。可以說，不管是部分還是整體，設計的多功能智能窗的系統(tǒng)可能存在不足，但是也有自己的特點和優(yōu)勢。2.9 本章小結(jié)本章對此次設計中所需要的功能提出了不同的實現(xiàn)方案并加以比較和選擇，選定了以STC89C52RC芯片為主控芯片，DHT11溫濕度探測器模塊，ULN2003芯片來驅(qū)動步進電機做出相應的動作，紅外檢測

34、開關通過蜂鳴器進行警報模塊。然后分別詳細介紹各模塊的功能及引腳連接等，使系統(tǒng)方案更具備理論依據(jù)，系統(tǒng)設計更具有可靠性和可行性。第3章 硬件電路的設計3.1 單片機的最小系統(tǒng)首先要制作一個支持主控芯片正常工作的核心工作系統(tǒng)，并且可以穩(wěn)定工作。需要具備供電源供電、晶振電路、復位電路等模塊組成，其各個模塊具體如下。3.1.1 介紹單片機的接口STC類的51單片機封裝和其他系列單片機大同小異，都是40引腳，工作電壓為5V，同時還增加了具有IIC總線功能的串行口。其單片機引腳圖如圖3-1所示。圖3-1 單片機引腳圖在實際制作時，可以靈活選擇I/O口來方便布線和放置器件，但是要注意的一點是：如有利用到中斷

35、和定時器功能時，應該盡可能避免把功能口作為普通口進行使用，否則可能導致該設置中斷或者定時事件的誤發(fā)生。 3.1.2 復位電路在復位端口通過接一個電阻連到電源。通過按下電源開關來實現(xiàn)系統(tǒng)的復位。 RST引腳是單片機的復位信號端口。復位電路主要由芯片內(nèi)和芯片外兩個部分組成，先是由芯片的外部電路發(fā)出復位信號傳輸?shù)接|發(fā)器，再由芯片內(nèi)部電路對觸發(fā)器輸出的信號進行采樣，最后得到的就是內(nèi)部復位需要的信號，復位信號的有效電平為高電平，有效時間能持續(xù)24個振蕩脈沖周期以上8。因此采用如圖3-2的復位電路。復位是單片機的初始化操作，在單片機執(zhí)行的過程中，一旦發(fā)生復位，單片機重置運行的所有數(shù)據(jù)段都要從0000H單元

36、開始執(zhí)行操作。圖3-2 復位電路圖3.1.3 振蕩的時鐘電路在單片機的XTAL1和XTAL2引腳接上晶體振蕩器和電容，晶體振蕩器和電容是定時控制元件，就可以構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器，而且在單片機的內(nèi)部有一個高增益反相放大器，晶體振蕩器和微調(diào)電容通過跨接在XTAL1和XTAL2之間，給單片機提供頻率和極穩(wěn)定的振蕩信號8。本設計的振蕩電路使用11.0592MHz的無源晶振，外接兩個電容使其構(gòu)成起振。一般選擇電容值的大小的范圍為10-30pF，因為，電容對系統(tǒng)的震蕩穩(wěn)定性和快速性起到很重要的作用。因此，本設計選擇22pF的電容。另外需要特別注意一點，那就是單片機的工作頻率是有范圍的，最大也只能達到2

37、4MHz，一般情況下我們都是選用12MHz的晶振來完成。如圖3-3的復位電路圖。采用11.0592MHz的晶振，第一點是在調(diào)試的時候因為要通過串口上傳到電腦上觀察傳輸情況，為了讓波特率吻合，因此選擇了該晶振。第二點是為了方便調(diào)試時使用。圖3-3 晶振電路圖3.2 步進電機模塊接口電機接的線圖如圖3-4所示。通過單片機的I/O輸出脈沖序列和方向控制信號，達林頓陣列復合管的做成五線四相步進電機驅(qū)動芯片，通過芯片來放大功率，作為驅(qū)動電機需要的電流和電壓。帶減速器的步進電機速度相對不帶減速器更快，力矩更大。步進電機由ULN2003大功率達林頓陣列芯片驅(qū)動，通過端口的安裝，可以實現(xiàn)直插運行。圖3-4 步

38、進電機接線圖3.3 A/D轉(zhuǎn)化模塊的接口如下圖3-5所示，通過ADC0832芯片把模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。傳輸數(shù)據(jù)獨立且傳輸速度快和穩(wěn)定性好特點，實現(xiàn)雙數(shù)據(jù)傳輸誤差小。圖3-5 AD5C0832原理圖3.4 本章小結(jié)古人曰：工欲善其事必先利其器。因此制作成功關鍵是單片機能正常工作。本章中，闡述了單片機工作原理以及制作最小系統(tǒng)版的一些注意事項，在制作過程中必須確保每一步都是正確的，才能接著制作下面一步。通過開發(fā)板燒寫程序到芯片里面。接著介紹了煙霧傳感模塊和溫濕度傳感模塊還有步進電機模塊的接口電路，為后面介紹如何多功能智能窗的功能實現(xiàn)做下鋪墊。第4章 軟件設計本章以流程圖為主要說明方式系統(tǒng)地介紹各個模

39、塊的軟件流程。模塊的程序設計如下：(1) 溫濕度傳感器模塊，通過溫濕度的采集，處理數(shù)據(jù)的子程序；(2) 按鍵掃描模塊，掃描按鍵來調(diào)整設定值；(3) LCD顯示模塊；(4) 主程序模塊，包括了端口初始化，以及各項子程序之間的調(diào)用等。4.1 系統(tǒng)軟件設計方案4.1.1 單片機計算機系統(tǒng)簡介從組成和功能上看，單片機具有將組成計算機的主要基本部件全部都集中嵌入一起的結(jié)構(gòu)特征。構(gòu)成了一臺集成了CPU、存儲器、定時器和I/O接口等部分，是具有特殊功能的單片微型計算機9。CPU的功能是控制指令的讀出、譯碼和執(zhí)行，并且對指令的執(zhí)行過程進行實時控制。最后根據(jù)其執(zhí)行結(jié)果判斷是否要考慮分支轉(zhuǎn)移?？刂破鞲鞴δ芩荆?

40、1) 指令寄存器：用來存放指令操作碼的專用寄存器；(2) 指令譯碼器：取出指令并譯碼，分析各種操作；(3) 定時控制邏輯電路：計算機控制的各組成部件，是通過發(fā)出一系列指令的定時控制信號，以其來分配各部件進行相應的工作來執(zhí)行指令10；(4) 程序計數(shù)器：把下一條指令存放在該計數(shù)器上；(5) 條件轉(zhuǎn)移的邏輯電路：主要通過控制程序，來把程序進行轉(zhuǎn)移。控制器把指令逐條取出，然后進行譯碼。依據(jù)定時控制邏輯電路發(fā)出定時控制信號，來控制指令的執(zhí)行。另外需要特別注意的是，若是對于運算指令，還要在程序狀態(tài)標志寄存器PSW中將運算結(jié)果特征送入。把編寫好的程序通過單片機開發(fā)板來燒寫入單片機，其中程序的燒寫可擦除單片

41、機反復使用，可以根據(jù)自己的需要重新編程，重新燒錄程序。用戶根據(jù)需要對相應的功能編寫相應的程序以實現(xiàn)高效率和高可靠性。同時，它是一種在線實時控制計算機，而且單片機具備較強的抗干擾能力11。4.1.2 單片機計算機系統(tǒng)的客戶端應用通過計算機控制完成指定動作的命令稱之為指令。不同的指令所對應的動作不同，產(chǎn)生的功能也就不相同。在種類繁多的單片機世界里，它所謂的指令系統(tǒng)也琳瑯滿目。提供單片機完成某一特定的任務，需要將完成的操作編成一系列指令，并且這些指令都必須符合單片機的指令格式，這些指令所構(gòu)成的集合就是所謂的程序12。RAM中片內(nèi)和片外兩部分組成的13。通過/EA引腳所接的電平可是CPU訪問片內(nèi)還是片

42、外存儲器，當/EA為低電平時，則系統(tǒng)將會執(zhí)行片外程序存儲器程序；當/EA為低電平時，系統(tǒng)將會先執(zhí)行片內(nèi)程序14。如果PC值超過片內(nèi)ROM的容量時，就會自動跳到RAM空間執(zhí)行。C語言在單片機的程序設計中的運用是最為普遍的?；趩纹瑱C芯片和C語言來編寫該程序。通過對系統(tǒng)所需功能進行分析理解，設計算法，畫出程序流程圖，接著在Keil4上編寫程序，不斷進行調(diào)試驗證15。整個過程合理利用單片機運行機制使整個程序思路清晰，具備穩(wěn)定與可靠的功能，并且大大降低了系統(tǒng)出錯率。4.2 溫濕度傳感器程序設計在整體系統(tǒng)中，溫濕度模塊是作為探測器使用的，通過編寫程序設置溫濕度的初值，本設計中設定溫度上限初值為38，濕度

43、上限初值為85%，通過傳感器探測來環(huán)境判斷模擬量變化是否超過設定值，一旦超過事先設置好的范圍，則判定為環(huán)境異常。程序設計過程如圖4-1所示。圖4-1溫度模塊流程圖4.3 LCD1602模塊的設計LCD1602主要包括寫命令，寫數(shù)據(jù)2個步驟組成。寫指令：輸入：RS=L，R/W=L，指令碼； D0D7，高脈沖：E：輸出：數(shù)據(jù)：D0D7。寫數(shù)據(jù)：輸入：RS=H，R/W=L，數(shù)據(jù)；D0D7，高脈沖：E：輸出：無。如圖4-2所示，即為整個流程。圖4-2 LCD1602流程圖在系統(tǒng)運行過程中，LCD1602顯示模塊讓人更加直觀的了解環(huán)境的變化情況，通過編寫程序初值化顯示模塊，顯示分為兩行，第一行是亮度值和

44、時間的顯示；第二行顯示溫濕度和煙霧模擬量的采集值。通過單片機的指令來不斷更新數(shù)據(jù)值。4.4 電機模塊的程序設置電機模塊是受芯片的控制。芯片接收單片機指令通過驅(qū)動器來驅(qū)動電機做出相應的運行16。步進電機工作的流程，如圖4-3所示。圖4-3 步進電機工作的流程系統(tǒng)開始，步進電機默認順時針轉(zhuǎn)動，當傳感器采集的模擬量超過初值，單片機發(fā)出指令傳遞脈沖給驅(qū)動芯片，電機開始動作知道指令的周期結(jié)束，電機停止轉(zhuǎn)動，等待單片機發(fā)出下一指令。4.5 本章小結(jié)本章主要介紹了單片機的操作系統(tǒng)，詳細描述了溫濕度傳感器的參數(shù)讀取過程、液晶顯示屏的顯示模塊設計及通過ADC0832的模擬量轉(zhuǎn)化設計，通過流程圖的方式使得過程更加

45、顯然易懂。 第5章 系統(tǒng)的調(diào)試5.1 系統(tǒng)主程序設計芯片外部涉及的模塊比較多，有溫濕度模塊、電機模塊，還有數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊等。因此寫程序的時候一定要注意協(xié)調(diào)，要加延時地方一定不能省去。主程序的設計是整個軟件系統(tǒng)的關鍵?；谶@個思想，構(gòu)造了本次程序。5.2 系統(tǒng)軟硬調(diào)試通過不斷的調(diào)試到最終確定原理圖，再通過實物焊接，實現(xiàn)硬件的框架。如圖5-1為硬件電路圖。圖5-1 硬件電路圖編寫好的程序燒入單片機的燒寫軟件STC_ISP，單片機下載軟件具體界面如圖5-2。圖5-2 單片機下載軟件界面將程序?qū)懞脽脒M單片機后，安插在相應的位置。當上電后，步進電機默認順時針關閉窗戶，LCD1602分為兩行顯示，第一行顯

46、示亮度和當前系統(tǒng)時間，第二行顯示當前環(huán)境的煙霧值和溫濕度值。上電的效果如圖5-3所示。圖5-3 硬件整體和上電的效果系統(tǒng)由紅外遙控模塊、溫濕度模塊、電機模塊、顯示模塊，煙霧傳感模塊組成。上圖為上電且高亮度的情況下的頁面顯示。字符“Br”表示光敏電阻采集的亮度。通常情況下，環(huán)境亮度值為70-80之間，系統(tǒng)的初始值設置為Br=180，當超過該初始值系統(tǒng)便會自動逆時針旋轉(zhuǎn)代表開啟窗戶。字符“S”表示煙霧傳感器采集當前環(huán)境的煙霧值，煙霧的初始值程序設置為85%，環(huán)境煙霧值通常在30-40之間，當環(huán)境的煙霧值超過85%便會發(fā)出警報電機逆時針運行代表窗戶開啟。而字符“T和U”分別代表當前環(huán)境溫濕度值，分別

47、設置溫度上限初值為38，濕度上限初值為85%，超過初始值電機便會順時針代表關閉窗戶，從而實現(xiàn)窗戶的智能效果。系統(tǒng)還設置了按鍵模塊，可以通過人工手動控制開關窗，也可以通過按鍵來調(diào)節(jié)各個參數(shù)模擬量的初始值。上電的效果如圖5-3所示。5.3 本章小結(jié)本章主要介紹了單片機的操作系統(tǒng)的調(diào)試過程和步驟，通過一步步的調(diào)試，從畫原理圖導成PCB圖，到制作PCB板及實物的焊接，形成了以上的硬件實物。通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)最后對軟硬件進行聯(lián)合調(diào)試，在不斷編寫改進后實現(xiàn)了系統(tǒng)所需功能。結(jié)論在此次設計中，通過查閱了相關的技術(shù)手冊與參考文獻，參考了相關的設計與制作，學習了STC89C52RC單片機的應用與編程方法，在Keil

48、4軟件上對LCD1602、ULN2003芯片和ADC0832芯片三個功能模塊進行程序編寫與設計，再將三個模塊進行聯(lián)合調(diào)試，實現(xiàn)多功能智能窗的功能。本文通過多功能智能窗的系統(tǒng)設計所作的具體工作如下：(1) 通過查閱資料詳細了解傳統(tǒng)家居的窗戶系統(tǒng)優(yōu)缺點以在國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了智能化的多功能窗系統(tǒng)設計比將成為未來的發(fā)展趨勢；(2) 通過查閱技術(shù)手冊對比各功能模塊的優(yōu)缺點結(jié)合該系統(tǒng)所需功能，選定出性價比較高的STC89C52RC主控芯片、HLT11溫濕度傳感器和ULN2003的電機模塊來實現(xiàn)該系統(tǒng)所需功能。同時，全面論述各個功能模塊的特點、原理及應用；(3) 設計STC89C52RC單片機最小應用系

49、統(tǒng)電路、HLT11溫濕度傳感器檢測電路、ULN2003的電機模塊的接口電路以及LCD1602的液晶顯示電路等，為實現(xiàn)系統(tǒng)功能做好穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)；(4) 在Keil4軟件上編寫各功能模塊程序；(5) 本次設計實現(xiàn)了預期的基本功能，但依然存在很多不足需要進一步完善，首先，不夠便捷，系統(tǒng)可以采用靈敏度更高的探測器進行探測。其次，功能簡單，下一步可以加裝視頻顯示模塊，進行現(xiàn)場監(jiān)控。最后，硬件系統(tǒng)設計不夠美觀，功能體現(xiàn)不夠明顯。參考文獻1 胡漢才單片機原理及其接口技術(shù)M 北京：清華大學出版社，1996.2 唐文彥傳感器（第四版）M北京：機械工業(yè)出版社，2011.3 卿太全最新傳感器選用手冊M北京：中國電

50、力出版社，2009.7. 4 許曉峰電機及拖動（第三版）M北京：高等教育出版社，2007.5 于志贛，劉國平，張旭斌液顯LCD1602模塊的應用J機電技術(shù)，2009，32(3):34-376 華成英，童詩白模擬電子技術(shù)基礎第三版M北京: 高等教育出版社, 20047 劉同法單片機外圍接口電路與工程實踐Z北京航空航天大學出版社，2009-3-18 萬福君單片機微機原理系統(tǒng)設計與應用M合肥：中國科技大學出版社，2004.9 鮑小南單片微型計算機原理及應用M杭州：浙江大學出版社，2007.10 譚浩強C語言程序設計（第三版）M北京：清華大學出版社，200511 何立民單片機應用系統(tǒng)設計M北京：北京航空航天大學出版社，200428-38.12 高洪志MCS-51單片機原理及應用技術(shù)教程M北京：人民郵電出版社，2009.4.13 張國雄測控電路（第四版）M北京：機械工業(yè)出版社，2011.14 楊振江，劉男，楊璐等單片機應用與實踐指導M陜西：西安電子科技大學出版社，201032-3815 Guiyun TianFou