畢業(yè)設(shè)計（論文）基于FPGA智能窗控制系統(tǒng)

1、東北農(nóng)業(yè)大學學士學位論文 學號：a02110021基于fpga智能窗控制系統(tǒng)學生姓名：李婷婷指導(dǎo)教師：崔天時所在院系：電氣與信息學院所學專業(yè)：電子信息工程研究方向：智能檢測與控制東 北 農(nóng) 業(yè) 大 學中國哈爾濱2015年5月northeast agricultural university bachelors degree thesis student id：a02110021base on fpga intelligent windowname：li tingtingtutor：cui tianshicollege：college of electronic and information

2、major：electronic information engineeringdirection：intelligent detection and controlnortheast agricultural universityharbin chinamay 2015摘 要隨著電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、應(yīng)用感測技術(shù)的飛速發(fā)展以及人民生活水平的日益提高，智能家居這個概念逐漸深入人心，隨著人們對居住環(huán)境質(zhì)量的關(guān)注度的提升，能夠改善居室環(huán)境的智能產(chǎn)品也越來越受到廣大消費群體的青睞。基于目前的智能家居的發(fā)展態(tài)勢以市場需求，本文以市場需求為導(dǎo)向設(shè)計了一種新型的、經(jīng)濟的智能窗控制系統(tǒng)。根據(jù)fpga智能窗

3、控制系統(tǒng)需要達到的總體需求，通過調(diào)節(jié)硬件部分、軟件部分以及機械部分，將智能窗控制系統(tǒng)劃分為以下功能模塊：溫度檢測模塊、co2氣體檢測模塊，以及quartus ii 開發(fā)軟件和gsm通信等模塊。從而實現(xiàn)智能窗的溫度監(jiān)控，氣體監(jiān)控以及智能窗的遠程控制功能。本設(shè)計總體方案采用fpga cyclone iv系列的ep4ce6f17c8n作為核心控制芯片，由l298n作為電機驅(qū)動的兩相四線步進電機拖動窗體完成開關(guān)動作，通過ds18b20溫度傳感器、ge6603 co2氣體傳感器進行相關(guān)環(huán)境參數(shù)的采集，由gsm通信模塊tc35i實現(xiàn)遠程控制的功能。從而以相對穩(wěn)定的性能實現(xiàn)智能窗戶的基本功能，為人們營造出一

4、個更加舒適便捷的智能生活環(huán)境。關(guān)鍵詞：fpga；智能窗；傳感器；gsm通信模塊base on fpga intelligent windowabstractwith the rapid development of electronic technology, automatic control technology, the application of sensing technology and increasing peoples living standards, the smart home concept has been widely accepted, with the en

5、hancement of peoples quality of living environment of concern, it is possible to improve the indoor environment smart products are increasingly popular majority of consumer groups. based on the current development trend of smart home market demand, the paper market demand-oriented design of a new, e

6、conomical smart window control system.according fpga smart window control system needs to reach the overall demand, by adjusting the hardware components, software components and mechanical parts, the smart window control system is divided into the following modules: temperature detection module, co2

7、 gas detection module, and quartus ii development software and gsm communication modules. in order to achieve smart window temperature monitoring, gas monitoring and remote control of smart windows.the overall program design using fpga cyclone iv family ep4ce6f17c8n as the core control chip, the l29

8、8n as a motor-driven two-phase four-wire stepper motor drive form completion switch moves through ds18b20 temperature sensor, ge6603 co2 gas sensor related environmental parameters the acquisition, by the communication module tc35i gsm remote control functions. thus a relatively stable performance t

9、o achieve the basic functions of smart windows for people to create a more comfortable and convenient living environment intelligent. keywords: the intelligent window; the sensor; the gsm communication module目 錄摘 要iabstractii1 前言11.1 研究背景11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容22 研究方案32.1 研究目標32.2 研究內(nèi)容32.3研究方法及技術(shù)問

10、題32.4 設(shè)計中所需解決的關(guān)鍵問題52.5 實驗方案53 硬件設(shè)計63.1 fpga的介紹63.2溫度檢測模塊73.2.1 溫度傳感器的選擇73.2.2 溫度檢測模塊電路83.2.2.1 ds18b20的工作狀態(tài)83.2.2.2 ds18b20有兩種供電接法93.3 co2氣體檢測模塊93.3.1 co2氣體傳感器93.3.2 co2氣體傳感器工作原理113.3.3 co2氣體傳感器外圍接口電路113.4 gsm通信模塊123.4.1 gsm的介紹123.4.2 tc35i的介紹123.4.3 tc35i硬件原理圖（見附錄）143.5 顯示器模塊143.6 電機設(shè)備153.7 窗戶機械模型模

11、塊163.7.1 自動開關(guān)窗任務(wù)分析163.7.2 齒輪齒條參數(shù)選擇173.7.3 自動開關(guān)窗機械模型174 軟件設(shè)計184.1 fpga的開發(fā)環(huán)境與工具184.1.1 quartus ii 開發(fā)軟件184.1.2 硬件描述語言（hdl）204.2 控制器對ds18b20操作214.3 實現(xiàn)電機動作234.4 實現(xiàn)中文短信發(fā)送254.4.1 無線通信模塊初始化254.4.2 無線通信模塊發(fā)送短信息264.4.3 無線通信模塊接收短信息275 應(yīng)用與推廣275.1 智能窗的基本應(yīng)用275.2 智能窗的推廣及演變286 結(jié)論29參考文獻30致 謝32附 錄331 前言1.1 研究背景隨著科學技術(shù)的

12、飛躍發(fā)展生活水平的不斷提高人們對安全、舒適、健康的生活需求變得日益迫切。近年來智能家居概念已經(jīng)逐漸深入到國民的生活之中且不斷地影響著人們的思維。因此眾多有條件的小區(qū)、別墅用戶已經(jīng)開始安裝使用智能家居系統(tǒng)并嘗試智能化為家居生活帶來的安全、舒適和便利。智能家居系統(tǒng)在經(jīng)歷了早期混亂的概念紛爭之后月前已經(jīng)逐漸進入理性時代。針對目前的發(fā)展態(tài)勢本設(shè)計以市場需求為導(dǎo)向設(shè)計了一種新型的、經(jīng)濟的智能窗控制系統(tǒng)。智能窗控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用一直是最近幾年的熱點，而隨著對安全性能及舒適度系數(shù)的提高，智能窗控制系統(tǒng)也已經(jīng)逐步取代人們對于普通窗戶的傳統(tǒng)需求觀念。溫度監(jiān)控和氣體監(jiān)控和gsm通信模塊等則是基于fpga智能窗控

13、制系統(tǒng)中非常重要的幾個組成部分，即以人為舒適程度為目標的事實監(jiān)控場合中所必須考慮到的關(guān)鍵問題。目前該領(lǐng)域產(chǎn)品由于成本、技術(shù)等方面的原因尚未普及，因此具有廣闊的發(fā)展空間。我們本著“綠色環(huán)?！钡脑O(shè)計理念設(shè)計了一款智能窗以解決普通窗戶存在的種種弊病。本項目既符合了時代的潮流，同時也兼具現(xiàn)實意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著智能家居的概念已經(jīng)逐漸深入到國民的生活之中且不斷地影響著人們的思維。因此眾多有條件的小區(qū)、別墅用戶已經(jīng)開始安裝使用智能家居系統(tǒng)并嘗試智能化為家居生活帶來的安全、舒適和便利。智能家居系統(tǒng)在經(jīng)歷了早期混亂的概念紛爭之后月前已經(jīng)逐漸進入理性時代。然而在智能家居發(fā)展過程中，除了需要各種新型設(shè)

14、備的應(yīng)用之外，數(shù)據(jù)收集、傳輸、處理、儲存與發(fā)送技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用起到了關(guān)鍵作用。新型的監(jiān)測器，為人們提供了大量的實時的數(shù)據(jù)信息，新型的通訊技術(shù)，也使人們能更加迅速地傳遞這些數(shù)據(jù)，而新型的計算機，則能高速地進行數(shù)據(jù)處理與存儲。智能窗戶在發(fā)達國家已經(jīng)得到了初步的應(yīng)用。新加坡、美國已有近四百萬戶家庭安裝了這一類的“門窗智能化系統(tǒng)”。parks公司的資料顯示：2010年，美國一個家庭要安裝家庭自動化設(shè)備的平均費用在7000至9000美元之間，美國家庭已使用先進家庭自動化設(shè)備的比率為0.53%，市場真正啟動尚需時日。預(yù)計這五年內(nèi)，家庭自動化的市場年平均增長率為8%。與此同時國內(nèi)關(guān)于此方面的研究也同樣很多：

15、例如使用luminary micro(流明諾瑞)公司生產(chǎn)的stellaris(群星)系列微控制器lm3s615，并以該芯片為核心搭建系統(tǒng)硬件平臺開發(fā)出來的智能窗，可以實現(xiàn)自動智能防盜并能短信通知戶主，監(jiān)控煤氣泄漏，自動防雨，自動防風，氣體監(jiān)控等智能遙控開關(guān)門窗。還有以使用s3c2410芯片作為核心處理器，在嵌入式linux操作系統(tǒng)上，利用lcd觸摸屏技術(shù)實現(xiàn)對主機的操作，從而達到人機交互界面愈加人性化的也有基于單片機的智能窗戶控制系統(tǒng)。基于智能建筑對智能窗的需求,結(jié)合fpga控制技術(shù)和無線通信技術(shù),對所設(shè)計的智能窗控制系統(tǒng)的工作原理、硬件結(jié)構(gòu)、軟件程序、功能特性進行了詳細的闡述。并重點對根據(jù)不

16、同自然環(huán)境條件如何控制窗的不同狀態(tài)的實現(xiàn)方法和主控程序的設(shè)計進行了論述。最后指出所設(shè)計的智能窗能充分利用自然條件改善室內(nèi)環(huán)境,滿足建筑節(jié)能的要求，同時也由于fpga具有高速的cmos工藝，低功耗，開發(fā)周期短等特點，因此它所具有的性能也是普通單片機所無法比擬的。1.3 本設(shè)計的主要內(nèi)容本設(shè)計的主要研究內(nèi)容是基于fpga智能窗控制系統(tǒng)。研究對象主要是以fpga為核心，通過將硬件部分，軟件部分和機械部分相結(jié)合從而實現(xiàn)智能窗自我控制及遠程調(diào)節(jié)控制為主要內(nèi)容。本設(shè)計的主要功能是實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)，氣體調(diào)節(jié)以及gsm通信模塊遠程通知等功能。最后達到符合市場需求，滿足人們對于品質(zhì)生活的無限追求的目的。同時本設(shè)計也

17、在線路布局以及器件安排方面進行了合理安排，充分考慮器件的性能特點，從而達到最佳設(shè)計優(yōu)化，實現(xiàn)智能家居的綠色理念。2 研究方案2.1 研究目標本設(shè)計旨在提出一種基于 verilog hdl 語言描述，fpga 實現(xiàn)的智能窗控制系統(tǒng)。主要通過調(diào)節(jié)硬件部分、軟件部分以及機械部分，從而使人們能夠時刻處于最適宜人類的舒適條件下生活。通過相應(yīng)的傳感器智能檢測，即當室外下雨即溫度降低時，智能窗將自動關(guān)閉；而當室外溫溫度達到人體最適溫度值、室內(nèi)濕度上升或co2含量過高時智能窗將自動打開，并可通過利用移動終端（如：手機）的gsm移動網(wǎng)絡(luò)的短消息服務(wù)的功能，從而得以實現(xiàn)對家居內(nèi)的智能呼吸窗系統(tǒng)的遠距離遙控監(jiān)管，并

18、得以獲取當前家居智能窗的開閉狀態(tài)。從而實現(xiàn)智能監(jiān)管的目的。2.2 研究內(nèi)容該系統(tǒng)設(shè)計主要可分為硬件部分、軟件部分以及機械部分。硬件部分由傳感器，電機以及輔助電路組成。軟件部分通過 verilog hdl語言進行編程。機械部分可根據(jù)實際需求來進行設(shè)計。該系統(tǒng)基于機電一體化的設(shè)計初衷，綜合運用了傳感器技術(shù)、軟件編程技術(shù),電路設(shè)計技術(shù)智能控制技術(shù)等實現(xiàn)目標功能。本系統(tǒng)設(shè)計能夠依據(jù)室內(nèi)外的氣體狀況和外界的天氣情況來實時進行控制窗戶的開啟和關(guān)閉狀態(tài)，具體有以下幾個控制要：（1） 當外界氣溫上升或下降時溫度傳感器檢測到這一下溫度變化信號(相當于觸發(fā)開關(guān))并將信號傳送給fpga芯片來控制電機及時開關(guān)窗戶并報

19、警。防止溫度升高或降低對于人們生活質(zhì)量的影響此后每過5分鐘重新檢測如果溫度重新達到預(yù)設(shè)值則窗戶自動打開；（2） 當室內(nèi)co2 超過一定的標準時窗戶自動打開并啟動排氣扇進行排氣且此優(yōu)先級最高同時報警器也會響起來提醒主人危險的存在及及時調(diào)節(jié)空氣新鮮度;（3） 當存在多種情況同時發(fā)生時，智能窗控制系統(tǒng)將依據(jù)co2 溫度濕度的優(yōu)先級原則選擇最優(yōu)響應(yīng)；（4） 可由用戶自行選擇手動模式、定時模式和智能模式，當有多種情況發(fā)生沖突時，能夠依據(jù)手動定時智能的優(yōu)先原則順序，做出相應(yīng)的響應(yīng)動作；（5） 當用戶外出時，可通過gsm移動網(wǎng)絡(luò)作為信息平臺，實現(xiàn)遠距離智能控制來獲取室內(nèi)最適宜狀態(tài)。2.3研究方法及技術(shù)問題本

20、課題擬采用實證研究法，依據(jù)相關(guān)傳感器檢測技術(shù)、fpga控制理論和居室環(huán)境的需要，提設(shè)計方案，通過有目的有步驟的操縱，根據(jù)觀察、記錄、測定于此相伴隨的現(xiàn)象的變化來確定條件與現(xiàn)象的因果關(guān)系。主要目的在于說明各種自變量與某一種因變量的關(guān)系。本系統(tǒng)設(shè)計采用的設(shè)計方案如圖2-1所示。圖2-1 技術(shù)路線流程圖首先進行資料收集并研究，根據(jù)資料分析研究fpga芯片各引腳與功能、proteus電路仿真軟件、verilog hdl語言的學習，來達到整體布局，合理規(guī)劃好各種傳感器型號及其安放位置，然后再進行下一步的硬件設(shè)計部分安裝，設(shè)計前端信息采集模塊、執(zhí)行功能模塊、核心控制模塊、gsm模塊、顯示模塊之間的連接方式

21、，進行調(diào)試，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計硬件中的不合理之處，進行改善。再根據(jù)最終確定的設(shè)計方案，來制作印刷電路板。然后再進行軟件設(shè)計，再設(shè)計的同時也需考慮到各種不同參數(shù)之間的優(yōu)先級順序，合理安排順序，防止控制系統(tǒng)發(fā)生混亂。當軟件經(jīng)過調(diào)試后，再寫入芯片，進行綜合系統(tǒng)調(diào)試環(huán)節(jié)，最后使系統(tǒng)能夠有條不紊地實現(xiàn)計劃中的全部功能。最后結(jié)合資料和設(shè)計思路最后撰寫論文，展示模型，項目結(jié)題。2.4 設(shè)計中所需解決的關(guān)鍵問題1.本設(shè)計系統(tǒng)的信息采集模塊所涉及的相關(guān)參數(shù)（室內(nèi)co2濃度，室內(nèi)外溫度、濕度等）較多，所以需把多個物理量參數(shù)，根據(jù)對于人類生活舒適度的影響程度，來設(shè)定相應(yīng)的參考數(shù)值，從而方便系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)；2.當信息采集模塊

22、所涉及的相關(guān)參數(shù)（室內(nèi)co2濃度，室內(nèi)外溫度、濕度等）較多，并且多種情況同時發(fā)生時，系統(tǒng)能夠相應(yīng)選擇最優(yōu)響應(yīng)，同時也為程序的編寫提出了更高系統(tǒng)要求；3.在設(shè)計的同時要綜合考慮室內(nèi)外各種變量關(guān)系，確保在成本低、速度快、體積小、功耗低的前提下將多種功能巧妙的結(jié)合，符合綠色環(huán)保要求，從而發(fā)揮最佳效應(yīng)。2.5 實驗方案根據(jù)fpga智能窗控制系統(tǒng)需要達到的總體功能，通過調(diào)節(jié)硬件部分、軟件部分以及機械部分，本設(shè)計系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2-2所示。 將智能窗控制系統(tǒng)劃分為以下功能模塊：圖2-2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖1.前端信息采集模塊：由溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、co2檢測模塊構(gòu)成，從而完成采集信的工作，并將其

23、接收到的信號送入信息核心處理模塊；2.執(zhí)行功能模塊：即電機控制模塊組成，采用小型電機模擬執(zhí)行智能窗窗戶的開關(guān)；3.核心控制模塊：采用fpga與各模塊之間進行數(shù)據(jù)交換和過程控制，由它接受環(huán)境信號和遠程信號并控制、協(xié)調(diào)各功能模塊的正常運行；4.gsm模塊：通過智能終端完成遠程控制與信息查詢；5.顯示模塊：實時監(jiān)控并顯示智能窗的運行狀態(tài)及室內(nèi)溫濕度信息。3 硬件設(shè)計 3.1 fpga的介紹fpga（fieldprogrammable gate array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在pal、gal、cpld等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，是1984年由美國xilinx公司發(fā)明的基于sram工藝

24、以查找表（lut）為基本單元的新型可編程邏輯器件（pld）。所謂pld，是指運行功能是在器件生產(chǎn)出來以后由使用者設(shè)定的，以此區(qū)別于傳統(tǒng)的固定功能型器件。fpga可由用戶自定義其內(nèi)部的邏輯和功能，同時又能夠進行無限次的重新配置，加上pc機上cad輔助設(shè)計軟件和強大的仿真工具，使得電子設(shè)計工程師在辦公室或?qū)嶒炇抑芯涂梢栽O(shè)計自己的asic器件，實現(xiàn)用戶規(guī)定的各種專門用途，極大的增加了電子系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。以硬件描述語言（verilog或vhdl）所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 fpga 上進行測試，是現(xiàn)代 i

25、c設(shè)計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如and、or、xor、not）或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學方程式。在大多數(shù)的fpga里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（flipflop）或者其他更加完整的記憶塊。系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把fpga內(nèi)部的邏輯塊連接起來。一個出廠后的成品fpga的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計者而改變，所以fpga可以完成所需要的邏輯功能。fpga采用了邏輯單元陣列l(wèi)ca（logic cell array）這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊clb（configurable logic block）、輸

26、入輸出模塊iob（input output block）和內(nèi)部連線（interconnect）三個部分。 現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如pal，gal及cpld器件）相比，fpga具有不同的結(jié)構(gòu)。fpga利用小型查找表（161ram）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個d觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動i/o，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到i/o模塊。fpga的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模

27、塊之間或模塊與i/o間的聯(lián)接方式，并最終決定了fpga所能實現(xiàn)的功能，fpga允許無限次的編程。目前，fpga廣泛應(yīng)用于通信、移動設(shè)備、航空航天、自動控制等領(lǐng)域，并有向計算密集型應(yīng)用發(fā)展的趨勢。采用fpga設(shè)計，設(shè)計周期短、開發(fā)費用最低、風險小，采用高速的cmos工藝，功耗低，可以與cmos、ttl電平兼容。本設(shè)系統(tǒng)計采用altera公司推出的cyclone iv系列芯片ep4ce6f17c8n作為核心處理器進行設(shè)計。cyclone iv系列芯片是目前市場上性價比較高的fpga芯片。 3.2溫度檢測模塊 3.2.1 溫度傳感器的選擇溫度傳感器的種類繁多，在應(yīng)用高精度、高可靠性的場合是選擇ds1

28、8b20溫度傳感器當仁不讓。ds18b20是常用的溫度傳感器，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強，精度高，附加功能強等特點，使得ds18b20的功能特點格外突出，因此本次設(shè)計我選擇ds18b20作為溫度傳感器。ds18b20溫度傳感器實物圖如圖3-1所示。 ds18b20是美國dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的世界上第一片支持單總線接口的數(shù)字式溫度傳感器，它將敏感元件、a/d轉(zhuǎn)換單元、存儲器等集成在一個芯片上，直接輸出被測溫度的數(shù)字信號，使用方便。1.技術(shù)性能描述 （1）獨特的單線接口方式，ds18b20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與ds18b20的雙向通訊。（2）測溫范圍 5

29、5+125,固有測溫誤差（注意，不是分辨率，這里之前是錯誤的）1。（3）支持多點組網(wǎng)功能，多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，實現(xiàn)多點測溫，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定。 1）工作電源: 3.05.5v/dc （可以數(shù)據(jù)線寄生電源） 2）在使用中不需要任何外圍元件 3）測量結(jié)果以912位數(shù)字量方式串行傳送 4）不銹鋼保護管直徑 6 5）適用于dn1525, dn40dn250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫 6）標準安裝螺紋 m10x1, m12x1.5, g1/2”任選 7）pvc電纜直接出線或德式球型接線盒出線,便于與其它電器設(shè)備連

30、接。 2.ds18b20的主要特征（1）全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出（2）先進的單總線數(shù)據(jù)通信（3）最高12位分辨率，精度可達0.5攝氏度（4）12位分辨率最大工作周期為750毫秒（5）可選擇寄生工作方式（6）內(nèi)置eeprom，限溫報警功能（7）64位光刻rom，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接（8）多封裝形式，適應(yīng)不同器件系統(tǒng)圖3-1 ds18b20溫度傳感器實物圖3.2.2 溫度檢測模塊電路3.2.2.1 ds18b20的工作狀態(tài)ds18b20的讀寫時序和測溫原理與ds1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s減為750ms。 ds18b20測溫原理如圖3-2

31、所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。圖3-2 ds18b20

32、測溫原理圖3.2.2.2 ds18b20有兩種供電接法 數(shù)據(jù)線供電方式和外部供電方式。ds18b20可以通過從vdd引腳接入一個外部電源供電，或者可以工作于寄生電源模式下，該模式允許ds18b20工作于無外部電源需求狀態(tài)。寄生電源寄生在進行遠距離測溫時是非常有用的。寄生電源的控制回路，當總線為高電平時，寄生電源由單總線通過vdd引腳。這個電路會在總線處于高電平時偷能量，部分及取得能量存儲在寄生電源儲能電容（cpp）內(nèi)，在總線處于低電平時釋放能量以提供給器件能量。當ds18b20處于寄生電源模式時，vdd引腳必須接地。對ds18b20供電的另一種傳統(tǒng)辦法是從vdd引腳接入一個外部電源，即外部供電

33、方式。這樣做的好處是單總線上不需要強上拉。而且總線不用在溫度轉(zhuǎn)換期間總保持高電平。綜合以上供電方式優(yōu)缺點，雖然寄生電源方式少用一根導(dǎo)線，但它完成溫度測量所需的時間較長，而外部電源方式測量速度則要快些。而本設(shè)計方案要求實時控制因此本系統(tǒng)設(shè)計采用外部供電方式，如圖3-3所示。在單總線上可以掛任意多片ds18b20。注意當加上外部電源時，gnd引腳不能懸空。圖3-3 ds18b20溫度傳感器外部電源供電方式3.3 co2氣體檢測模塊3.3.1 co2氣體傳感器氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。探測頭通過氣體傳感器對氣體樣本進行調(diào)理，通常包括濾除雜質(zhì)和干擾氣體、干燥或冷處理儀

34、表顯示部分。即氣體敏感元件就是能感知環(huán)境中某種氣體及其濃度的一種裝置或器件，它能將與氣體種類和濃度有關(guān)的信息轉(zhuǎn)換成電信號，從而可以進行檢測、監(jiān)控、分析、報警?，F(xiàn)在市面上有各種各樣的氣體傳感器。氣體傳感器在民用、工業(yè)、環(huán)境檢測等方面都有著廣泛的應(yīng)用。 氣體傳感器的選擇方向也從以下幾方面進行考量：（1）根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。要進行個具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因為，即使是測量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大?。槐粶y位置

35、對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進口，價格能否承受，還是自行研制。在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標。 靈敏度的選擇通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的于擾信號。傳感器的靈敏度是有方向性的。當被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器

36、的交叉靈敏度越小越好。（2）響應(yīng)特性（反應(yīng)時間）。傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實際上傳感器的響應(yīng)總有定延遲，希望延遲時間越短越好。傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。 （3）線性范圍。傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時，當傳感器的種類確定以后

37、首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會給測量帶來極大的方便。 現(xiàn)如今市場上比較常用的二氧化碳傳感器主要有兩種：一種是固態(tài)電解質(zhì)的，另外一種就是紅外工作原理的。其中固態(tài)電解質(zhì)二氧化碳傳感器的工作原理是指氣敏材料在有氣體通過時產(chǎn)生離子而形成電動勢，根據(jù)測量電動勢大小而測量氣體濃度；紅外二氧化碳傳感器的工作原理對特定波段紅外輻射的吸收作用，通過對透過測量室的輻射能量的減弱與增加，從而測出二氧化碳濃度。一般固態(tài)電解質(zhì)二氧化碳傳感器電導(dǎo)率高、靈敏度和選擇性較好，用途

38、比較廣泛。基于多種條件的制約本系統(tǒng)設(shè)計采用的co2傳感器為美國通用公司的ge6603型傳感器，它可廣泛應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)、通風系統(tǒng)、控制器、壁件、機器人、汽車等，也可以應(yīng)用于其他許多裝置來控制空氣質(zhì)量。其外形結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。ge6603型傳感器的性能指標：測量范圍：0-2000ppm取樣方式：擴散式精度：75ppm或讀數(shù)的10%響應(yīng)時間： 3 min工作條件：530,20%100%rh，非冷凝儲存條件：-2050輸出方式：uatr&pwm圖3-4 co2傳感器ge6603外形結(jié)構(gòu)圖 3.3.2 co2氣體傳感器工作原理本傳感器由紅外發(fā)光管、氣體采樣空腔、帶通濾波鏡等組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。本

39、傳感器采用分散型紅外線(ndir)技術(shù)，紅外發(fā)光管發(fā)出寬頻段紅外光線，氣體采樣空腔中的co2吸收與之相關(guān)的頻譜的紅外線，帶通濾波鏡濾除分離出與co2相關(guān)頻譜的紅外光線后被紅外傳感器檢測并轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)放大電路放大后，進行相應(yīng)補償運算后即可得到測量氣體中co2濃度。測量公式為： （3-1）其中：co2濃度為測量值時的電流信號強度；：紅外光線初始入射光線強度，co2濃度為0ppm時的電流信號強度；k：檢測氣體吸收常數(shù)；c：檢測氣體當前濃度；li：紅外光線在空腔中通過距離。3.3.3 co2氣體傳感器外圍接口電路co2氣體傳感器外圍接口電路如圖3-5所示。圖3-5 co2氣體傳感器ge6603外圍

40、接口電路圖此電路中c1、e1為電源去耦電容，con1的2接口連接傳感器模塊的pwm脈沖輸出端，通過計算輸出方波的占空比對應(yīng)pwm輸出分辨率便能計算出測量環(huán)境中co2的濃度。3.4 gsm通信模塊3.4.1 gsm的介紹全球移動通訊系統(tǒng)gsm(global system for mobile communications)是由歐洲電信標準化協(xié)會(etsi)開發(fā)的數(shù)字移動電話網(wǎng)絡(luò)標準，是世界上第一個對數(shù)字調(diào)制、網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)作了規(guī)定的，同時也是基于tdma的數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)。gsm移動通信原理是為了解決歐洲第一代蜂窩系統(tǒng)四分五裂的狀態(tài)而發(fā)展起來的。其目的是讓全球各地共同使用一個移動電話網(wǎng)絡(luò)標

41、準，讓用戶使用一部手機就能行遍全球，也是我國目前覆蓋范圍最廣、功能最強、用戶最多的移動通信系統(tǒng)。gsm中的短信息業(yè)務(wù)sms(定義于etsi制定的標準gsm 03.40)提供的短信服務(wù)具有收費低廉、隨時隨地獲取信息的便利。gsm模塊，是將gsm射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統(tǒng)、gsm射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。因此，gsm模塊具有發(fā)送sms短信、語音通話、gprs數(shù)據(jù)傳輸?shù)然趃sm網(wǎng)絡(luò)進行通信的所有基本功能。3.4.2 tc35i的介紹在國內(nèi)已經(jīng)開始使用的gsm模塊有falcom的azd系列，wavecom的翎02系列，西門子的t

42、c35i系列，愛立信的dmio/dm20系列，中興的zxgm18系列等，這些模塊的功能、用法差別不大，并且提供的命令接口符合gsm07.05和gsm07.07規(guī)范。其中西門子的tc35i系列模塊性價比很高，并且己經(jīng)有國內(nèi)的無線電設(shè)備入網(wǎng)證，所以綜合各方面考慮本設(shè)計選用的是西門子tc35i。tc35i外形結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。tc35i是德國siemens（西門子）公司的一款雙頻900/1800mhz高度集成的gsm模塊。是西門子為適應(yīng)各個專業(yè)領(lǐng)域?qū)o線數(shù)據(jù)傳輸、語音傳輸及可開發(fā)性的需求推出的基于gsm900移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的oem模塊，功能上與tc35i兼容，設(shè)計緊湊，大大縮小了用戶產(chǎn)品的體積

43、。tc35i與gsmz/2+兼容、雙頻(gsm900/gsm1800)、rs232數(shù)據(jù)口、符合etsi標準gsm07.07和gsmo7.05且易于升級為gprs模塊;該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標準的at命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，接口協(xié)議公開，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。在gsm網(wǎng)絡(luò)日臻完善的今天，tc35i秉承了西門子一貫的優(yōu)秀品質(zhì)，它易于集成，可以在較短的時間內(nèi)花費較少的成本開發(fā)出新穎的產(chǎn)品。在遠程監(jiān)控和無線公話以及無線pos終端等領(lǐng)域您都能看到tc35i無線模塊在發(fā)揮作用，使用它是產(chǎn)品質(zhì)量和性能的保證。圖3-6 tc35i外形結(jié)構(gòu)圖模塊隸屬

44、于phase i gsm calss4，具有語音、數(shù)據(jù)、傳真和中英文短信息功能，可廣泛應(yīng)用于移動計算、智能交通、遙感測量、銀行金融和商業(yè)零售等領(lǐng)域。tc35i模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3-7所示。圖3-7 tc35i模塊的結(jié)構(gòu)示意3.4.3 tc35i硬件原理圖（見附錄）3.5 顯示器模塊液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。目前字符型液晶顯示模塊已經(jīng)是單片機等應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件。lcd12864實物圖如圖3-8所示。帶中文字庫的lcd12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體

45、 中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864， 內(nèi)置8192個1616點漢字，和128個168點ascii字符 集利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點 陣的漢字。也可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。lcd12864引腳圖如圖3-9 所示圖3-8 lcd12864實物圖圖3-9 lcd12864引腳圖1.lcd12864基本特性低電源電壓（vdd：+3.0+5

46、.5 v )2.顯示分辨率：12864點3.內(nèi)置漢字字庫，提供8192個1616點陣漢字（簡繁體可選） 4.內(nèi)置128個168點陣字符5.2mhz時鐘頻率6.顯示方式：stn、半透正顯7.驅(qū)動方式：1/32duty，1/5bias8.視角方向：6 點9.背光方式：側(cè)部高亮白色led，功耗僅為普通led 的1/51/1010.通訊方式：串行、并口可選11.內(nèi)置dc-dc 轉(zhuǎn)換電路，無需外加負壓12.無需片選信號，簡化軟件設(shè)計13.工作溫度: 0 - +55 ,存儲溫度: -20+603.6 電機設(shè)備本文采用兩相混合式步進電機作為機械部分的驅(qū)動裝置，步進電機以其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、不累積誤差、無需

47、反饋就可構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)、容易控制等優(yōu)點，成為數(shù)控系統(tǒng)的最佳執(zhí)行元件之一而得到廣泛應(yīng)用?；旌鲜讲竭M電機的分辨率較高，繞組電感較小，效率高，轉(zhuǎn)矩高，震動小等特點。步進電機實物圖如圖3-10所示l298n是專用驅(qū)動集成電路，屬于h橋集成電路。 l298n實物圖如圖3-11所示。與l293d的差別是其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2a，最高電流4a，最高工作電壓50v，可以驅(qū)動感性負載，如大功率直流電機，步進電機，電磁閥等，特別是其輸入端可以與單片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制?？梢灾苯涌刂撇竭M電機，并可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。同時l298n具有體積小，控制

48、方便的特點。因此采用此模塊定會使您的電機控制自如，可以應(yīng)對需要大功率直流電機。同時，我們提供帶有光耦隔離的驅(qū)動模塊，利用這個模塊可以把單片機電源與直流電機電源隔離開，從而可以避免直流電機對單片機的干擾，適合要求較高的控制及ad采樣場合。步進電機驅(qū)動電路圖如圖3-12所示。圖3-10 步進電機實物圖 圖3-11 l298n實物圖圖3-12 步進電機驅(qū)動電路圖3.7 窗戶機械模型模塊3.7.1 自動開關(guān)窗任務(wù)分析智能窗的傳動任務(wù)是由動力源通過傳動機構(gòu)帶動窗扇在滑移槽內(nèi)來回滑動，任務(wù)簡單，但要求精確度較高。齒輪齒條傳動較為準確、可靠，并且機械效率高。因此，本文選定齒輪齒條傳動能滿足智能窗傳動任務(wù)的要

49、求。傳動形式見圖3-13。圖3-13 齒輪齒條傳動3.7.2 齒輪齒條參數(shù)選擇由于此傳動所帶負載不是很大，故齒輪齒條參數(shù)選取較為寬松，根據(jù)具體需要確定其主要參數(shù)為：齒輪： m=1.5 z=20d=m z=30mm=20p= m=3.1415=4.7mm齒條: m=1.5=20p= m=3.141.5=4.7mm3.7.3 自動開關(guān)窗機械模型窗戶開關(guān)模塊主要運用了機械設(shè)計中的齒輪傳動原理。在自動開關(guān)上，主要運用了步進電機和齒輪的結(jié)合以及齒輪和齒條的結(jié)合。主要工作原理如圖3-14：圖3-14 智能窗模型效果圖4 軟件設(shè)計4.1 fpga的開發(fā)環(huán)境與工具fpga（field programmable

50、 gate array）， 即現(xiàn)場可編程門陣列。它是專用集成電路(asic)領(lǐng)域中的一種半定制電路。既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)量有限的缺點。fpga 器件的集成度很高，并且方便易用，因而在很多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。fpga部分的實現(xiàn)，利用“自頂向下”的設(shè)計方法，采用vhdl硬件描述語言進行底層模塊設(shè)計，并采用原理圖描述方案進行頂層電路設(shè)計。在quartus ii軟件環(huán)境下對設(shè)計項 目進行編譯和時序仿真，最后可將程序下載到fpga器件中硬件測試。4.1.1 quartus ii 開發(fā)軟件quartus ii 軟件是altera公司的第四代eda工具開發(fā)軟件。具有一個完

51、整高效的設(shè)計環(huán)境。quartus ii 提供了方便的設(shè)計輸入方式、快速的編譯和直接易懂的器件編程。能夠支持邏輯門數(shù)在數(shù)百萬門以上的邏輯器件的開發(fā)，并且為第三方工具提供無縫接口，即quartus ii 可以利用第三方的綜合工具，如lenardo、spectrum、synplify pro、fpga compiler ii ，并能直接調(diào)動這些工具。同樣的，ii 也支持第三方仿真工具，如modelsim。此外，quartus ii 可與matlab的slimulink和dsp bulider 結(jié)合，是開發(fā)的dsp硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵eda工具；quartus ii 與sopc( system on a p

52、rogrammable chip)系統(tǒng)。altera 公司的quartus ii 軟件提供了可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(sopc)的一個綜合開發(fā)環(huán)境。quartus ii 集成開發(fā)環(huán)境包括的內(nèi)容有：系統(tǒng)級設(shè)計，嵌入式軟件開發(fā)，可編程邏輯器件（pld）設(shè)計，綜合，布局和布線，驗證和仿真。quartus ii 軟件的優(yōu)點是適合設(shè)計團隊基于模塊的層次化設(shè)計方法。quartus ii 設(shè)計軟件為設(shè)計者提供了一個完整的多平臺開發(fā)環(huán)境。它的開發(fā)流程如圖4-1所示。圖4-1 quartus ii 軟件的開發(fā)流程quartus ii 軟件的典型設(shè)計流程一般可分為設(shè)計輸入、綜合、布局布線、時序分析、仿真、編程和配置、調(diào)

53、試、系統(tǒng)級全設(shè)計，如圖4-2 quartus ii設(shè)計流程：1.設(shè)計輸入：設(shè)計輸入可用多種方法實現(xiàn)，常用的有原理圖輸入和 hdl 硬件描述語言兩種。在設(shè)計復(fù)雜的電路系統(tǒng)時，可采用硬件描述語言(如 vhdl，verilog語言等)分模塊、分層次的設(shè)計方法，然后生成圖形模塊再進行設(shè)計。2.綜合：分析和綜合使用quartus ii integrated synthesis 綜合verilog 或者vhdl設(shè)計文件。3.布局布線：quartus ii fitter 對設(shè)計進行布局布線，在quartus ii軟件中是指“fitting (適配）”。fitter使用analysis synthesis建立

54、數(shù)據(jù)庫，將工程的邏輯和時序要求與器件的可用資源相匹配。它將每個邏輯結(jié)構(gòu)分配給最佳邏輯單元位置，進行布線和時序分析，并選定相應(yīng)的互聯(lián)路徑和引腳分配。4.時序分析：quartus ii timequest 時序分析器和標準時序分析器可用于分析設(shè)計中的所有邏輯，并有助于指導(dǎo)fitter 達到設(shè)計中的時序要求。圖4-2 quartus ii設(shè)計流程5.仿真：可以使用eda仿真工具或quartus ii simulator 對設(shè)計進行功能與時序的仿真。6.編程和配置：使用quartus ii 軟件成功編譯工程后，就可以對alter器件進行編程或配置。7.系統(tǒng)設(shè)計：quartus ii 軟件支持sopc

55、builder和dsp bulider 系統(tǒng)設(shè)計流程。系統(tǒng)設(shè)計流程可以使工程師能夠以更高級的抽象概念快速設(shè)計、評估可編程芯片系統(tǒng)（sopc）體系結(jié)構(gòu)設(shè)計。4.1.2 硬件描述語言（hdl）硬件描述語言（hardware description language，簡稱 hdl），是一種用形式化方法描述數(shù)字電路和系統(tǒng)的語言。利用這種語言，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計可以從抽象到具體逐層描述自己的設(shè)計思想，把設(shè)計模塊化。然后，利用電子設(shè)計自動化（eda）工具，逐層進行仿真驗證，再把其中需要變?yōu)閷嶋H電路的模塊組合，經(jīng)過自動綜合工具轉(zhuǎn)換到門級電路網(wǎng)表。再用專用集成電路 asic 或現(xiàn)場可編程門陣列 fpga 自動

56、布局布線工具，把網(wǎng)表轉(zhuǎn)換為要實現(xiàn)的具體電路布線結(jié)構(gòu)。目前，最常用的硬件描述語言是 vhdl 和 verilog hdl 語言，它們都是 ieee標準。vhdl即甚高速集成電路硬件描述語言。這個語言的目的旨在使電路文本化成為標準，目的是為了使文本描述的電路設(shè)計能夠為其他人所理解，同時也可以作為一種模型語言并能通過軟件進行仿真。1.vhdl具有較強的功能特點：（1）具有較強的描述能力（2）具有共享和復(fù)用的能力（3）具有獨立于器件和工藝設(shè)計的能力（4）具有良好的可移植能力（5）具有良好的性能評估能力（6）具有向asic移植的能力verilog hdl是硬件語言描述的一種，用于數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計。它允許設(shè)計者用它來進行進行各種級別的邏輯設(shè)計，可以用它來進行數(shù)字邏輯系統(tǒng)的仿真驗證、時序分析、邏輯綜合。它是目前應(yīng)用最廣泛的一種硬件描述語言之一。verilog hdl和vhdl作為描述硬件電路設(shè)計的語言的優(yōu)異性對比：1.共同點,verilog hdl和vhdl作為描述硬件電路設(shè)計的語言，其共同特點在于： （1）能形式化地抽象表示電路的結(jié)構(gòu)和行為。 （2）支持邏輯設(shè)計中層次與領(lǐng)域的描述