智能窗戶系統(tǒng)論文

1、1 本科畢業(yè)設(shè)計論文 作品名稱 ： 智能窗戶系統(tǒng) 學校全稱 ： 系 名 ： 作者姓名 ： 指導(dǎo)老師 ： 日 期 ： 智能窗戶系統(tǒng) 2 摘要 本設(shè)計是一個能在下雨、刮風（風力超過3 級）和無光照時自動關(guān)窗的自動窗戶，并且在天氣晴朗時自動打開。它以一個at89c52 單片機作為主機，若干個單片機作為從機的現(xiàn)場檢測控制系統(tǒng)。從機由負責采集信號的終端設(shè)備濕敏傳?器、紅外對管、光敏傳感器和溫敏傳感器與單片機相連構(gòu)成四大模塊，另外還有負責設(shè)置溫度的顯示模塊及負責實現(xiàn)窗戶開閉的電機驅(qū)動模塊。然后通過各個從機提供的實時信息，主機判斷是開啟窗戶還是關(guān)閉窗戶。 關(guān)鍵詞：單片機 傳感器 l cd 顯示 rs-485

2、 總線 a/d 轉(zhuǎn)換 智能窗戶系統(tǒng) 3 目錄 第一章 系統(tǒng)簡介. 4 1.1 系統(tǒng)方案. 4 1.2 功能與指標 . 6 1.3 實現(xiàn)原理. 6 1.3.1 傳感器對外界信號的數(shù)據(jù)采集 . 6 1.3.2 溫度顯示與設(shè)置 . 10 1.3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換 . 12 1.3.4 單片機實現(xiàn)點對多點的數(shù)據(jù)傳輸 . 14 1.4 硬件框圖. 16 第二章 設(shè)計創(chuàng)意以及價值 . 18 2.1 特色舉例. 18 2.2 技術(shù)說明(先進性、實用性、可靠性) . 18 2.3 系統(tǒng)使用范圍(簡單介紹系統(tǒng)適用的行業(yè)、成本經(jīng)濟) . 19 智能窗戶系統(tǒng) 4 第一章 系統(tǒng)簡介 1.1 系統(tǒng)方案 1、傳感器對外界信號

3、的數(shù)據(jù)采集：使用溫度、濕度、照度傳感單元，分別使用ds18b20 的數(shù)據(jù)采集；由正交振蕩器為濕敏電阻提供交流電壓，ad630 將電路交直流變換，采集濕度變化數(shù)據(jù)；照度檢測通過電橋，當有光照變化時，光敏電阻的阻值發(fā)生了改變，影響電路。 2、風速測量：運用紅外對管，風帶動帶動光碼盤產(chǎn)生脈沖信號，風速越大脈沖頻率也越大。 檢測風速裝置圖如下: 3、信號的增益放大：觀察電路的放大輸出信號隨環(huán)境改變而改變大小，做出放大電路，并設(shè)定放大倍數(shù)。 4、溫度顯示與設(shè)置：使用lcd 數(shù)碼管顯示；制作一4*4 鍵盤，使用單片機掃描的方式讀取鍵盤信息，用單片機讀取信息。 智能窗戶系統(tǒng) 5 溫度顯示裝置圖如下： 5、模

4、數(shù)轉(zhuǎn)換：要將傳感器采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，單片機才能識別。 6、電機驅(qū)動設(shè)置：信號由rs-485 信號轉(zhuǎn)換回為rs-232 信號，步進電機接收驅(qū)動脈沖信號，帶動電機轉(zhuǎn)動 電機驅(qū)動裝置圖如下 智能窗戶系統(tǒng) 6 1.2 功能與指標 本設(shè)計可以在下雨、刮風（風力超過3 級）等天氣情況下自動關(guān)窗，并且可以設(shè)定的適宜的溫度范圍，在設(shè)定范圍外窗戶會自動關(guān)閉。不僅如此，還可以同時進行手動調(diào)節(jié)窗戶的開閉情況， 具有傳統(tǒng)窗戶的一切功能。 1.3 實現(xiàn)原理 1.3.1 傳感器對外界信號的數(shù)據(jù)采集 一、溫度采集單元 （1） 溫敏電阻要求 本設(shè)計采用的溫度是要通過lcd 管進行顯示，因此對溫度傳感器的要求較高，

5、需要對溫度的變化進行準確的了解及作出正確的溫度對應(yīng)的電壓關(guān)系。在戶外溫度滿足-30c 50c。本設(shè)計使用了精確的單線數(shù)字溫度傳感器 ds18b20，適用電壓是35v， ds18b20 特性如下： 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，精度可達土0.5 攝氏度 4、12 位分辨率時的最大工作周期為750 毫秒 5、可選擇寄生工作方式 6、檢測溫度范圍為55c +125c (67f +257f) 7、內(nèi)置eeprom，限溫報警功能 8、64 位光刻rom，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接 9、多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng) （2） ds18b20 引腳及原理 1、

6、引腳 智能窗戶系統(tǒng) 7 gnd 電壓地 dq 單數(shù)據(jù)總線 vdd 電源電壓 nc 空引腳 2、ds18b20 工作原理 ds18b20 的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講解其工作流程之前我們有必要了解18b20 的內(nèi)部存儲器資源。18b20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是： rom 只讀存儲器，用于存放ds18b20id 編碼，其前8 位是單線系列編碼（ds18b20的編碼是19h），后面48 位是芯片唯一的序列號，最后8 位是以上56 的位的crc碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由用戶更改。ds18

7、b20 共64 位rom。 ram 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，ds18b20 共 9個字節(jié)ram，每個字節(jié)為8 位。第1、2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3、4 個字節(jié)是用戶eeprom（常用于溫度報警值儲存）的鏡像。在上電復(fù)位時其值將被刷新。第5 個字節(jié)則是用戶第3 個eeprom 的鏡像。第6、7、8 個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設(shè)計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉(zhuǎn)換、計算的暫存單元。第9 個字節(jié)為前8 個字節(jié)的crc 碼。eeprom 非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，ds18b20 共3 位eepr

8、om，并在ram 都存在鏡像，以方便用戶操作。 ds18b20 裝置圖如下： 智能窗戶系統(tǒng) 8 二、濕度采集單元 （1）濕敏電阻原理 本設(shè)計采用的是氯化鋰濕敏電阻 ，其特性如下： 氯化鋰濕敏電阻即電解質(zhì)濕敏電阻，利用物質(zhì)吸收水分子而導(dǎo)電率變化檢測濕度。在氯化鋰（licl）溶液中，li 和cl 以正負離子的形式存在，鋰離子（li+）對水分子的吸收力 強，離子水合成度高，溶液中的離子導(dǎo)能力與溶液濃度成正比，溶液濃度增加，導(dǎo)電率上升。當溶液置于一定濕度場中，若環(huán)境rh 上升，溶液吸收水分子使?jié)舛认陆?，電阻?上升，反之rh 下降，溶液吸收水分子使?jié)舛壬仙?，電阻?下降。通過測量溶液電阻值r 實現(xiàn)對濕

9、度測量。 氯化鋰濕敏電阻如下： 濕度檢測裝置如下： 智能窗戶系統(tǒng) 9 三、光照采集單元 （1）光敏電阻原理 本設(shè)計采用如下光敏電阻： 光敏電阻器（photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。 通常，光敏電阻器都制成薄片結(jié)構(gòu)，以便吸收更多的光能。當它受到光的照射時，半導(dǎo)體片（光敏層）內(nèi)就激發(fā)出電子空穴對，參與導(dǎo)電，使電路中電流增強。一般光敏電阻器結(jié)構(gòu)如上圖所示。 用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化

10、物等半導(dǎo)體。 在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將逐漸復(fù)合，光敏電阻的阻值也就逐漸恢復(fù)原值。 （2）主要參數(shù) 智能窗戶系統(tǒng) 10 光敏電阻的主要參數(shù)有亮電阻，暗電阻，光電特性 光譜特性，頻率特性，溫度特性。在光敏電阻兩端的金屬電極之間加上電壓，其中便有電流通過，受到適當波長的光線照射時，電流就會隨光強的增加而

11、變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。沒有極性，純粹是個電阻期間，使用時可加直流也可以加交流 光照檢測裝置如下： 1.3.2 溫度顯示與設(shè)置 一、設(shè)置功能說明 溫度設(shè)置即通過人工自主設(shè)置整個電路系統(tǒng)工作的溫度范圍，包括溫度下限和溫度上限，當外界溫度（即溫度顯示單元中數(shù)碼管顯示的溫度）在設(shè)置的溫度范圍外時，即是外界溫度較高或是較低時，此時不再考慮外界的其它因素如：風力、空氣濕度、光照強度等，窗戶都處在關(guān)閉狀態(tài)。 二、功能的實現(xiàn) （1）lcd12864 顯示設(shè)置溫度 1、顯示方式的選擇 方案一、 led 顯示屏（led panel）：led 就是 light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫

12、，簡稱 led。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。led 之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括起來是：令外 led 還具有亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定等特點。 方案二、 lcd 是 liquid crystal display 的簡稱，lcd 的構(gòu)造是在兩片平行智能窗戶系統(tǒng) 11 的玻璃當中放置液態(tài)的晶體，兩片玻璃中間有許多垂直和水平的細小電線，透過通電與否來控制桿狀水晶分子改變方向，將光線折射出來產(chǎn)生畫面。它的對比度、亮度、信號響應(yīng)時間

13、、可視角度都比較好，價錢也比較合理。而且本試驗若采用 lcd 這樣硬件的連接顯得比較適合，所以選擇 lcd，并且這樣我們也能學到好多東西。 基于上述理論分析結(jié)合本電子設(shè)計題目的基本要求要求我們選擇lcd12864 來顯示溫度。 下面是 lcd12864 的模擬圖： （2）4*4 鍵盤設(shè)置溫度 44 矩陣鍵盤識別處理，每個按鍵都有它的行值和列值，行值和列值的組合就是識別這個按鍵的編碼。矩陣的行線和列線分別通過兩并行接口和cpu通信。鍵盤的一端（列線）通過電阻接vcc，而接地是通過程序輸出數(shù)字“0”實現(xiàn)的。鍵盤處理程序的任務(wù)是：確定有無鍵按下，判斷哪一個鍵按下，鍵的功能是什么？還要消除按鍵在閉合或

14、斷開時的抖動。兩個并行口中，一個輸出掃描碼，使按鍵逐行動態(tài)接地；另一個并行口輸入按鍵狀態(tài)，由行掃描值和回饋信號共同形成鍵編碼而識別按鍵，通過軟件查表，查出該鍵的功能。 4*4 鍵盤裝置如下： 智能窗戶系統(tǒng) 12 1.3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換 一、模數(shù)轉(zhuǎn)換要求 因為傳感器采集到的是模擬信號，而處理器處理的信號基本都是數(shù)字信號，故必須要實現(xiàn)模擬信號和數(shù)字信號之間轉(zhuǎn)換。這次我們選擇的ad 轉(zhuǎn)換芯片是adc0809，參數(shù)如下： adc0809 有8 路模擬信號的分時采集，片內(nèi)有8 路模擬選通開關(guān)，以及相應(yīng)的通道抵制鎖存用譯碼電路，其轉(zhuǎn)換時間為100 s 左右。引腳圖如下： 二、 adc0809 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) （

15、1）adc0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖 如圖所示: 智能窗戶系統(tǒng) 13 圖中多路開關(guān)可選通8 個模擬通道，允許8 路模擬量分時輸入，共用一個a/d轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，這是一種經(jīng)濟的多路數(shù)據(jù)采集方法。地址鎖存與譯碼電路完成對a、b、c 3 個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道選擇，其轉(zhuǎn)換結(jié)果通過三態(tài)輸出鎖存器存放、輸出，因此可以直接與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線相連，表9-1為通道選擇表。 下圖為通道選擇表： （2）信號引腳 adc0809 芯片為28 引腳為雙列直插式封裝，其引腳排上圖。 adc0809 主要信號引腳的功能說明如下： in7in0模擬量輸入通道 ale地址鎖存允許信號。對應(yīng)ale 上跳沿，a、

16、b、c 地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。 智能窗戶系統(tǒng) 14 start轉(zhuǎn)換啟動信號。start 上升沿時，復(fù)位adc0809；start 下降沿時啟動芯片，開始進行a/d 轉(zhuǎn)換；在a/d 轉(zhuǎn)換期間，start 應(yīng)保持 低電平。本信號有時簡寫為st. a、b、c地址線。 通道端口選擇線，a 為低地址，c 為高地址，引腳圖中為adda，addb 和addc。其地址狀態(tài)與通道對應(yīng)關(guān)系見表9-1。 clk時鐘信號。adc0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號由外界提供，因此有時鐘信號引腳。通常使用頻率為500khz 的時鐘信號 eoc轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。eoc=0,正在進行轉(zhuǎn)換；eoc=1,轉(zhuǎn)換結(jié)束。使用中

17、該狀態(tài)信號即可作為查詢的狀態(tài)標志，又可作為中斷請求信號使用。 d7d0數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。d0 為最低位，d7 為最高 oe輸出允許信號。用于控制三態(tài)輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe=0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻；oe=1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。 vcc +5v 電源。 vref參考電源參考電壓用來與輸入的模擬信號進行比較，作為逐次逼近的基準。其典型值為+5v(vref(+)=+5v, vref(-)=-5v)。 1.3.4 單片機實現(xiàn)點對多點的數(shù)據(jù)傳輸 一、如何實現(xiàn)從機識別 在點對多點的通信系統(tǒng)中，如何識別多點中的一點是經(jīng)常碰到的問題，這屬于同通信協(xié)

18、議的的設(shè)計范疇。我們采用的方法是地址識別，即給多點分別設(shè)定地址信息，方法是在數(shù)據(jù)前加地址字段或直接在數(shù)據(jù)傳輸之前先發(fā)送地址幀，主機通過不同的地址信息來識別數(shù)據(jù)源。 對于我們的實驗，地址幀的識別過程如下： (1) 首先，從機處于只接收地址幀的狀態(tài)； (2) 主機發(fā)送一地址幀信息； (3) 從機接收到地址幀后，將本機地址于地址幀中的地址進行比較，如果地址相同，則準備接收數(shù)據(jù)，否則丟棄當前地址幀，依然處于只接收地址智能窗戶系統(tǒng) 15 幀的狀態(tài)； (4) 主機發(fā)送數(shù)據(jù)幀，相應(yīng)的從機接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，從機返回只接收地址幀的狀態(tài)，在這一過程中其他從機不受影響； (5) 當主機需要于其他從機進行數(shù)據(jù)

19、傳輸時，可以再次發(fā)送地址幀呼叫從機，重復(fù)這一過程。 二、51 單片機串口的多機通信系統(tǒng) 51 單片機的自帶串口專門為這種一點對多點的多機通信系統(tǒng)提供了識別功能，該功能是利用串口控制寄存器scon 的sm2 位實現(xiàn)的。 當串口以方式2 或方式3 工作時，發(fā)送和接收的每一幀信息多是11 位，其中第九位數(shù)據(jù)位是可編程的，此位用于區(qū)別發(fā)送的是地址幀還是數(shù)據(jù)幀，為 1則為地址幀，為0 則為數(shù)據(jù)幀，此位是通過對scon 寄存器的tb8 位賦值來置位的。 若從機的控制位sm2 設(shè)置為1，當接收的是數(shù)據(jù)幀時，數(shù)據(jù)裝入sbuf,并置ri=1,向cpu 發(fā)出中斷申請；當接收的是數(shù)據(jù)幀時，不產(chǎn)生中斷，信息被丟棄。若

20、sm2 設(shè)置為0,則無論是地址幀還是數(shù)據(jù)幀都將產(chǎn)生ri=1 的中斷標志，數(shù)據(jù)裝入sbuf。 利用51 單片機串口的此多機通信功能可按如下步驟實現(xiàn)點對多點的數(shù)據(jù)傳輸： （1） 將所有從機的sm2 位置1，使其處于只接收地址幀的狀態(tài)； （2） 主機發(fā)送一地址幀，其中前 8 位數(shù)據(jù)位表示要求與之通信的從機地址，第九位為1，表示當前幀為地址幀； （3） 從機接收到地址幀后，將本機地址與地址幀中的地址進行比較，如果地址相同，即將sm2 置0，準備接收數(shù)據(jù)，否則丟棄當前幀，sm2 位保持不變，依然處于只接收地址幀的狀態(tài)； （4） 主機發(fā)送數(shù)據(jù)幀，相應(yīng)的從機接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完畢后，從機繼續(xù)將sm2 位置1

21、，回到只接收地址幀的狀態(tài)在這一過程中其他從機不受影響； （5） 當主機需要于其他從機進行數(shù)據(jù)傳輸時，可以再次發(fā)送地址幀呼叫從智能窗戶系統(tǒng) 16 機，重復(fù)這一過程。 三、協(xié)議設(shè)計的部分內(nèi)容 表-1 單片機點對多點數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈帐中盘柖x 握收信號 說明 0x2a 數(shù)據(jù)傳輸成功 0xf0 數(shù)據(jù)傳輸錯誤 表-2 單片機點對多點數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)長度字節(jié) 數(shù)據(jù)字節(jié) 奇偶校驗字節(jié) 1 字節(jié) n 字節(jié) 1 字節(jié) 1.4 硬件框圖 單片機485 總線現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)功能示意圖，如下： rs-232 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集 節(jié)點n 節(jié)點2 節(jié)點1 rs-485 總線 終端 設(shè)備 主控機 （單片機） 終

22、端 設(shè)備 終端 設(shè)備 單 片機 系統(tǒng) 485 接口 單 片機 系統(tǒng) 485 接口 單 片機 系統(tǒng) 485 接口 232/485轉(zhuǎn)接 智能窗戶系統(tǒng) 17 數(shù)據(jù)采集的終端設(shè)備，主要部件是傳感器。下圖為傳感器典型應(yīng)用的系統(tǒng)框圖 （a） 控制系統(tǒng) （b）測量裝置 模擬 傳感器 a/d 轉(zhuǎn)換器 各 單 元單片機 傳感器 電 子 線路測量 顯示裝置 電源 數(shù)碼管顯示 溫度設(shè)置 電機1# 電機2# 電機n# 主控單片機 智能窗戶系統(tǒng) 18 第二章 設(shè)計創(chuàng)意以及價值 2.1 特色舉例 眾所周知，天氣的變化永遠不是人們所能操控的，早晨還是陽光燦爛，上班時間卻發(fā)現(xiàn)窗外大雨滂沱，忽然想起家中還有窗戶忘了關(guān)閉，正在上

23、班的你是來不及，也不可能趕回家中關(guān)窗戶的，大雨就會打濕你的房間，給你的日常生活帶來不便。但是現(xiàn)在你不需要再為下雨的日子忘記關(guān)窗而煩惱，本設(shè)計就是基于解決這一問題的，具有濕度、風速、照度、溫度檢測的智能化窗戶，會讓你的家居生活變得更加方便，具體優(yōu)點如下： 1、本設(shè)計的控制有自動和手動兩種模式，自動模式可以根據(jù)程序的設(shè)定情況開關(guān)窗戶，手動模式可以根據(jù)隨心所欲開關(guān)窗戶。 2、下雨自動檢測（通過外置的濕敏傳感器檢測雨水達到下雨時自動關(guān)窗的目的）。 3、風力自動檢測（通過外置的紅外對管檢測風力的大小達到風速大于3 級時自動關(guān)窗的目的）。 4、照度自動檢測（通過外置的光敏傳感器檢測照度達到無光照時自動關(guān)窗

24、的目的）。 5、設(shè)定適宜溫度范圍（通過鍵盤設(shè)定人體適宜的溫度上下限，并由外置的溫敏傳感器檢測室外溫度以控制窗戶的自動開關(guān)）。 6*、煤氣濃度檢測（通過內(nèi)置的煤氣濃度檢測裝置達到煤氣濃度超標時窗戶自動開啟的目的）。 7*、可以運用互聯(lián)網(wǎng)或短信遠程控制家里的窗戶關(guān)閉。（打“*”為未來發(fā)展方向） 2.2 技術(shù)說明(先進性、實用性、可靠性) 1.本設(shè)計可以在下雨、刮風（風力超過 3 級）等天氣情況下自動關(guān)窗，并且智能窗戶系統(tǒng) 19 可以設(shè)定的適宜的溫度范圍，在設(shè)定范圍外窗戶會自動關(guān)閉。不僅如此，還可以手動調(diào)節(jié)窗戶的開閉情況，不會在烈日炎炎或寒冷入骨還打開窗戶，室內(nèi)空調(diào)也不會成了擺設(shè)。通過rs-485 總線的使用，用一臺主機就可以控制一個家庭的全部窗戶，將傳感器部分放在樓頂，既不影響美觀又省了每個窗戶裝一傳感器的錢。未來的發(fā)展可以進行室內(nèi)煤氣濃度的檢測以及通過互聯(lián)網(wǎng)（或短信）對