智能窗戶的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告(論文)題目（智能窗戶的設(shè)計(jì)） 所 屬 系 專 業(yè) 學(xué) 號(hào) 姓名 指導(dǎo)教師 起訖日期 設(shè)計(jì)地點(diǎn) 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）誠(chéng)信承諾本人承諾所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）及取得的成果是在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成，引用他人成果的部分均已列出參考文獻(xiàn)。如論文涉及任何知識(shí)產(chǎn)權(quán)糾紛，本人將承擔(dān)一切責(zé)任。 學(xué)生簽名: 日 期: 智能窗戶的設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)采用ARM contex-M4單片機(jī)為控制核心，通過控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)改變窗戶的開合，從而實(shí)現(xiàn)“窗戶自動(dòng)控制”功能。此作品使用了觸點(diǎn)開關(guān)對(duì)“雨”進(jìn)行監(jiān)控，溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度檢測(cè)，粉塵傳感器對(duì)空氣中粉塵光量檢測(cè)，電開關(guān)判斷窗戶是否全開或全關(guān)，這些信號(hào)經(jīng)探測(cè)

2、提取轉(zhuǎn)換后被送入單片機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算，單片機(jī)根據(jù)運(yùn)算結(jié)果對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)窗簾的功能。該作品使用了無線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)窗簾的遙控，通過簡(jiǎn)單的按鍵設(shè)置就能控制窗簾的狀態(tài)。關(guān)鍵詞：ARM contex-M4 傳感器 直流電機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)Body-driven Design of Fire-fighting RobotAbstractIn recent years, with the rapid development of science and technology, intelligence also made further demands, intelligent robot r

3、esearch in practical applications a large space for development. The social significance of the fire is that it safe for human survival as the ultimate care, fire fighting robot as an important means of fire fighting, fire fighting and rescue has been an increasingly important role in the show.

4、  This robot is P89V51RD2 fighting for the control of microcontroller core, to DC motor, power supply circuit, motor drive and other circuits. System through the fire flame sensor information collected by the microcontroller through IO port to control the car forward and stopped. To f

5、ind the source of fire, the car stopped, the use of job sensor to measure the velocity of the car, displayed on the digital pipe. And use the fan out the fire.Keywords: P89V51RD2；DC motor；Hall Sensor；LED目 錄第一章 緒 論11.1問題的提出11.2相關(guān)背景情況介紹11.3設(shè)計(jì)思路和方法11.3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)11.3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)21.4本論文結(jié)構(gòu)安排2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.1整

6、體方案設(shè)計(jì)32.2系統(tǒng)組成32.3方案論證與比較32.3.1單片機(jī)的方案論證與比較32.3.2電源模塊的方案論證與比較32.3.3測(cè)速模塊的方案論證與比較42.3.4顯示模塊的方案論證與比較42.3.5車體設(shè)計(jì)的方案論證與比較42.3.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的方案論證與比較5第三章 單元電路設(shè)計(jì)63.1主控制器63.1.1單片機(jī)概述63.1.2單片機(jī)P89V51RD263.2電源模塊73.3測(cè)速模塊73.3.1霍爾器件73.3.2霍爾傳感器44E概述73.3.3霍爾傳感器測(cè)速原理83.3.4傳感器電路設(shè)計(jì)83.4顯示電路的設(shè)計(jì)93.4.1數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示原理93.4.2數(shù)碼管顯示電路93.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

7、的設(shè)計(jì)93.5.1 L298N概述93.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路103.5.3隔離電路103.6滅火驅(qū)動(dòng)電路11第四章 軟件的設(shè)計(jì)124.1軟件開發(fā)平臺(tái)介紹124.2主程序流程圖124.3定時(shí)器/計(jì)數(shù)器124.3.1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器124.3.2定時(shí)器程序134.4 PWM產(chǎn)生程序144.5測(cè)速程序15第五章 制作與調(diào)試175.1制作流程175.2調(diào)試175.3調(diào)試結(jié)果17第六章 結(jié) 論18致 謝18參考文獻(xiàn)(References)19附錄一 原理圖20附錄二 PCB圖21附錄三 實(shí)物圖22附錄四 程序代碼23第一章 緒 論1.1 研究目的和意義21世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動(dòng)了人類

8、文明的巨大進(jìn)步。智能家居控制系統(tǒng)可以定義為一個(gè)過程或者一個(gè)系統(tǒng)。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間。還將原來的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交換暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能可以提供遙控、家電（空調(diào)，熱水器等）控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗戶自控、防盜報(bào)警、電話

9、遠(yuǎn)程控制、可編程定時(shí)控制及計(jì)算機(jī)控制等多種功能和手段。使生活更加舒適、便利和安全。因智能家居控制系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單、功能靈活，擴(kuò)展容易而被人們廣泛接受和應(yīng)用。智能化控制的工作原理自然離不開運(yùn)算和控制單元，在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí)采用的主控器件ARM context-M4，正是運(yùn)算與控制單元的集合體。本窗戶控制系統(tǒng)不僅具有采集控制方便、簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采各模塊和芯片的協(xié)調(diào)性，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)正是利用ARM context-M4 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，順利的完成了本設(shè)計(jì)的要求。并且實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)型定時(shí)和自動(dòng)控制功能，為控制家居設(shè)備提供了良好的基礎(chǔ)。正是因?yàn)橥ㄐ偶夹g(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、

10、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，家居智能化也正是在這種形勢(shì)下應(yīng)運(yùn)而生的。智能家居控制系統(tǒng)的主要功能包括通信、設(shè)備自動(dòng)控制、安全防范三個(gè)方面。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，功能也越來越強(qiáng)，各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，這給智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供極大方便。智能窗簾控制裝置系統(tǒng)的整體主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由單片機(jī)擴(kuò)展的外圍電路以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制功能的接口電路組成；軟件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種程序組

11、成。本設(shè)計(jì)中介紹了智能窗簾控制裝置系統(tǒng)的硬件構(gòu)成以及軟件設(shè)計(jì)過程，以盡最大可能滿足不同人對(duì)窗簾開閉的不同需求。同時(shí)，系統(tǒng)在針對(duì)人們一般需求的設(shè)計(jì)開發(fā)外，還提出多種解決方案，在考慮到經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性的前提下，可以供日后對(duì)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。1.2 基本內(nèi)容安排該設(shè)計(jì)通過分析電動(dòng)窗簾的現(xiàn)狀和人們對(duì)自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)的功能的需求，從而對(duì)自動(dòng)窗簾控制器進(jìn)行總體的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用以直流減速電機(jī)作為單片機(jī)控制元件，執(zhí)行窗戶開閉的主要任務(wù)；以溫濕度傳感器、粉塵傳感器、雨滴傳感器作為檢測(cè)元件，以提供單片機(jī)外界環(huán)境的變化；ARM context-M4單片機(jī)作為主控制芯片，控制著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，此外，輔助

12、以鍵盤和顯示電路，在各個(gè)電路模塊的配合下最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)窗戶控制系統(tǒng)的智能化要求。自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程主要分為以下幾個(gè)章節(jié)：（1）緒論：介紹設(shè)計(jì)目標(biāo)國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和研究意義目的，設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容和本文的章節(jié)安排。（2）總體設(shè)計(jì)方案：給出了智能窗戶控制裝置的總體方案設(shè)想，智能項(xiàng)目，和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)規(guī)劃。（3）硬件設(shè)計(jì)：選用ARM context-M4單片機(jī)為核心的各種電路設(shè)計(jì)，包括電源電路，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，鍵盤/顯示電路等一系列相關(guān)電路。（4）軟件設(shè)計(jì)：介紹各個(gè)功能模塊的的設(shè)計(jì)流程以及設(shè)計(jì)思路。（5）總結(jié)：針對(duì)設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行再思考以及提出自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。1.3 設(shè)計(jì)思想及基本功能 該

13、系統(tǒng)具有一般的窗戶控制系統(tǒng)的最基本的功能，即通過電動(dòng)按鈕來開閉窗戶，在此基本功能的前提下，本設(shè)計(jì)根據(jù)需求還設(shè)計(jì)了可以根據(jù)溫度、濕度、粉塵濃度和下雨量自動(dòng)開閉窗戶的功能，在選取設(shè)計(jì)方案和采用元器件方面，該系統(tǒng)本著簡(jiǎn)單實(shí)用經(jīng)濟(jì)的思想，盡量簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，同時(shí)又能學(xué)到知識(shí)的目的來達(dá)到設(shè)計(jì)要求。自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)具有以下幾個(gè)基本功能：（1）手動(dòng)控制：該功能是根據(jù)用戶的需求通過按鍵進(jìn)行窗簾的開關(guān)，此功能可以使窗戶的開閉處于任何一種狀態(tài)；（2）環(huán)境自動(dòng)控制：窗戶的關(guān)閉和開啟通過環(huán)境的溫度、濕度、粉塵濃度和下雨量自動(dòng)完成窗戶的開啟或關(guān)閉操作控制。窗戶的開、關(guān)和停止功能可由單片機(jī)輸出電平來控制直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)

14、。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1整體方案設(shè)計(jì)課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易智能窗戶模型，能在指定環(huán)境內(nèi)根據(jù)環(huán)境的不同來控制窗戶的開關(guān)。根據(jù)課題設(shè)計(jì)的要求和課題目標(biāo)，制定出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并通過比較論證，選擇合適的器件。最終確定手工制作小車，采用ARM context-M4單片機(jī)作為主控制器，L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，并用液晶屏顯示當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)的設(shè)計(jì)方案。2.2系統(tǒng)組成根據(jù)智能窗戶的功能要求，設(shè)計(jì)的智能窗戶主要由控制器、顯示模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器檢測(cè)模塊、按鍵模塊以及電源模塊等組成。本系統(tǒng)的方框圖如圖2-1所示。3.3V電源模塊 5V電源模塊 ARMContex M4 K60按鍵模塊溫濕度傳感器 雨滴

15、傳感器 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 粉塵傳感器 O LED顯示 紅外傳感器圖2-1 系統(tǒng)方框圖2.3方案論證與比較2.3.1單片機(jī)的方案論證與比較方案一：采用嵌入式處理器（ARM)作為控制器。ARM運(yùn)算功能強(qiáng)大，速度較快，編程靈活，自由度大，外圍器件少，成本適中，容易實(shí)現(xiàn)仿真、調(diào)試和功能擴(kuò)展。方案二：采用FPGA或CPLD作為系統(tǒng)的控制器?？梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)雜邏輯功能，規(guī)模大，速度快，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，容易實(shí)現(xiàn)仿真、調(diào)試和功能擴(kuò)展。不過這個(gè)控制器成本高，引腳多，PCB布線復(fù)雜。方案三：采用AT89C51單片機(jī)，AT89C51是一款80C51微控制器，包含了4KBFLASH和128字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM。AT89C

16、51單片機(jī)比較簡(jiǎn)單可靠，編程容易。本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度要求也不是很高。但是為了能夠跟多的學(xué)習(xí)ARM的單片機(jī)，且本人手上正好有K60的單片機(jī)所以為了學(xué)習(xí)選擇方案一。2.3.2電源模塊的方案論證與比較由于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、傳感器模塊、處理電路模塊、顯示模塊等都需要有3.3V和5V電源，所以電源在本系統(tǒng)中有著比較重要的地位，它是整個(gè)系統(tǒng)能夠正常工作的保證。方案一：利用變壓器將220V市電降壓成12V交流電壓，通過橋式整流電路整流后再通過三端穩(wěn)壓器7805輸出穩(wěn)定的5V電壓，在經(jīng)過1117-3.3V芯片輸出穩(wěn)定的3.3V電壓。方案二：直接用現(xiàn)成5V的電源模塊，

17、給電路、驅(qū)動(dòng)供電，在經(jīng)過1117-3.3V芯片給單片機(jī)和顯示電路供電綜上所述：選擇方案二，由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的不確定性可能會(huì)對(duì)單片機(jī)造成影響，所以就直接用現(xiàn)成的電源模塊。傳感器模塊的方案論證與比較窗位置傳感器模塊方案一 ：使用1M歐姆，1M長(zhǎng)導(dǎo)線通過測(cè)量導(dǎo)線電壓來確定窗位置，使用精度較高的金屬混合物電阻。方案二 ：使用光電傳感器光電傳感器不與被測(cè)電路發(fā)生電接觸，通過檢測(cè)窗體是否擋住傳感器的光源來檢測(cè)當(dāng)前窗體是否已經(jīng)到邊緣，進(jìn)一步確定是否停止電機(jī)。綜合考慮，根據(jù)實(shí)際情況，選擇方案二。方案一中導(dǎo)線的安裝有較大的難度，并且不易購(gòu)買。溫度傳感器模塊 溫度傳感器模塊方案1 ：使用PT100溫度傳感器PT100

18、是鉑金屬正溫度系數(shù)熱敏傳感器，它測(cè)量溫度范圍大，價(jià)格便宜，PT100溫度傳感器還具有抗振動(dòng)、穩(wěn)定性好、準(zhǔn)確度高、耐高壓等優(yōu)點(diǎn)。鉑熱電阻的線性較好，在0100攝氏度之間變化時(shí)，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。PT100輸出量為模擬量。方案2 : 使用DHT11溫濕度傳感器DHT11體積小，使用方便，封裝形式多樣，獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信，多點(diǎn)能力，無需外部元件 可用數(shù)據(jù)總線供電。現(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。綜合考慮，根據(jù)實(shí)際情況，選擇DHT11作為溫度傳感器。使用PT100溫度傳感器要附加放大器電路和AD轉(zhuǎn)換電路，成本高，占用電路板空間大，不宜于

19、設(shè)計(jì)開發(fā)。雨滴傳感器模塊方案一 ：使用雨滴傳感器雨滴傳感器放置在玻璃后面，它能根據(jù)落在玻璃上雨滴量的大小來產(chǎn)生相應(yīng)電壓，它有一個(gè)被稱為L(zhǎng)ED的發(fā)光二級(jí)管負(fù)責(zé)發(fā)送遠(yuǎn)紅外線，當(dāng)玻璃表面干燥時(shí)，光線幾乎是100%地被反射回來，這樣光電二級(jí)管就能接收到很被多的反射光線。玻璃上的雨滴越多，反射回來的光線就越少。方案二：使用普通接觸開關(guān)普通接觸開關(guān)價(jià)格經(jīng)濟(jì)，體積小，不能量化要測(cè)量的量。綜合考慮，根據(jù)實(shí)際情況，選擇雨滴傳感器。普通接觸開關(guān)簡(jiǎn)單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，但不夠準(zhǔn)確。雨滴傳感器性能優(yōu)異工作穩(wěn)定，精度高，反映靈敏。2.3.3.4粉塵檢測(cè)傳感器模塊方案1：使用 GP2Y1010AU0F 檢測(cè)粉塵通過對(duì)空氣中粉塵顆

20、粒的質(zhì)量檢測(cè)來反應(yīng)當(dāng)前空氣中的粉塵濃度，編程比較容易，網(wǎng)絡(luò)資料比較多。方案2：使用SM-PWM-01B檢測(cè)粉塵通過對(duì)空氣中粉塵顆粒的質(zhì)量檢測(cè)來反應(yīng)當(dāng)前空氣中的粉塵濃度，但是編程需要用到中斷，可能會(huì)給系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)。且網(wǎng)上資料較少，編程方式較難。綜合考慮，根據(jù)實(shí)際情況，選擇 GP2Y1010AU0F 檢測(cè)粉塵，方便編程。2.3.4顯示模塊的方案論證與比較根據(jù)題目的要求，需要顯示當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)以及電機(jī)開關(guān)動(dòng)作，所以顯示模塊成了不可或缺的一個(gè)模塊。方案一：數(shù)碼管。8段數(shù)碼管屬于LED發(fā)光器件的一種，分為8段：A、B、C、D、E、F、G、DP，其中DP是小數(shù)點(diǎn)位，還包括一個(gè)公共端COM端。從電氣上，8段

21、數(shù)碼管又分為共陰和共陽兩種。共陰指數(shù)碼管的公共端接負(fù)極，而各段接正極；共陽則正好相反。數(shù)碼管顯示雖然簡(jiǎn)單編程容易，但是它只能夠顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字和字母，而且功耗較大。方案二：液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在各類儀表和低功耗系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。但是編程難度較高，亮度較低?？紤]到本系統(tǒng)進(jìn)行顯示的內(nèi)容較多，不適合用數(shù)碼管顯示，故采用方案二液晶顯示。窗體設(shè)計(jì)的方案論證與比較方案一：購(gòu)買窗體。就是將自己的設(shè)計(jì)要求以及需要加的齒輪等告訴廠家，訂做一個(gè)自己需要的窗戶。但是這種窗戶價(jià)格很貴，而且還不一定由廠家愿意做，比較耗時(shí)。方案二：自己做一個(gè)窗體，在外面店里購(gòu)買做窗的材料，根

22、據(jù)自己的需求在上面添加自己需要的東西。綜上考慮，為了能夠更多學(xué)習(xí)鍛煉自己的動(dòng)手能力所以選擇方案二。2.3.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的方案論證與比較方案一：采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它響應(yīng)頻率高，一片L298N 可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)滅火小車進(jìn)行控制。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)就是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)就是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。綜上所述，選用方案一第三章

23、 單元電路設(shè)計(jì)3.1主控制器3.1.1單片機(jī)概述單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。早期的單片機(jī)都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因?yàn)楹?jiǎn)單可靠而性能不錯(cuò)獲得了很大的好評(píng)。此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列單片機(jī)系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提

24、高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因?yàn)樾詢r(jià)比不理想并未得到很廣泛的應(yīng)用。90年代后隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)得到了巨大的提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應(yīng)用，32位單片機(jī)迅速取代16位單片機(jī)的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)。而傳統(tǒng)的8位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍?，F(xiàn)代人類生活中所用的幾乎每件電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。手機(jī)、電話、計(jì)算器、家用電器、電子玩具、掌上電腦等里面都可以看見它。3.1.K60的引腳功能與硬件最小系統(tǒng) 圖3-1為K60封裝引腳圖Kinetis系列微控制器是飛思卡爾公司于2010年下半年推出的基于ARM

25、 Cortex-M4內(nèi)核的微控制器，是業(yè)內(nèi)首款Cortex-M4內(nèi)核芯片。Kinetis系列微控制器采用了飛思卡爾 90納米薄膜存儲(chǔ)器 (TFS) 閃存技術(shù)和 Flex存儲(chǔ)器功能(可配置的內(nèi)嵌EEPROM)，支持超過1000萬次的擦寫。Kinetis 微控制器系列融合了最新的低功耗革新技術(shù)，具有高性能、高精度的混合信號(hào)能力，寬廣的互連性，人機(jī)接口和安全外設(shè)。 內(nèi)核： ARM Cortex-M4 內(nèi)核帶DSP指令，性能可達(dá)1.25 DMIPS/MHz ( 部分Kinetis 系列提供浮點(diǎn)單元) 多達(dá)32通道的DMA可用于外設(shè)和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸并減少CPU干預(yù) 提供不同級(jí)別的CPU頻率,有50 MH

26、z、72 MHz 和100 MHz（部分Kinetis系列提供120 MHz 和150 MHz ) 極低的功耗： 10 種低功耗操作模式用于優(yōu)化外設(shè)活動(dòng)和喚醒時(shí)間以延長(zhǎng)電池的壽命 低漏喚醒單元、低功耗定時(shí)器和低功耗RTC可以更加靈活地實(shí)現(xiàn)低功耗 行業(yè)領(lǐng)先的快速喚醒時(shí)間 存儲(chǔ)器： 內(nèi)存空間可擴(kuò)展，從32 KB閃存/ 8 KB RAM 到 1 MB 閃存 / 128 KB RAM。多個(gè)獨(dú)立的閃存模塊使同時(shí)進(jìn)行代碼執(zhí)行和固件升級(jí)成為可能 可選的16 KB 緩存用于優(yōu)化總線帶寬和閃存執(zhí)行性能 Flex 存儲(chǔ)器具有高達(dá)512 KB的FlexNVM 和高達(dá)16 KB的FlexRAM。FlexNVM 能夠被

27、分區(qū)以支持額外的程序閃存（例如引導(dǎo)加載程序）、數(shù)據(jù)閃存 ( 例如存儲(chǔ)大表) 或者EEPROM 備份。FlexRAM 支持EEPROM 字節(jié)寫/ 字節(jié)擦除操作，并且指示最大 EEPROM 空間 EEPROM 最高超過一千萬次的使用壽命 EEPROM 擦除/ 寫速度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的EEPROM 模擬混合信號(hào)： 快速、高精度的16位ADC、12位DAC、可編程增益放大器、高速比較器和內(nèi)部電壓參考。提供強(qiáng)大的信號(hào)調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和分析性能的同時(shí)降低了系統(tǒng)成本 人機(jī)接口 (HMI)： 低功耗感應(yīng)觸摸傳感接口在所有低功耗模式均可工作 連接性和通信： UART支持ISO7816 和 IrDA， I2S、CAN、I2C

28、 和 SPI 可靠性和安全性： 硬件循環(huán)冗余校驗(yàn)引擎用于驗(yàn)證存儲(chǔ)器內(nèi)容、通信數(shù)據(jù)和增加的系統(tǒng)可靠性 獨(dú)立時(shí)鐘工作的COP 用于防止代碼跑飛 外部看門狗監(jiān)控 定時(shí)和控制： 強(qiáng)大的FlexTimers 支持通用、PWM 和電機(jī)控制功能 載波調(diào)制器發(fā)射器用于產(chǎn)生紅外波形 可編程中斷定時(shí)器用于RTOS 任務(wù)調(diào)度或者為ADC 轉(zhuǎn)換和可編程延遲模塊提供觸發(fā)源 外部接口： 多功能外部總線接口提供和外部存儲(chǔ)器、門陣列邏輯或LCD 的接口 系統(tǒng)： 5 V 容限的GPIO 帶引腳中斷功能 從 1.71 V 到 3.6 V 的寬操作電壓范圍，閃存編程電壓低至 1.71 V ，并且此時(shí)閃存和模擬外設(shè)所有功能正常 運(yùn)行

29、溫度 -40 °C 到105 °C 3.2電源模塊本系統(tǒng)采用5V電源模塊，經(jīng)過1117-3.3v進(jìn)行電壓變換后得到3.3V電壓，給單片機(jī)、液晶顯示，等電路供電。其電路原理圖如圖3-2所示。圖3-2 直流3.3V電路圖電路中常在輸入端接入電容是為了抵消輸入引線感抗，消除自激。同時(shí)，在輸出端接上電容是為了除集成穩(wěn)壓器的輸出噪聲，特別是高頻噪聲。3.3傳感器模塊光電傳感器H42B6是由原裝進(jìn)口高發(fā)射功率的砷化鎵（砷鋁鎵）紅外發(fā)射管和高靈敏度的光敏晶體管組成。它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體的有無 其內(nèi)部電路如圖3-1-1所示。 圖3-1-1

30、 H42B6內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖當(dāng)左側(cè)的發(fā)光二極管跟右側(cè)的光敏三極管沒有障礙物阻隔，則4號(hào)腳輸出高電平，當(dāng)倆著之間被阻隔，光敏三極管基極電流趨于0,3、4號(hào)腳相當(dāng)于斷開，輸出低電平，用IO口讀取當(dāng)前管腳的電平即可了解窗戶的位置。電路圖如圖3-1-2所示。 圖3-1-2溫度傳感器模塊DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳

31、感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。典型應(yīng)用電路如圖3-2-1 圖3-2-1典型電路DATA 用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時(shí)間4ms左右,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展,現(xiàn)讀出為零.操作流程如下: 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為4

32、0bit,高位先出。 數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)          +8bit校驗(yàn)和 數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8位。 用戶MCU發(fā)送一次開始信號(hào)后,DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式,等待主機(jī)開始信號(hào)結(jié)束后,DHT11發(fā)送響應(yīng)信號(hào),送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號(hào)采集,用戶可選擇

33、讀取部分?jǐn)?shù)據(jù).從模式下,DHT11接收到開始信號(hào)觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號(hào),DHT11不會(huì)主動(dòng)進(jìn)行溫濕度采集.采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式電路連接如圖3-2-2 圖3-2-2 雨滴傳感器模塊雨滴傳感器又叫雨滴檢測(cè)傳感器，用于檢測(cè)是否下雨及雨量的大小，廣泛用于汽車自動(dòng)刮水系統(tǒng)、智能燈光系統(tǒng)和智能天窗系統(tǒng)中。在雨滴傳感刮水系統(tǒng)中，用雨滴檢測(cè)傳感器檢測(cè)出雨量，并利用控制器將檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行變換，根據(jù)變換后的信號(hào)自動(dòng)地按雨量設(shè)定刮水器的間歇時(shí)間，以便隨時(shí)控制刮水器電動(dòng)機(jī)；在汽車智能燈光系統(tǒng)中檢測(cè)車輛行駛的環(huán)境，自動(dòng)調(diào)整燈光模式，提高車輛在惡劣環(huán)境下行駛的安全性；在智能天窗系統(tǒng)中傳感

34、器一旦檢測(cè)到下雨，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉天窗。由于這種傳感器比較貴，所以我就利用濕敏電阻加LM393比較器做的一個(gè)簡(jiǎn)易雨滴傳感器由于AC端是R1與濕敏電阻的分壓，當(dāng)濕敏電阻發(fā)生改變時(shí)，同時(shí)改變AC電壓，通過AD口讀取AC電壓即可根據(jù)比例求出當(dāng)前雨量和是否下雨。傳感器電路如圖3-3-1所示 圖3-3-1 粉塵檢測(cè)傳感器模塊GP2Y1010AU0F 型粉塵濃度傳感器檢測(cè)器外部含塵空氣在風(fēng)扇的吸引下進(jìn)入吸引口經(jīng)導(dǎo)流裝置（遮掉外部光線）進(jìn)入檢測(cè)器暗室。暗室內(nèi)的平行光與受光部的視野成直角交叉構(gòu)成靈敏區(qū)（圖中斜線部分），粉塵通過靈敏區(qū)時(shí)，其90方向散射光透過狹縫射進(jìn)來由光電倍增管接收并轉(zhuǎn)換成光電流，經(jīng)光電流積分電路轉(zhuǎn)

35、換成與散射光成正比的電信號(hào)，通過放大電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路輸入單片機(jī)，單片機(jī)計(jì)算出粉塵的質(zhì)量濃度并顯示和信號(hào)輸出。圖3-4-1為GP2Y1010AU0F原理圖 圖3-4-13.4顯示電路的設(shè)計(jì)液晶顯示模塊信意電子的0.96寸OLED模塊采用高亮度，低功耗的OLED屏顯示顏色純正，在陽光下有很好的可視效果。模塊供電是3.3V不需要修改模塊電路，同時(shí)兼容2種通信方式：4線SPI、IIC，通信模式的選擇可以通信兩個(gè)零歐電阻來跳選。該模塊一共有三種顏色：藍(lán)色、白色、黃藍(lán)雙色。OLED屏具有多個(gè)控制指令，可以控制OLED的亮度、對(duì)比度、開關(guān)升壓電路等指令。操作方便，功能豐富。連接電路如圖4-1-1所示

36、圖4-1-13.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)3.5.1 L298N概述CPU輸出PWM信號(hào),電壓為脈沖形式。由于輸出的電流很小,直接將CPU的輸出和直流電機(jī)的輸入相連是不能使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的。使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的目的就是將CPU的輸出電流放大,從而獲得足夠大的力矩,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用的是意法半導(dǎo)體聯(lián)合公司(SGS-Thomson)生產(chǎn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298N為含有15個(gè)引腳的直插式芯片,其主要性能:(1)體積小(19.6mm×17.5mm×5mm)；(2)操作電壓范圍大:操作電壓Vs范圍從446V；(3)抗干擾能力強(qiáng):低于1.5V的電壓均視為低電平,對(duì)噪聲有較強(qiáng)的抑制作用

37、；(4)配備散熱片,減少溫度對(duì)電子元器件的影響；(5)邏輯電平Vss為+5V；(6)工作效率高:1塊L298N可以驅(qū)動(dòng)2臺(tái)電機(jī),故每輛小車只需配備1塊L298N；(7)輸出電流大:L298N可以將電流放大到4A。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電動(dòng)機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)，本實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表3.1是L298N功能邏輯圖。表3.1 L298N邏輯功能圖EnAIn1In2運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)0××停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止In3，In4

38、的邏輯圖與表1相同。由表1可知EnA為低電平時(shí)，輸入電平對(duì)電機(jī)控制起作用，當(dāng)EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機(jī)停止，同為高電平電機(jī)剎停。3.5.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3-6電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路我們采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到單片機(jī)的IO口，通過對(duì)單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)倆個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖3-6所示。第四章 軟件的設(shè)計(jì)本章主要介紹此次畢業(yè)設(shè)計(jì)使用的編程工具CodeWarrior，主要的控制模塊程序以及編寫相應(yīng)的控制程序，主要是傳感器程序和電機(jī)判斷驅(qū)動(dòng)控制程序。4.1軟件開發(fā)平臺(tái)介紹編程語言選用C語言。匯編語言

39、作為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語言，具有執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其本身是低級(jí)語言，編程效率較低，可移植性和可讀性差，維護(hù)極不方便。而C語言以其結(jié)構(gòu)化，容易維護(hù)，容易移植的優(yōu)勢(shì)滿足開發(fā)的需要。CodeWarrior包括構(gòu)建平臺(tái)和應(yīng)用所必需的所有主要工具 - IDE、編譯器、調(diào)試器、編輯器、鏈接器、匯編程序等。另外，CodeWarrior IDE支持開發(fā)人員插入他們所喜愛的工具，使他們可以自由地以希望的方式工作。CodeWarrior開發(fā)工作室將尖端的調(diào)試技術(shù)與健全開發(fā)環(huán)境的簡(jiǎn)易性結(jié)合在一起，將C/C+源級(jí)別調(diào)試和嵌入式應(yīng)用開發(fā)帶入新的水平。開發(fā)工作室提供高度可視且自動(dòng)化的框架，可以加速甚至是最復(fù)雜應(yīng)用的

40、開發(fā)，因此對(duì)于各種水平的開發(fā)人員來說，創(chuàng)建應(yīng)用都是簡(jiǎn)單而便捷的。它是一個(gè)單一的開發(fā)環(huán)境，在所有所支持的工作站和個(gè)人電腦之間保持一致。在每個(gè)所支持的平臺(tái)上，性能及使用均是相同的。無需擔(dān)心主機(jī)至主機(jī)的不兼容。4.2主程序流程圖根據(jù)題目要求，程序要能根據(jù)傳感器反饋的信息，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開關(guān)窗戶。整個(gè)過程中還要求能顯示當(dāng)前環(huán)境參數(shù)。主程序流程圖如圖4-1所示。 開始 初始化 讀取當(dāng)前傳感器值是否人工模式 Y按鍵開關(guān)窗 根據(jù)設(shè)定值判斷開關(guān)窗 N 顯示當(dāng)前環(huán)境值 返回 圖4-14.3控制程序#include "Control.h"#include "SensorRead.h&quo

41、t;#include "OLED.h"extern uint8 RH,RL,TH,TL,DustNum;int Time=12;int ControlFlag=0,CloseFlag=0,OpenFlag=0,DirSel=0,Amp=100,TestFlag=0,ControlSel=0;int State;uint8 RHTest=0,DustTest=0;void SysControl(int Control) char shownum10; LCD_CLS(); snprintf(shownum,16,"%d",State); LCD_Print

42、(1,5,(uint8*)shownum); if(!(ControlFlag) AutoControl(); else ManControl();void AutoControl() char shownum10; if(!(TestFlag) if (Time<=6)|(Time>=18)|(RH>=50)|(DustNum>=200) CloseWin(100); State=0; else if(Time>=6)&&(Time<=18)&&(RH<=40)&&(DustNum<=100) O

43、penWin(100); State=1; else if (Time<=6)|(Time>=18)|(RHTest>=60)|(DustTest>=200) CloseWin(100); else if(Time>=6)&&(Time<=18)&&(RHTest<=40)&&(DustTest<=100) OpenWin(100); void ManControl() if(DirSel) OpenWin(Amp); else CloseWin(Amp);void CloseWin(int pre

44、cent) if (!(CloseFlag) PWMzhf(50,1); delayms(60*precent); PWMzhf(0,1); CloseFlag=1; OpenFlag=0; void OpenWin(int precent) if (!(OpenFlag) PWMzhf(50,0); delayms(200*precent); PWMzhf(0,0); CloseFlag=0; OpenFlag=1; 4.4 A/D讀數(shù)模塊逐次逼近式A/D是比較常見的一種A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。采用逐次逼近法的A/D轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)比較器、D/A轉(zhuǎn)換器、緩沖寄存器及控制邏輯電路組成

45、?；驹硎菑母呶坏降臀恢鹞辉囂奖容^，好像用天平稱物體，從重到輕逐級(jí)增減砝碼進(jìn)行試探。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置1，送入D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后生成的模擬量送入比較器，稱為 Vo，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量Vi進(jìn)行比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為1，將寄存器中新的數(shù)字量送D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的 Vo再與Vi比較，若Vo<Vi，該位1被保留，否則被清除。重復(fù)此過程，直至逼近寄存器最低位。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的。程序代碼如下所示：uint16 hw_adc_ave(