基于单片机的智能窗户设计（毕业论文）.docx

1、基于 51 单片机的智能窗户设计【摘要】 随着电子技术的发展和人民生活水平的不断提高，智能窗已经越来越多地被用到了现代智能化建筑中，提供住户一个安全、方便的环境。据统计，在未来的 几年内，安装智能窗的用户将不断增加。本次设计的智能窗户系统能通过其数据检测传 感电路不断循环检测室外湿度及温度，当室外湿度达到一定时（下雨时）窗户自动关闭， 防止潮湿空气或雨水进入房间；另外可设置自动关闭窗户或开启窗户时间，到了设定时 间会自动关闭或开启窗户；可设置是否自动根据湿度变化自动开启关闭窗户或者根据设 置时间自动开启或者关闭窗户。【关键词】智能窗户； 单片机； 温度检测；湿度检测；【Abstract】 Wi

2、th the development of electronic technology and the continuous improvementof peoples living standard, the intelligent window has been increasingly used in modern intelligent building, to provide a safe, convenient resident environment. According to statistics, in the next few years, the installation

3、 of smart windows users will continue to increase. The design of intelligent window system through the data detecting sensing circuit continuous detection of circulating outside humidity and temperature, when the outside humidity reaches a certain time ( when it rains ) close the window automaticall

4、y, prevent the moist air or water into the room; also can be set to automatically close the windows or window opening time, to set the time automatically open or close the window; you can set whether to automatically according to the changes of temperature and humidity automatically open and close t

5、he windows or according to the set time automatically open or close the window; when the window outside the person near infrared alarm to be generated when the anti-theft function. Also can control the keyboard, directly control window switch, select the display parameter types.【 Key words 】 intelli

6、gent window single chip microcomputer temperature detection humidity detection44目录第 1 章 绪论21.1 智能窗户综述21.2 智能窗户研究现状2第 2 章 设计的目标任务42.1 本文主要工作设计42.2 论文的要求与数据4第 3 章设计方案论证53.1 温湿度检测方案53.2 窗户控制系统设计方案63.3 限位开关控制系统设计方案7第 4 章 硬件电路设计84.1 最小系统电路设计84.2 温湿度检测电路设计84.3 电机驱动电路设计114.4 显示电路设计114.5 时钟电路设计124.6 光电开关电路设

7、计134.7 按键电路的设计14第 5 章软件设计145.1 主程序流程图145.2 各部分子程序15第 6 章系统组装与调试196.1 基本电路板检查196.2 主控模块调试196.3 软件调试196.4 数据整理19结束语和致谢语21参考文献22附（一）：原理图23附（二）：PCB 板24附（三）：程序25第 1 章 绪论1.1 智能窗户综述智能窗户一般是指安装了先进的防盗、防劫、防雨系统技术的门窗。起初智能窗户在一些公共场所、高档商品房、商场中运用广泛，但随着科学技术的飞跃发展，生活水平的不断提高，人们对安全、舒适、健康的生活需求变得日益迫切。而 近年来，智能家居概念已经逐渐深入到国民的

8、生活之中，且不断地影响着人们的思维。 因此，众多有能力的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统，并尝试智能化为 家居生活带来的安全、舒适和便利。智能窗户提供住户一个安全、方便的环境。据统计， 在未来的几年内，安装智能窗的用户将不断增加。全自动智能窗户要求遇刮风或飘雨， 窗户会自动关闭；窗户就自动打开；高高在上的天窗，也乖乖听从指挥开启闭合，免去 攀高之累。最新科技的智能窗户控制系统它由智能主控器、门窗控制器、门窗驱动器等组成，是智能居家的理想选择。要求具备以下功能：安全在工作日，上下班时间基本都是固定的。你可以设定窗户开关的时间，上班时窗户自动关闭下班时自动打开，方便安全。自动防风防雨居家

9、过日子，忘记关窗是常有的事，每逢刮风下雨身在外边便叫苦不已。现在，这款产品可以消除您的这个顾虑了,它外侧装有湿度传感器，当空气里的湿度达到 80%时湿度传感器上就会有感应，窗户立即自行关闭，令您从此大胆出门无忧无虑。节约能源当室外的温度超过 30时能关闭窗户并把空调打开，保持室内室温适宜。当室外温度下降到 20时，窗户自动打开并把空调关闭，保持室内空气清新，当然这一动作是以外界没有下雨为前提的。人性化增加手动开窗、关窗功能，是产品更人性化。1.2 智能窗户研究现状窗户需求（亿元）600400窗户需求（亿元）20002006年 2007年 2008年 2009年由于我国房地产行业的迅速发展，也带

10、动了我国门窗幕墙行业的迅速发展，一般来说，一个建筑物按面积推算，有 10%是窗，15%是门，全国每年新建为 20 亿平方米，门窗的需求量为 5 亿多平方米。如再考虑到原有城乡建筑的窗户改制，每年窗户的安装量至少达到 10 亿平方米。以每平方米窗户 50 元计算，全国窗户消费需求空间为 500 亿元， 并且还有不断扩大的趋势。如下图所示：图 1.12006 年2009 年我国窗户需求量门窗是家庭智能化安全防范系统的一个重要组成部分，是一种智能化的控制系统，它由现代微型机、先进传感器（温度传感器、湿度传感器等）、等一系列机械传动装置组成， 是具有智能化、人性化、网络化的高科技产品。可以对窗户进行随

11、心所欲的控制和安全措施，它具有时尚、方便、安全等特点，使人们的家居环境得到较大的改善。再者通过我们的调查发现目前整个市场上存在许多不足之处。当前智能窗户的功能还不是很完善，虽然市场上有下雨时能自动关窗的装置，但在雨过天晴后并不能适时自动开窗。这就会让主人在下班回家后觉得屋内空气不流通、不清新等。因此，我以这次毕业设计为契机，改进了部分功能实现的方法，并增加了适时开窗的新功能，还把窗户和空调相结合。力求整个装置高效、简洁、易实现并突出节能环保的理念。窗户之所以能自动开闭，关键是长条形装置内的一些元件、温湿度传感器组成了一套智能控制系统，发挥着自动控制功能。“人们早晨出门上班时还是晴空万里，所以没

12、有关窗，下午突然下雨了，窗户会自动关闭，不用担心家中淋雨。”除了自动开闭窗户外，还可以通过遥控器来控制智能窗户的开闭大小，不用走到窗前去关窗。智能窗户的应用越来越受广大人民的欢迎，在许多大城市中，很多小区都实现智能化管理，其中智能窗户的应用相当的重要一部分。所以我这次毕业设计选了这个我比较感兴趣也很有现实意义的题目。第 2 章 设计的目标任务2.1 本文主要工作设计2.1.1 本设计的总体介绍(1) 智能窗户:基于单片机控制系统设计出温湿度检测电路、电机驱动电路、时钟电路、单片机、晶振和复位电路和控制电路等。（2)设计智能窗户的数据采集及控制系统。2.1.2 设计的具体任务对智能窗户的功能进行

13、设计，相应的硬件电路和系统软件设计，并做出控制系统， 从而达到设计的目的：温度升高到超过预设值时，电机转动关闭窗户并把空调打开；若下雨窗外的湿度传感器会感应到并把窗户关闭；通过按键可以设置自动开启窗户时间及自动关闭窗户时间，到设定时间会自动关闭或开启窗户；可以设置根据温湿度控制窗户开关及根据时间开启、关闭窗户功能。2.2 论文的要求与数据（1)完成该课题必须重点研究单片机控制、温湿度采集、晶振和复位电路等关键问题和理论。（2)研究方案的设计、研究方法和手段要合理，符合理论与实践的要求。第 3 章 设计方案论证智能窗户的模型如下图 3.1，传动机构由皮带、电机和定滑轮组成。当电机正转时， 可移动

14、窗扇向右移动至限位开关处电机停止。当电机反转时，可移动窗户向左移动至限 位开关处电机停止。图 3.1智能窗户的模型按键STC89C52整个智能窗户控制系统包括微处理器、温湿度检测电路、报警电路、电机驱动电路等模块组成。整个系统框图如图 3.1 所示。温湿度传感器LCD 显示电路光电传感器时钟显示电路电机驱动电路图 3.2 系统框图3.1 温湿度检测方案方案一：温度检测采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件；现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻；其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。湿度检测使用湿敏电阻。方案二：我们采用数字温湿度传感器 DHT11。D

15、HT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信 号输出的温湿度复合传器 。 它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测元件，并与一个高性能 8 位单片机相 连接。因此该产品具有品质卓越、超快应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11传感器都在极为精确的度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳

16、选则。产品 为 4 针单排引脚装，连接方便。综合来看 DHT11 集温湿度检测于一体，反应快，单片机数字读取数剧，利于数据采集，而起体积小，利于本次设计，所以选用第二种方案。3.2 窗户控制系统设计方案窗户的开关主要通过直流电机控制。GNDS2Motor ServoS3S4S1VCC方案一 ：直流电机驱动电路使用最广泛的就是 H 型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图 2.1 所示。+A-图 3.3 H 桥电机驱动电路全桥式驱动电路的 4 只开关管都工作在斩波状态，S1、S2 为一组，S3、S4 为另一组，两组的

17、状态互补，一组导通则 另一组必须关断。当 S1、S2 导通时，S3、 S4 关断， 电机两端加正向电压，可以实 现电机的正转或反转制动；当 S3、S4 导 通时，S1、S2 关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在窗户动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在 S1、S2 导通且 S3、Q4 关断，到 S1、S2 关断且 S3、S4 导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路， 比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可

18、用图 2.2 说明。图 3.4 窗户桥臂导通示意图因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。方案二：通过 L6203 集成块控制直流电机。L6203 是专用驱动集成电路，属于H 桥集成电路，其输出电流为 2A，最高电流 4A，最高工作电压 50V，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机

19、，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。利用单片机输入 PWM 波形控制使能端很容易改变直流电机速度，调速及控制方向容易，电路设计简单。综合来看 L6203 具有强驱动能力，体积小，电路设计简单等优点，故选用方案二。3.3 限位开关控制系统设计方案限位开关就是用以限定机械设备的运动极限位置的电气开关。这种开关有接触式的和非接触式的。方案一：接触式的比较直观，机械设备的运动部件上，安装上行程开关，和其相对运动的固定点上安装极限位置的挡块，或者是相反安装位置。当行程开关的机械触头碰上挡块时，切断了（或改变了）控制电路，机械就停止运行或改变运行。由于机械的惯性运动，这种行程开

20、关有一定的“超行程”以保护开关不受损坏。方案二：非接触式的形式很多，常见的有干簧管、光电式、感应式等，这几种形式在电梯中都能够见到。我这里选择光电式，光电传感器(ST178)是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。综合来看光电式传感器具有体积小，设计简单，而且检测的RESET第 4 章 硬件电路设计4.1 最小系统电路设计最小系统主要有震荡电路、复位电路、单片机和电源构成。其中震荡电路使用11.0592MHz 的晶振配合两个 22p 的谐振电容构成，为单片机提供必要的系统时钟。复位电路即可实现上电复位，也可实现人

21、工手动复位。当刚开始打开电源时，电容 C1 相当于短路，单片机 RST 脚短时间内处于高电平，从而使单片机复位；同样，当 SW 键按下时，P30 P31ALE/P PSEN10113029RXD TXDALE/P PSENX1 X2RESETP37 P3610UGNDR310K1VCCC410KP 00 P01P02 P03 P04 P05 P06 P07P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P2739383736353433322122232425262728P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26

22、 P27VCC P10/T P11/T P12 P13 P14 P15 P16 P17INT1 INT0T1 T0EA/VP X1X2 RESETRDWRGND40 P101P112 P123 P134 P145 P156 P167 P178P3313P3212P3515P3414VCC311918917162022PY1C312MHz X122PGNDX2C1VCCP11VCC12345678912RST 脚同样为高电平，可以使单片机正常复位。以上三部分电路构成了一个最小的单片机系统。传传 STC89C52图 4.1最小系统电路4.2 温湿度检测电路设计4.2.1 数字温湿度传感器 DHT1

23、1 简介DHT11 数字温湿度 传感器是一款含有已校准数字信 号输出的温湿度复合传器 。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 ，确保产品具有极高可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电 阻 式 感 湿元件和一 个 NTC 测元件，并与一个 高性能 8 位单片机相 连接。因此该产品具有品质卓越、超快应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个 DHT11 传感器都在极为精确的度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在 OTP 内存中，传感器内在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。 单线制串行接口，使系统 集变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗， 信号传输距离可达 20 米以上， 使

24、成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品 为 4 针单排引脚装。 连接方便。4.2.2 DHT11 工作原理由于采用 DHT 数字温湿度传感器，电路不用考虑 A/D 转换，只需设计指定 P1.4 与数字传感器相连，电路原理图如图 4.3。VCCP14104R1 5KDHT11TA 2VCC 1NC3DAVCCC2P2GND 4GND图 4.2 DHT11 与单片机的连接DHT11 温湿度传感器性能说明：表 4.1DHT11 温湿度传感器性能DHT11 的数据读取：DATA用于微处理器与 DHT11 之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间 4ms 左右，数据分小数部分和整数

25、部分，具体格式在下面说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下：一次完整的数据传输为 40bit,高位先出。数据格式：8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据 +8bit 校验和。数据传送正确时校验和数据等于8bit 湿度整数数据+8bit 湿度小数数据+8bi 温度整数数据+8bit 温度小数数据所得结果的末 8 位。用户 MCU 发送一次开始信号后，DHT11 从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11 发送响应信号，送出 40bit 的数据，并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT1

26、1 接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11 不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式。总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待 DHT11 响应，主机把总线拉低必须大于 18 毫秒，保证 DHT11 能检测到起始信号。DHT11 接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束,然后发送 80us 低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待 20-40us 后，读取 DHT11 的响应信号,主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。图 4.3总信号表示方法总线为低电平，说明 DHT11 发送响应信号，DHT1

27、1 发送响应信号后，再把总线拉高80us，准备发送数据，每一 bit 数据都以 50us 低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是 0 还是 1。格式见下面图示。如果读取响应信号为高电平，则 DHT11 没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一 bit 数据传送完毕后，DHT11 拉低总线 50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。图 4.4数字 0 信号表示方法图 4.5数字 1 信号表示方法4.3 电机驱动电路设计L6203 是专用驱动集成电路，属于H 桥集成电路，其输出电流为 2A，最高电流 5A， 最高工作电压 48V，最高频率 100KHZ，可以驱动感性负载，如大功率直流电机，

28、步进电机，电磁阀等，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。为了避免电机对单片机的干扰，可对模块加入光耦，进行光电隔离，从而使系统能稳定可靠的工作。图 4.6L6203 的管脚图图 4.7L6203 的内部框图图 4.8电机驱动的原理图4.4 显示电路设计显示部分采用 LCD12864 作为显示器件。LCD12864 采用标准的 20 脚（有背光带字库），各引脚接口说明如表 4-1 所示。表 4-1LCD12864 引脚说明 128X64HZ 引脚说明引脚号引脚名称方向功

29、能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD 驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟714DB0DB7H/L数据 0数据 715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RETH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A（LED+5V）背光源正极20LED_K（LED-OV）背光源负极逻辑工作电压(VDD)：4.55.5V 电源地(GND)：0V工作温度(Ta)：-10 60(常温) / -2070（宽温

30、）其中，VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高， 对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据。E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7 为 8 位双向数据线。LCD12864 与单片机的连接如图 3.11 所示，其中，RT1 电位器用来调节 LCD 的对比