基于单片机的多功能智能窗的设计毕业设计.docx

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基于单片机的多功能智能窗的设计毕业设计

基于单片机的多功能智能窗的设计

基于单片机的多功能智能窗的设计

设计总说明

在人们生活水平逐渐提高的今天，智能化控制已经逐步走进了人们的生活中。

随着科学技术的不断发展和人们生活条件的改善，各种智能设备在家用电器中不断出现。

窗户对居民的重要性是生活在现代都市人们早已意识到的问题。

众所周知，窗户的主要功能在于调节室内小环境，使之达到人们感觉最舒适的状况。

但是当前人们所使用的窗户是否开启、关闭完全靠人工来实施。

然而，完全靠人工根据室内外温度以及空气状况来判断是否开启或者关闭窗户，常常导致一些意外情况的发生。

例如，人在熟睡时常因有毒气体的泄漏而导致生命危险。

人不在家且忘记关窗户时，常因天气突然刮风、下雨而导致室内物品损坏，因此，研究一种可根据室内外环境不同能够自动实现窗户开启、关闭的自动控制系统具有非常现实的意义。

本设计提出了一个以AT89S51单片机为主的多功能智能窗系统。

本次设计所要实现的多功能智能窗，实际上可以归为智能家居的一个方面。

智能家居又称智能住宅，在国外常用SmartHome表示。

与智能家居含义近似的有家庭自动化（HomeAutomation）、电子家庭（ElecctronicHome、E-home）、数字家园（DigitalFamily）、家庭网络（HomeNet/NetworksforHome）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（IntelligentHome/Building），在我国香港和台湾等地区，还有数码家庭、数码家居等称法。

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

智能家居是一个居住环境，是以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境，实施智能家居系统的过程就称为智能家居集成。

作为智能家居的一个方面，多功能智能窗当然也要跟上形势，紧扣目前主唱的绿色节能、和谐人居的主题。

它不仅可以起到节能减排的效果更能给人们的生活带来极大的舒适和便利。

本系统的主要器件即为控制器件单片机和各种不同类型、不同功能的传感器，单片机根据接收传感器检测模块的信号，发出相应的控制指令，实现开、关窗，声光报警，通风等功能，实现窗户开、关的智能化。

本系统单片机采用ATA89S51单片机，传感器选用湿度传感器、有毒气体传感器、人体热释红外传感器、风速传感器等，实现各种信息的检测。

电机采用直流电机。

本多功能智能窗能实现以下几个功能设计：

当外界下雨时，湿度传感器检测到这一雨信号并将此信号传动给单片机，由单片机控制直流电机转动，关闭窗户。

防止雨水进入室内损毁室内物品。

当室内煤气或者是烟雾浓度超过一定浓度时，有毒气体检测传感器将此信号传送给单片机，单片机通过控制直流电机使窗户自动打开以及开启排气扇进行排气。

同时驱动发光二极管和蜂鸣器报警，以提醒主人及时处理危险事件，防止煤气中毒以及火灾事故的发生。

当有人非法入侵时，人体热释红外传感器将此信号传送给单片机，单片机驱动发光二极管和蜂鸣器报警，起到防盗作用，避免室内财产损失。

当室外刮风时，风速传感器将此信号传送给单片机，单片机驱动直流电机转动使窗户自动关闭，避免大风损坏室内物品。

除了上述自动开、关窗户功能之外，本系统还增加了手动开、关窗户的功能，使本系统更加人性化。

关键词：

智能家居、多功能智能窗、单片机、传感器

Introduction

Intoday'speople'slivinglevelgraduallyimprove,intelligentcontrolhasgraduallyenteredpeople'slife.Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnologyandtheimprovementofpeople'slivingconditions,avarietyofintelligentdevicesinthehomeappliancesappearconstantly.Thewindowtotheresidentslivinginthemoderncityistheimportanceofpeoplealreadyrealizedtheproblem.Asisknowntoall,thewindowofthesmallmainfunctionistoregulatetheindoorenvironment,peopletofeelthemostcomfortablecondition.ButthecurrentwhetherpeopleusetheWindowsopen,closecompletelyrelyonartificialtoimplement.However,completelybyartificialaccordingtoindoorandoutdoortemperatureandtheairconditiontojudgewhethertoopenorclosethewindow,oftenleadtosomeaccidentshappen.Forexample,peopleinasleepingoftenlifedangercausedbytheleakageofpoisonousgas.Peopleathomeandnotforgetclosethewindowwhen,oftenbecauseoftheweathersuddenlythewind,rainandcauseindooritemsdamaged,therefore,researchakindofcanaccordingtodifferentindoorandoutdoorenvironmentcanachieveautomaticopenandclosethewindowoftheautomaticcontrolsystemhasveryrealisticsignificance.ThisdesignpresentsapredominantlyAT89S51multi-functionalsmartwindowsystems.

Thisdesigninordertorealizethemulti-functionalintelligentwindow,canactuallybeclassifiedasoneaspectofthesmarthome.IntelligenthouseholdalsocalledSmartHome,usuallyinSmartHomeabroad.ImplicationsandIntelligenthouseholdapproximationofaHomeAutomation,HomeAutomation,electronicFamily（ElecctronicHome,E-Home）,DigitalHome,DigitalFamily）,theHomeNetwork（HforHome）,Network,HomeNetwork（Home）,IntelligentHome/Building（IntelligentHome/Building）,HongKongandTaiwanandotherregionsinChina,andDigitalHome,DigitalHome,etc.Mr.Smarthomeisahouseasaplatform,theuseofintegratedwiringtechnology,networkcommunicationtechnology,securitytechnology,automaticcontroltechnology,audioandvideotechnologytointegratethehouseholdliferelatedfacilities,tobuildefficientresidentialfacilitiesandfamilyscheduleaffairsmanagementsystem,improvehomesecurity,convenience,comfort,artistry,andrealizeenvironmentalprotectionandenergysavinglivingenvironment.Smarthomeisalivingenvironment,isbasedonresidentialplatformequippedwithintelligenthouseholdsystemoflivingenvironment,theprocessofimplementationofthesmarthomesystemiscalledasmarthomeintegration.

Themaincomponentsofthissystemisthesingle-chipcontroldevicesandavarietyofdifferenttypes,differentfunctionofsensor,SCMaccordingtothereceivingsensorsignaldetectionmodule,acorrespondingcontrolinstruction,implementopen,close,soundandlightalarm,ventilation,andotherfunctions,toimplementtheintelligentoftheWindowsopen,close.ThesystemmicrocontrolleradoptsATA89S51microcontroller,sensorshumiditysensorselection,toxicgassensors,humanpyroelectricinfraredsensor,speedsensor,etc.,realizethedetectionofvariouskindsofinformation.Motoradoptsdcmotor.Thismulti-functionalintelligentwindowcanrealizethefollowingfunctiondesign:

whenitrainsoutside,humiditysensordetectsthesignalandthesignaltransmissiontoarainmicrocontroller,bysinglechipmicrocomputercontroldcmotorrotation,closethewindow.Topreventrainwaterintotheinteriordamagetointerioritems.Whenindoorgasorsmokeconcentrationismorethanacertainconcentration,thetoxicgasdetectionsensor,thesignalistransmittedtoMCU,theMCUbycontrollingthedcmotortomakeWindowsopenautomaticallyandopentheexhaustfan,exhaust.Drivelight-emittingdiodes（leds）andabuzzeralarmatthesametime,toremindthemasterhandlinghazardouseventsintime,preventgaspoisoningandfireaccidents.Whensomeoneillegalinvasion,humanpyroelectricinfraredsensor,thesignalistransmittedtoMCU,MCUdrivelight-emittingdiodes（leds）andabuzzeralarm,anti-thefteffect,avoidindoorpropertylosses.Whenit'swindyoutside,windspeedsensor,thesignalistransmittedtoMCU,MCUdrivedcmotorrotationtoclosethewindowautomatically,preventwinddamageinterioritems.Inadditiontotheautomaticopenandclosethewindowfunction,thissystemalsoincreasedthefunctionofmanualopenandclosethewindow,makethesystemmorehumanized.

Keywords:

smarthome、theintelligentwindow、SCM、thesensor

1绪论

1.1课题设计背景

当今世界建筑正朝着智能化方向发展，这种发展趋势也正是人类社会文明程度在一定历史时期的体现。

多功能智能窗户系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用多功能窗户系统具有重要的现实意义。

现在使用的窗户大多数是单纯的推拉式或平移式的，并且与自动控制毫不沾边，更不用说智能化了。

如果使窗户具有一定的智能，如下雨则自动关、室内有害气体超标则自动开、有盗贼入内则自动报警等，就会给人们的居家生活带来诸多方便，从而进一步提高人们的生活质量。

沿着这样的思路，本文设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。

该智能窗系统

1.2多功能智能窗发展前景

多功能智能窗系统在我国还刚刚兴起，但其发展前景广阔，推广和应用多功能智能窗系统具有重要的现实意义。

该产品可以形成大规模生产，普及全国市场，产生巨大的经济效益。

另外，该多功能智能窗还可以广泛应用于宾馆、饭店、写字楼、会议厅、学校、医院等各种公共场所，因此该产品具有广阔的市场前景。

其一，改变人们的生活方式。

单片机控制的多功能智能窗有丰富的智能化功能，为家庭用户营造了一个高效、舒适、便利、环保的居住环境。

该多功能智能窗能自动识别室内外环境并根据环境不同驱动电机正反转，开启或者闭合窗户。

给人们日常生活带来极大的方便。

这些都将改变人们传统的生活方式，并提高了人们的生活质量。

其二，牵动一大批产业。

单片机控制的多功能智能窗产品面向家庭用户，其应用市场是庞大的，发展前景也是广阔的，必将吸引大批各类企业介入，从而牵动一大批产业的发展。

其三，开拓一个崭新的市场。

多功能智能窗系统牵动了许多的行业，有利于其它相关行业的发展。

本设计希望开发一种在普通窗的基础上改进的智能关窗装置，该装置装有传感器，能够根据室内外环境自动实现开关窗。

因此开发一款基于单片机的多功能智能窗系统是很有必要的。

1.3课题内容及章节安排

本论文第一章主要介绍了本课题的设计背景以及多功能智能窗的设计意义。

第二章为本系统的总体方案设计，主要介绍了本系统要实现的内容以及本系统的程序框图。

第三章主要是本系统的硬件设计部分。

该部分是本论文的核心部分，该章从各种传感器的介绍、选型以及各个模块电路的设计来进行阐述。

主要的电路设计有放大电路的设计、A/D转换电路的设计等。

第四章主要本系统的软件设计部分，在此次设计中，系统的软件部分先是分模块编写完成的。

所有模块软件都编写完成之后，再把各个模块的程序综合到一块，进行总程序的编写。

第五章是电路仿真部分。

此次设计过程中，系统的仿真与系统的软件编写是同步进行的。

仿真也是分模块进行仿真的，每编写出一个模块的程序，接着进行仿真。

最后根据总程序进行整个系统的仿真。

2总体方案设计

2.1整体方案设计

该窗体能够对室外温度、雨水、风压等进行检测，并自动控制窗户开闭，具有以下功能：

（1）通风换气功能：

当室内的液化气、天然气等可燃气体发生泄漏时，传感器检测到气体信号时，单片机控制板控制报警蜂鸣器立即发出报警声，接着电动机动作，打开窗户将有毒气体排到窗外，这样既有效地防止人中毒，也能避免火灾、爆炸事故的发生。

（2）入侵报警功能：

如果有人要强行从窗户进入室内，多功能智能窗便会产生声光报警，避免造成财产及安全损失。

（3）防雨功能：

平时上班或临时加班不能及时关窗、出门在外也总有忘记关窗的时候，遇到下雨时，湿敏传感器检测到下雨信息，单片机控制板控制电动机动作，窗门自动关闭，使您的家用设备遭雨水侵袭，解除户主后顾之忧。

此功能特别适合高楼住户。

（4）防风功能：

当风速大于8m/s时，风速传感器检测风信号，单片机控制板使窗户自动关闭。

即使主人不在家，照样将其看管得无微不至，为您营造一个干干净净的环境。

窗户会自动关闭。

（5）增加了手动按键，实现开窗、关窗功能，使产品更具有人性化。

2.2多功能智能窗主体构成

该系统是基于51单片机控制多功能智能窗的设计，能根据外界的天气情况和室内空气情况来控制窗体的开启和关闭。

系统的主要模块包括：

有毒气体检测模块、红外防盗模块、湿度检测模块、风速检测模块、声光报警模块以及电机驱动模块。

如果室内发生煤气泄漏，而室内人并没有察觉煤气泄漏，那将对人造成严重的生命危险，因此，本系统把有毒气体检测模块优先级设为最高。

根据室内外环境的不同，综合考虑，把红外防盗模块、防雨检测模块、防风检测模块优先级依次顺序降低。

其系统框图如图2-1所示。

图2-1多功能智能窗系统框图

3系统硬件设计

随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功能更强。

在单片机家族中，80C51系列是其中的佼佼者，加之Intel公司将其MCS–51系列中的80C51内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著名IC制造厂商，如Philips、NEC、Atmel、AMD、华邦等，这些公司都在保持与80C51单片机兼容的基础上改善了80C51的许多特性。

这样，80C51就变成有众多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为80C51系列。

80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。

专家认为，虽然世界上的MCU品种繁多，功能各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，80C51系列可能最终形成事实上的标准MCU芯片[6]。

本设计采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89S51。

其片内含4Kbytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。

它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中,ATMEL公司的功能强大，低价AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89S51管脚图如图3-1所示

图3-1AT89S51管脚图

主要性能参数：

（1）与MCS-51产品指令系统完全兼容

（2）4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器

（3）1000次擦写周期

（4）4.0-5.5V的工作电压范围

（5）全静态工作模式：

0HZ-33MHZ

（6）三级程序加密锁

（7）128*8字节内部RAM32个可编程I/O口线

（8）2个16位定时/计数器

（9）6个中断源

（10）全双工串行UART通道

（11）低功耗空闲和掉电模式

（12）中断可从空闲模式唤醒系统

（13）看门狗（WDT）及双数据指针

（14）掉电标示和快速编程特性

（15）灵活的在系统编程（ISP-字节或页写模式）

管脚说明如下：

P0口：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口：

P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。

此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

引脚号第二功能：

P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出

P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）

P1.5MOSI（在系统编程用）

P1.6MISO（在系统编程用）

P1.7SCK（在系统编程用）

P2口：

P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR时，P2口送出高八位地址。

在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。

在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：

P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。

在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。

端口引脚第二功能：

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2INTO（外中断0）

P3.3INT1（外中断1）

P3.4