基于单片机的智能窗户控制系统设计与实现.docx
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基于单片机的智能窗户控制系统设计与实现
摘要
随着科技的进步，经济的快速发展，人们对生活质量的要求越来越高，自动化设备也就逐渐被人们所喜爱，所以设计智能窗户系统具有实践意义。
目前普通窗户在下雨时不能自动关闭，在刮大风有沙尘天气的时候也不能自动关闭，这给我们带来了诸多不便,也给我们带来经济损失，在这种情况下安装智能窗就可以让我们不再让这些问题成为我们的烦恼。
智能窗户代替现在的普通窗户将会成为一种趋势。
本论文阐述了以STC89C52RC单片机为核心的智能开窗器的工作原理和设计方法。
温湿度信号由温湿度传感器DHTH采集，并以数字信号的方式传送给单片机，烟雾检测采用的是MQ-2传感器。
论文介绍了该控制系统的硬件部分和软件部分的设计与实现。
硬件电路包括：
温湿度检测电路，烟雾检测电路和电机控制电路。
单片机通过对信号进行相应处理，根据温湿度和烟雾情况对连接窗户的电机进行控制，从而实现对窗户开闭进行自动控制的目的。
关键词：
智能窗户控制，STC89c52单片机，DHT11温湿度传感器，MQ-2传感器,电机控制
DesignandImplementationofIntelligent
WindowControlSystemBasedonSCM
Abstract
Withtheprogressofscienceandtechnologyandtherapiddevelopmentofeconomy,people'srequirementforthequalityoflifebecomeshigherandhigher,andautomationequipmentisalsograduallyenjoyedbypeople,sotodesignakindofintelligentwindowsystemisproposed.Currentlyordinarywindowcannotbeautomaticallyshutdownwhenitrains,thewindisdustweather,thisbringsustoinconvenience,alsobringseconomiclosses,inthiscasetheinstallationofintelligentwindowcanletusnottolettheseproblemsbecomeourtroubles.Intelligentwindowsinsteadofordinarywindowwillnowbecomeatrend.
TheworkingprincipleandthedesignmethodofintelligentwindowbasedonSTC89C52RCmicrocontrolleraredescribedinthepaper.HumidityandtemperaturesignalarecollectedfromthetemperatureandhumiditysensorDHT11acquisition,andsmokeisdetectedbyMQ-2sensor.Digitalsignalsaretransmittedtothemicrocontroller.Thispaperintroducesthehardwareandsoftwareparts.Thecontrolsystemincludestemperatureandhumiditydetectioncircuit,smokedetectioncircuitandmotorcontrolcircuit.SCMisresponsetoprocesscorrespondingsignals,thustorealizethecontroloftheconnectedwindowaccordingtotemperatureandhumidityandsmoke.
Keywords:
IntelligentWindowControl,STC89C52,DHT11,MQ-2,MotorControl
目录
摘要 错误！
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ABSTRACT 错误！
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第1章绪论 错误！
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1.1课题研究背景与意义 错误！
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1.2课题研究现状 错误！
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1.3本设计的主要任务和内容 错误！
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1.4论文组织结构 错误！
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第2章关键技术介绍 错误！
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2.1STC89c52RC单片机 错误！
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2.2DHT11温湿度传感器 错误！
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2.3MQ-2烟雾传感器 错误！
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第3章系统需求分析 错误！
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3.1系统设计目标 错误！
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3.2系统功能需求 错误！
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3.2.1温度采集模块 错误！
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3.2.2湿度采集模块 错误！
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3.2.3烟雾采集模块 错误！
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3.2.4电机控制模块 错误！
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3.2.5复位模块 错误！
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3.3系统非功能需求 错误！
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第4章系统设计 错误！
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4.1系统总体框图 错误！
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4.2系统硬件设计 错误！
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4.2.1硬件构件设计 错误！
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4.2.2时钟电路 错误！
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4.2.3单片机内部组成 错误！
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4.2.4引脚定义 错误！
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4.2.5复位电路 错误！
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4.2.6电机控制电路 错误！
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4.3系统软件设计 错误！
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1.3.1温湿度的读取 错误！
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4.3.2 MQ-2的检测 错误！
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4.3.3电机的驱动 错误！
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4.3.4传感器信号处理 错误！
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第5章 系统实现 错误！
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5.1系统软件的实现 错误！
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5.1.1设备初始化 错误！
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5.1.2温湿度读取 错误！
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5.1.3电机驱动 错误！
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5.2系统集成与调试 19
5.2.1焊接 19
5.3.2程序烧写 20
第6章系统测试 22
6.1测试概述 22
7.2测试用例 22
第7章结论 23
参考文献 24
致谢 25
第1章绪论
1.1课题研究背景与意义
上世纪八十年代初，随着电子技术飞速发展，电子技术与家用电器开始结合，电子时代的到来已经从人们开始体现出来，住宅电子化也不例外，大批的住宅电子设备随之出现。
八十年代中期，将家用电器、电子通信设备与安保防火设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念。
八十年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种家用电器、电子通信、安保设备通过总线技术进行控制、监视与管理的商用系统，这在美国称为SmartHome,也就是现在智能家居的原型。
智能家居系统包含的主要子系统有：
家居布线系统、家庭网络系统、智能家居中央控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统等八大系统。
其中，智能家居中央控制管理系统、家居照明控制系统、家庭安防系统是必备系统，家居布线系统、家庭网络系统、背景音乐系统、家庭影院与多媒体系统、家庭环境控制系统为可选系统。
其中，作为必备系统的家庭安防系统包括如下几个方面的内容：
智能门控系统、紧急求助、烟雾检测报警、燃气泄露报警、碎玻探测报警、红外微波探测报警等。
我们项目所针对的，主要集中在智能门控系统部分。
一个家庭可以说是人们每个人每天生活的温馨场所，家庭是人们生活最重要的部分。
而窗户无疑是人们日常生活中接触最频繁的生活家具之一，也是研究智能家居最有意义的部分。
通过对以往普通的窗户的调查分析，发现其存在较多的弊端和不便：
窗户的开关需要使用者自己到窗边执行动作，这无疑给使用者带来的不便；窗户的设计无法完成保证室内环境以及室内安全的功能，无法响应外界的环境变化而做出相应的控制;当室内无人时，无法因为外面突发的下雨或者大风天气而紧急关闭窗户，同时，在防盗,防室内人员摔落等方面并没有实际作用。
1.2课题研究现状
随着社会的进步和发展，人们的收入也越来越多，人们对生活的质量也有了新的追求。
人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密起来。
信息化社会在改变人们传统的生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅的改变有了一定的影响，社会、技术以及经济的进步更使人们对智能家居的观念随之巨变。
人们对家居智能化的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。
家居智能化技术起源于
美国，它是以家用电器、门窗和家居为平台进行设计的。
智能家居控制系统是集合了各种网络和总线的应用，例如以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络。
它们最终构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。
现代智能化离不开运算和控制单元，本系统采用STC89C52RC作为主控器件，与MQ-2传感器、DHT11温湿度传感器和ULN2003步进电机驱动板组成一个整体的系统,实现了自动感应关窗的装置。
该自动关窗控制系统具有性能可靠、使用寿命长、耗电低等优点。
单片机应用系统由硬件和软件组成。
硬件由单片机扩展的存储器、温湿度传感器、烟雾传感器以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。
本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际要求，相互协调、交叉，有序的进行。
本文是从智能家居的一个项目——智能窗的设计开始的。
1.3 本设计的主要任务和内容
低温自动关窗：
当温湿度传感器外围温度降低，传感器采集到的数据与设定的数据值做比较，当外界温度低于设定值时，单片机控制电机运作完成关窗命令。
下雨自动关窗：
外界下雨，此时湿度传感器检测到湿度大于设定值，单片机控制电机运作完成关窗命令。
遇到有害气体自动关窗：
当温度传感器检测到空气中有害气体浓度超标时，单片机控制电机运作完成关窗命令。
总的来说系统采用STC89C52单片机作为系统主控，温湿度采用的是DHTH数字传感器。
对烟雾的检测采用的是MQ-2传感器，由于两种传感器的接口都是数字接口，因此，采用STC89c52单片机的10口即可实现对温湿度的读取。
单片机在读取传感器信息后会和内存中已存的阈值进行比较，进而通过控制ULN2003控制直流电机的转动，实现自动关窗的功能。
1.4 论文组织结构
本文由七章组成，第一章绪论，简单介绍本设计的研究背景与意义、研究现状和主要任务。
第二章关键技术介绍了本设计的一些相关技术。
第三章是系统需求分析，第四章是系统设计，第五章是系统实现，主要介绍本设计的一些基本功能，软硬件设计方法以及软件代码和系统联调。
第六章是系统测试部分，在这一章对本设计进行软硬件的综合测试。
第七章是本设计的最终结论，是对本设计的一个总结。
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最后是参考和致谢。
第2章关键技术介绍
系统采用STC89C52单片机作为系统主控，温湿度采用的是DHT11数字传感器。
对烟雾的检测采用的是MQ-2传感器，由于两种传感器的接口都是数字接口，因此，采用STC89C52单片机的10口即可实现对温湿度的读取。
单片机在读取传感器信息后会和内存中已存的阈值进行比较，进而通过控制ULN2003控制直流电机的转动，实现自动关窗。
系统框架如图2.1所示。
图2.1系统框架图
2.1STC89C52RC单片机
目前，市面上流行的单片机主要有STC的51系列单片机，PIC系列单片机，TI的低功耗系列，MO、M3内核的ARM系列以及NXP的ARM系列等。
按照系统设计需要，主控MCU需要具有主频快，存储容量大，片上资源丰富以及价格便宜可以大面积推广等特点。
STC系列的51单片机具有价格便宜，开发资源丰富等优点。
PIC系列单片机，同样作为面世很久的一款单片机，在汽车控制领域具有无可替代的地位，但是PIC单片机具有一个最大的安全隐患，就是容易解密。
目前市面上的很多编程器就可以直接解密PIC单片机的程序。
M3内核和NXP系列的单片机在主频和存储容量以及片上资源方面均满足本设计的需求，但是二者的价格相对较高，不适合于低成本的设计。
因此，本设计决定使用STC系列的51单片机系列的单片机，具体采用STC的STC89C52RCo
3.2DHT11温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准熟悉信号输出的温湿度复合传感器，传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
所以该产品具有质量好、响应快、抗干扰能力强、性价比极高等优点。
每个DHT11传感器都在即为精确的湿度校验室中进行校准。
校准系数以程序的形式存在0TP内存中，传感器内部在检测型号的处理过程中要调用这些校准系数。
单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。
超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。
产品为4针单排引脚封装，连接方便。
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图2.2DHT11弓I脚图
对于采用DS18B20,则需要单独再选用湿度传感器，因此，本设计采用的是
DHT11温湿度传感器。
2.3MQ-2烟雾传感器
MQ-2气体检测传感器可用于家庭对气体的检测，它的相关特性如下：
（1）探测范围广；
（2）驱动电路简单；
（3）TTL输出有效信号为低电平，可接直接接单片机10口；
（4）模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高；
（5）对液化气、丁烷、甲烷、烟雾等有较好的灵敏度，快速响应恢复；
（6）优异的稳定性和超长的寿命；
C7）具有快速响应恢复特性；
技术参数
（1）供电电压：
3.3~5.5VDC；
（2）输出：
单总线数字信号；
（3）测量范围：
湿度20-90%RH,温度0~50℃；
（4）测量精度：
湿度+-5%RH,温度+-2℃；
（5）分辨率：
湿度KRH,温度1℃；
其引脚如图2.2所示。
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第3章系统需求分析
1.1系统设计目标
本系统的主要器件是单片机、烟雾传感器、温湿度传感器和步进电机。
传感器采集外界环境信息传递给单片机，然后单片机再传递给电机驱动控制器再控制电机对窗户进行关闭。
从而达到了在外界烟雾浓度过高、温度过低、下雨天这三种情况窗户自动关闭的目的，极大了方便了人们的生活，提高了生活质量。
1.2系统功能需求
根据需求调研结果确定本系统主要包括以下功能模块。
3.2.1温度采集模块
通过温湿度传感器采集温度，然后和先前设定的温度值（这里设定的为20度）进行比较，如果低于20度则驱动电机关闭窗户。
4.2.2湿度采集模块
通过温湿度传感器采集湿度，然后和先前设定的湿度值（这里湿度设定的为20%）进行比较，如果高于20%驱动电机关闭窗户。
3.2.3烟雾采集模块
通过调节电位器的灵敏度来调节关窗所需的浓度值。
烟雾传感器采集烟雾浓度，然后和先前设定的烟雾浓度值进行比较，如果高于设定的浓度值则驱动电机关闭窗户。
4.2.4电机控制模块
对于直流电机的驱动，系统采用的通过单片机的10口控制ULN2003的输入口，ULN2003输出口连接到直流电机。
当10口输出高电平时，直流电机转动，否则不转动。
5.2.5复位模块
当按下复位键清除传感器采集的所有数据并将窗户打开。
6.3系统非功能需求
ci）性能
在电源接通的情况下能在低温和潮湿的环境下稳定的工作。
C2）成本
单个设备售价（零售价）不高于50元。
（3）功耗
5V电源供电。
（4）安全性
电源安全。
第4章系统设计
4.1系统总体框图
根据用户需求，可以把本设计分为四个模块，即：
烟雾传感器模块、温湿度传感器模块、电机转动模块和处理器模块。
如图4.1所示。
图4.1系统总体框图
各个模块之间相互联系，可实现本设计所需求的功能。
系统软件流程如图4.2所
示：
图4.2系统流程图
-
4. 2系统硬件设计
4.2.1硬件构件设计
为实现本设计的功能，硬件电路设计是不可或缺的一部分。
有一个良好的硬件平台，才能通过软件对相应的硬件模块进行编程，以实现相应的功能。
（1）处理器模块
处理器模块是本设计的中央控制单元，同时负责在接到温湿度传感器和烟雾传感器传入的信号后做出关窗的动作。
作为一种智能家居，低碳节能、性能稳定是其主要特点，选择一个合适的处理器是本设计的关键。
STC89c52低功耗、高性能的特点，正符合了简单、易用、低碳环保的设计理念，所以采用STC89c52作为本设计的处理器。
在处理器模块可以分为复位按键、烟雾传感器接口、温湿度传感器接口、电机驱动板接口和电源共5个模块。
如图4.3所示。
（2）电机驱动模块
驱动系统电路利用ULN2003作为驱动器，ULN2003是大电流驱动阵列，多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中，可直接驱动继电器等负载。
ULN2003共有16引脚，外围在与电机相接时要接8个二极管IN4007作振幅用，具体电路图如图4.4所示。
图4.4电机驱动模块电路图
4.2.2时钟电路
在C51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为引脚XTAL1,输出端为弓|脚XTAL2,在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容Cl、C2形成反馈电路，可构成稳定的自激振荡器，振荡频率通常是1.2~12MHzo若晶体振荡器频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度也就快。
单片机本身如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作，电路应在唯一的时钟信号控制下，严格地按规定时序工作。
而时钟电路就用于产生单片机工作所需要的时钟信号。
MCS-51单片机时钟电路示意图如图4.5所示。
图4.5MCS-51单片机时钟振荡电路示意图
在MCS-51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为引脚XTAL1,输出端为引脚XTAL2,在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶体振荡器和微调电容Cl、C2形成反馈电路，可构成稳定的自激振荡器，振荡频率范围通常是1.2~12MHz。
晶体振荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机的运行速度也就快。
振荡电路产生的振荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用。
振荡脉冲在片内通过一个时钟发生电路二分频后才作为系统的时钟信号。
片内时钟发生电路实质上是一个二分频的触发器，其输入来自振荡器，输出为二相时钟信号，即状态时钟信号，其频率为fosc/2；状态时钟三分频后为ALE信号，其频率为fosc/6;状态时钟六分频后为机器周期，其频率为或〃2。
在图4.5中，使用晶体振荡器时，Cl、C2取值30±10pF；使用陶瓷振荡器时，C1、C2取值40±10pFoCl、C2的取值虽然没有严格的要求，但电容的大小影响振荡电路的稳定性和快速性，通常取值20~30pF。
在设计印制电路板时，晶振和电容等应尽可能靠近芯片，以减少分布电容，保证振荡器振荡的稳定性。
也可以由外部时钟电路向片内输入脉冲信号作为单片机的振荡脉冲。
这时外部脉冲信号是经XTAL1引脚引入的，而XTAL2引脚悬空或接地。
对外部信号的占空比没有要求，但高低电平持续的时间不应小于20ns。
这种方式常用于多块芯片同时工作，便于同步。
其外部脉冲接入方式如图4.6所示。
图4.6MCS51单片机外部时钟输入接线图
所谓时序，是指在指令执行过程中，CPU的控制器所发出的一系列特定的控制信号在时间上的先后关系。
CPU发出的控制信号有两类：
一类是用于单片机内部的，用户不能直接接触此类信号，不必对它作过多了解；另一类是通过控制总线送到片外的，人们通常以时序图的形式来表示相关信号的波形及出现的先后次序。
为了说明信号的时间关系，需要定义时序单位。
89C51的时序单位共有四个，从小到大依次是拍节、状态、机器周期和指令周期。
如图4.7所示。
图4.7机器周期指令图
4. 2.3单片机内部组成
MCS-51系列单片机内部采用模块式结构，其结构组成框图如图4.8所示。
图4.8MCS-51系列单片机组成框图
由图4.8可见，MCS-51系列单片机主要由以下部件通过片内总线连接而成：
中央处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM）、并行输入/输出口（P0口~P3口）、串行口、定时器/计数器、中断控制、总线控制及时钟电路。
4.2.4引脚定义
引脚是单片机和外界进行通信的通道连接点，用户只能通过引脚组建控制系统。
从应用的角度来看，引脚的应用是单片机应用的一个重要基础。
因此熟悉引脚是学习应用单片机的基础。
MCS-51系列单片机的引脚封装主要有：
PDIP40、PLCC44和PQFP/TQFP44。
不同封装的芯片其引脚的排列位置有所不同，但他们的功能和特性都相同。
方形封装（PLCC44和POFP/TQFP44）有44弓|脚，其中4个NC为空引脚。
采用40引脚PDIP封装的80C51单片机的引脚排列及逻辑符号如图4.9所示。
由于工艺及标准化等原因，芯片的引脚数量是有限的，但单片机为实现控制所需要的信号数目却远远超过其引脚数目。
为解决这一矛盾，单片机的某些信号引脚被赋以双重功能。
（1）电源及电源复位引脚：
①Vcc（40脚）：
正常操作时接+5V直流电源。
②Vss（20脚）：
接地端。
图4.9引脚PDIP封装的80C51单片机的引脚排列及逻辑符号图
（2）RST/VPD（9脚）:
复位信号输入端。
在该引脚上输入一定时间（约两个机器周期）的高电平将使单片机复位。
该引脚的第二功能是Vpd，即备用电源输入端。
当主电源发生故障，降低到低电平规定值时，可将+5V备用电源自动接入Vpd端，以保护片内RAM中的信息不丢失,使复电后能继续正常运行。
（3）EA/Vpp（31脚）：
访问程序存储器控制信号/编程电源输入。
当EA保持高电平时，访问内部程序存储器，访问地址范围在0~4KB内；当PC（程序计数器）值超过0FFFH,即访问地址超出4KB时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序；当EA保持低电平时，不管单片机内部是否有程序存储器，则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始）。
由此可见,对片内有可用程序存储器的单片机而言，EA端应接高电平，而对片内无程序存储器的单片机，可将EA接地。
对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于施加21V的编程电源（Vpp）。
（4）时钟振荡电路弓I脚XTAL1和XTAL2：
①XTAL1（19脚）：
外接石英晶体和微调电容引脚1。
它是片内振荡电路
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