毕业设计论文-基于51单片机的智能窗户设计.doc
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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】Withthedevelopmentofelectronictechnologyandthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandard,theintelligentwindowhasbeenincreasinglyusedinmodernintelligentbuilding,toprovideasafe,convenientresidentenvironment.Accordingtostatistics,inthenextfewyears,theinstallationofsmartwindowsuserswillcontinuetoincrease.Thedesignofintelligentwindowsystemthroughthedatadetectingsensingcircuitcontinuousdetectionofcirculatingoutsidehumidityandtemperature,whentheoutsidehumidityreachesacertaintime（whenitrains）closethewindowautomatically,preventthemoistairorwaterintotheroom;alsocanbesettoautomaticallyclosethewindowsorwindowopeningtime,tosetthetimeautomaticallyopenorclosethewindow;youcansetwhethertoautomaticallyaccordingtothechangesoftemperatureandhumidityautomaticallyopenandclosethewindowsoraccordingtothesettimeautomaticallyopenorclosethewindow;whenthewindowoutsidethepersonnearinfraredalarmtobegeneratedwhentheanti-theftfunction.Alsocancontrolthekeyboard,directlycontrolwindowswitch,selectthedisplayparametertypes.
【Keywords】intelligentwindowsinglechipmicrocomputertemperaturedetectionhumiditydetection
目录
第1章绪论 2
1.1智能窗户综述 2
1.2智能窗户研究现状 2
第2章设计的目标任务 4
2.1本文主要工作设计 4
2.2论文的要求与数据 4
第3章 设计方案论证 5
3.1温湿度检测方案 5
3.2窗户控制系统设计方案 6
3.3限位开关控制系统设计方案 7
第4章硬件电路设计 8
4.1最小系统电路设计 8
4.2温湿度检测电路设计 8
4.3电机驱动电路设计 11
4.4显示电路设计 11
4.5时钟电路设计 12
4.6光电开关电路设计 13
4.7按键电路的设计 14
第5章软件设计 14
5.1主程序流程图 14
5.2各部分子程序 15
第6章系统组装与调试 19
6.1基本电路板检查 19
6.2主控模块调试 19
6.3软件调试 19
6.4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：
①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。
②自动防风防雨
居家过日子，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。
③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。
④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
由于我国房地产行业的迅速发展，也带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
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。
STC89C52
温湿度传感器器
电机驱动电路
按键
LCD显示电路
时钟显示电路
光电传感器
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。
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。
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。
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。
图3.3H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，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
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，RST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。
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DHT11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。
4.2.2DHT11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。
图4.2DHT11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，DHT11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，DHT11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，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
功能说明
1
VSS
-
模块的电源地
2
VDD
-
模块的电源正端
3
V0
-
LCD驱动电压输入端
4
RS（CS）
H/L
并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号
5
R/W（SID）
H/L
并行的读写选择信号；串行的数据口
6
E（CLK）
H/L
并行的使能信号；串行的同步时钟
7~14
DB0~DB7
H/L
数据0~数据7
15
PSB
H/L
并/串行接口选择：
H-并行；L-串行
16
NC
空脚
17
/RET
H/L
复位低电平有效
18
NC
空脚
19
LED_A
（LED+5V）
背光源正极
20
LED_K
（LED-OV）
背光源负极
逻辑工作电压（VDD）：
4.5～5.5V
电源地（GND）：
0V
工作温度（Ta）：
-10℃～60℃（常温）/-20℃～70℃（宽温）
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。
D0～D7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的对比度，该对比度必须在LCD正常工作的时候调节到一个合适值。
图4.9LCD12864电路原理图
4.5时钟电路设计
时钟电路是利用单片机STC89C52控制串行实时时钟芯片DS1302构成的，实现计时的功能。
时钟芯片DS1302带有后备电池，具备对后备电源进行涓细电流充电的能力，保证电路断电后仍保存时间和数据信息，这些优点解决了目前常用实时时钟计时不可靠等缺点。
时钟芯片DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片，内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，可以通过串行接口与单片机进行通信。
实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、星期、月、年的信息，每个月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可通过AM/PM标志位决定采用24或12小时时间格式。
DS1302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需三根I/O线：
复位（RST）、I/O数据线、串行时钟（SCLK）。
时钟/RAM的读/写数据以一字节或多达31字节的字符组方式通信。
DS1302工作时功耗很低，保持数据和时钟信息时，功耗小于1mW。
图4.10DS1302的内部结构图
图4.11时钟电路
4.6光电开关电路设计
光电开关电路是利用光电反射传感器ST178来控制的。
当检测到黑色带时，输出低电平电机转动即窗户运动，当检测到白色带时，输出高电平电机停止转动即窗户停止运动。
4.6.1、ST178的底视图和内部电路如下图：
图4.12ST178的底视图和内部电路
4.6.2、ST178的特点
1．采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
2．检测距离可调整范围大，4-10mm可用。
3．采用非接触检测方式。
4.7按键电路的设计
本设计的按键主要是用来设定开关窗的时间和是否要根据温湿度情况和设定时间的情况来开关窗。
图4.13按键电路的原理图
第5章软件设计
5.1主程序流程图
本系统的MCU使用了ATMEL公司的低功耗单片机STC89C52。
主程序中仅完成了系统的初始化和开始的显示部分，然后就进入待机模式。
其他功能模块都在中断服务子程序中完成。
当产生中断时，MCU被唤醒并执行相应的中断服务子程序，从中断子程序返回后，系统又进入到待机模式，并关闭显示设备，节省电量。
整个程序的设计使系统在绝大多数时间都处于最低功耗状
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