基于单片机温湿度分析遥控开关门窗系统文档格式.docx
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of
scienceandtechnology,Peoplearehigherandhighertotheirlivinglevelofdemand.Meanwhile,the
intelligenthouseholdisvigorouslygrowinginpaceofthedevelopmentoftechnology.
Atpresent,peopleinordertoimprovetheindoorenvironmentandsafety,theywerealreadydevelopedmanyintelligentfurniture.Suchasairconditioning,intelligenttemperaturedevice,indoorpurifier,anti-theftalarmdoorandsoonaseriesofimprovingpeople'
slivingconditionsofhigh-techproducts.Buttheseintelligentfurnitureonlyafewpeopleuse,penetrationrateisnothigh.Thisisbecauseintelligentfurnitureisstillexpensive.Accordingtothisphenomenon,people'
slivingneedsandthedomesticpresentsituation,proposedthedesignakindofintelligentcontrolsystembasedonsinglechip,optimizingparametermeasurementsolutions.
Thissystemmainlyrealizetemperature,humiditymeasurement,precisiondetectioncircuit,canautomatic,accuratetestingenvironmentairtemperatureandhumidityvariousparameters,andwilltestdatathroughtheA/Dtransformation,I/Oreadandstorage,senttoprocessor（AT89S52）forprocessing.Thevaluesoftemperatureandhumidity
are
sentto
thereceivermodule
and
thehostcomputer
bywirelesstransmitterin
Real-time,
receivermodule
basedon
thetemperatureandhumidityvalues
to
controlthemotorrotation,thus
itwillopenorclosethe
window.
Hostcomputer
display
temperatureandhumidityvaluesinreal-time,
andcansettheupperlimitofthetemperatureandhumidityanditcandirectlycontrolthemodelwindow.ThecurrentenvironmentforthemodelparametersandthewindowofcontroltoLCDmodule,intelligentdisplaywindowofintelligentcontrolsystem.Thissystemalsosupportthekeyssettemperatureandhumidity,directlycontrolthewindow,andotherfunctions,toprovideuserswithgoodcontrolinterface,convenienceinintelligentandmanualcontrol.
Afterdebugging
itproved
thatitisallrightabouttheprogramofthesubject.Theuser-friendlydesignofintelligentwindowsbrings
greatconvenience
andcomforttopeople.
Therefore,
designofintelligent
window
systemisverynecessary.
Keywords:
Temperaturemeasurement;
humiditydetection;
intelligentwindow.
引言
当今社会，随着科学技术的飞跃发展，生活质量的不断提高，人们对工农业生产、气象、环保、国防、科研、航天以及现代生活等各个方面的要求越来越高。
而近年来，为了追求安全、舒适和便利的生活，人们开始着手研究智能家居智能设备。
智能家居的概念已经逐渐深入到国民的生活之中，并且不断在影响着人们的思维。
因此，很多有能力的小区、别墅用户已经开始安装使用智能家居系统，享受智能化为家居生活带来的安全、舒适和便利。
随着电子科学技术的不断发展,家庭中的许多电器设备如彩电、冰箱、空调等都已贴上智能化的标签,为提高人们的生活质量做出了巨大的贡献。
但遗憾的是,居室的眼睛--窗户,却迟迟未能跟上时代的步伐。
在众多的智能化生活小区,我们都可以发现,几乎所有的窗户管理仍然属于原始管理方式,与电子技术毫不沾边,更提不上智能化了。
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等,这会给人们的居家生活带来诸多方便,从而可以进一步提高人们的生活质量。
在这样的前提下，引出了新的课题。
设计了以AT89S52单片机为中央控制器的智能窗控制系统。
该控制系统能通过其数据检测传感电路不断循环检测室内温度、湿度等环境参数,然后与由控制键盘预置的参数临界值相比较,从而作出开/关窗等判断,再结合窗状态检测电路所检测到的窗状态,发出一系列的控制命令,完成自动开关窗功能。
人们还可通过遥控器,直接控制窗户的开/关，选择所显示参数的种类等。
由于我国房地产行业迅速发展，从而也带动了我国门窗幕墙行业的迅速发展，随着消费者生活质量的提高，智能化的产品如雨后般的春笋，正在逐步发展和壮大。
而我们的智能窗就是在这样的背景下应运而生的，因此具有广阔的市场空间和应用前景。
1系统的主要内容和工作原理
1.1系统的主要内容及要求
通过对室内温湿度的分析，设计一个可以实现门窗智能开关的系统。
根据温湿度传感器采集当时的温湿度数据，传送给发射机，并由自制天线发射出去。
由接收机接收信息并交给单片机进行分析处理，从而控制门窗的智能开关。
具体要求如下：
1.可监测室内的温湿度。
2.具有无线发射接收装置。
3.具有液晶显示功能。
4.可通过设计无线键盘模块，对门窗的遥控，实现随开随关，并可以简单设置一些参数。
（扩展功能）
5.具有简单的串口通信功能（扩展）
1.2系统工作原理
湿度检测电路将环境湿度脉冲信号送到微处理器AT89S52中的T1口进行计算，处理器通过定时器控制采集时间，得到的数值根据范围算出修正值，再折合成响应的相对湿度值，并送到数组存储。
温度检测电路是温度传感器输出信号经过数据调理之后送给ADC0809，进行AD转换，再把输出信号送入单片机。
对AD转换结果进行处理，可以在液晶上显示，同时数据向驱动板及上位机传输。
液晶主要负责显示各种参数变化和模拟窗户的当前现状。
电机主要负责对模拟窗户的开关旋转停止等控制。
2系统总体方案论证
2.1温度传感器
（1）本课题设计的温度控制范围为-10～40摄氏度，温度传感器采用AD590半导体集成温度传感器。
AD590具有较高的精度，不需辅助电源，线性度好，使用也很方便，便于微机系统测控。
被测温度信号为一路由AD590测得的代表温度的电压信号，经过温度调理电路放大后使其在0～5V的范围内，使其适合于A/D转换器的输入电压范围。
（2）DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用在多种场合。
超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力较强，精度高，附加功能强，且节约使用I/O。
因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。
这使得温度传感器可以放置在许多不同的地方。
本课题硬件不是很多，反而是软件复杂，所以温度传感器选用AD590，以牺牲硬件来换取超简单的软件编程。
2.2湿度传感器
（1）数字式温湿度传感器SHT11由瑞士Sensirion公司生产，具有I2C总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度传感器。
SHTll是具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器，可用来测量相对湿度、温度和露点等参数，具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路和全互换等功能特点。
（2）HS1101湿度传感器，它可以全互换性，在标准环境下不需要再进行校正，长期包含下快速脱湿，具有高可靠性与长时间的稳定性，可用于线性电压或频率输出回路，反应迅速等特点。
HS1101测量湿度的方案设计有多种多样，测量的精度比较高，稳定性好，虽然价格偏高，但由于电路简单，只使用一个I/O口，控制方便。
所以本次毕设选择HS1101湿度传感器。
2.3AD采集元器件
（1）ADC0809是美国NS公司生产的CMOS组件，是一种有8路输入单片模数转换器件，采用逐位逼近式A／D转换原理，它的输人输出接口全部是TTL电平，数据输出口线为三态，能够直接接到微机系统总线上，而无需另外加I／O接口芯片。
具有转换起停控制端，转换时间大概为100μs，单个＋5V电源供电，模拟输入电压范围0～＋5V，不需要零点和满刻度校准，工作温度范围为-40～＋85摄氏度，低功耗，约为15mW。
采用ADC0809作为与单片机接口电路，它的结构比较简单，转换速度较高。
采用ADC0809作为A/D转换器具有与单片机连接简单的优点，它是八位的转换器可以与八位的单片机直接相连，这样就简化了系统的连接电路也有利于系统软件的编写。
（2）ADC0832是美国半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小，兼容性强，性价比高，转换时间短，与微处理器相连简单等特点深受电子制作爱好者的欢迎。
本次课题选用ADC0809，虽然占用了不少I/O口，但因为对ADC0809已经很熟悉了，使用ADC0809可以减轻本次课题的设计难度。
2.4显示器件
（1）六位共阴极数码管，采用数码管能够很方便编写控制程序，价格便宜，编码简单等特点。
在应用场合要求不高，需要控制成本或者功能简单的设计中还是得到了广泛的使用。
（2）液晶显示1602，其原理是利用LCD1602的物理特性，通过电压值对它的显示区域进行控制，有电就能够显示，可以显示出图形。
LCD1602的厚度很薄，适用于大规模集成电路直接驱动，并且易于实现全彩色显示。
且能够让人们非常方便就能获取想要的显示信息。
目前，在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多的领域中已经得到了广泛的应用。
本课题选用显示的东西比较多，显示的内容都可以用ASCII表上字符显示，所以选择液晶显示1602作为人机界面。
2.5无线收发模块
（1）CC1101无线模块是采用TI公司的CC1101芯片制作模块，一般工作在433M。
有效频率为：
300-348Mhz,400-464Mhz,800-928Mhz.空旷传输距离300至500米.最高的传输速率可达500Kbps。
主要是用于无线遥控器、无线投票器、无线测温、无线抄表、无线排队系统、无线数据采集等。
（2）nRF24L01是由NORDIC出品，是工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器主要包括：
频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、晶体振荡器、功率放大器、调制器和解调器。
输出功率频道的选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
几乎可以连接到各种单片机，并完成无线数据传送工作。
传输距离100米以内。
价格相对更便宜。
使用nRF24l01已经能够满足本课题的要求，且价格相对便宜，故选择NRF24l01作为发射接收模块。
2.6电机选择
（1）直流电机调速特性好，调速方便、平滑，调速范围广，能承受频繁冲击负载，过滤能力强，能实现频繁快速、制动以及逆向旋转。
（2）步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或者是线位移的开环控制的步进电机元件。
在非超载状态下，电机转动的速度以及停止的位置都是由脉冲信号的频率和脉冲数决定的，而不受负载变化的影响，通过控制脉冲频率从而控制电机转动的速度和加速度，达到调速的目的。
由于本次课题要求电机的力矩比较大，要求转动角度不是很大，所以选择带减速的四相步进电机28BYJ-48。
2.7CPU的选择
（1）AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度且非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令以及引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到了广泛的应用。
（2）PIC16F877由Microchip公司所生产开发的新产品，属于PICmicro系列单片机，具有Flashprogram程序内存功能，可以重复烧写程序，在教学、开发新产品等领域有很大的用途；
而其内建ICD（InCircuitDebug）功能，能够让使用者直接在单片机电路或产品上，进行类似观看缓存器内容、暂停微处理器执行等，让使用者可以快速的进行程序除错与开发。
（3）AVR具有超功能精简指令集，具备灌电流能力相比51系列的强，片内集成多种频率RC振荡器，AVR片上资源丰富，自带PWM，RTC，E2PROM，UART，SPI，TWI，ISP，AD，WDT，AnalogComparator等，其性价比高。
智能窗控制系统相对来说对CPU要求不高，所需资源也不多，但是本次毕设程序比较大，在原有设计中选择AT89S52单片机代替AT89S51，它能够兼容AT89S51单片机。
2.8方案总结
系统发射模块框图如图2.1所示，整个智能窗系统发射部分主要包括温度模块、湿度模块、AD采集模块、最小系统、液晶模块、上位机模块、无线发射模块等。
图2.1采集及发射装置
系统接收模块框图如图2.2所示，整个智能窗系统接收部分主要包括无线接收模块、红外解码电路、最小系统、液晶模块、电机驱动电路、模拟窗户模块等。
图2.2接收及控制电路
3系统硬件结构的设计
3.1温度采集电路的设计
集成温度传感器AD590是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。
是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。
AD590温度传感器是单片集成两端感温电流源，测温范围为－55℃～＋150℃，其电源电压可在4V～6V范围变化，能够承受44V正向电压和20V反向电压，因此就算器件反接也不会被损坏。
精度高，AD590在-55℃~+150℃范围内，非线性误差仅仅为±
0.3℃。
AD590的输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准的，产生的电流与绝对温度成正比，它有很好的线性输出性能，温度每增加1℃，其电流就相应增加1μA。
因此在室内温度为25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。
AD590的接脚图及零件符号如图3.1所示：
图3.1AD590的引脚图及零件符号
图3.2AD590连接电路
如上图3.2所示，AD590输出端下拉一个10K的电阻，输出Vo的值为Io乘上10K，以室内温度25℃而言，输出值为2.98V（10K×
298μA）。
输出电压值是模拟量，经过差放调理之后电压值大约是在0～5V的范围内。
AD0809输入端可以选择接差放输出端或者直接连接一个0～5V的模拟电压，以方便调试。
一级运放为稳定输出电压2.632V，二级运放为稳定输出电压，三级运放为差放电路，对一级运放输出电压求差，使电压从0V开始。
调节放大倍数，使二级输出为3.132V时，三级差放输出为5V。
因此可得温度与电压的线性表如表3.1：
表3.1温度与电压关系
温度
电压
-10℃
0V
0℃
1V
10℃
2V
20℃
3V
30℃
4V
40℃
5V
3.2ADC0809
ADC0809是由美国的一家半导体公司生产的，它是一个8位逐次逼近式A/D转换器。
它的内部有一个8个通道的多路开关，其中，它很据3个地址码，可以译码出8个不同的信号，从而选中8个通道中的其中之一来进行A/D转换。
是当前国内应用最广泛8位通用A/D芯片。
我们通过输入模拟信号，经过A/D转换器输出的是8位数字信号，再输入单片机来处理数据。
ADC0809有8通道的模拟输入，本课题只使用了其中的一路输入。
输入端可以选择连接运放调理的输出信号，也可以选择连接一个０Ｖ～５Ｖ模拟电压。
本课题测温范围在-10°
C～40°
C，而ADC0809的分辨率是8位，所以测温可以精确到0.2°
C。
ADC0809的转换时间取决于芯片时钟频率，如CLK=500kHz时，TCONV=128μs。
ADC0809的主要引脚如图3.3所示：
（1）IN0～IN7——8路模拟输入，通过3根地址译码线ADDA、ADDB、ADDC够成三八译码从而可以选通一路。
（2）D7～D0——A/D转换后的数据输出端，是三态可控输出，故可直接和微处理器数据线连接。
8位排列顺序是D0为最低位，D7为最高位。
（3）ADDA、ADDB、ADDC——模拟通道选择地址信号，ADDC为高位，ADDA为低位。
（4）VR（+）、VR（-）——正、负参考电压输入端，用于提供片内DAC电阻网络基准电压。
在单极性输入时，VR（+）=5V，VR（-）=0V；
双极性输入时，VR（+）、VR（-）分别接正、负极性参考电压。
（5）ALE——地址锁存允许信号，高电平有效，低电平无效。
当此信号有效时，A、B、C三位地址信号被锁存，译码选通对应模拟通道。
在使用时，该信号经常与START信号相连在一起，以便同时锁存通道地址和启动A/D转换。
图3.3ADC0809引脚图及如单片机接法
（6）START——A/D转换启动信号，正脉冲有效。
加于该端脉冲的上升沿使逐次逼近寄存器清零，下降沿开始进行A/D转换。
如正在进行转换时又接到新的启动脉冲，则原来的转换进程被中止，而且重新从头开始进行转换。
（7）EOC——转换结束标志，高电平有效。
该信号在A/D转换过程中为低电平，其余时间为高电平。
该信号可作为被单片机查询的状态信号，也可作为对CPU的中断请求信号。
在需要对某个模拟量不断采样、转换情况下，EOC也可作为启动信号反馈接到START端，但在刚加电时需要由外电路第一次启动。
（8）OE——输出允许信号，高电平有效。
当微处理器送出该信号时，ADC0808/0809输出三态门被打开，使转换结果通过数据总线被读出来。
在中断工作方式下，该信号往往是单片机发出的中断请求响应信号。
ADC0809工作原理很简单，当通道选择地址有效时，ALE信号一旦出现，地址便马上被锁存，这时转换启动信号紧随ALE之后（或与ALE同时）出现。
START的上升沿将逐次逼近寄存器SAR复位，在该上升沿之后2μs加8个时钟周期内，EOC信号将变低电平，以指示转换操作正在进行，直到转换完成后EOC再变高电平。
单片机收到变为高电平的EOC信号后，便立即送出OE信号，打开三态门，从而读取转换结果。
模拟输入通道选择可以相对于转换开始操作独立地进行（当然，不能在转换过程中进行），然而通常是把通道选择和启动转换结合起来完成的（因为ADC0808/0809的时间特性允许这样做）。
这样可以用一条写指令就可以选择模拟通道又启动了转换。
在与微机接口时，输入通道的选择可有两种方法，一种是通过地址总线选择，一种是通过数据总线选择。
如果用EOC信号去产生中断请求，要特别注意EOC的变低相对于启动信号有2μs+8个时钟周期延迟，要设法使它不致产生虚假的中断请求。
为此，最好利用EOC上升沿产生中断请求，而不是靠高电平来产生中断请求。
3.3相对湿度电路的设计
3.3.1相对湿度检测电路的原理及结构图
湿度传感器
HS1101采用的结构是专利设计的固态聚合物，它的特点是具有很快的响应时间，并且其工作高可靠以及长期稳定，在电路中不用校准且具有完全互换性。
湿度传感器HS1101在电路中实际上等同于一个电容器C（pf）。
（3-1）
当所测空气的湿度增大时，其电容值也随之而增大，在相对湿度为0%-100%RH的范围内，电容值由160pF变化到200pF，其误差不超过±
2%RH，其响应时间不超过5s，温度系数仅为0.04pF/℃。
为达到更好互换性，回路中需要把传感器的第二脚接地。
测量相对湿度的方法有两个：
线性电压和频率输出回炉。
下面来分析这两种方法：
（1）线性电压法
线性电压输出回路内部电路方块如图3.4所示，它是由基准振荡器（ReferenceOscillator）做为参考的信号，传感器振荡电路（SensorOscillator）做为湿度传感器HS1101驱动信号，它们混频之后经过低通滤波器（L.P
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