智能窗户控制综合系统软件说明.docx

智能窗户控制系统软件V1.0设计说明目录前言1第一章软件总体设计11.1.软件需求概括11.2.定义11.3.功能概述11.4.总体结构和模块接口设计2第二章 控制系统的总体设计32.1.功能设计3第三章 软件控制系统的设计与实现53.1.RF解码过程程序设计介绍53.2.RF对码过程设计63.3.通信程序设计83.4.IIC程序设计介绍93.5.接近开关程序设计123.6.震动开关检测程序设计133.7.墙面按键程序设计15第四章 智能窗户控制系统的设计17第五章 实测与结果说明18第六章 结论18序言目标编写具体设计说明书是软件开发过程必不可少部分，其目标是为了使开发人员在完成概要设计说明书基础上完成概要设计要求各项模块具体实现设计工作。第一章 软件总体设计1.1. 软件需求概括本软件采取传统软件开发生命周期方法，采取自顶向下，逐步细化，模块化编程软件设计方法。本软件关键有以下几方面功效(1) RF遥控解码(2) 键盘扫描 (3) 通信(4) 安全检测(5) 电机驱动1.2. 定义本项目定义为智能遥控窗户系统软件。它将实现人机互动无缝对接，实现智能关窗，遥控开关窗户，防雨报警等功效。1.3. 功效概述1. 墙体面板按键控制窗户开/关2. RF遥控器控制窗户开/关3. 含有限位，童锁等检测功效4. 实时检测大气中温湿度，下雨关窗5. 含有防盗，防夹手等安全性能检测1.4. 总体结构和模块接口设计关键软件模块ARM控制模块，EEPROM模块，RF解码模块，双机通信模块，温湿度检测模块，限位检测模块，振动检测模块，电机驱动模块，蜂鸣器模块，键盘模块等组成，以下是此次设计各个模块方块图;rf遥控模块键盘输入模块通信模块通信模块电机驱动模块蜂鸣器驱动Arm遥控板LED模块存放模块数据解码模块温湿度检测Arm驱动板振动检测模块键盘输入检测图1.0 系统模块方框图第二章 控制系统总体设计1.2.2.1. 功效设计各关键模块程序设计关键包含基于芯唐MO516LDN单片机主控设备程序设计，基于433M无线通信模块程序设计，基于HTU20D温湿度检测模块程序设计，和基于MS32距离检测模块程序设计等。软件关键工作步骤以下图；程序开始等候按键/rf输入是否有按键/遥控数据否数据编码数据发送是串口初始化定时器初始RF解码初始化按键初始化图2.1 按键板程序设计步骤本身状态检测各个节点是否正常否报警串口初始化Adc初始化iic初始化外中止初始化定时器初始化程序开始通信等候是否有收到命令否电机驱动夹手检测到位检测实施命令是图2.2 驱动板程序设计步骤第三章 软件控制系统设计和实现3.3.1. RF解码过程程序设计介绍1. 遥控器功效介绍用433M遥控器发出左窗户正转，右窗户正转，停止信号等，安装在墙体控制电路接收到控制信号后，依据遥控命令来控制电机运行状态，从而达成远距离对控制窗户打开、闭合和停止。无线遥控关键用到433M无线遥控器，下面介绍433M遥控器：数据收发模块工作频率为433M，采取声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间改变时，频飘仅为3ppm/度。尤其适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器频率稳定度仅次于晶体，而通常LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采取高品质微调电容，温差改变及振动也极难确保已调好频点不会发生偏移。 数据模块含有较宽工作电压范围312V，当电压改变时发射频率基础不变,和发射模块配套接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约2050米，发射功率较小，当电压5V时约100200米，当电压9V时约300500米，当发射电压为12V时，为最好工作电压，含有很好发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700800米，发射功率约500毫瓦。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再显著提升。这套模块特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行通讯。天线最好选择25厘米长导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时收很多原因影响，所以通常实用距离只有标称距离二分之一甚至更少，这点需要开发时注意。 数据模块采取ASK方法调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号和发射模块输入端能够用电阻或直接连接而不能用电容耦合，不然发射模块将不能正常工作。数据电平应靠近数据模块实际工作电压，以取得较高调制效果。 遥控器在按键按下后，周期性地发出同一个32位二进制码，周期约为108ms。一组码本身连续时间随它包含二进制"0"和"1"个数不一样而不一样，大约在4564ms之间。当一个键按下超出36ms，振荡器使芯片激活，将发射一组约64ms编码脉冲,这64ms发射代码由一个起始码(10ms),一个结束码(6ms)，三位地址码，这三位分别是，低8位地址码(8ms12ms), 中8位地址码(8ms12ms),高8位地址码(8ms12ms)和8位数据码(8ms12ms)。2. 代码宽度算法：24位地址码最短宽度：1.0×24=24ms 16位地址码最长宽度：1.5ms×24=33.6ms。解码关键是怎样识别"0和"1",代码格式(以接收代码为准,接收代码和发射代码反向)。从位定义我们能够发觉"0"、"1"均以0.5ms低电平开始,不一样是高电平宽度不一样,"0"为1ms,"1"为1.5ms,所以必需依据高电平宽度区分"0"和"1"。假如从0.5 ms低电平过后，开始延时，0.5ms以后，若读到电平为低，说明该位为"0"，反之则为"1"，为了可靠起见，延时必需比0.56ms长些，但又不能超出1.5ms,不然假如该位为"0"，读到已是下一位高电平，所以取(1.5ms+0.5ms)/2=1ms最为可靠，通常取1ms左右均可；依据码格式，应该等候10ms起始码和6ms结果码完成后才能读码。3. RF解码依据以上分析可得出解码程序步骤以下：NY有信号，中止接收解码跳出识别码正确否？和实际键值（10个）比较，转出实施对应动作中止返回有信号产生中止EA清零延时小于10ms(低电平)等候高电平到来延时小于4.5ms(高电平)等候下一次高电平到来延时1ms左右读区P3.2脚电平值再等候下一次高电平到来延时1左右读取P3.2脚电平值,依次取得32位代码,前24位为识别码,后8位既为8位数据码，RF解码步骤框图见3.1。图3.1 RF解码步骤框图3.2. RF对码过程设计每个家庭窗户全部有自己遥控器，每个遥控器，能够独立控制5扇窗户，那么怎样让遥控器和窗户一一对应呢。在遥控器上，我们设置有5个对码按键，分别设置为1号，2号，3号，4号， 5号。比如按下1号，表示后续按键控制按键是对1号窗户进行控制，按下2号，表示后续遥控控制是对2号按键进行控制。那么怎样让遥控器识别到窗户号码呢。这就要再用户使用之前优异行对码，对码是整个程序设计关键点和难点之一，对码过程大致以下。长按三秒钟对码按键按下接收对码信号退出对码解析对码信号保留地址码获取24位地址码码否是解析对码信号是否保留成功图3.2 对码步骤 因为对码动作不是常常要用到，所以将对码时间范围设定在开机后前三分钟，在开后前三分钟内按对码键，对码有效，在开机三分钟后，长按对码键，对码功效无效。新窗户使用之前全部需要对码，若不对码，遥控器对窗户控制是无效。对码按键有两个功效，第一个是对码，长按对码按键表示对码，第二个是切换窗户，短按对码按键，表示切换到对应窗户控制。对码时，长按对码按键三秒，遥控器对应需要对码窗户所指示led灯会闪烁，表示已经发出了对码信号。切换遥控窗户时端按，当按键按下时候快速松手，对应窗户所代表指示led灯会常亮，表示目前遥控已经切换到对应窗户控制。3.3. 通信程序设计1. 通信步骤通信程序设计包含初始化设计、串口中止服务设计和主处理程序设计。本项目即使只有一个下位机，但除了本机地址设置不一样外，其它硬件电路全部是相同，所以各下位机软件设计也是相同，所以本通信程序能够适适用于一主多从设备通信。根据通信协议要求能够设计出图4.1下位机程序步骤图3.3 通信步骤图2. 串口中止服务程序串口接收和发送全部采取中止方法，设计单片机通信程序时，必需充足发挥单片机效率，因为单片机多应用于实时性较强控制场所，所以， 应将立即响应和控制对象动作放在优先考虑位置，以尽可能降低通信等辅助性操作所占用CPU时间11。基于上述考虑，在设计单片机通信程序时，将中止程序分为接收中止服务程序和发送中止服务程序2部分。下面为串口通信程序步骤图：图3.4串口通信模块程序步骤图i. 接收中止服务程序 当有数据收到时，设置一个标志通知主程序有数据到来，当地址位验证无误后，则开始接收数据。 对于接收中止，程序处于等候状态，当外面有数据到来时则触发接收，进入接收中止服务程序，当地址验证正确开始后面数据，中止从接收buf读取数据，将读到数据放到全局缓冲区里,在接收数据以后设置一个标志来通知主程序，完成后等候下一中止到来。接收中止服务程序包含了对地址位是否匹配验证。ii. 发送中止服务程序 当主程序有数据要发送时，设置一个中止标志进入中止并发送数据。下面为程序代码：对于发送中止，程序通常处于严禁等候状态。只有当单片机发送缓冲区历由数据需要发送，并将发送中止置为许可方法后，发送中止才开始工作。发送时从缓冲区里发送数据，遵守通讯协议：首先发送地址位，然后发送需要传输数据，最终发送校验和结束标志。在发送中止服务程序里从全局缓冲区里取出数据给发送寄存器进行发送，发送完后发送中止服务程序等候下一中止到来。以上两程序能够看出采取中止有很好结构，只要在中止服务程序里理接收和发送数据，然后和主程序进行数据交换，易实现多任务操作，很好利用单片机资源。3.4. IIC程序设计介绍本项目标iic总线有两处地方有用到，1是存放设备AT24C02,另一个是湿度传感器；我以大家熟悉24c02举例说明iic总线设计程序概要。I2C总线由一根串行数据线和一根串行时钟线组成，是双向数据传输线，关键是主控CPU，被控器SDA，SCL要对应地接到I2C总线SDA，SCL上，能够方便地组成多机系统和外围器件扩展系统。I2C总线采取了器件地址硬件设置方法，从而使硬件系统含有简单而灵活扩展方法。根据I2C总线要求，其SDA、SCL各要经过上拉电阻接到电源VCC上。应用框图以下图图3.5 应用框图以下图每个接到I2C总线上器件全部有唯一地址。主机和其它器件间数据传送能够是由主机发送数据到其它器件，这时主机即为发送器。由总线上接收数据器件则为接收器。在多主机系统中，可能同时有多个主机企图开启总线传送数据。为了避免混乱， I2C总线要经过总线仲裁，以决定由哪一台主机控制总线。1. I2C总线在传送数据过程中信号类型开始信号：SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号：SCL为高电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据。应答信号图3.6 iic总线开启停止信号起始和终止信号全部是由主机发出，在起始信号产生后，总线就处于被占用状态；在终止信号产生后，总线就处于空闲状态。接收器件收到一个完整数据字节后，有可能需要完成部分其它工作，如处理内部中止服务等，可能无法立即接收下一个字节，这时接收器件能够将SCL线拉成低电平，从而使主机处于等候状态。直到接收器件准备好接收下一个字节时，再释放SCL线使之为高电平，从而使数据传送能够继续进行。2. I2C总线数据传输每一个字节必需确保是8位长度，每次传输可发送字节数量不受限制 。数据传送时，先传送最高位（MSB），每一个被传送字节后面全部必需跟随一位应答位（即一帧共有9位）。 图3.7 数据传输经典信号模拟：为了确保数据传送可靠性，标准I2C总线数据传送有严格时序要求。I2C总线起始信号、终止信号、发送“0”及发送“1”模拟时序 3. Iic程序设计本项目有两个iic设备，两个iic设备使用方法一样，AT24C02,和温湿度传感器只是地址不一样就不一一举例，下图是iic程序设计框图。设备地址通信开始开启总线应答答芯片内地址数据操作应答答应答答数据是否操作成功退出操作是否图3.8 iic程序设计框图3.5. 靠近开关程序设计窗户打开和闭合经过电机来带动，当窗户运动到适宜位置时候，需要严禁电机转动。本项目检测电机是否带动窗户运动到位，用是MS32 Switching Sensor，来做窗户限位检测。MS32 Switching Sensor是一款ADC输出磁性靠近检测ic,它能检测三轴空间磁场改变，而输出对应ADC数值。1. 转换器原理A/D转换器是单片机数据采集系统关键接口电路，根据多种A/D芯片转化原理可分为逐次迫近型，双重积分型等等。双积分式A/D转换器含有抗干扰能力强、转换精度高、价格廉价等优点。和双积分相比，逐次迫近式A/D转换转换速度愈加快，而且精度更高。M0516LDN芯片内部自带ADC转换器，该芯片转换器是逐次迫近型转换器。逐次迫近型A/D转换器是由一个比较器、A/D转换器、存放器及控制电路组成。它利用内部寄存器从高位到低位一次开始逐位试探比较。转换过程以下：开始时，寄存器各位清零，转换时，先将最高位置1，把数据送入A/D转换器转换，转换结果和输入模拟量比较，假如转换模拟量比输入模拟量小，则1保留，假如转换模拟量比输入模拟量大，则1不保留，然后从第二位依次反复上述过程直至最低位，最终寄存器中内容就是输入模拟量对应二进制数字量5。其原理框图图2所表示：图 3.9 逐次迫近式A/D转换器原理图2. A/D转换子程序首先对MO516LDN硬件ADC初始化初始化子程序关键工作是设置定时器工作模式，初值预置，开中止和打开定时器等。A/D转换子程序用来控制对输入模块电压信号采集测量，并将对应数值存入对应内存单元，其转换步骤图图13所表示。输出转换结果A/D转换结束？开启转换电机转动电机停止转动判定限位？停止 ADC图3.10 A/D转换步骤图3.6. 震动开关检测程序设计1. 设计目标家居产品，安全是第一要素，为了增加本产品安全性能，所以特意增加了暴力检测。当外接对窗户进行暴力，开窗时候，窗户发出报警信号。2. 振动传感器介绍振动传感器有振动位移、振动速度和振动加速度传感器。简单地说，振动位移传感器（常见电涡流传感器）依据振动位移改变和输出电压改变关系，振动速度传感器依据相对运动切割磁力线产生电压改变，振动加速度传感器依据形变和电荷关系。速度传感器经过硬件或软件积分能够得到位移，加速度传感器经过一次积分能够得到振动速度，二次积分能够得到振动位移。因为需要测量加速度，所以必需有振动加速度传感器。振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它作用并不是直接将原始要测机械量转变为电量，而是将原始要测机械量做为振动传感器输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换机械量，最终由机电变换部分再将变换为电量。所以一个传感器工作性能是由机械接收部分和机电变换部分工作性能来决定。 3. 振动传感器软件设计概要本项目用震动传感器是MT1185,该传感器接收到一定强度震动信号以后，无失真传输出，震动波形。Mcu检测其波形，判定震动幅度，当达成一定震动幅度时候，发出报警信号。整体程序设计概要。遥控器上有震动开关检测按键，通常主人在家时候，会关闭震动检测。当窗户处于关闭状态时候，许可打开震动检测。程序设计步骤以下；使能检测中止震动检 测是发报警命令报警否打开震动检测程序开始实施安全检测安全检测是否打开否是图3.11 震动报警程序步骤3.7. 墙面按键程序设计1. 发送板软件设计概要按键控制是本项目，必不可少一个关键功效。为了增强产品稳定性，和产品使用灵活程度。所以增加了按键控制。按键板嵌在墙体立面，依据实际情况安装在窗体附件。按键驱动程序设计步骤大致以下程序开始使能定时器隔20ms扫描是否有键按下否判定按键获取键值匹配对应功效发送键值命令功效编码是3.12 按键程序步骤2. 接收板软件设计概要发送板接收到按键按下指令以后，会把键值封装成一定命令格式，然后把命令下发给接收板。接收板通信口接收到，发送板下发按键命令后，先解析其数据包，从数据包里面获取，按键下发命令；获取到命令以后，然后实施对应命令动作，接收板按键命令实施程序步骤以下程序开始通信使能数据接收判定是否收到数据否数据解析数据校验获取命令动作使能命令实施是3.13 接收板按键实施步骤第四章 智能窗户控制系统设计用芯唐M0516LDN做主控mcu，实现对窗户智能控制，对环境温湿度检测，和无线通信，含有很好灵活性和经济性。本系统在系统中使用调试成功，实现了遥控/按键对窗户控制同时实现了对温度、湿度、振动自动采集和实时监控、报警等功效，为现代现代化智能家居生产起到了主动作用，整个系统结构简单，操作方便、灵活，含有很好实际价值和使用性。第五章 实测和结果说明无线遥控按键关键功效是控制窗户,窗帘电机正反转等。手动控制按键功效是直接操作窗帘电机正转和反转。另外遥控器按键设有对码按键，雨水检测，防盗，童锁，等功效按键。工作方法选择是选择无线遥控和选择手动控制，在无线遥控控制下，手动控制有效；在手动控制状态下无线遥控控制也一样效，目前工作状态由最新更新命令为准。电机工作时间长度是依据用户窗帘长度不一样来决定，在设计过程中使用巧妙停机方法：硬件上，在窗帘两端各并联1个限位开关，在窗帘到位后，限位开关断开，电机停止运转；该项目经过数次改善，参考目前类似产品做法，做多种尝试和修改，在现有技术状态下各项指标已经达成技术要求。第六章 结论伴随电子技术产业结构调整，生产工艺不停提升，大家生活水平不停提升，家用电器逐步普及，大家对窗户智能要求和安全要求也越来越高。市场上对无线遥控控制系统需求也越来越大,高精度、多功效、低功耗，是现代科技发展趋势。单片机在电子产品中应用已经越来越广泛，在很多电子产品中也用到了无线遥控控制，基于单片机和无线遥控控制器应用范围日益广泛和多样。基于无线控制智能窗户设计，充足吸收了MCU智能化特点，同时集中了无线遥控灵活方便特点。经过大量实际项目测试，该产品性能稳定，控制可靠，含有很大推广市场。