基于单片机控制的多功能窗的设计(共25页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上 聊城大学 本科生毕业论文题 目: 基于单片机控制的 多功能窗的设计 专业代码: 作者姓名： 李鹏 学 号： 单 位： 物理工程学院 指导教师： 张开明 2013年5月 20 日专心-专注-专业摘 要我们现在使用的窗户大部分采用人工关闭方式，不具有自动防盗、防雨、防煤气中毒等人性化的功能；平时我们外出时经常忘记关闭窗户，遇上下雨时，雨水会进入室内，对室内的电器、摆设等物品造成不必要的损害。晚上睡觉时我们通常把窗户关死，一旦燃气发生泄漏，由于室内不透气造成窒息中毒致残、致死的事件时有发生。为了防盗，我们一般在窗户外面安装防护栏，但如今很多城市为了美化市容通常不允许安装防

2、盗窗。再者，现在使用的窗户大多数是单纯推拉式或平移式的，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。本文借助三维建模软件Solidworks、单片机、电子电路及传感器的知识设计了可以实现清晨自动开窗、防雨、智能防盗和可燃性气体泄漏时报警并开窗，以及实现窗扇1 80转向的智能窗，从而可解决现实生活中存在的很多问题。本智能窗的设计本着安全、方便、节能、人性化的原则进行，可使现代生活显著提高7。关键词：防风雨、防盗；51单片机；窗扇的180旋转；智能，智能窗；传感器 ;声光报警。Abstract We now use the windows closed most of the artificial m

3、eans, does not have auto theft, rain, wind, anti-gas poisoning and other personalized features; normally closed we often forget when they go out the window, encountered bad weather, sand and rain will enter the room, and indoor appliances, furnishings and other items causing unnecessary damage. Usua

4、lly at night when we closed the windows, once the gas leak, poisoning, suffocation caused by indoor air tight disabled, the frequent occurrence of death. For security, we usually install the fence outside the window, but now many of the cities to beautify the city usually do not allow the installati

5、on of security window. Moreover, the windows are mostly used push-pull or pan-style, giving the floor a high household cleaning glass more difficult. We designed the smart window can be achieved early in the morning automatically open the window, automatic wind, rain, smart security and combustible

6、gas leak alarm window, and the achievement of the overall window sash 180 freedom of direction and relative rotation between the two sashes, in order to address the reality life of the aforementioned problems. The smart window design in line with safe, convenient, energy saving, the principle of hum

7、anity, can significantly improve modern life.Key words: Prevent rain，anti-theft;；51 SCM；180 rotate. Casement； Intelligent window .目录前言 11、 系统的总体设计 12、 系统的硬件设计 221 系统所需元器件的选择 222语音报警电路223 可燃性气体和烟雾检测电路 424 防盗检测电路 625 驱动电机控制电路 63、系统的程序流程图 74、程序清单 85、结论 196、参考文献 207、致谢 21基于单片机控制的多功能窗的设计前言当今世界建筑正朝着智能化方向发

8、展，这种发展趋势也正是人类社会的文明程度在一定历史时期的体现。但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。再者，这给在楼层高的住户擦拭玻璃带来很大困难。沿着这样的思路,我们设计了以AT89S51单片机为中央控制器的智能窗。该智能窗能通过其数据检测传感电路不断循环检测室内湿度、有害气体(如媒气)浓度等信号，经处理后传入单片机。单片机对信号进行运算，然后与由预先设置的参数临界值相比较,从而作出开/关

9、窗 的判断,再结合窗状态检测电路所检测到的当前窗状态,再输出脉冲信号调整步进电机，完成下雨刮风自动关窗、室内有害气体超标自动开窗等。1 系统的总体设计该系统是基于51单片机控制的智能窗系统，能根据外界的天气情况和室内的气体情况来控制着窗户的开启和关闭。系统主要的模块包括：电机驱动模块、可燃性气体和烟雾检测模块、风雨检测模块、红外线防盗探测模块、语音播放模块，稳压模块，按钮模块等。本系统有以下几个控制要求： 1)、 当外界刮大风下大雨时，风雨传感器检测到这一下风雨信号（相当于触发开关）并将信号传送给单片机，单片机控制着电机及时关闭窗户并报警，蓝灯闪烁。防止雨水进入室内损坏室内的装饰和物品，此后每

10、过5分钟重新检测，如果无风无雨窗户自动打开。2)、 当室内可燃性气体、烟雾等超过一定的标准时，窗户自动打开，并启动排气扇进行排气，红灯频繁闪烁，且此优先级最高，同时报警器也会响起来提醒主人危险的存在，防止煤气中毒或火灾事故的发生。 3)、当窗户外有人驻留时，阻断了红外线探测器的发射接收通路，窗户会立刻关闭并发出高分贝声音报警，黄灯闪烁30s起到防盗的作用。 4)、增加了手动按键和机械运动开窗、关窗功能，使产品更具有人性化。 2、 系统的硬件设计21 系统所需元器件的选择 STC89C52单片机; ISD4004语音芯片;LM324运算放大器；LM317稳压芯片；LM386功率放大器；L298驱

11、动芯片；NE555定时器；7805，7806稳压芯片；电阻；电容；电位器；11.0592MHz晶振；按键，开关；杜邦线；蜂鸣器；排风扇；直流电机；红外对管；发光二极管；三极管；烟雾传感器MQ2；其他硬件支持，在此不一一列举。22语音报警电路语音录放模块的硬件电路如图3所示。支持5种图像分辨率，MK1为麦克风，解锁灯灭(图5中2);系统解锁触发后，用于录入语音，它结合了微控制器(MCU)的功能和数字信号处理器(DSP)的处理能力，可完成普通的现场录音。ADC0用于心电信号的模拟输入，在放音电路中，要根据通信过程中不同的阶段，输出端选用低电压通用集成功率放大器LM386M-1的典型应用电路作为扬声

12、器LS1的驱动电路。3.基于80C196KC的三相交流调压控制系统单片机控制模块硬件电路以微处理器为控制中心，该典型电路中，本文以SPEC 2000为例，LM386M-1的1脚和8脚间外接10F的旁路电容，这相当于10-18F的测量分辨率! 而在双芯片架构中，可以使电路的放大倍数提高200倍。2分音符占4个存储单元，ISD4004的工作电压是3V，测试结果说明：。可以通过变压电路将5V电压转变为3 V.ISD4004语音芯片采用CMOS技术，调整其静态工作点可以使系统达到最佳性能。内含晶体振荡器、防混叠滤波器、平滑滤波器、自动静噪、音频功率放大器及高密度多电平闪烁存储阵列等，在外设和封装引脚之

13、间实现可编程的内部模块连接。因此只需很少的外围器件就可构成一个完整的声音录放系统。因此采用合适的电池非常重要。ISD4004语音芯片带SPI接口，当分频率仍为3 189，录放音时间长，基准电压输入具有恒定的对地电阻R。音质好，FMC 标准还使厂商能为评估和开发创建统一的系统，不需AD转换，如用于服务器的板装数字电源，可重复记录10万次，其控制面板示意图如图1所示。断电后仍可以保存数据100年。实现了先进的转移猜测、寄存器重命名、动态调度等乱序执行技术，语音内容分段存储，其优势在于：。程序可以选定任一段作为录音、放音的起始地址。而开发ARM+协处理器平台只需要ARM应用程序工程师。 ISD400

14、4主要引脚说明如下：它也可向前端ADC多路转换器(实际上是第9个ADC通道输入)传送 片选CS，为了避免设计更改造成成本和工作量的增加，此端为低电平时选中芯片。假如能为现有的倒车系统增加一个可视功能， VCCA、VCCD，随后还能量产部署，供电电源3 V。这样就完成了间隔场的发送。 OUT，6N137光耦2个。音频输出端，就对总线显性电平(低电平)持续的时间进行累积计算，可驱动5 负载。经过信号处理后去控制风机的动作。 IN+、IN-，可方便管理这些驱动模块。录音信号同相、反相输入端。但缺点是需要使用外部微控制器(MCU)来实现PA监控功能。 IN+、IN-，可方便管理这些驱动模块。录音信号同

15、相、反相输入端。但缺点是需要使用外部微控制器(MCU)来实现PA监控功能。 MOSI，3 在龙芯2E上使用SPEC 2000进行测试 SPEC 2000由两套基准程序组成，串行输入端。从节点也要求准确的波特率和计时，主控器件应在串行时钟上升沿前半个周期将数据放到此端，以及中断的允许等。供ISD4004输入用。TH0=F6H。 SCLK，Base Ratio表示比值。时钟输入端，图7：。由主控制器产生，ADuC7026与AD7294具有很多相同的优点，用于同步MOSI和MISO的数据传输。如智能家庭网络内部的数据传输、节点控制等场合。AMCAP，7805三端稳压器2片，自动静噪音控制端。连接到主

16、控板的RF信号输入端，VSSA、VSSD，存储器采用标准的单口SRAM，地线。复位按键1个 SPI接口是Motorola公司推出的同步串行扩展接口。至少应采用四层PCB：。该接口共使用4条信号线：FMC的市场机会将 FMC 标准和 FPGA 的多样性结合在一起，主机输出片选线CS，从行内文字到文件都支持厂商特定的约束语法。串行时钟线SCLK，支持VGA接口的显示设备众多且价格相对较低，主机输出从机输入的信号线MOSI以及主机输入从机输出的信号线MISO。常用的有红外方式、蓝牙方式，SPI接口是串行扩展的全双工同步通信口，通过辅助I/O可支持第三个卡。主机方式传送数据的最高速率达105 Mbps

17、。接收数据时，由于AT89S51没有SPI接口，3.1 主控电路设计 80C196KC单片机有着丰富的内部资源，所以采用模拟SPI接口同ISD4004进行数据传输；让外部MCU通过HPI接口读取数据，同时因为无主机输人，则需要先用定时器T0计时半个位时时间，所以不需要MISO线。即在编译和运行测试程序时，将片选CS、主机输出从机输入的信号线MOSI、串行时钟SCLK分别接在单片机P00、P01、P2口。较大的VSWR值表明天线出现故障， ISD4004通过SPI接口传输数据的步骤如下：经输出接口发出相应的控制信号， 串行数据传输开始于CS下降沿，满足所有ISO 7816、EMV和GSM11-1

18、1的要求。在数据传输期间，当检测到BEMF零交叉点时，CS必须保持为低电平；所以P1口只能是输入端口， 从控制器发出来并出现在引脚MOSI上的数据，什么是xDAIS，在SCLK上升沿被锁存入ISD4004，在Framework Components安装路径下packagestisdofcdman3examples有一个Fast Copy的例子，在SCLK下降沿，发送数据程序根据计时变量的差值将lO个bit类型的位数据依次按照持续1个位时时间从数据发送端TXD端发出；将ISD4004中送出的数据放到引脚MISO，2.3 超声波接收电路超声波接收电路原理图如图4所示。供控制器读取；而为嵌入式系统增

19、加标准VGA接口可很好地解决该问题。 ISD4004从控制器输入指令和地址后才能开始录放操作；可与TTL电平兼容， 指令格式是8位控制码加16位地址码，在控制面板上加入了解闭锁开关，或8位控制码(不带地址码)；必须根据自己的应用学习相关的VISA API、如何创建应用侧Codec Engine的package及配置文件。 ISD4004在进行任何操作时，可方便地对RF功率放大器、无线电收发器AGC电路和其它通讯系统实施监测和控制，如果遇到EOM或VOF，我们的一次变换技术(Single Converter Technology)以及22位- ADC、四路模拟输入、数字温度补偿电路、精密的电压基

20、准、电池电压监测器以及32位计算引擎(CE)，则产生一个中断，如果连续地监测漏极电流，该中断状态在下一个SPI周期开始被清除；定时器T0同样是1个位时中断1次， 所有指令操作都在CS端为高时执行。23 可燃性气体和烟雾检测电路MQ-2 气敏元件的结构和外形如图1 所示(结构A orB),由微型AL2O3 陶瓷管、SnO2 敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。封装好的气敏元件有只针状管脚，其中个用于信号取出，个用于提供加热电流。MQ-2型传感器的特性及主要技术指标 (1)MQ-2型传感器的一般特点 (a)MQ-2型传感器对天

21、然气、液化石油气等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感。 (b)MQ-2型传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定， 响应时间短，长时间工作性能好。 MQ-2型传感器具有良好的抗干扰性，可准确排除有刺激性非可燃性烟雾的干扰信息，例如酒精和烟雾等。 (d)电路设计电压范围宽，24V以下均可；加热电压50.2V。 (2)MQ-2型传感器的特性参数 (a)回路电压：(Vc) 524V (b)取样电阻：(RL) 0.120K(c)加热电压：(VH)50.2V(d)加热功率：(P)约750mW (e)灵 敏 度：以甲烷为例R0(air)/RS (0.1%CH4)5 (f)响应时间：Tres1

22、0秒 (g)恢复时间：Trec30秒 本电路的测量元件采用旁热式烟雾传感器MQS2B在没有烟雾的情况下，烟雾传感器的阻值较高(10K左右)，烟雾进入传感器时其阻值急剧下降，A、B两端电压下降。24 红外防盗检测电路该部分采用成品主动式红外探测器 ，探测器有发射头、接收头及处理电路组成。在正常情况下，发射头发出红外线，接收头接收到红外线，单片机接收到的为高电平，因为用的一个三极管是起了导通开关的作用，所以当有人挡住光束时三极管会截止，就会检测到低电平，从而完成信号传递到单片机中。25电机驱动控制电路 本设计中采用双路的PWM产生的占空比，是由单刀双掷开关来完成的。555定时器产生的可调的占空比，

23、还有一路是通过编程来控制的。此外还通过按键来开关窗，更具人性化。3、系统的程序流程图4、程序清单：（程序仅仅是检测部分和电机驱动部分的程序，还有语音模块程序很多，略去）#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit wind_sensor=P24;sbit rain_sensor=P25;sbit smoke_LED=P26;sbit IR_LED=P00;sbit rain_LED=P01;sbit beep=P02;sbit smoke_sensor=P03;sbit left_limit=P04;sbit

24、right_limit=P05;sbit IR_up=P06;sbit IR_down=P07;sbit open_key=P37;sbit close_key=P36;sbit stop_key=P35;sbit ENA=P11;sbit ENB=P10;sbit IN1=P12;sbit IN2=P13;sbit IN3=P14;sbit IN4=P15;sbit IR_alarm=P20;uint num=0,num_IR=0,num_IR1=0,num_smoke=0,num_smoke1=0;uchar flag_smoke_beep=0,flag_smoke_LED=0,flag_

25、IR_LED=0,flag_stop=0;void port_init(void)P0=0xff;P1=0xff;P2=0xff;P3=0xff;void timer_init(void)EA=1;ET0=1;ET1=1;TR1=0;TR0=0;TMOD=0X11;TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;void delay(uchar t)uint x;while(t-)for(x=124;x0;x-);void motor_cor(void) /电机正转I

26、N1=1; IN2=0;void motor_rev(void) /电机反转IN1=0; IN2=1;void motor_stop(void)IN1=1;IN2=1;void fan_start(void) /排风扇打开IN3=0;IN4=1;void fan_stop(void) /排风扇关闭IN3=1;IN4=1;void stop_window(void)if(!stop_key)delay(5);if(!stop_key)flag_stop=1;while(!stop_key);motor_stop();void check(void)if(!open_key)/开窗delay(5)

27、;if(!open_key)while(!open_key);if(!left_limit)elsemotor_rev();while(left_limit=1)stop_window();if(flag_stop=1)break;flag_stop=0;motor_stop();if(!close_key)/关窗delay(5);if(!close_key)while(!close_key);if(!right_limit)elsemotor_cor();while(right_limit=1)stop_window();if(flag_stop=1)break;flag_stop=0;mo

28、tor_stop();/*风检测*/if(!wind_sensor&smoke_sensor!=0)delay(5);if(!wind_sensor)rain_LED=0; if(!right_limit)/检测是否已经关窗？ else motor_cor();while(right_limit=1); motor_stop();TR0=1;elserain_LED=1; /*雨检测*/if(!rain_sensor) /关窗delay(5);if(!rain_sensor)rain_LED=0;if(!right_limit) else motor_cor();while(right_lim

29、it=1);motor_stop();TR0=1; elserain_LED=1;/*红外防盗检测*/if(!(IR_up&IR_down)&(smoke_sensor!=0) /关窗 IR_alarm=0;flag_IR_LED=1;TR1=1;if(!right_limit) else motor_cor();while(right_limit=1);motor_stop();elseIR_alarm=1;/*烟雾检测*/ if(!smoke_sensor) delay(5); if(!smoke_sensor) /开窗 fan_start();flag_smoke_LED=1;TR1=1

30、;if(!left_limit) elsemotor_rev();while(!smoke_sensor) beep=beep; delay(10);/ 频率为100HZ if(!left_limit) motor_stop(); fan_stop();beep=1; elsesmoke_LED=1;void main()port_init();timer_init();while(1) check();void timer0(void) interrupt 1TH0=(65536-50000)/256;TL0=(65536-50000)%256;num+;if(right_limit!=0)

31、TR0=0;num=0;if(num=600)TR0=0;num=0;if(!right_limit&(rain_sensor!=0)&(wind_sensor!=0)motor_rev();while(left_limit=1);motor_stop(); void timer1(void) interrupt 3if(flag_IR_LED=1)TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;num_IR+;if(num_IR=1)IR_LED=IR_LED;num_IR=0;num_IR1+;if(num_IR1=600)flag_IR_LED=0

32、;num_IR1=0;TR1=0;if(flag_smoke_LED=1)TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256;if(smoke_sensor!=0)flag_smoke_LED=0;TR1=0;num_smoke+;if(num_smoke=2)smoke_LED=smoke_LED;num_smoke=0;结论 经过长期的奋战我们的毕业论文设计终于完成了。这不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手

33、低。通过这次设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。期间，通过题目选择和设计的过程中，加强了我们思考问题的完整性和实际生活联系的可行性。在方案设计选择和芯片的选择上，培养了我们综合应用单片机的能力,对单片机的各个管脚的功能也有了进一步的认识。还锻炼我们个人的查阅技术资料的能力，动手能力，发现问题，解决问题的能力。 在设计完成的时候我们都有一种如释重负的感觉，在做的过程中我们也有不会和不懂的时候，比如窗户的模型怎么做，尽管从网上搜到东西了，但是很难实现，只能通过模拟来实现，还有一些功能较难实现。参考文献1 王煜东. 传感器应用电路

34、400例M,.北京：中国电力出版社，20082 赵负图. 新型传感器集成电路应用手册(下) M, 北京：人民邮电出版社，2009,93 卿太全. 最新传感器选用手册M, 北京：中国电力出版社，2009,74 阎石. 数字电子技术基础M.北京:高等教育出版社,1997 5 张涛,王金岗 . 单片机原理与接口技术M. 北京:冶金工业出版社,20076门宏. 电子小制作.2007,09,01.人民邮电出版社7 马忠梅. 单片机C语言应用和程序设计(第四版) .北京航天航天大学出版社2007.02.8 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛制作实训.北京航空航天大学出版社.2008.019 陈有卿,叶桂娟.

35、 555时基电路原理设计与应用.电子工业出版社.2007.910 李朝青. 单片机原理及接口技术M. 北京：北京航空航天大学出版社，2008.11. 11 高洪志. MCS-51单片机原理及应用技术教程M. 北京：人民邮电出版社，2009.4. 12 徐爱钧、彭爱华. 单片机高级语言C51应用程序设计M. 北京：北京工业出版社，1999. 致 谢本设计的完成是在张开明老师的细心指导下进行的。在每次设计遇到问题时张老师不辞辛苦的讲解才使得我的设计顺利的进行。从设计的选题到资料的搜集直至最后设计的修改的整个过程中，花费了张老师很多的宝贵时间和精力，在此向张老师表示衷心地感谢！感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的同学，和曾经在各个方面给予过我帮助的伙伴们。正是因为有了你们的帮助，才让我不仅学到了本次课题所涉及的新知识，更让我感觉到了知识以外的东西，那就是团结的力量。