多功能智能窗设计报告.doc

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2012AMD杯（青岛）大学生电子设计竞赛复赛设计报告

参赛队号：

2012030

项目中文名称：

多功能智能窗

项目英文名称：

SmartWindow

学校：

中国海洋大学

院系：

工程学院自动化及测控系

指导老师：

黎明

参赛队员：

李明扬、樊铭远、刘赛、黄嘉俊

目录

摘要 2

Abstract 2

一、系统功能分析 2

二、硬件设计方案 2

1、控制器设计方案 2

2、程序下载与串口通讯电路设计方案 2

3、温度传感器电路设计方案 2

4、湿度传感器电路设计方案 2

5、红外报警传感器设计方案 2

6、角度测量电路设计方案 2

7、雨滴模块设计方案 2

8、GPRS通信模块设计方案 2

9、LCD液晶显示器硬件设计方案 2

10、键盘硬件设计方案 2

11、电机硬件设计方案 2

12、系统供电设计方案 2

三、软件设计方案 2

1、整体软件流程 2

2、温度数据融合方案 2

3、自动调节窗户角度设计方案 2

4、通讯模块底层软件设计 2

5、通讯模块人机交互指令设计 2

6、系统输入的软件设计方案 2

7、LCD显示界面设计方案 2

四、系统测试方案 2

1、角度标定测试 2

2、角度控制精度测试 2

3、多个温度传感器融合算法测试 2

参考文献：

2

附录1：

核心程序 2

附录2：

程序清单 2

附录3：

设计原理图与PCB 2

摘要

本项目给出了以STM32单片机为控制器的多功能智能窗实现方案。

本系统以STM32单片机为控制器，实现智能窗根据环境自动开闭、手机远程遥控开闭、防盗报警功能。

智能窗的开闭由电机带动，关闭后有自锁功能；通过手机与系统的GSM模块通信，可实现对智能窗的远程控制；实时监测室内外的温湿度，通过信息融合算法实现窗户开度的自动控制；窗户上的主动红外报警器检测到入侵信号后会拉响警铃，并向用户发送报警短信。

关键词：

智能窗 信息融合 远程通讯

Abstract

Thisprojectgivesapracticalschemeofasmartwindowwhichiscontrolledbyaembeddedcontroller,STM32.Thefunctionofthissystemcontainstheautocontroloftheangleofthewindowintermsoftheenvironment,theremotecontrolofthewindowbymobilephone,andburglaralarm.Theangleofthewindowiscontrolledbyamotor,andthewindowcanbelockedautomaticwhenitclosed;theremotecontrolisrealizedbythecommunicationoftheuserandtheGSMmoduleofthesystem;thetemperatureandhumiditysensorscangetreal-timedatathenthesystemcangetaappropriateanglebyinformationfusion;theinfraredalarmcandetecttheinvaderandthebeeperwillringatthesametime,inthesametime,theuserwillreceivethealarmmessagesendfromthesystem.

Keywords:

SmartWindow DataFusion RemoteCommunication

一、系统功能分析

本系统的目标是设计一款多功能智能窗，应用于未来的智能家居。

主要功能如下：

１、多传感器测量:

利用多组温湿度传感器，将各传感器的测量结果进行融合，能够给出较准确的温湿度信息；实时监控室内外温度，并反馈给用户；配置雨滴检测模块，能够监测室外下雨情况，并及时提醒用户。

２、智能运动控制：

使用直流电机驱动的电动推杆实现智能窗的开闭，并设置自动调节功能，当内外温湿度变化时自动调节窗户的开度。

３、人机交互功能：

配置了LCD显示器和4*4键盘，能够实时显示室内外温湿度信息，可用键盘对各功能进行设置，并修改开机密码、手机号等用户信息；并可用GPRS模块与用户进行远程通讯完成上述功能。

４、远程通讯功能：

配置了GPRS模块与用户通讯，使用户可以用手机命令的形式控制智能窗任意角度的开闭；并可对系统功能和用户信息进行设置。

５、防盗报警功能：

配置对射式红外传感器作为防盗报警器，在报警开启情况下，检测到外界入侵会及时发送短信提醒用户。

6、数据存储功能：

使用MCU内置的FLASH，实现用户数据和系统配置信息的在线更新和掉电存储，防止用户信息丢失。

二、硬件设计方案

硬件整体框图：

图2-1硬件整体框图

1、控制器设计方案

1.1控制器简介

本设计的控制器采用STM32单片机系列的单片机STM32F103RBT6。

以下是它的部分特性：

（1）采用ARMCortex-M3内核，拥有最高72MHz的工作频率，对于设计所需的较多功能能够及时的处理。

内核中的Systick定时器可作为精确延时的工具，便于传感器控制时序的处理。

（2）配置128KB的闪存程序存储器，足够容纳复杂的程序设计代码，并可以利用剩余的flash空间存放用户数据和系统配置信息。

（3）内置两个12位AD，转换时间1微秒，并有多达16个输入通道，可用于实现窗户角度信息的采集。

（4）配置三个通用定时器TIM2、TIM3、TIM4，一个高级控制定时器TIM1，每个定时器又有四个可分别控制的通道，方便灵活，功能强大。

可实现定时中断，PWM脉宽调制，正交编码输入等功能。

（5）配置三个USART外设，可方便的与计算机进行通讯，便于系统的测试；同时方便与GPRS芯片MC37i进行通讯，实现短信收发的控制。

（6）配置多个具有复用功能的I/O端口，速度可达50MHz，所有端口都可以映像到16个外部中断，几乎所有端口都可以容忍5V信号。

1.2控制器外围电路设计

（1）复位电路设计

图2-2复位电路原理图

（2）外部晶振电路

43

图2-2外部晶振电路图

（3）电源滤波电路

图2-3电源滤波电路图

除了在VDDA和VSSA之间设置滤波电路之外，还在单片机所有的四个VSS和VDD之间都放置一个0.1uF的滤波电容。

（4）Boot0和Boot1电路

Boot0和Boot1管脚在芯片复位时的电平状态决定了芯片复位后的启动方式。

BOOT1=X

BOOT0=0

从用户闪存启动，这是正常的工作模式

BOOT1=0

BOOT0=1

从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能由厂家设置。

BOOT1=1

BOOT0=1

从内置SRAM启动，这种模式可以用于调试。

本设计为了可以采用JTAG和ISP两种方式下载程序，在BOOT0处设置了一个选择开关，进行ISP下载时要将BOOT0管脚拉高，下载完后再拉低即可正常运行。

图2-4芯片启动方式电路图

2、程序下载与串口通讯电路设计方案

本设计采用可以采用两种方式进行程序下载：

ISP方式和JTAG方式。

2.1ISP下载与串口通讯电路设计

本设计采用Prolific公司生产的PL2303芯片进行USB和串口信号的转换，它具有高度集成的特点，提供了一个在USB接口跟RS232串口之间通信的的解决方案。

在使用时，作为RS232/USB双向转换器，一方面从RS232外设中接收数据并将其转换为USB数据格式传发送给外设;另一方面从主机接收USB数据并将其转换为RS232信息流送回主机。

开发者无需考虑固件设计，因而对嵌入式设计者是透明的，便于实现了单片机串口和计算机USB口的通讯和ISP下载。

以下是PL2303外围电路设计：

为了防止系统在使用外部电源供电时内部5V电压与USB接口的5V电压输入冲突，在USB电压输入端接500mA保险丝，并串接肖特基二极管1N5819，起到保护作用。

图2-5PL2303外围电路图

2.2JTAG下载电路设计

本设计使用20针的JTAG接口作为与外界的连接端口。

JTAG拥有一个双向串行端口，可以通过JTAG将需要运行或者调试的程序下载到单片机的FLASH内，控制STM32F103的运行，读取片内寄存器值，以及刷新存储器的内容，方便了程序的编写和维护。

标准JTAG接口是4线；TD0、TD1、TMS和TCLK，分别为数据输出、数据输入、模式选择和时钟。

电路中在JTAG的电压输入端串接肖特基二极管1N5819，在电路板采用JTAG供电时达到保护电路的目的。

图2-6JTAG下载电路图

3、温度传感器电路设计方案

本设计采用DS18B20作为温度传感器。

DS18B20温度传感器是一线式数字温度传感器，温度测量范围是－55℃～＋125℃，测温分辨率可达0.0625℃，精度较高；电源供电范围为3V~5.5V。

18B20的最大特点是支持单总线挂接多个传感器，极大地节约了硬件电路，便于多传感器网络的搭建。

因为每个18B20有唯一的系列号，写在传感器的ROM内，可以通过读取ROM命令和搜索ROM命令识别总线上的器件，分别读取他们的信息。

以下是18B20的电路接口图，在电源与地直接连入0.1uF电容起滤波作用。

图2-7DS18B20电路图

4、湿度传感器电路设计方案

本设计中湿度传感器选择了DHT11。

DHT11温湿度传感器是一款湿温度一体化的数字传感器，其湿度测量范围：

20－90％RH，湿度分辨率：

1％RH，精度较高，能较精确的测量室内的湿度。

同时HDT11硬件设计简单，只需单片机的一个端口就可读取其数据，非常方便。

以下是DHT11的硬件电路图：

图2-8DHT11原理图

5、红外报警传感器设计方案

红外报警电路采用对射式红外线检测装置，通过检测红外线是否被遮挡判断是否有异常。

红外发射头选用OSE-1L7，其外形和发光二极管LED相似，发射波长940纳米左右的红外线，管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA，控制方便。

红外线接收管采用IRM8601S，它是一个一体式红外线接收传感器，接收头内部集成自动增益控制电路、带通滤波电路、解码电路及输出驱动电路。

它共有三个管脚，电源、地和信号输出，其中心接收频率为38KHz，当接收到38KHz的红外光信号时，会输出一个10毫秒的低电平脉冲信号，当没有接收到38KHz的红外光信号时，输出端为高电平。

以下是红外报警电路的图：

图2-9红外